Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ эффективности систем CDMA с учётом свойств сложных сигналов 23
1.1. Анализ эффективности применения кодов для увеличения пропускной способности системы CDMA 23
1.2 Оценка характеристик системы CDMA, работающей в совмещенном диапазоне 29
Краткие выводы по главе 40
Глава 2. Применение техники пространственной селекции сигналов в задачах, связанных с частотно-территориальным планированием в сотовых сетях 41
2.1. Сравнительные характеристики эффективности использования ресурса радиоканала для различных сотовых сетей связи. 42
2.2. Схемы частотно-территориального покрытия, загрузка и ресурсы сотовых сетей цифровых и аналоговых стандартов 52
2.3. Частотно-территориальное планирование сотовых сетей связи в условиях использования пространственной селекции сигналов 56
2.4. Метод пространственной селекции сигналов сотовой связи на основе модифицированного алгоритма инверсии мощности 62
Краткие выводы по главе 83
Глава 3. Экспериментальный анализ эффективности разработанных алгоритмов частотно-территориального планирования с пространственной селекцией сигналов 84
3.1. Оценка повышения помехоустойчивости сотовых сетей при введении пространственной селекции сигналов на базовых станциях 84
3.2. Экспериментальные испытания работы фрагмента сотовой сети стандарта NMT 450 с использованием адаптивных антенн FALKEN RBS 96
Краткие выводы по главе 109
Глава 4. Оптимизация управления доступом в сетях, поддерживающих режим «мягкого» хэндовера 110
4.1. Особенности частотно-территориального планирования в сетях с применением разнесенного приема, или режима «мягкого» хэндовера 110
4.2. Уравнение баланса фаз Эрланга для соты с «мягким» хэндовером 117
Краткие выводы по главе 135
Заключение 136
Список литературы 139
- Оценка характеристик системы CDMA, работающей в совмещенном диапазоне
- Схемы частотно-территориального покрытия, загрузка и ресурсы сотовых сетей цифровых и аналоговых стандартов
- Метод пространственной селекции сигналов сотовой связи на основе модифицированного алгоритма инверсии мощности
- Экспериментальные испытания работы фрагмента сотовой сети стандарта NMT 450 с использованием адаптивных антенн FALKEN RBS
Введение к работе
Повсеместное введение в эксплуатацию сетей сотовой связи можно считать свершившимся явлением на всей заселенной части территории РФ. При этом, естественно, произошло практически полное исчерпание ресурсов выделенного радиочастотного спектра на указанной территории. Самые ранние из сотовых сетей, являющиеся чисто аналоговыми, можно считать довольно «старыми» по меркам шкалы времени, связанной с достижениями в области технологий и методов обработки сигналов. Так сложилось, что на современном этапе наметился процесс всеобщего перехода от аналоговых технологий к цифровым, обеспечивающим разносторонние, качественные преимущества. В этом смысле не составляют исключения сотовые сети аналоговых стандартов, для которых переход на цифровую основу обещает заметный выигрыш по показателям качества предоставляемых услуг, расширения их перечня, увеличения числа обслуживаемых абонентов, повышения доступности, энергоемкости, экономичности, совместимости и т.д. [58,62].
Оставаясь на реалистической позиции, можно утверждать, что подобных проблем не удастся избежать в будущем, когда новые технологии со всей настоятельностью «потребуют» модернизации тех цифровых сетей сотовой связи, которые сейчас считаются самыми совершенными. В результате проблема модернизации сотовых сетей связи выделяется в одно из ключевых и фундаментальных направлений для изучения. В указанной проблеме явно прослеживаются пока нерешенные вопросы оптимизации процесса модернизации в условиях прогнозируемых накоплений знаний и развития технологий, предсказания ожидаемого экономического эффекта и приобретения сопутствующих технических, научных знаний.
В такой широкой трактовке решение обозначенной проблемы представляется делом будущего, когда будет накоплен достаточный экспериментальный и теоретический материал. В настоящий же момент практическую значимость имеют задачи, связанные с модернизацией сотовых сетей аналоговых стандартов. Однако при их решении очень важно не сузить понимание вопросов до уровня чисто практического. Нужно попытаться осмыслить задачи модернизации в теоретическом плане, чтобы обеспечить начальное накопление знаний для решения обозначенной выше общей проблемы.
Анализ доступной литературы показал, что, несмотря на необозримое количество публикаций на тему усовершенствования методов обработки сигналов и передачи сообщений по каналам связи (например, [12-14,35,39,41,42,48,49,50,54,56,68,71,76,81-85]), практически отсутствуют работы, посвященные вопросам о том, на сколько указанные методы могут повлиять на интегральные показатели качества работы сети в целом. К упомянутым интегральным показателям, обычно, относят такие характеристики как: емкость сети, предельно допустимая плотность частотно-территориального (ЧТП)
покрытия, удельная территориально-частотная плотность информационного потока, суммарный трафик, поддерживаемый в системе, и т.д. Все эти показатели непосредственно связаны с экономической эффективностью работы сети и, в конечном счете, определяют целесообразность модернизации.
В литературе, посвященной данной проблеме, сложился подход, при котором все многообразие связей между методами обработки и эффективностью сети ограничивается рамками зависимости между требуемым уровнем отношения Et/No (или сигнал/(помеха+шум)) и предельно допустимым числом поддерживаемых каналов в пределах соты/сектора, см. например, [68,57,80]. Однако, реально параметр Eb/N0 не является первичным и зависит от множества других характеристик. Например, от размера сот, структуры кодов, методов модуляции, характера и структуры территориального покрытия и многого другого. Кроме того, как выяснилось из работ О.А.Шорина [58,5,57], Г.П.Башарина и Н.В.Серебренниковой [6], существует ряд методов позволяющих заметно повысить предельно допустимую нагрузку сети от 20% до 40% при неизменном уровне требуемого отношения Eb/N0 в канале. Поэтому особую актуальность приобретают исследования в направлении установки связи между отдельными технологиями обработки или управления работой в радиоканале и результирующими показателями выигрыша по интегральным характеристикам работы сети.
Как можно судить по результатам множества работ, среди которых, не претендуя даже отдаленно на полный перечень, можно указать [4,5,12-14,35,39,41,42,48,49,50,54,56,68,71,76,81-85], преимущества цифровых методов обработки сигналов и достижения соответствующих технологий столь значительны, что вопрос о целесообразности модернизации аналоговых сетей не вызывает никаких сомнений. Однако научный подход и теоретический анализ позволит его провести с минимальными затратами, а для этого необходимо восполнить тот пробел в исследованиях, который образовался в вопросах анализа связи эффективности обработки в канале с общими показателями работы сетей.
Цифровые методы обработки, в силу универсальности своей физической природы, с успехом применяются для решения чрезвычайно широкого спектра задач, начиная от частотной селекции [49,34] и вопросов синхронизации [4,7,17], до управления доступом [6,81] и организацией адаптивной обработки в антенных системах [4,9,18,16,72,70,57] либо в системах с разнесенной передачей/приемом сигналов [11]. Особый интерес с точки зрения мобильных систем среди них занимают вопросы применения пространственной селекции и кодирования с исправлением ошибок [61].
Пространственная селекция сигналов привлекательна в силу того, что пространственный ресурс радиоканала до сих пор остается не задействованным в полной мере [4,11,72,70], что сулит качественное повышение основных показателей работы систем мобильной связи и сотовых сетей в том числе, при условии его использования[59,60]. Повышение эффективности кодирования с исправлением ошибок привлекательно в силу того, что для его исполнения, в
большинстве случаев, достаточно выполнить простую замену специального программного обеспечения (ПО) обработки сигналов. Поэтому последний вопрос, при условии внедрения цифровых методов обработки, отличается очень высокой технологичностью и экономичностью. Однако, как можно судить из работы [12], применение техники решетчатых кодов с многоступенчатыми итеративными процедурами исправления ошибок обеспечивают результат по эффективности обмена в канале практически совпадающей с теоретическим пределом (граница Шенона). Это обстоятельство ограничивает перспективы вопроса повышения эффективности кодирования современным этапом развития систем связи, связанным с непосредственным переходом на цифровую основу. Тем не менее, в плане влияния качества кодов исправляющих ошибки на интегральные показатели работы сотовой сети, указанная тематика еще далека от своего разрешения и не получила должного внимания в литературе.
Таким образом, анализ публикаций в исследуемой области показал отсутствие теоретических результатов по оценке эффективности применения указанных выше, методов обработки и управления ресурсами канала на интегральные показатели эффективности работы сотовой сети в тех или иных условиях. Это не позволяет точно судить о целесообразности их внедрения, оставляет без ответа вопрос о том, как именно нужно осуществлять соответствующую модернизацию, и в каких ситуациях системы наиболее чувствительны к введению методов пространственной обработки, кодирования с исправлением ошибок и к усовершенствованиям в организации доступа. Последнее обстоятельство существенно усложняет практическую реализацию модернизации сотовых сетей связи аналоговых стандартов. В результате, настоятельная потребность перевода сотовых сетей аналоговых стандартов на цифровую основу, сочетающаяся с успехами в области соответствующих технологий, с одной стороны, и отсутствие необходимых для этого теоретических проработок, с другой стороны, настоятельно требуют разработки аналитических методов анализа и получения на его основе конкретных результатов по оценке влияния на интегральные показатели эффективности работы сотовой сети таких технологий как: кодирование с исправлением ошибок, пространственная селекция сигналов, слежение за пространственными перемещениями отдельных абонентов, управление доступом с учетом пространственного перекрытия зон обслуживания отдельных сот, позволяющих в полной мере учитывать нюансы в режиме модернизации.
Цель и задачи работы
Целью работы является выбор цифрового стандарта сотовой системы связи в диапазоне 450 МГц и оценка его потенциальных возможностей по абонентской ёмкости в результате применения помехоустойчивого кодирования, разработанных методов пространственной селекции абонентов и управления режимом «мягкого» хендовера в зонах перекрытия.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
1. Выполнить расчет повышения емкости сотовой сети CDMA при
использовании в каналах различных схем кодирования с исправлением ошибок.
Выполнить расчет помехозащищенности сотовой сети CDMA, работающей в совмещенном режиме и использующей кодирование с исправлением ошибок.
Разработать методику сопоставления эффективности сотовых сетей аналоговых (NMT-450) и цифровых (CDMA, GSM) стандартов по критерию, связанному с характеристикой [^]=[Эрл/МГц/км2].
Разработать алгоритмы сопровождения абонентов сотовой сети лучами ДН антенн БС. Выполнить оценку точности такого сопровождения в рамках целевой задачи снижения энергетики линий связи путем заблаговременного предсказания попадания абонентов в зоны радиозатенений и выполнения упреждающих операций хэндовера.
Провести экспериментальные испытания фрагмента сотовой радиосети, использующей адаптивные антенные решетки на БС. Сопоставить данные эксперимента с теоретическими для проверки полученных технических рекомендаций по модернизации сотовой сети стандарта NMT-450 в цифровой формат D-NMT.
Выполнить анализ возможного повышения эффективности режима доступа на территориях с многократным радиоперекрытием в сотовых сетях с «мягким» хэндовером.
Сформулировать рекомендации по возможным направлениям дальнейшего развития полученных результатов в целях повышения эффективности решения задач модернизации сотовых сетей и систем связи.
Методы исследования
В диссертационной работе при решении поставленных задач используются теория передачи сигналов по каналам связи, методы математической статистики, теории вероятности, случайных процессов, теории массового обслуживания, многомерного анализа, а также методы вычислительной математики и программирования.
Научная новизна и основные научные результаты
Разработана методика оценки емкости сотовой сети стандарта CDMA, которая позволяет определить возможности по ее повышению в результате использования в радиоканале различных схем блоковых или сверточных кодов с исправлением ошибок, учитывающая многолучевое распространение и ситуации с отсутствием «прямой видимости» между базовой станцией и абонентскими терминалами.
Разработана методика оценки помехоустойчивости в режиме
совмещенной работы сотовых сетей стандарта CDMA с узкополосными радиосистемами, которая позволяет определить область эффективного использовании режекторной фильтрации узкополосных помех с помощью трансверсальных БИХ и/или КИХ фильтров.
Разработана методика сопровождения абонентов сотовой сети лучами ДН адаптивных антенн, располагаемых на БС, путем анализа характеристик, связанных с амплитудно-фазовым распределением поля в области приема. Впервые получены оценки точности такого сопровождения, доказывающие возможность заблаговременного предупреждения попадания абонентов в зоны с радиозатенением.
Разработан новый алгоритм радиопеленга абонентов, работающий на основе многомерной статистики 4-го порядка, обеспечивающий существенно более высокие показатели точности разрешения, по сравнению с общеизвестными методами. Установлено, что при его использовании режим разрешения сохраняет необходимые рабочие характеристики вплоть до снижения уровня E\JN0 в канале до 2 дБ.
Разработана новая методика управления доступом для сотовых сетей с «мягким» хэндовером, использующая скрытые резервы территориальных зон с многократным радиоперекрытием, Показано, что для сетей с «мягким» хэндовером оптимизация доступа обеспечивает почти такой же выигрыш по емкости, что и для сотовых сетей с «жестким» хэндовером.
Практическая ценность работы
Теоретические исследования, проведенные в диссертационной работе, позволили решить ряд практических задач, стоящих перед операторами и разработчиками цифровых сотовых систем связи диапазона 450 МГц и обосновать выбор наиболее перспективного стандарта в России для перехода к нему от стандарта NMT 450:
1. Разработана методика сравнения эффективности сотовых сетей различных стандартов на основе критерия, связанного с характеристикой [77]=[Эрл/МГц/км ], на основе которой показано, что переход от стандарта NMT-450 к стандарту D-NMT (CDMA) повысит эффективность работы в 1,55 раз. При переходе на AMR кодеки общий выигрыш составит 3-4 раза.
Предложена новая методика организации процесса модернизации для сотовой сети стандарта NMT-450, предусматривающая работу в промежуточном режиме, когда одновременно функционируют сегменты в аналоговом и цифровом форматах.
Разработаны методики для проведения натурных испытаний и анализа полученных результатов для фрагмента сотовой сети, полученных в ходе драйв тестов с использованием техники адаптивных антенных решеток.
4. Разработаны документы ассоциации NMT при внедрении стандарта IMT-
МС-450, ассоциации 3G при подготовке предложений по развитию систем
третьего поколения в РФ, официальных вкладов России в ITU и СЕРТ.
Сформулированы рекомендации по различным методам помехоустойчивого кодирования, интеллектуальным антеннам и управлением «мягким» хендовером при внедрении CDMA-450 в ОАО «Московская Сотовая Связь».
Результаты работы по оценке абонентской емкости цифровых сотовых стандартов используются в лекциях по курсу «Проектирование цифровых стотвых систем связи» для студентов обучающихся по специальности «Радиотехника».
Результаты диссертации могут быть также использованы при разработке систем связи с пространственно-временной обработкой сигналов и при формировании методик модернизации сетей связи.
Внедрение результатов работы
В ходе работы над диссертацией при непосредственном участии диссертанта был создан ряд высокоэффективных алгоритмов обработки измерений, базирующихся на использовании теоретических и прикладных результатов исследований работы сетей связи с применением адаптивных антенн. Эти разработки были внедрены на предприятиях ЗАО Скайлинк, ОАО Московская Сотовая Связь, ЗАО ДельтаТелеком, Инфокоммуникационный Союз, в учебный процесс МТУСИ, что подтверждается соответствующими актами.
Личный вклад
Теоретические и практические исследования, проведенные расчеты с использованием ЭВМ, а также рекомендации, методики и выводы получены автором лично.
Апробация работы
1. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Российских и Международных конференциях по проблемам развития систем сотовой связи и обработке сигналов: Труды Международная конф.: Развитие мобильной связи в России-М.:25.03.2002. : 7-й Бизнес-Форум: Мобильные системы-2002, а также на научно-технических конференциях МТУСИ 2003,2007 гг.
Публикации результатов
Основные научные результаты диссертации опубликованы в научных изданиях в виде семи статей (в том числе в журналах «Электросвязь»,
«Мобильные системы», «Мобильные телекоммуникации»).
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 144 страницах, содержит 74 рисунка, 8 таблиц, список литературы включает 88 наименований. Кроме того, содержит одно приложение на 5 страницах.
Основные положения, выносимые на защиту
Применение различных методов помехоустойчивого кодирования в CDMA позволяет повысить абонентскую емкость системы от 26 до 40%.
Применение стандарта CDMA-450 позволяет осуществить плавный переход от NMT-450 в совмещенном режиме работы, так как обладает повышенной эффективностью по абонентской емкости и позволяет режектировать помехи.
Разработанный метод пространственной селекции абонентов обладает повышенной точностью определения пеленга в условиях низких отношений сигнал/шум, характерных для стандарта CDMA.
Разработанный метод поддержки режима «мягкого» хендовера в зонах перекрытия, позволяет повысить абонентскую емкость сети CDMA-450 на 35-40% при стандартном уровне отказов (GoS) 2%.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается ее актуальность, определяются цель и задачи работы, кратко излагается содержание диссертации, обосновывается ее научная и практическая ценность, а также приводится перечень положений, выносимых на защиту.
В первой главе в рамках общей постановки рассматривается задача влияния кодирования с исправлением ошибок на эффективность работы сети CDMA в смысле критерия максимума нагрузочной способности при условии ограничений на уровень ошибок на бит.
Рассматривались системы с двумя типами кодирования: блоковым (коды БЧХ) и сверточным. Кроме того, в рассмотрение был включен вероятностный характер поведения числа активных абонентов в зоне обслуживания выделенной соты.
При проведении анализа в качестве модели использовалась относительная ФМ-2 модуляция (DBPSK) сигналов, для которой, как известно из литературы,
вероятностные характеристики ошибок асимптотически стремятся к показателям оптимальной когерентной обработки. Одновременно с этим для реализации относительной, или дифференциальной модуляции/демодуляции, не требуется сложных схем синхронизации, что объясняет ее широкое распространение на практике.
Вероятность ошибочной демодуляции символа в указанном случае определяется соотношением
Po(rn) = -exp[-h2(m)l (О
2( \ Es _ WSIRS _.. 1Л
где " \т)-~ГГ~-~, ^—лг ттг /г, x{j/{m-i) . эффективное отношение
сигнал/(помеха+шум) в отдельном абонентском канале, m - число активных абонентов, Es - энергия на символ модуляции в точке приема, Nqq -эффективная спектральная плотность мощности для смеси шума и помех, G=Ws/Rs - выигрыш при корреляционной обработке, Ws - полоса широкополосного сигнала, Rs - скорость обмена информацией в канале (бит/с), Ps - мощность полезного сигнала в точке приема, No - односторонняя спектральная плотность мощности шума.
'm2-ml^ ml
Демодулированные символы с ошибками, вероятность которых определяет выражение (1), поступают на вход блоков декодирования, исправляющих ошибки. В результате эффективность применения кодирования с исправлением ошибок можно выразить через параметр увеличения числа активных абонентов при условии сохранения вероятности ошибок передачи информации на бит в канале.
а =
100%, (2)
где mi - число активных абонентов, при котором обеспечивается заданный уровень вероятности ошибок на бит в канале при условии использования кодирования, гп\ - число активных абонентов, при котором обеспечивается заданный уровень вероятности ошибок на бит в канале без использования кодов, исправляющих ошибки.
С учетом (1) в диссертации был выполнен сопоставительный расчет параметра (2), для разных схем и структур кодов, исправляющих ошибки. В таблицах 1 и 2 даны результаты, полученные относительно а (%) для БЧХ и сверточных кодов, соответственно, при различных требованиях на вероятность ошибок на бит Рь.
Таблица 1-Значения коэффициента «увеличения емкости
для БЧХ (п, к) кодов
Таблица 2-Значения коэффициента а увеличения емкости
для сверточных кодов
Для сверточного кодирования, как можно видеть, существует зависимость параметра а не только от информационной скорости Rk, но и от глубины кода Кс. Представленные в таблицах данные подтверждают значительное повышение емкости сети CDMA в результате кодирования с исправлением ошибок. Особенно заметным выигрыш оказывается для сверточных кодов.
Далее показано, что в случае случайного поведения параметра т, задающего число активных абонентов, выигрыш от применения кодирования уменьшается по причине того, что предельные нагрузки возникают только в отдельные моменты, а в основное время сеть находится в недогруженном состоянии. В результате увеличение нагрузки при использовании кодирования с исправлением ошибок достигает 26% для БЧХ кодов и 40% для сверточных кодов.
В конце главы рассматривается работа сотовой сети стандарта CDMA в совмещенном режиме с узкополосной системой связи. При этом анализировались варианты работы с применением в сети техники режекторных фильтров и без. На рисунке 1 показаны полученные аналитические зависимости вероятности ошибок на бит для сотовой сети стандарта CDMA, работающей в совмещенном режиме от числа активных абонентов в соте.
IV 1-І—і 1 I I I I
О Ю 20 30 40 50
Число пользователей К
Рисунок 1- Вероятность ошибки на бит в сотовой сети стандарта CDMA, работающей в совмещенном режиме, от числа активных абонентов,
приходящихся на одну соту.
Штриховыми линиями показаны зависимости без использования режекторных фильтров, а сплошными - для случаев с режекторными фильтрами. Семейства зависимостей получены для различных значений отношения мощностей сигналов узкополосной (мешающей) системы и сотовой сети - P/S. Как можно видеть, при отношениях P/S меньших 10 дБ использование режекторных фильтров не дает никаких преимуществ и может даже немного ухудшить показатели работы сотовой сети.
Во второй главе рассмотрены вопросы, связанные с возможностью организации в сотовых сетях стандарта CDMA слежения за перемещениями абонентов для своевременного предсказания попадания их в области радиозатенений и организации процедуры хэндовера (НО) в упреждающем режиме.
Анализ технологических характеристик, проведенный в начале главы, показывает, что предлагаемая организация НО с упреждением обеспечивает возможность снижения энергетики радиолиний на 15 - 20 дБ, по причине снижения энергетического запаса, необходимого в традиционном режиме со «слепой» организацией процедуры НО.
В качестве основы для организации предсказания перемещения абонентов в зоны с пониженным проникновением радиоволн выступает процедура определения местоположения, которая, в свою очередь, может быть «разделена» на задачу оценки расстояния до абонента и задачу пеленга.
В результате аналитических расчетов показано, что в сотовой сети стандарта CDMA при отношениях сигнал/(помеха+шум) не менее 6 дБ на основе метода максимального правдоподобия может быть обеспечена оценка расстояния до абонента со среднеквадратической погрешностью 8R«11 м, что вполне приемлемо для рассматриваемой задачи организации упреждающего НО.
Значительно более сложной оказываются задачи радиопеленга и углового различения «близких» абонентов, которые должны решаться с точностью до 0.5 - 1 для организации упреждающего НО. Одновременно с этим размеры антенны на БС не должны быть особенно большими, а алгоритм должен быть относительно прост для возможности реализации в реальном времени для большого числа абонентов (~ 30 -f 60).
С учетом указанных практических требований в работе было принято решение ограничиться рассмотрением алгоритмов пеленга/углового разрешения источников, построенных на основе сканирования, отказаться от использования сложных алгоритмов расчетного типа и только на этапе анализа провести сопоставление качества работы предлагаемых алгоритмов и известных алгоритмов (в том числе и расчетного типа).
Для организации пеленга/различения источников в работе предлагается использовать два алгоритма сканирующего типа. Первый построен на основе модификации известного алгоритма инверсии мощности с ограничением, а второй - на основе оригинальной техники построения многомерной статистики 4-го порядка.
Алгоритм инверсии мощности с ограничением, применяемый в адаптивных антенных системах, предполагает удержание фиксированного усиления в известном направлении прихода полезного сигнала и максимального подавления всех сигналов, поступающих с других направлений. Для решения задачи пеленга предлагается модификация, связанная с организацией сканирования направлением с фиксированного усиления и анализом уровня сигнала на выходе антенной системы. При совпадении направления сканирования с направлением на некоторый источник всегда возникает увеличение мощности сигнала на выходе. Естественно, возникает вопрос, на сколько близкие по направлениям источники могут быть различены такой системой и насколько точно может быть определено направление на отдельный источник.
Проведенный анализ показал, что более критичным является вопрос различения близких источников, для которого было получено аналитическое соотношение, задающее граничный уровень отношения сигнал/шум, при котором еще можно различить близкие источники
1 45 180 1 1.85 (3,
,гр А Ґ аЛ4 -И Л4 А4
{їм)
где А = —т—г - нормированное относительно ширины главного лепестка ДН XI\Md)
угловое разнесение источников, 28 - угловое разнесение источников (в радианах), Л - длина волны несущей, М- число элементов в антенной решетке, d-разнесение соседних элементов в антенной решетке.
Численные расчеты по формуле (3) показали, что для обеспечения требуемой точности различения абонентов на угловых расстояниях до 1 в сотовой сети стандарта CDMA необходимо обеспечить на прием уровень сигнал/шум не ниже 35 - 38 дБ, что, заметно выше энергетических запасов, необходимых для «слепой» организации процедуры НО.
Анализ разрешающей способности алгоритма, построенного на основе специально подобранной многомерной статистики четвертого порядка, показал, что возмущающие компоненты, приводящие к ошибкам различения, существенно снижаются. При этом влияние тепловых шумов, практически, исчезает, и начинают доминировать шумы квантования, уровень которых всегда значительно ниже.
Граничное отношение сигнал/шум, для различения близких по направлениям источников в случае применения предложенного алгоритма 4-го порядка оказалось следующим
(-1 ,-,
U4JU4 A4J "\||l + aeslJ А
(4)
180 П « 0.24
2 1 + ае
ЯгрА*
S1.2
где xsk=- т~3 *~2 - эксцесс огибающей радиосигнала, приходящего от
одного из различаемых абонентов (=1,2),
*М~- — і 3 (5)
5 (р1 +2\6р2(\-ф(бр))+3(2Ф{бр)-\)-^р-е-"А
42л )
рА +13680/?4(і-Ф(б/>))+(і0/?2 +15](2Ф(бр)-1)--^р(з8/?2 +ъУирг
\
эксцесс оцифрованных собственных шумов, р = —, А - шаг квантования в
схеме АЦП, сг0 - СКО собственных шумов на входе схемы АЦП,
Ф\
\2л
распределения, или функция Крампа. На рисунке 2 показана зависимость коэффициента эксцесса (5) от отношения уровней собственных шмов и шумов квантования.
-оо
і х {x) = -j= \e~"2l2du - интегральная функция нормального эталонного
2 (дБ)
Рисунок 2- Зависимость коэффициента эксцесса смеси собственных шумов с шумами квантования от отношения z= 2 .
Как можно видеть, для используемых на практике схем АЦП коэффициент эксцесса оказывается в пределах диапазона от 0.05 до 0.15. При этом расчет по (4) показал, что в сотовой сети стандарта CDMA требуемая точность различения абонентов в пределах угловых разнесений до Iй обеспечивается при отношениях сигнал/шум, начиная с 2 дБ. Указанная величина даже несколько меньше пороговой чувствительности, требуемой для корректной демодуляции.
В конце главы приводится сопоставительный анализ разрешающей способности предложенных алгоритмов пеленга и известных методов. Показано, что алгоритм на базе статистики четвертого порядка качественно превосходит все известные сканирующие методы, наилучший из которых
12- S 0.87 обладает пороговым отношением сигнал шум qw * 7—""ГГ5*-ГТ~> гДе Д>
[л-А) Д
также как и в (3), (4), обозначает нормированное относительно ширины
главного лепестка ДН угловое разнесение источников.
В третьей главе изложен материал, относящийся к организации и
результатам экспериментального исследования работы сегмента сотовой сети
NMT-450, в котором на базовых станциях были введены адаптивные антенные
системы типа FALKEN RBS. Указанный эксперимент проводился на
территории г. Москвы (в зоне расположения станций метро Курская -
Электрозаводская - Красносельская) в периоды с 21.01.99 по 30.01.99 и с 01.03.99
по 07.04.99.
В начале главы рассмотрен режим слежения за угловыми перемещениями отдельного абонента со стороны БС. Организация испытаний была выполнена на основе драйв-теста, при котором активный мобильный абонент перемещался на автомобиле от ст. метро «Курская» по садовому кольцу, далее по улицам «Старая Басманная», «Александра Лукьянова», «1-ый Басманный переулок», «Нижняя Красносельская», «Краснопрудная» и «Русаковская». Движение происходило со средней скоростью порядка 30 - 40 км/ч в челночном режиме. Слежение за угловым перемещением осуществлялось с БС, расположенной около станции метро «Электрозаводская». На БС слежения использовался алгоритм пеленга MUSIC и алгоритм сопровождения лучом DOA (Direction of Arrival).
На рисунке 3 показана одна из экспериментальных характеристик пеленга, полученная в ходе драйв-теста.
І 20
IS 15
1 10 і 5
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 900(
Отсчеты во времени
Рисунок 3- Результаты натурных испытаний алгоритма сопровождения абонента по направлению в условиях города.
В ходе эксперимента замеры производились каждые 80 мс, поэтому каждые 100 отсчетов, отложенные по оси X на рисунке 3, соответствуют 8-ми секундному интервалу наблюдений. В районе 7200 отсчета наблюдается аномальный замер, вызванный появлением отраженного луча, предположительно от поверхности реки Яуза в окрестности Семеновской набережной, пересекаемой железной дорогой казанского направления. Ошибка аномального замера составила порядка 34 -35, что вполне позволяет его обнаружить.
В среднем можно наблюдать достаточно точное сопровождение угловых перемещений абонентской станции с ошибками не более 1.
Далее приводятся результаты испытаний, полученные в ходе испытаний сегмента сотовой сети, полученные относительно основных технологических параметров: вероятности ошибки на бит (BER), уровня радиосигнала (RxLev) и качества связи (RQual). Эксперимент проводился для случаев использования на БС простых секторных антенн, адаптивных антенн FALKEN RBS, работающих по алгоритму подавления направленных помех (КПП), и антенн FALKEN RBS, работающих по коммутационному алгоритму максимизации уровня полезного сигнала (МПУ).
На рисунке 4 показан характерный пример, полученный в ходе драйв-теста, для вероятности ошибок на бит на линии «вниз». Зависимости получены для случаев использования адаптивных антенн FALKEN, работающих по алгоритму НЛП (МСКО), и простых секторных антенн RS4000.
Шум) на входе дБ
10 г
Рисунок 4- Экспериментальные зависимости вероятности ошибки на бит, наблюдаемые на линии NMT «вверх», от уровня сигнал/(помеха+шум) на входе. Случаи применения ААР FALKEN RBS и простой секторной антенны RS4000 на БС «Электрозаводская»
Как можно видеть, применение адаптивной пространственной селекции сигналов обеспечивает выигрыш, исчисляемый в эффективном увеличении отношения сигнал/(помеха+шум) порядка 15-20 дБ.
Для каналов «вниз» эксперимент показал несколько более скромные результаты, дающие выигрыш порядка 10-14 дБ, что можно объяснить тем, что оценка направления прихода радиосигнала осуществляется БС в одной полосе, а трансляция - в другой. Из-за различных условий распространения происходит потеря эффективности. Однако, как показал эксперимент, даже такого выигрыша достаточно, чтобы работать с заданным стандартом качеством при сверхплотном кластерном покрытии со структурой 1/3 или 3/9.
Экспериментальные данные также показали, что адаптивный алгоритм НИИ дает выигрыш на 0.5 - 1.5 дБ больше, чем коммутационный алгоритм МПУ.
В конце главы приводятся результаты экспериментальных испытаний процедуры хэндовера. На рисунке 5 показаны гистограммы вероятности срыва процедуры НО, полученные при различных уровнях сигнала на соте, принимающей переходящего абонента.
й | j W
= 1 =
Уровень сигнала. ичмсри ,\й ікі ЬТ". приіінмаюшеЕі НО БС (RxLev dBm)
Рисунок 5- Экспериментальные данные по потерям соединений в процессе операции Handover в зависимости от уровня RxLev полезного сигнала на принимающей соте «Электрозаводская». Случаи применения ААР FALKEN RBS и простой секторной антенны RS4000 на БС «Электрозаводская»
Результаты эксперимента показали и в этом случае выигрыш порядка 16 -20 дБ при использовании техники адаптивных антенн. Представляется важным отметить, что испытания проводились для традиционного режима «слепой» организации процедуры НО и положительный эффект обусловлен исключительно за счет подавления помех в антенной системе.
В четвертой главе рассматриваются вопросы, связанные с оптимизацией процедуры управления доступом для сотовой сети, использующей процедуру «мягкого» хэндовера. В частности, такой режим используется в сетях стандарта CDMA.
Предлагается оптимизировать процедуру организации доступа путем модернизации приоритетности выбора БС для подключения, присвоив высший уровень текущей нагрузке БС. Точная информация о такой нагрузке должна передаваться в широковещательных пакетах управления. Модернизация такого вида не требует почти никаких аппаратных затрат, а положительный эффект, как удалось установить, оказывается достаточно заметным. Объясняется это
тем, что локальные всплески нагрузки в потоке входящих запросов доступа усредняются по территории обслуживания нескольких БС, в результате чего предельный уровень нагрузки в сети увеличивается.
В начале главы на примере фрагмента идеальной сети изучается степень перекрытия зон радиодоступности для соседних сот, в зависимости от плотности расположения БС. Для этого была написана специальная программа, позволяющая рассчитывать геометрию и размеры зон перекрытия различной кратности для различных значений плотности расположения БС. На рисунке 6 показан результат работы указанной программы в условиях, когда радиус радиодоступности R^. превышал радиус соты Rcen в 2.3 раза.
Рисунок 6- Структура распределения кратности радиочастотного покрытия в идеальном фрагменте сотовой сети при отношении радиуса покрытия к радиусу соты Rc„v/Rcdi = 2.3.
Как можно видеть, в пределах соты появляются зоны с кратностью перекрытий от 4 до 7. То есть, при организации подключения к сети, у каждого абонента, теоретически, имеется возможность выбора среди 4, 5, 6 или даже 7 различных БС.
В сотовых сетях с кодовым разделением каналов традиционно используется режим разнесенного приема с работой через несколько БС, что позволяет заметно ослабить воздействие замираний и всплесков внутрисистемных помеховых составляющих, порождаемых другими активными абонентами. В таких условиях для организации соединений требуется выбор нескольких БС.
В работе предложен подход для анализа эффективности организации доступа с помощью предлагаемой модифицированной процедуры. С его помощью были получены аналитические соотношения, позволяющие рассчитывать предельную нагрузку в сети при условии не превышения порогового уровня отказов доступа по причине перегрузок (GoS). При этом предполагалось, что каждое абонентское соединение поддерживается в штатном режиме не более чем через 2 БС. Правда нужно отметить, что предложенная методика анализа без труда может быть обобщена на случаи с другими предельными значениями числа БС, через которые поддерживается отдельное абонентское соединение.
Формула для вероятности отказа доступа при этом оказалась такой:
ы М
1 ^Щк-1\хН2/2)к
(6)
N і
ІН~^Н2/2)
GoS = PN = ХН2
к-2
где N - предельное число соединений, поддерживаемое одной БС (или в секторе БС), К - предельная кратность перекрытия зон радиодоступа, наблюдаемая в сотах, \1/л - средняя длительность одного абонентского соединения, Лк - интенсивность потока запросов подключений к сети, возникающая на территории выделенной соты в пределах области перекрытия кратности к = 1, 2,..., К, Хнг - корень уравнения
±^-k(k-iy-> -2fi = 0. ' (7)
к=\ % Ы *
Для решения уравнения (7) в работе предлагается использовать численные методы.
В конце главы приведен материал экспериментальной проверки соотношения (6). Для чего была написана имитационная программа моделирования работы фрагмента сотовой сети связи с кодовым разделением каналов, поддерживающая режим мягкого хэндовера через 2 БС. Программа с помощью устанавливаемого параметра Rcov/Rceii позволяла выбирать плотность расположения БС во фрагменте, задавать с помощью параметра N предельную канальную емкость БС (или сектора БС), среднюю длительность абонентского соединения, а также устанавливать эффективный интервал времени наблюдения. Результаты, полученные в ходе эксперимента и рассчитанные по (6) выводились графически в виде зависимости вероятности перегрузки от входящей (заказываемой) нагрузки, приходящейся на 1 БС (сектор БС). Одновременно с этим для тех же самых условий моделировалась работа фрагмента сотовой сети с обычной процедурой организации доступа, в которой наивысший приоритет при выборе имеют БС, обладающие наибольшим уровнем сигнала на приеме у абонента.
Сопоставление результатов позволило выявить границы применимости аналитического соотношения (6), а также оценить положительный эффект от использования предложенной модифицированной процедуры организации доступа.
На рисунке 7 показаны результаты моделирования работы фрагмента сотовой сети стандарта CDMA при плотности расположения БС, заданной параметром
-IQI*!
Рисунок 7- Зависимости вероятности отказов обслуживания GoS от уровня
средней нагрузки, приходящейся на соту, для системы с «мягким» хэндовером
по двум лучам, в условиях покрытия с Rev/Reel 1=2.3.
Reov/RceiiB=2-3- На рисунке красным показаны результаты, полученные экспериментально для модифицированного алгоритма доступа, зеленым - для традиционного алгоритма доступа, синим - рассчитанные по формуле (6). Как можно видеть, теоретические расчеты довольно хорошо согласуются с результатами моделирования вплоть до уровней вероятности перегрузок 0.05 - 0.07, что подтверждает их пригодность для использования в случаях, представляющих практический интерес. Одновременно можно видеть положительный эффект от использования предлагаемого алгоритма доступа на уровне увеличения предельной нагрузки сети на 35% - 40%. Последний результат качественно совпадает с последними данными, которые моно найти в литературе для оптимизированного доступа в сотовых сетях без «мягкого» хэндовера.
В заключении кратко приведены итоги работы, перечислены основные наиболее значимые результаты, а также намечены перспективы дальнейшего развития вопросов, рассмотренных в диссертации.
Оценка характеристик системы CDMA, работающей в совмещенном диапазоне
В настоящее время проявляется большой интерес к технологии расширения спектра сигналов для реализации множественного доступа на основе кодового разделения каналов (CDMA) и для подавления непреднамеренных помех [54]. Последнее свойство технологии CDMA позволяет строить сети радиосвязи, работающие в совмещенных участках спектра частот, то есть совместно с узкополосными системами, занимающими некоторую часть полосы частот, выделенной для систем CDMA [78].
Цель данного раздела работы состоит в оценке характеристик системы CDMA с прямым расширением спектра, работающей совместно с узкополосной системой.
Предполагается, что передаваемый сигнал /-го абонента системы CDMA имеет следующий вид: sXt) = R&{ idXt)uncni(t)QXV\j(co0t + ei)]}, (1.18) где 0)Q -частота несущей, общая для всех абонентов, Р{ -передаваемая мощность, 9t - фаза несущей, dt{i)-модулирующий сигнал сообщения в виде двухуровневой последовательности символов с частотой (скоростью) следования Rs=l/Ts, которая связана с информационной скоростью соотношением Rb=\/Tb =(m/n)Rs, Tb =Ts(n/m), Tb -длительность бита, m/n = Rk- кодовая скорость, ипсп (t) - последовательность расширения спектра, так называемая сигнатурная последовательность, которая предполагается двоичной случайной с частотой следования символов (чипов) Rc =l/Tc, Ts =NCTC, Nc-число символов ПСП, приходящихся на длительность сигнала Ts, Тс -длительность символа ПСП.
Модель сигнала (1.18) несколько проще, прописанной в стандарте IS-95, но, с точки зрения анализа, полностью ей адекватна. Объясняется это тем, что использование независимых квадратурных последовательностей расширения спектра в стандарте IS-95 предполагает использование одной и той же информационной последовательности в каждой квадратуре. Поэтому такая схема фактически сводится к простому увеличению коэффициента расширения спектра в 2 раза для модели с простой фазоинверсной модуляцией. Главная причина применения такой модуляции в стандарте IS-95, помимо экономии спектра, состоит в том, что в каналах вверх (АС-БС), при использовании сдвига на ХА такта в последовательностях модуляции квадратур (Offset-QPSK), удается существенно снизить требования к линейности усилителей мощности абонентских станций (отказаться от работы в режиме А), что обеспечивает заметный экономический и эргономический эффект. Поэтому далее, для упрощения выкладок, будем использовать сигнал (1.18).
В качестве модели канала связи рассматривается многолучевая модель с райсовскими замираниями. В этом случае принимаемый сигнал состоит из нескольких регулярных и рассеянных составляющих, подверженных релеевским замираниям, а канал связи между /-ым абонентом и его собственной базовой станцией с номером 1 может быть описан низкочастотным эквивалентом комплексной импульсной характеристики ВД = T YnlUMn оф(/« )+Г ехр(/А,М - ",/), (1.19) где d — постоянная распространения, v-показатель затухания при распространении радиоволн, D,.-расстояние между /-ым абонентом и базовой станцией первой соты, цй -коэффициент передачи регулярной составляющей /-го луча /-го абонента (0 ///7 l), аг(/-фаза регулярной составляющей /-го луча /-го абонента, ;/-коэффициент передачи рассеянной (замирающей) составляющей /-го луча /-го абонента, случайная величина, распределенная по закону Релея с т \\-2а\, Д., -фаза рассеянной составляющей /-го луча /-го абонента, случайная величина, распределенная равномерно в интервале [0,2л-], га— задержка сигнала /-го луча /-го абонента, случайная величина, распределенная равномерно в интервале [0,Г5], () -дельта-функция.
Предполагается, что амплитуды, фазы и задержки сигналов различных лучей, принадлежащих различным абонентам статистически независимы.
Сигнал узкополосной системы представляет собой незамирающий фазоманипулированный сигнал, определяемый следующим выражением: Sj(t) = Rs{]2P dj(t)exp\jia)Q + A y + 0,]}, (1.20) где Pj -мощность узкополосного сигнала, dj(t) -модулирующий сигнал сообщения узкополосной системы в виде двухуровневой последовательности символов с частотой следования Rj =-\ITJt Tj -длительность символа.
Предполагается, что ширина спектра помехи Bj = 2Rj меньше ширины спектра полезного сигнала Вс = 2RC. В этом случае принимаемый сигнал может быть представлен в следующем виде: мк і x(t) = Re] л/2Р [//,, ЄХР(М/)+Г// ехРО //)ЫФ "М М -г,/) ( - КсяД -7 ехРОчО+л/2 (Оехр[/ ( + )+ ] \ + n(t), где n{t)- аддитивный белый гауссовский шум (АБГШ) с двусторонней спектральной плотностью N012, (ра = ві + аа - й)0тп, ц/й = 9І + Д., - со0тп, М-число сот, К-число абонентов в соте, m-номер соты {тп = 1,2,...,М), dP, . v f Д , Dm. -расстояние от /-го /я,/ чА,-у Р = j— Y - постоянная, є (к, w, /) = \ m,i J абонента до его базовой станции с номером m, Dmi 0.
Структурная схема приемника рассматриваемой системы изображена на рисунке 1.3. Принимаемый сигнал поступает на вход полосового фильтра, осуществляющего предварительную селекцию. Предполагается, что этот фильтр пропускает полезный сигнал практически без искажений. Далее сигнал подается на вход режекторного фильтра, осуществляющего ослабление узкополосного мешающего сигнала. Режекторный фильтр реализован в виде двустороннего линейного трансверсального фильтра с N отводами с каждой стороны, поэтому его импульсная характеристика определяется следующим выражением:
Схемы частотно-территориального покрытия, загрузка и ресурсы сотовых сетей цифровых и аналоговых стандартов
Охват обширной территории является характерным условием работы сотовых сетей всех стандартов. При этом неизбежно возникает задача организации повторного использования ресурса радиоканала на пространственно разделенных площадях. Ее решение является одним из определяющих факторов эффективности работы системы в целом. Наиболее серьезные помехи в сотовых сетях при совместной работе множества БС и МС возникают между сотами, использующими одинаковый частотно-временной (NMT, AMPS, DAMPS, GSM, Iridium) или частотно-кодовый (IS-95, WCDMA, Global Star) ресурс. Поэтому при планировании покрытия поверхности проектировщики стремятся по возможности наиболее сильно разнести в пространстве соты с одинаковым частотно-временным или частотно-кодовым ресурсом. Сегмент сотовой сети, использующий полный набор ресурса радиоканала, называют кластером. В каждый кластер входят ряд БС со своими сотами. Каналы проникновения помех от удаленных сот, использующих те же самые ресурсы, называют со каналами (со channel).
С другой стороны, чем больше размеры кластеров, тем меньше удельная плотность ресурса радиоканала, что в условиях предельных нагрузок недопустимо. Поэтому при проектировании сотовых систем проектировщики сталкиваются с противоречивой задачей, состоящей в требовании уменьшения уровня помех от со каналов и достижения максимально плотного распределения ресурса.
Первоначально в аналоговых и цифровых сотовых сетях повсеместно применялся план покрытия местности кластерами 7/21, показанным на рисунке 2.3. Белыми кружками на рисунке 2.3 изображены БС, каждая из которых поддерживает связь в 3-х секторах. Поэтому возле каждой БС показаны три соты-сектора. Множество БС со своими сотами-секторами, составляющие один кластер помечены одним серым оттенком. Как можно видеть, каждый кластер включает 7 БС и 21 сектор. Именно этот факт отражает формула планирования 7/21.
Сплошными линиями на рисунке 2.3 соединены сектора, которые могут создавать друг другу со канальные помехи. Видно, что протяженность (удаленность) со каналов при планировании 7/21 составляет от 4 до 5 диаметров отдельной соты-сектора.
В аналоговых сотовых сетях планирование 7/21 в основном сохранилось до настоящего времени. Объясняется это их более низкой устойчивостью к со канальным помехам, чем цифровых сотовых сетей, где в настоящее время все шире реализуются довольно сложные и достаточно эффективные алгоритмы адаптивного приема.
Наиболее распространенным планом, используемым в настоящее время сотовыми сетями цифровых стандартов в густо застроенных городских районах, является план покрытия с кластером 4/12, показанным на рисунке 2.4.
Как видно из рисунка, при покрытии 4/12 протяженность трасс со каналов сокращается до размеров 3-4 диаметров отдельной соты-сектора. Но одновременно при этом плотность покрытия территории радио ресурсом возрастает (относительно покрытия 7/21) в 21/12=7/4 раз.
Существует и промежуточный между покрытиями 7/21 и 4/12 вариант с кластером 5/15, который применяется в современных цифровых сотовых сетях на территориях городов средних размеров.
Переход на цифровой стандарт сотовой сети приводит к положительному результату, относящемуся к возможности применения более плотного плана покрытия. Объясняется это увеличением помехоустойчивости к воздействию сигналов со каналов. Технически указанная возможность обеспечивается переходом на более сложные сигналы (с более широкой полосой), введением методов коррекции ошибок и использованием адаптивного сложения энергии лучей в эквалайзерах. Так, согласно рекомендации[42] в сотовой сети стандарта GSM допускаются помехи со каналов до уровня С/1 = 9 дБ. Приблизительно такой же предельно допустимый уровень помех устанавливается в стандарте CDMA (IS-95). В аналоговых сетях указанный порог на 5 - 6 дБ ниже [74,75,79] и составляет СЯ = 15 - 14 дБ, что и приводит к необходимости применения менее плотных планов покрытия местности.
Ориентируясь на модель распространения (2.1), получаем, что снижение уровня со канальных помех на 5 - 6 дБ, необходимое для цифровых стандартов, приводит к увеличению площади отдельной соты, или к уменьшению плотности покрытия, в 1.67 - 1.85 раз соответственно. Следовательно, как минимум во столько же раз будет увеличена емкость сети NMT-450 в результате перехода на цифровой стандарт.
Выполним анализ минимального частотного ресурса, который понадобится для перевода сотовой сети стандарта NMT-450 на цифровую организацию. При этом будем учитывать экономически необходимое требование организации перевода без прекращения работы системы, что подразумевает режим поэтапной перстройки.
Согласно [50] возможны несколько вариантов перехода к цифровой технологии D-NMT, использующие различные топологические модели для новой цифровой технологии и оставшегося аналогового фрагмента сети. Но в указанной работе остались без должного внимания технические особенности, связанные с требованием плавного перехода путем поэтапного перевода части диапазона NMT в D-NMT. Одновременно с этим необходимо учитывать требования к пропускной способности, покрытию и качеству работы обоих фрагментов сети на всех этапах перехода.
Проведем анализ с учетом таких требований. При этом будем предполагать, что переход на цифровой стандарт будет осуществляться в два этапа. Первый этап связан с введением в строй фрагмента цифровой связи на уровне замещения минимального частотного ресурса. Второй этап связан с переводом оставшейся части сети на цифровой стандарт и перехода к полному использованию ресурса радиоканала.
Первый этап перехода к D-NMT по предварительным оценкам экспертов [50] займет около трех лет.
Полный диапазон NMT в настоящее время составляет 2 4.475 МГц = 8.950 МГц. Если ориентироваться на технологию CDMA 450, то получаем, что минимальное требование для внедрения этого стандарта на первом этапе без использования ААР составляет 2 (частотных канала) 1.2288 МГц 2.46 МГц. С учетом необходимых защитных полос и расположения каналов вниз и вверх в различных диапазонах, общий минимальный частотный ресурс будет 2 (2.46+0.34) МГц = 5.6 МГц, что составляет 62.57% от общего ресурса NMT. Поэтому емкость аналоговой сети NMT на первом этапе, в случае отказа от использования технологии пространственного разделения сигналов, должна быть сокращена приблизительно в 3 раза.
Применение техники ААР позволит перейти, как отмечалось выше, на покрытие с одной выделенной частотой. В этом случае минимально допустимый частотный ресурс цифрового сегмента составит 2 (1.2288+0.34) МГц = 3.14 МГц, что соответствует 35.1% от общего ресурса.
Ниже будет показано, что если пространственное разделение сигналов использовать не только в качестве средства планирования сот, но и как дополнительную степень свободы при организации доступа в радиоканал, то эффективность работы цифровой сети в рамках минимального ресурса может быть еще заметно увеличена по таким параметрам как емкость и помехозащищенность [16]. Все это доказывает высокую технологичность методов адаптивных пространственной селекции в режиме проведения модернизации сотовой сети NMT-450. Более детально указанный процесс рассматривается в следующем разделе.
Метод пространственной селекции сигналов сотовой связи на основе модифицированного алгоритма инверсии мощности
При организации пространственного разделения сигналов в сотовых сетях возникает одна специфическая задача, о которой упоминалось выше. Для пространственного разделения довольно трудно в условиях сотовых сетей использовать априорные данные о направлениях на МС и о форме принимаемых полезных сигналов. Поэтому традиционные алгоритмы управления ААР применять затруднительно. Исключение составляет сеть стандарта GSM, в которой в каждом пакете присутствует 26, 41 или 64 битные обучающие последовательности для настройки эквалайзеров. Однако и в этом случае желательно организовать управление ААР без использования указанных настроечных последовательностей. Объясняется это тем, что их использование предполагает организацию полного восстановления формы полезного сигнала на интервале настройки и, следовательно, применения схем синхронизации и слежения за параметрами всех сигналов сразу. Это существенно усложняет аппаратуру и повышает ее стоимость. Для сетей стандарта CDMA указанная проблема является еще более сложной ввиду применения техники широкополосной связи. Тем более что при перепланировании сети у базовых станций зачастую изменяются «цветные» коды В SIC и, как следствие, происходит смена кодовых обучающих последовательностей. Применение традиционных ААР, настраиваемых по обучающим фрагментам сигнала, в таких ситуациях будет приводить к необходимости коррекции алгоритмов адаптации, что существенно усложняет режим эксплуатации.
Альтернативой традиционным методам управления ААР в этом смысле могут выступать современные методы радиопеленга, которые в своей основе ориентированы исключительно на пространственную структуру электромагнитных полей и инвариантны к структуре принимаемых радиосигналов [7,19,20,32,33]. Поэтому в полевых испытаниях ААР в сотовых сетях стандарта NMT 450 [72,63] и стандарта GSM [64] при организации слежения за абонентами лучами ДН был использован алгоритм предварительной оценки направлений DOA. В его основе лежал широко известный метод пеленгации MUSIC [7,19,36,38,67,77]. Следует отметить, что метод MUSIC, наверное, является самым известным из современных методов радиопеленга, но, как следует из результатов работы [7], далеко не самым лучшим из них. Основным его недостатком является высокая трудоемкость, вызываемая необходимостью решения классической проблемы линейного анализа - вычисления собственных значений и собственных векторов корреляционной матрицы большой размерности. При этом отдельно приходится решать задачу поиска направлений на источники сигналов. Это заставляет искать другие, более эффективные методы пространственной обработки (пеленга), которые способны проще и качественнее решать поставленную задачу.
Одним из самых простых и технологичных методов пространственной обработки традиционно считается алгоритм минимизации мощности Комптона [37]. Однако его применение в стандартной форме предполагает, что на приемной стороне известно направление на источник полезного сигнала, для которого вводится ограничение на подавление. Работа в сотовых сетях исключает такую возможность, поэтому для использования ААР инверсии мощности требуется определенная модификация. Для этого предлагается отказаться принципа фиксированного направления с ограничением подавления, и рассматривать указанное направление как динамическую характеристику сканирования.
Общая структурная схема ААР, работающей по алгоритму минимизации мощности сигнала на выходе при условиях ограничений подавления сигнала в некоторых заданных направлениях, приведена на рисунке 2.14. На рисунке 2.15 приведена структурная схема отдельного блока формирования весов выделенного канала. В указанную схему включены коэффициенты Cci и С„-, определяющие направления, с которых сигналы подавляться не должны. Если бы указанных коэффициентов не было. То как легко заметить, решетка работала бы по алгоритму МСКО с нулевым эталонным сигналом. Оптимальное решение в таком случае было бы тривиальным W = О.
Устойчивое состояние ААР с ограничениями определяется уравнением wc=r-v-1c, где у - скалярный множитель, сохраняющий постоянное значение, D корреляционная матрица процессов, наблюдаемых на выходах чувствительных элементов, С = (ccl,CslCc2,Cs2 ...,CM,CM)T - применяемый вектор ограничений. Вектор С = (ccl,CslCc2,Cs2,...,CcM,CsMY выбирают так, чтобы, для полезного сигнала, приходящего с заданного направления, скомпенсировать фазовые набеги соответствующих компонент, наблюдаемых на выходах чувствительных элементов антенной решетки. Например, если прием осуществляется линейной решеткой и полезный сигнал поступает с направления, составляющего угол 8 с нормалью к решетке, то фазовые набеги полезных составляющих на выходах антенн будут Др,=2я / Ь-sinJ, где / = 1,2,...,М, d - расстояние меду элементами решетки, Я - длина волны несущей полезного сигнала. Тогда вектор весов должен иметь компоненты Cn=cosA , Csi=smAg 1. При аналоговой организации обработки, вектор ограничений должен периодически изменяться в пределах, отвечающих угловому сектору сканирования, сохраняясь в каждой позиции на время завершения переходных процессов. При цифровой обработке, за заданное время формируется оценка корреляционной матрицы (2.15), после чего для заданного набора направлений в пределах угловой области работы системы формируются вектора ограничений и соответствующие им результаты обработки (точки характеристики сканирования), показанные на рисунке 2.16.
Вектор сканирования (ограничений) изменяется в пределах сектора контроля и на выходе ААР фиксируется характеристика мощности сигнала, как показано на рисунке 2.16. Рассмотрим, какие эффективные потери будет иметь такая система при разрешении пары равномощных близкорасположенных источников, как показано на рисунке 2.16.
В качестве пространственной характеристики сканирования предлагается использовать зависимость мощности на выходе от выбранного направления сканирования (ограничения). При совпадении направления сканирования с направлением на один из источников, его составляющая подавляться не будет и на выходе появится максимум. Когда направление сканирования не совпадает ни с одним из направлений на источники, то подавление мощности на выходе имеет место и максимума наблюдаться не может. В результате, если ориентироваться на традиционный критерий Релея, различение источников происходит при возникновении в характеристике сканирования провала в направлении между парой источников.
Экспериментальные испытания работы фрагмента сотовой сети стандарта NMT 450 с использованием адаптивных антенн FALKEN RBS
Общая структурная схема приемопередающей ААР FALKEN показана на рисунке 3.13. Она применялась на каждой из четырех базовых станций опытного фрагмента сотовой сети стандарта NMT 450.
Как можно видеть, адаптивная приемопередающая система FALKEN RBS состоит из 4-х элементной антенной системы, способной подавить до двух мешающих сигналов и усилить сигнал, принимаемый с полезного направления. К каждой из четырех антенн подключаются индивидуальный дуплексный комбайнер (DPX), в состав которого входят блоки линейного тракта приемника и усилительно-согласующие каскады с общим формирующим фильтром группового спектра передатчика. С выходов линейных трактов приемников сигналы подаются на смесители (схемы переноса на ПЧ), объединенные с устройствами АЦП, формирующими оцифрованные потоки сигнальных квадратурных составляющих, присутствующих в каждом из 4-х каналов. На схеме указанные блоки обозначены как «RX ADC». После децимации и усреднения, производимой в блоках «DDC» оцифрованные квадратурные составляющие поступают на вход устройства «DOA», которое решет задачу пеленга принимаемых сигналов и формирует, с помощью блока «Weight Calc», соответствующие наборы весовых коэффициентов. Взвешенное суммирование квадратурных составляющих сигналов на прием обеспечивает решение задачи пространственной селекции с выбранного направления при одновременном подавлении сигналов, поступающих от мешающих источников. На передачу при этом используется, взвешенное суммирование транслируемых сигналов с весами, комплексно сопряженными с используемыми на прием. Это обеспечивает передачу с усилением в направлении на выбранный источник и подавление в направлениях на другие источники. На схеме блоки весовой обработки обозначены через элементы «Wi», помещенные в круги.
Кратко остановимся на оставшихся элементах, относящихся к передающему тракту. В блоках «DUC» производится цифровое преобразование смешанных квадратурных потоков с переносом их на ПЧ. После чего цифровые сигналы передачи проходят через схемы ЦАП (блоки «ТХ DAC») и превращаются в групповой аналоговый сигнал, транслируемый соответствующей антенной. Но предварительно, каждый из таких сигналов усиливается и переносится на радиочастоту в усилительно-согласующих блоках передатчиков, входящих в комбайнеры «DPX ».
Представленная для испытаний схема предполагает возможность наращивания числа степеней свободы путем увеличения числа антенн и соответствующих блоков обработки сигналов.
Зона испытаний была выбрана в районе метро «Электрозаводская», как показано на рисунке 3.14. На представленной схеме ААР FALKEN RBS включена только на одном секторе ЕС, располагающейся в районе метро «Электрозаводская». На других базовых станциях испытываемого фрагмента используются обычные секторные антенны RS4000. Такая архитектура использовалась на первом этапе эксперимента. В дальнейшем модуль ААР FALKEN RBS подключался к отдельным секторам, направленным на северо-восток и юго-восток. В конце испытаний ААР подключались к пересекающимся секторам каждой из БС в испытуемом фрагменте.
Мощность трансляции выбиралась стандартной для системы NMT-450 во всех вариантах построений. При включении ААР FALKEN RBS на всех БС, в пределах фрагмента использовались планы частотного покрытия со структурами 4/12, 3/9 и 1/3, позволяющие проверить работоспособность в условиях максимальной плотности частотного распределения. Также, как было оговорено выше, отдельно исследовалась точность работы подсистемы пеленга перемещающихся мобильных абонентов. Выбор структуры фрагмента на первом этапе был выполнен так, чтобы работа происходила через пространство реки (свободное от построек), для снижения явления многолучевого распространения.
Когда же модуль с ААР устанавливался на других базовых станциях, работа фрагмента происходила, как правило, в условиях отсутствия прямой видимости при существенном влиянии многолучевого распространения. И, наконец, при установке ААР FALKEN RBS на всех БС, составляющих испытательный фрагмент сети, связь осуществлялась в условиях смешанного обмена по трассам с прямой и без прямой видимости. При проведении испытаний основное внимание уделялось контролю таких параметров как: 1) Уровень вероятности ошибок на бит (BER). 2) Уровень отношения сигнал/(помеха+шум), достигаемый на выходе АФУ. 3) Вероятность потери соединений в режиме операции Handover между соседними БС.
В качестве аргумента при исследовании характеристики BER рассматривалось отношение сигнал/(помеха+шум), наблюдаемое на выходе отдельной антенны. В режиме контроля потерь соединений при Handover в аргументом был уровень сигнала RxLev, измеряемый на выходе АФУ (при использовании ААР FALKEN RBS - уровень на выходе адаптивной системы).
На рисунках 3.15-3.18 показаны зависимости вероятности ошибки на бит (BER) от уровня отношения сигнал/(помеха+шум). Отношение сигнал/(помеха+шум) измерялось на выходе антенны. В случае ААР FALKEN RBS - на выходе 1-й антенны адаптивного блока. Отдельными значками отмечены результаты отдельных замеров. Сплошные линии получены в результате операции сглаживания наблюдений с помощью сплайнов. Энергетический выигрыш от применения ААР, как можно видеть, составляет порядка 15 - 20 дБ при работе по каналам «вверх». И только при работе по каналу «вниз» в условиях плотной городской застройки указанный выигрыш оказывается несколько меньше 8 - 12 дБ. Объясняется это тем, что каналы «вниз» организованы на частотах, отличающихся от рабочих частот каналов «вверх». Поэтому условия теоремы взаимности нарушаются. Оценка направления прихода непрямого луча в канале приема не обеспечивает согласование с наилучшим направлением для трансляции. Попытка простого пересчета весовых коэффициентов, формируемых в режиме адаптивного управления приемной ДН, на режим трансляции по тем же причинам не дает оптимального решения. Экспериментальные результаты показали, что в условиях плотной городской застройки потери в каналах «вниз», возникающие по вышеуказанным причинам, составляют от 7 до 12 дБ, что достаточно хорошо согласуется с данными по потерям из-за замираний.
Похожие диссертации на Исследование и разработка методов повышения абонентской емкости цифровых сотовых систем связи диапазона 450 МГц
