Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Сотовые системы связи третьего поколения с технологией CDMA
1.1. Основные характеристики современных сотовых систем связи 20
1.2. Характеристики радиоканалов в широкополосных сотовых системах связи 24
1.3. Сотовые широкополосные системы многостанцонного доступа с кодовым разделением каналов (WCDMA) и переменным коэффициентом расширения спектра
1.3.1. WCDMA в системах третьего поколения 27
1.3.2. Радиоинтерфейсы и распределение спектра для систем третьего поколения 28
1.3.3. Базовые сети 32
1.4. Структурная схема радиоинтерфейса прямой линии системы WCDMA
1.4.1. Различия радиоинтерфейсов WCDMA и систем второго поколения 34
1.4.2. Прямая линия WCDMA 38
1.5. Принцип управления мощностью в прямой линии системы WCDMA
1.5.1. Общая концепция управления мощностью в системе WCDMA 1.5.1.1. Быстрое управление мощностью 39
1.5.1.2. Управление мощностью при мягкой эстафетной передач управления 42
1.5.1.3. Внешний контур управления мощностью 44
1.5.2. Примеры управления мощностью в прямой линии сотовых системах связи с технологией CDMA 46
1.6. Выводы к главе 1 64
Глава 2. Проблема повышения суммарной скорости передачи прямой линии при наличии ограничений на мощности излучения базовой станции
2. 1. Основные процессы, необходимые для передачи сигнала в системах с расширенным спектром
2.1.1. Расширение спектра 67
2.1.2. Скремблирование 68
2.2. Модуляция и расширение спектра в прямой линии
2. 2. 1. Модуляция в прямой линии 68
2. 2. 2. Расширение спектра в прямой линии 70
2. 2. 3. Коды формирования каналов 72
2. 2. 4. Скремблирование в прямой линии 74
2.3. Емкость прямой линии сотовой системы связи третьего поколения WCDMA
2.3.1. Емкость соты системы с технологией WCDMA 77
2.3.2. Факторы, влияющие на емкость системы WCDMA 85
2.3.2.1. Зона покрытия 86
2.3.2.2. Влияние мягкой эстафетной передачи 87
2.3.2.3. Максимальная мощность базовой станции 87
2.3.2.4. Ограничение на ортогональные коды расширения
с переменным коэффициентом 88
2.4. Распределение скорости передачи и мощности излучения в прямой линии
2.4.1 Концепция распределения скорости передачи и мощности излучения в прямой линии 88
2.4.2. Алгоритмы назначения скорости передачи в прямой линии 93
2.5. Способы изменения скорости передачи в сотовых системах третьего
поколения с технологией CDMA 101
2.6. Выводы к главе 2 104
Глава 3. Асимптотическая оценка емкости сотовых систем связи с технологией CDMA
3.1. Постановка задачи 105
3.2. Геометрия системы 106
3.3. Емкость сети при ориентации на абонентов, находящихся на границе соты 110
3.4. Отношение сигнал/(суммарная интерференция) при случайном положении абонента в соте 117
3.5. Выводы к главе 3 119
Глава 4. Алгоритмы совместного назначения скорости передачи и мощности излучения прямой линии
4.1. Постановка задачи 121
4.2. Отношение сигнал/интерференция в прямой линии многосотовой системы WCDMA 123
4.3. Совместно оптимальное назначение скорости передачи и мощности кодового канала прямой линии 126
4.4. Субоптимальные алгоритмы назначения скорости передачи и мощности излучения 129
4.5. Оценка суммарной скорости передачи 136
4.6. Модели мобильности подвижных станций 4.6.1. Случайная Модель мобильности подвижной станции 140
4.6.2. Новая модель мобильности подвижных станций в городской застройке 145
4.7. Выводы к главе 4 148
Глава 5. Экспериментальное исследование алгоритмов совместного назначения скорости передачи и мощности излучения
5.1. Метрика качества 150
5.2. Модули разработанного имитатора сотовой сети
5.2.1. Модули распространения радиоволн
5.2.1.1. Потери распространения 153
5.2.1.2. Модуль затенения 154
5.2.1.3. Релеевское замирание 155
5.2.2. Коэффициенты, определяющие уровень интерференции
5.2.2.1. Коэффициенты межсотовой интерференции 156
5.2.2.2. Коэффициенты относительной интерференции 156
5.2.3. Моделирование мобильности абонентов в городской застройке 156
5.2.4. Моделирование нагрузки сети 159
5.3. Выводы к главе 5 161
Заключение 163
Список литературы
- Сотовые широкополосные системы многостанцонного доступа с кодовым разделением каналов (WCDMA) и переменным коэффициентом расширения спектра
- Модуляция и расширение спектра в прямой линии
- Емкость сети при ориентации на абонентов, находящихся на границе соты
- Совместно оптимальное назначение скорости передачи и мощности кодового канала прямой линии
Введение к работе
Актуальность темы. Мобильная связь - одно из современных направлений в области связи, получившее интенсивное развитие в течение последних десятилетий. Появление мобильной связи ознаменовало собой новую эру в технике связи и привело к созданию нового набора уникальных сервисных услуг в сфере телекоммуникаций.
Сегодня одно из доминирующих положений в области мобильной связи занимает сотовая связь.
Системы сотовой связи — это системы с много станционным доступом. Их основные параметры зависят от технологии распределения имеющегося частотно-временного ресурса между отдельными каналами.
В настоящее время общепринято, говоря о мобильной связи, выделять три различных поколения систем. К первому поколению относятся аналоговые системы мобильной связи, которые построены по принципу частотного разделения каналов (FDMA) как, например NMT и AMPS. Такие системы предоставляли абоненту лишь основную услугу - передача речи. Системы первого поколения создавались только в масштабах одной страны, и очень часто их основные технические характеристики устанавливались по соглашению между национальным оператором связи и местной промышленностью без открытой публикации технических требований; системы первого поколения разных стран были несовместимы друг с другом, а сама мобильная связь воспринималась в то время лишь как диковинка и дополнение к традиционным сетям стационарной связи.
С ростом спроса на мобильную связь появилась необходимость создания региональной, а затем глобальной системы мобильной связи, которая помимо передачи речи могла бы предложить более привлекательный пакет услуг. Новое второе поколение систем строилось на основе технологий FDMA и временного разделения каналов (TDMA). Среди систем второго поколения как пример коммерческого успеха следует выделить систему стандарта GSM.
На сегодняшний день технологии FDMA и TDMA практически исчерпали свои возможности и не могут обеспечивать существенно большую пропускную способность. Третье поколение сотовых систем связи, использующее технологию кодового разделения каналов (CDMA), благодаря высокой спектральной эффективности, является радикальным решением проблемы дальнейшей эволюции сотовых систем связи.
Наиболее выраженной особенностью сотовых систем связи третьего поколения является использование абонентами более высоких скоростей передачи: скорость может достигать 384 Кбит/с при коммутации каналов и 2 Мбит/с при коммутации пакетов. Естественно, что более высокие скорости передачи способствуют внедрению многих новых услуг, например, видеотелефонии и быстрой загрузки данных.
Емкость системы с технологией CDMA ограничена несколькими факторами, основным из которых в отличие от систем FDMA и TDMA; является собственная интерференция для последних ограничение обусловлено прежде всего шириной полосы частот. Любое уменьшение интерференции в системах CDMA напрямую превращается в увеличение емкости сети. Например, управление мощностью излучения передатчиков подвижных станций (ПС) может заметно увеличить емкость сети.
В последнее время в широкополосных системах CDMA (WCDMA) с целью дальнейшего повышения емкости системы во многих работах начаты исследования совместного управления мощностью излучения и скоростью передачи, или мощностью излучения и диаграммой направленности антенны, или мощностью излучения и видом модуляции и т.д.
В данной диссертационной работе для дальнейшего исследования была выбрана первая из вышеперечисленных задач, а именно - адаптивное управление мощностью излучения и скоростью передачи информации.
В широкополосных системах CDMA (WCDMA) скорость передачи и мощность передатчика, назначаемые разным абонентам, могут динамически изменяться в зависимости от изменений параметров канала с целью увеличения
суммарной скорости передачи сети. К настоящему времени предложены различные алгоритмы совместно назначения скорости передачи данных и мощности излучения в многоячеистых системах с технологией WCDMA с учетом мобильности абонента, при динамических изменениях нагрузки сети; обычно предполагается, что застройка является однородной, затенения -логарифмически нормальными, замирания — независимыми релеевскими, начальные положения абонентов - случайными, а траектории их движения -прямыми линиями на интервалах адаптации. Азимуты направлений движения абонентов на каждом интервале адаптации являются случайными величинами с известными распределениями.
Однако много их этих предложений являются слишком ограничительными, а иногда не совсем адекватными реальным условиям функционирования сотовых систем связи с подвижными объектами. Поэтому поиск способов снижения суммарной интерференции в сетях с большими числом базовых станций (БС) или методов адаптации к меняющемуся во времени её уровню являются актуальными научными задачами.
Основное внимание в данной диссертационной работе уделено исследованию возможностей оптимизации сети путем совместной адаптации скорости передачи и мощности излучения передатчиков сети в условиях неоднородной городской застройки, с учетом мобильности абонентов, динамических изменениях нагрузки отдельных сот и при наличии ограничений на суммарную излучаемую мощность сети.
Цель работы. Целями диссертационной работы являются оценка суммарной интерференции в сети с большим числом базовых станций, разработка и исследование эффективности алгоритмов совместного динамического назначения скорости передачи и мощности излучения передатчиков БС в реальной городской застройке с целю максимизации суммарной скорости передачи сети. Для достижения поставленных целей в работе решены следующие задачи.
Выполнение анализа существующих способов управления излучаемой мощностью в прямой линии сотовых систем связи с технологией CDMA.
Проведение анализа существующих методов назначения скоростей передачи и мощности излучения кодовых каналов в сотовых системах связи третьего поколения.
Получение асимптотической оценки емкости прямой линии сотовых систем связи с технологией CDMA при неограниченном увеличении числа БС.
Разработка алгоритма совместного назначения скорости передачи и излучаемой мощности кодовых каналов базовых станций.
Разработка более адекватной модели движения подвижных станций в городской застройке.
Разработка имитационной модели сотовой сети с реализацией в ней известных и новых алгоритмов динамической адаптации сети с целью оценки эффективности предложенных мер повышения суммарной скорости передачи.
Составление плана статистического эксперимента и проведение имитационного моделирования с целью получения количественных оценок эффективности разработанных алгоритмов.
Методы исследования. Для решения поставленной в работе задачи использованы современные методы математического анализа, основанные на теории рядов, теории вероятностей и математической статистики, а также методы статистической радиотехники, статистической теории связи и статистического моделирования. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Предложена новая асимптотическая оценка емкости сотовых систем связи с технологией CDMA.
Разработан новый алгоритм совместного назначения каждому кодовому каналу прямой линии скорости передачи и мощности излучения.
3. Предложена новая более адекватная модель движения подвижных
станций (ПС) в городской застройке.
4. Разработана новая модель динамических изменений нагрузки соты сети.
Основные положения, выносимые на защиту:
Во многих случаях вместо традиционной оценки емкости сети с технологией CDMA, которая учитывает собственную интерференцию лишь от двух колец сот, окружающих рассматриваемую соту, следует использовать асимптотическую оценку емкости сотовых систем связи, учитывающую неограниченно большое число сот сети.
Задача максимизации суммарной скорости передачи в прямой линии путем совместного назначения скорости передачи и мощности излучения в каждом кодовом канале сводится к системе линейных уравнений, которая может быть решена лишь методом перебора; в диссертации предложен один из возможных способов получения субоптимального решения.
Модель движения подвижных станций в городской застройке должна обеспечивать построение траекторий движения, удовлетворяющих ограничениям реальной топологии зоны обслуживания: траектории движения не должны пересекать здания, скверы, пруды, парки и т.д.
Результаты машинного (имитационного) моделирования, подтверждающие эффективность нового алгоритма адаптации сотовой сети.
Практическая ценность работы.
Предложенная асимптотическая оценка емкости соты уточняет допустимое число абонентов, одновременно обслуживаемых в одной соте, окруженной большим числом соседних сот.
Новый алгоритм совместного назначения скорости передачи и мощности излучения является одношаговым, а не рекуррентным, и обеспечивает максимально возможную суммарную скорость передачи в каждой соте сети на каждом интервале адаптации.
3. Модель движения ПС позволяет обеспечить размещение траекторий движения ПС вне зон обслуживаемой территории, занятых зданиями, водоемами, парками и так далее. Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены и обсуждались на научно-технической конференции профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ в 2001 г., 2002 г., 2004 г., 2005 г., 2006 г., на Международном форуме информатизации в 2005 г., 2006 г., 2007 г. и в 2008 г., на Международной школе-конференции по приоритетному направлению " Информационно-телекоммуникационные системы" с участием молодых ученых, аспирантов и студентов стран-членов СНГ в 2005 г. и на Московской отраслевой научно-технической конференции в 2007 г., на второй отраслевой научной конференции " Технологии информационного общества", Москва, 2008 г., а также на 16- ой межрегиональной конференции Московского НТОРЭС им. А. С. Попова и МТУСИ. 2008 г.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 30 печатных работах, 4 работы опубликованы в ведущих рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК. Из 30іопубликованных работ 5 - научные статьи, 9 - депонированные работы и 16 — доклады на международных, межрегиональных и других научных конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и двух приложений. Основные результаты изложены на 177 страницах машинописного текста и представлены на 51 рисунке и в 12 таблицах. Дополнительные сведения изложены в приложениях на 25 страницах. В библиографию включены 106 источника на русском и английском языке.
Краткое содержание работы Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи работы, перечислены полученные основные научные результаты и пояснена их практическая ценность, приведены
сведения об апробации работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе даны некоторые сведения об основных характеристиках современных сотовых систем связи, а также представлена характеристика радиоканалов в широкополосных сотовых системах связи. Рассматриваются особенности технологии WCDMA и радиоинтерфейсов сотовых систем связи третьего поколения, распределения спектра и базовых сетей, к которым могут быть подключены сети радиодоступа WCDMA. Приведена структурная схема радиоинтерфейса прямого канала системы WCDMA, выделены также основные отличия радиоинтерфейсов систем третьего и второго поколений.
В данной главе рассматривается общая концепция управления мощностью в системе WCDMA, которая играет важную роль в сотовых системах связи с кодовым разделением каналов. Проведен анализ известных способов управления мощностью в прямой линии, подчеркнуто, что с помощью управления мощностью БС можно существенно увеличить емкость сети.
Во второй главе формулируется и анализируется проблема повышения суммарной скорости передачи прямой линии при наличии ограничений на мощности излучения базовых станций, и выделяются основные процессы, обеспечивающие передачу сигнала в системах с расширенным спектром. Приведены примеры расчетов емкости прямой линии сотовой системы третьего поколения WCDMA. Описаны основные факторы, влияющие на емкость системы WCDMA. Рассмотрена концепция назначения скорости передачи и мощности излучения кодовых каналов в прямой линии и существующие алгоритмы распределения этих ресурсов. Описаны способы изменения скорости передачи в сотовых системах третьего поколения с технологией CDMA.
В третьей главе получены аналитические выражения, определяющие емкость прямой линии сотовой сети связи с технологией CDMA с
бесконечным числом одинаковых сот для двух случаев: без управления и с управлением мощностью каждого кодового канала. Предлагаемые в данной главе оценки емкости одной соты названы асимптотическими потому, что они получены для случая, когда локальная сота окружена неограниченно большим количеством других аналогичных сот. В реальных сетях число сот ограничено, хотя и может быть достаточно большим. Полученные оценки можно рекомендовать для внутренних сот, в то время как для сот, близких к границе обслуживания их можно рассматривать только как оценки сверху.
В четвертой главе приведено описание двух известных и одного нового алгоритма совместного назначения скорости передачи и мощности излучения базовых станций с целью максимизации суммарной скорости передачи в соте или сети с учетом реального расположения улиц городской застройки и при динамических изменениях нагрузки сот сети.
Детально представлена процедура назначения скорости передачи и мощности каждой БС сети, в которой могут быть использованы как известные алгоритмы, так новый алгоритм, предложенный' в этой главе. Новый алгоритм сохраняет положительные свойства известных алгоритмов и обеспечивает более высокие средние значения скорости передачи в прямой линии для каждого абонента сети.
В этой главе предложена также новая вероятностная модель движения мобильных абонентов, а также приведены результаты экспериментального исследования эффективности нового алгоритма совместного назначения скорости передачи и мощности излучения.
В пятой главе оценивается равнодоступность к скорости передачи среди различных абонентов (в соте/группе сот) при использовании рассматриваемых алгоритмов распределения скорости передачи и мощности излучения в случае некоррелированных и коррелированных затенений для известной модели случайной мобильности и новой модели движения в городской застройке, при наличии динамических изменений нагрузки сот сети. Предоставлены более
детальные сведения о практической реализации и результатах
экспериментальных исследований предложенных решений
В заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы.
В приложении 1 представлены дополнительные сведения о кодовых каналах
прямой линии.
В приложении 2 представлены некоторые услуги систем третьего поколения
(UMTS) и их разделение на классы обслуживания по качеству.
Сотовые широкополосные системы многостанцонного доступа с кодовым разделением каналов (WCDMA) и переменным коэффициентом расширения спектра
Данный раздел содержит общие сведения о канале связи, необходимые для понимания основных принципов построения современных систем мобильной связи и обработки сигналов в них.
Канал связи является важнейшей и неотъемлемой частью любой телекоммуникационной системы. В мобильных средствах сотовой связи он как физическая среда распространения радиоволн, несомненно, имеет свою специфику: - зоны действия сотовой связи — города и пригороды — районы с той или иной плотностью застройки; - ПС, как правило, находится вне зоны прямой радиовидимости БС, и сигналы в точку приема поступают в ходе переотражения и дифракции; - передвижение мобильных абонентов во время сеанса связи вносит в сигналы допплеровские частотные сдвиги; - наличие большого количества отражателей приводит к эффекту рассеяния электромагнитных волн и многолучевому распространению.
Вследствие отмеченных явлений в канале связи имеют место: - затухания сигналов; - медленные замирания сигналов; - быстрые замирания сигналов.
Затухание сигналов характеризуют средними потерями мощности на трассе распространения между БС и ПС. Величина потерь зависит от дальности связи, типа и плотности застройки, несущей частоты, высоты антенн ПС и БС и многих других факторов. Как правило, в зависимости от дальности связи мощность сигнала затухает со скоростью 20...40 дБ/декада. Для расчета потерь мощности на трассе распространения используют различные методы, которые здесь рассматриваться не будут.
Медленные замирания сигнала возникают при перемещении мобильных абонентов на значительные расстояния (»Л, Л - длина волны) [6] [7]. В ходе таких перемещений трасса распространения сигнала между БС и ПС успевает значительно измениться: на пути радиоволн возникают новые препятствия, основные лучи приходят к ПС по другим маршрутам. Соответственно изменяются и мгновенные значения уровня сигнала на входе приемника ПС.
Медленные замирания зависят от макроструктуры канала связи, их параметры во многом определяются рельефом местности, видом растительности, скоростью1 мобильного абонента и т.п. Медленные замирания часто моделируют логарифмически нормальным законом распределения мгновенных значений огибающей принимаемого сигнала: м \ ( ), [ 1 _..f 2а2 у х XV л}2л а" х [ 0, х 0, (1.1) где х- значение огибающей сигнала; а и а - параметры распределения. Как правило, в крупных городах а = 10 дБ, в пригородах а = 6 дБ [6].
Преодолев расстояние от БС до ПС, один или несколько основных лучей приходят в локальную зону приема ПС (радиус локальной зоны, как правило, десятки метров). Далее происходит рассеяние энергии сигналов основных лучей на многочисленных рассей вателях, расположенных в локальной зоне ( это могут быть стены зданий, автомобили, рекламные щиты и прочие объекты, способные отражать и рассеивать радиоволны). В результате на ПС приходит большое число микросигналов с различными амплитудами, задержками, начальными фазами и допплеровскими частотными сдвигами. Интерферируя в точке приема, эти сигналы вызывают быстрые замирания огибающей суммарного сигнала [6], [7] и [8]. Глубина быстрых замираний может достигать 20...30 дБ. Помимо глубины, быстрые замирания принято характеризовать скоростью и средней длительностью замираний. Скорость замираний есть число пересечений огибающей некоторого уровня (например, 3 дБ) в единицу времени. Средняя длительность замираний - это средняя длительность интервала времени, в течение которого огибающая сигнала находится ниже определенного уровня. Распределение мгновенных значений огибающей быстро замирающего сигнала часто описывают законом Релея-Райса [6]: w ( ) = X (У 0, -ехр .2 Л J 2а2 ехр(- )10 -42К Ко х 0: х 0, (1.2) где х — значение огибающей сигнала; т и К- параметры распределения; 10( ) - модифицированная функция Бесселя 0-го порядка 1-го рода.
Параметр К представляет собой отношение мощности сигнала, пришедшего по прямому лучу (без замираний), к суммарной мощности рассеянных сигналов [9]. Если ПС находится вне зоны прямой радиовидимости БС, прямой луч отсутствует, и в принятом сигнале нет незамирающей компоненты
Модуляция и расширение спектра в прямой линии
Для прямой линии была выбрана обычная модуляция QPSK с потоками данных управления и информационных данных при использовании временного мультиплексирования.
Известно, что модуляция QPSK по сравнению с BPSK имеет спектральную эффективность в два раз больше при одной и тоже скорости передачи информации; при одной и тоже ширине спектра позволяет увеличить скорость передачи в два раза. Реализация модуляции и демодуляции очень проста, поэтому модуляция QPSK нашла широкое применение в беспроводных системах связи. Фаза сигнала QPSK принимает одно из четырех возможных значении: 45, 135, 225 и 315. Математически сигнал QPSK можно записать в виде следующей функции времени [34]: s(t) = A COS[2TT fc + 0, (t)], (2.1) где А - амплитуда; /с - несущая частота; О t Тк; Тк - длительность канального символа; О — л/ о — Ъя/ а — Ътх/ а _ In/ и\ /2 2 — /4 иъ /з 4 — /4 На интервале длительности канального символа, выражение (2.1) можно переписать следующим образом: (0=/(0cos[2;r/c \-Q{t)sm[2nfc ], (2.2) где синфазная / и квадратурная Q компоненты данного сигнала можно представить в виде:
Расширение спектра в прямой линии основано на использовании кодов канализации. Кодовое дерево для одного кода скремблирования совместно используется несколькими пользователями: обычно на один сектор обслуживания базовой станции используется только один код скремблирования. Общие каналы и выделенные каналы используют одним и тем же ресурсом кодового дерева. Для физических каналов имеется одно исключение: канал синхронизации (SCH) не подпадает под воздействие кода скремблирования в прямой линии. Коды расширения для SCH рассматриваются позже. В прямой линии коэффициент расширения спектра в выделенном канале не изменяется от кадра к кадру; от изменения скорости передачи данных избавляются либо путем операции согласования скоростей, либо путем использования прерывистой передачи, когда передача на какую-то часть слота выключается.
В случае мультикодовой передачи для одного абонента параллельные каналы кодирования имеют различные коды канализации и находятся под воздействием того же кода скремблирования, что и все каналы кодирования, передаваемые от базовой станции. Коэффициент расширения спектра будет одинаковым для всех кодов при мультикодовой передаче. Каждый кодированный составной транспортный канал (CCTrCh) может иметь разные коэффициенты расширения спектра, если даже принимается одной и той же ПС.
Особым случаем в прямой линии является совмещенный прямой канал (DSCH), в котором может применяться переменный коэффициент расширения спектра на покадровой основе. В этом случае коды канализации, которые обеспечивают расширение спектра, назначаются из той же ветви кодового дерева для того, чтобы сделать более простой реализацию терминала. Указанное ограничение проиллюстрировано на рис. 2.5, где показаны коэффициент расширения (КР) спектра для максимальной скорости передачи данных и часть кодового дерева, которая может использоваться сетью для назначения кодов, если требуется более низкая скорость передачи. При такой покадровой операции DPCCH выделенного канала содержит информацию TFCI, которая информирует приемник об использованном коде расширения, а также о других параметрах транспортного формата для DSCH.
Передачи от одного источника разделяются кодами формирования каналов (кодами канализации), т.е. прямыми соединениями в одном секторе и выделенным физическим каналом в обратной линии от одного терминала. Коды расширения спектра/формирования каналов UTRA основываются на методе коэффициента ортогонального расширения (OVSF), который впервые был предложен в [35].
Использование кодов OVSF позволяет изменять коэффициент расширения и поддерживать (сохранять) ортогональность между различными кодами расширения различной длины. Коды берутся из кодового дерева, которое показано на рис. 2.7. В том случае, если в соединении используется переменный коэффициент расширения, то правильное (надлежащее) использование кодового дерева также позволяет осуществлять сжатие в соответствии с наименьшим коэффициентом расширения. Это требует только того, чтобы коды формирования каналов использовались из ветви, указанной кодом, используемым для наименьшего коэффициента расширения.
Емкость сети при ориентации на абонентов, находящихся на границе соты
Отношение SIR (мощность сигнала к мощности интерференции) определяется в полосе радиоканала и при любом способе цифровой модуляции может быть выражено через отношение энергии сигнала Еб, затрачиваемой на передачу одного бита, к спектральной плотности мощности интерференции N0: ra= = . -= .-J-= -A, (3.7)
Л Тс N0W N0 TGzW N0 W где Tc - длительность канального символа, z - кратность используемого способа модуляции, определяющая число бит, переносимых одним канальным символом. В цифровых системах с множественным доступом с частотным разделением (FDMA) или с временным разделением (TDMA) каналов R6&W, а отношение 6Ат всегда больше 1 (например, для стандарта GSM для обеспечения требуемого качества передачи речи необходимо обеспечивать значение 6Ат =13 дБ), так что SIR также должно быть больше 1. В системе с технологией кодового разделения каналов (CDMA) полоса радиоканала W значительно больше R6, вследствие чего требуемое значение отношения yN может быть обеспечено при значении SIR, значительно меньшем 1. Например, удовлетворительное качество цифровой передачи речи обеспечивается при значении 6/т = 5 дБ при скорости вокодера R6 = 8 кбит/с; если в системе CDMA полоса радиоканала W = 1,25 МГц, то требуемое значение отношения yN будет обеспечено при SIR = 0,02 [19],[26]. Емкость соты без управления мощностью Введем следующие предположения, которые справедливы для всех БС сети: 1) в каждой соте имеется возможность использовать ./V каналов трафика;
2) потери из-за сложных условий распространения пропорциональны а-той степени расстояния между БС и ПС; 3) мощность PR, излучаемая БС в одном кодовом канале, одинаковы для всех кодовых каналов и выбирается таким образом, чтобы обеспечить требуемый уровень принимаемого сигнала на границе соты с радиусом R; 4) Б С имеют ненаправленные в горизонтальной плоскости антенны. Тогда для любой ПС внутри локальной соты можно записать выражения для отношения (3.7) для различного числа учитываемых соседних сот и различных способов размещения абонента в соте.
В частности, если абонент находится на границе своей соты и учитывается интерференция только данной локальной соты, т.е. сигналы N-\ кодовых каналов прямой линии данной соты, то (3.8) PRyR a _ 1 SIR = (N-])PKyR-a N-Ґ где у - некоторый коэффициент пропорциональности.
Аналогично (3.8) теперь можно записать общее выражение для отношения сигнал-интерференция, которое учитывает все кольца сот, окружающих рассматриваемую локальную соту: PKR со л-1 5 л=1 к=0 1=0 SIR= ряя-4(м-\)+р ± (1(пХ1)) PRR (3.9) со п-\ 5 со п-\ 5 P1(R-4(N-\)+P!(N Y,(R4,U)) -1+ ZZZ(W и=1 к=0 /=0 „=1 =о /=0 Введем обозначение: » «-1 5 . да л-1 п=1 к=0 1=0 п=\ к=0 1=0 (Зп2 +3к2 -Зпк + \-2у1(Зп2 +3k2 -3nk)cos(o, + (nJ))j гдеФ, и (njt) определены нарис. 3.2.
Если для рассматриваемого абонента необходимо обеспечить значение отношения SIR = 0,02, то из (3.9) можно определить максимально допустимое число абонентов в одной соте для сети с неограниченно большим количеством сот: in " - = (3.10) Введем теперь обозначение: N Л-1 5 5и=ЕЕЕ „=1 k=0 1=0 (зи2 +3к2 -Зпк + \-2т](Зп2 +Ък2 -Зпк)cos(o, +P(„it))f (3.11) для конечного ряда, учитывающего только JV колец сот, окружающих локальную соту. Аналогичным образом, для обеспечения того же значения отношения SIR = 0,02 при конечном числе колец сот сети максимально допустимое число абонентов в одной соте сети не должно превышать значения: (3.12) #И= 4-1 V S{N )+]
Исследуем теперь сходимость ряда 5 . Первое слагаемое этого ряда (при п = 1, к = 0, 1 = 0) равно 1; следовательно %,) 1 и S \; кроме того, так как 5(оо) SINA, то NrN \ N(K). Для разности ЛГЛЛ -N можно построить оценку сверху: 0 N,„.)-NM 5\1 Wv/ \ — {sM-SU]) . (3.13) Далее для значений множителя Зп2 +3к2 -Зпк можно получить оценки снизу и сверху, если его дополнить до полного квадрата, т.е. так как + — п 4 Зп2 + Зк2 - Зпк = з{п2 +к2 -пк)=3 (( 2\ Г -.7 П П к-2к— + — 2 ій 4- 2 Л = 3 V ґ, /iV 9 к 2) то становится очевидным, что можно записать: 9л2 3и2 +3к2 -Зпк 3п2. В результате для знаменателя в (3.11) получаем оценку снизу:
Совместно оптимальное назначение скорости передачи и мощности кодового канала прямой линии
При равномерном распределении трафика по сотам, средняя его величина, является одинаковой во всех сотах, и одинаковые ограничения по мощности накладываются в каждой соте, т.е. Р} P„V j . Из этого следует, что оптимальное распределение скорости будет увеличивать суммарную скорость передачи до максимально-возможной в каждой соте. Тогда, равнодоступность к возможным значениям скорости передачи среди абонентов в разных сотах (или межсотовая равнодоступность) может быть достигнута ограничением суммарной переданной мощности БС во всех сотах одинаковой величиной. На самом деле, оптимальный алгоритм ищется для абонента среди (J+1) соты с наименьшим уровнем интерференции, чтобы максимизировать ему скорость передачи. Следовательно, распределение скоростей среди абонентов станет более неравномерным по сравнению с субоптималными алгоритмами, для которых поиск ограничивается внутри каждой соты при этом назначения мощностей каждой соте {р,} осуществляется эвристически.
Полагаем, что заданное значение {SIR\ , соответствующее некоторому желаемому качеству (BER) (например, BER 1(Г5), известно на БС и также, что величина трафика во всех сотах одинакова. Принимаем также, что Р} РВ, где Рв - заданная величина. На основании (4.18) можно записать: f Р? Y (SIR\ - і 1- =(Ш)Ц. Y,m(k,j)/u(k,j) k=] тогда для данной величины трафика N получаем: 1- V Л, Ът{к-Мк л-ш у - априорный порог (4.16) Если относительные значения помех {/л(к, /)}f=1, известны (измеряются), то скорости передачи т(к, j), k = \,N, можно увеличивать итеративно таким N образом, чтобы взвешенная сумма интерференции т(к, j)ju{k, j) не превышала порог у (но была бы как можно ближе к /). В результате значения m(k,j), к - l,N, могут быть определены. Тогда из (4.12) можно найти Pj= „ Рв Рс , J = W (4-17) Y,m(k, j)ft(k, j) k=l Мощность излучения каждому абоненту при базовой скорости передачи при условии, что качество связи должно быть одинаковым для всех абонентов, теперь можно записать следующим образом: Pb(k j)=Pj-M(k,j), k = l,N. (4.18) Формулы (4.16), (4.17) и (4.18) являются основными при совместном назначении скоростей и мощностей \т(к, j), Pb (к, j), k = \,N, j = 0, J].
Важно отметить, что в случае равномерного трафика, хотя число абонентов в сотах одинаковое, условия распространения радиоволн необязательно будут одинаковыми во всех сотах. Таким образом, назначенные скорости абонентам в разных сотах, скорее всего не будут одинаковым.
В нижеприведенных субоптимальных алгоритмах подвижные станции упорядочены (ранжированы) в соответствии с увеличением коэффициентов интерференции ju(k, j) , которые в обоих алгоритмах являются ключевыми параметрами; эти коэффициенты должны быть измерены или вычислены. Алгоритм 1 назначения скоростей передачи
Назначение скорости происходит таким образом, чтобы суммарная N скорость передачи m(k,j) была максимальной при выполнении условия (4.16). Для достижения этого результата в [85] предложен следующий итеративный алгоритм. Все мобильные станции предварительно упорядочены так, что //(l, j) //(2, j) ju(3, j) ... M{N, j) (i) Принимаем / = 1 и sum = 0 (ii) MS с относительным значением помехи ju(i,j) назначаем максимально возможную скорость vm (т ф), при которой sum = sum + т/л(і, j) у ( ) Если ( ) выполняется, то m(i, j) = т и идем к (ш) (Ш) Принимаем / = / + 1 (iv) Если / N, идем к (ii) (v) Конец
В этом случае, скорости назначаются в соответствии с методом поиска по глубине («depth-first»- максимум первому), начиная с абонента с меньшей интерференцией. Ожидается, что из-за такого «агрессивного» назначения скоростей («жадного»), при котором соединения с наилучшими условиями получают максимально возможную скорость, суммарная скорость передачи в соте будет наибольшей. Поскольку в данном случае изменение скорости от кадра к кадру может быть резким, дисперсия задержки передачи в радиолинии также может быть высокой. Алгоритм выполняется на каждой базовой станции сети независимо. Алгоритм 2 назначения скоростей передачи
