Введение к работе
Актуальность темы. К главным чертам современного развития науки и техники можно отнести безусловный прорыв в сфере обработки и передачи информации. Телекоммуникации стали в буквальном смысле нервной системой человеческого социума. Одно из важнейших направлений в области доставки информации основано на использовании технологии множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA).
Научно-технический прогресс последних десятилетий создал необходимую базу для широкого внедрения систем мобильной радиосвязи на основе CDMA. В настоящее время коммерческие системы связи с кодовым разделением каналов находятся в фазе стремительного развития. Сегодня мобильная связь является одной из наиболее динамично развивающихся телекоммуникационных отраслей. Развитие сетевой инфраструктуры IMT-2000 происходит по всему миру. Особенно интенсивный рост наблюдается в странах Северной, Латинской Америки, Китае и Юго-Восточной Азии, Японии и Австралии.
Технологии сотовой подвижной связи в Республике Чад начали развиваться недавно. Создание сетей сотовой связи на базе технологии CDMA успешно осуществляет государственная компания "Sotel-Tchad" под коммерческим названием "Tawali", первый и единственный оператор CDMA в Республике Чад; компания предоставляет услуги связи государственным и коммерческим организациям, гражданам города Нджамена, столицы Республики Чад, и других наиболее крупных городов. В начале своей деятельности (декабрь 2004) компания обслуживала 10 000 абонентов в столице Республики Чад. В настоящее время компания "Sotel-Tchad" обслуживает 100 000 абонентов по всей стране, ее сеть содержит более 150 базовых станции.
Предварительный анализ структуры глобальной системы связи III поколения однозначно показывает, что будущее телекоммуникаций неразрывно связано с технологией CDMA. Одной из главных причин этого является высокая спектральная эффективность метода кодового разделения каналов, возможность построения систем с выгодными эксплуатационными характеристиками.
Плата за достигаемые преимущества состоит в усложнении методов обработки, предъявлении жестких требований к условиям функционирования систем CDMA. Одно из таких требований заключается в строгом соблюдении энергетического баланса между каналами множественного доступа. Даже незначительное различие мощностей принимаемых сигналов приводит в системах CDMA к взаимному подавлению сигналов и деградации пропускной способности. Во избежание указанных явлений в системах с кодовым разделением применяют высокоточное управление мощностью передатчиков радио-терминалов. Как ныне действующие, так и перспективные системы наземной мобильной радиосвязи на основе CDMA реализуют автоматическое регулирование мощности (АРМ) передатчиков подвижных станций по схеме с замкнутой обратной связью, с частотой подстройки от 500 Гц до 2000 Гц.
Результаты моделирования и полевых испытаний показали, что эффективное управление мощностью возможно только в ограниченном диапазоне скоростей движения мобильных абонентов. Для улучшения качества автоматического регулирования существуют 2 пути: экстенсивный, заключающийся в увеличении частоты регулирования, а, следовательно, и скорости передачи команд АРМ в ущерб полезному трафику, и интенсивный, не требующий перерасхода выделенного частотно-временного ресурса. Последний способ наиболее предпочтителен и может быть реализован с помощью адаптации рабочих параметров системы АРМ к характеристикам рассеяния радиоканала.
Таким образом, данная диссертационная работа, посвященная исследованию эффективности системы управления мощностью подвижной станции стандарта IMT-2000 в многолучевом канале, соответствует современной научной проблематике в области
мобильной радиосвязи и является актуальной.
Цель работы. Целью настоящей диссертационной работы является повышение эффективности и улучшение эксплуатационных характеристик обратной линии системы сотовой связи, построенной по технологии CDMA, которые могут быть достигнуты путем совершенствования способов оценивания значений отношения сигнал/интерференция на входе приемника базовой станции (БС) и алгоритма управления мощностью сигнала подвижной станции (ПС) сотовых систем связи стандарта IMT-2000.
Для достижения этой цели в диссертации решены следующие задачи: построение аналитической модели суммарного многолучевого сигнала ПС локальной соты на входе приемника БС обратной линии; разработка функциональной схемы имитационной модели обратного канала передачи; конкретизация алгоритма когерентного приема и последующего когерентного сложения всех лучевых компонент сигнала пользователя; разработка алгоритма оценивания текущего значения отношения CIR суммарной мощности всех когерентно сложенных лучевых компонент сигнала одного пользователя к суммарной мощности помех от сигналов всех остальных пользователей и теплового шума на входе устройства выделения кодовых каналов данного пользователя; разработка алгоритма фильтрации и прогноза будущего значения отношения сигнал/интерференция в обратной линии; конкретизация функциональной схемы управления мощностью в обратной линии с замкнутой петлей при использовании многобитовых команд управления мощностью и оценки текущего значения CIR; составление программы имитационной модели системы управления мощностью в обратной линии и ее реализация на ПЭВМ; составление плана эксперимента и выполнение статистического моделирования для оценки эффективности предлагаемых рекомендаций.
Методы исследования. Для решения поставленной в работе задачи использованы современные методы математического анализа, теории вероятностей и математической статистики, а также методы статистической радиотехники, теории связи, теории статистических решений.
Проверка теоретических результатов исследования осуществлялась путем имитационного моделирование на ЭВМ и сравнением с ранее опубликованными результатами других авторов.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:
-
Построена аналитическая модель суммарного сигнала ПС локальной соты на входе приемника БС обратной линии, на основе который составлена и реализована в системе Matlab имитационная модель обратной линии, удовлетворяющая условиям стандарта IMT-2000;
-
Разработан алгоритм оценивания текущего значения отношения CIR на входе устройства выделения кодовых каналов пользователя; данный алгоритм является основным в системе управления мощностью передатчика ПС; алгоритм оценивания основывается на линейной фильтрации и предсказании мгновенных значений синфазной и квадратурной компонент комплексной огибающей суммарного сигнала;
-
Составлена функциональная схема устройства, реализующая алгоритм оценивания, фильтрации и предсказания текущего значения CIR в обратной линии;
-
Модифицирована функциональная схема системы управления мощностью сигнала в обратной линии с замкнутой петлей, использующая многобитовые команды управления мощностью;
-
Получены количественные оценки относительной частоты битовых ошибок (BER) и искаженных кадров (FER) в обратной линии для предложенной системы АРМ как функции от значения CIR для условий связи, предусматриваемых стандартом IMT-2000 для радиоинтерфейса lxRTT; основной результат этого эксперимента можно сформулировать следующим образом: при малых скоростях перемещения ПС переход от однобитовой команды управления, рекомендуемой стандартом, к двух-битовой позволяет получить энергетический выигрыш около 0,7 дБ для значения BER=10"1;
при значении FER=2 10~~ предлагаемая система управления мощностью с двухбитовой командой управления обеспечивает энергетический выигрыш примерно 0.5 дБ по сравнению с системой, рекомендуемой IMT-2000.
Личным вклад. Основные результаты работы получены автором лично. Достоверность полученных результатов обеспечивается аккуратным применением адекватных решаемым задачам математических методов, подтверждается проведенным имитационным моделированием и согласованностью с данными, имеющимися в литературе.
Практическая ценность результатов. Выполненное исследование проблемы управления мощностью в обратной линии в рамках стандарта IMT-2000 позволяет указать на возможность построения более эффективных алгоритмов управления, чем алгоритм, предусматриваемый стандартом. Основные идеи предлагаемого подхода - уменьшение времени задерлски в петле регулирования путем управления па основе предсказанных значений CIR и использование многобитовых команд управления мощностью ПС. Эти алгоритмы могут быть реализованы в виде программ без существенных изменений в оборудовании мобильных и базовых станций. Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе на кафедре радиотехнических систем (РТС) Московского технического университета связи и информатики (МТУСИ), что подтверждено соответствующим актом.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международных научно-технических конференциях Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А.С. Попова, (Москва, 2009г., 2010г.), на международных конференциях "Цифровая обработка сигналов и ее применение", (Москва, 2009г„ 2010г.), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МТУСИ "Технологии информационного общества" (Москва, 2009г., 2010г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, 2 из которых - в изданиях из списка ВАК.
Основные положения работы, выносимые на защиту.
-
Уменьшение времени задержки в замкнутой петле автоматического управлення мощности ПС может обеспечить повышение точности требуемого значения отношения сигнал/интерференция на входе приемника БС;
-
Конструктивным способом уменьшения времени задержки в замкнутой петле регулирования является построение алгоритмов оценивания отношения сигнал/интерференция на основе теории фильтрации и предсказания значений случайных сигналов, наблюдаемых на фоне помех;
-
Изменчивость отношения сигнал/интерференция во времени большей частью обусловлена изменением уровня сигнала на выходе Rake-приемника БС из-за многолучевых замираний; уровень интерференции множественного доступа значительно слабее зависит от скорости передвижения ПС; этот факт позволяет свести задачу прогноза отношения сигнал/интерференция к задаче прогноза уровня сигнала на выходе Rake-приемника;
-
Задачи оценивания уровней сигнала каждого абонента и интерференции множественного доступа могут быть эффективно решены классическими методами теории фильтрации на основе статистик, формируемых из значений квадратурных компонент процесса на выходе Rake-приемника БС.
Структура н обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Работа изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков и 14 таблиц, список литературы из 109 наименований.
