Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Проблема планирования сотовых систем фиксированной радиосвязи с кодовым разделением каналов 10
1.1. Характеристика фиксированных систем беспроводной связи 10
1.2. Характеристика сотовых систем связи с кодовым разделением каналов 18
1.3. Обзор методик планирования систем сотовой связи 34
1.4. Выводы, основные задачи работы 48
Глава II. Характеристики канала связи сотовой системы фиксированного радиодоступа на основе CDMA 50
2.1. Постановка задачи 50
2.2. Характеристика средних потерь и медленных замираний сигнала 51
2.3. Характеристика многолучевого рассеяния в условиях фиксированной радиосвязи 64
2.4. Характеристика быстрых замираний сигнала 76
Выводы 83
Глава III. Возможные подходы к решению задач планирования сетей абонентского радиодоступа с кодовым разделением каналов
3.1. Постановка задачи 85
3.2. Методика расчета зон покрытия базовых станций 85
3.3. Методика расчета зон обслуживания базовых станций 94
3.4. Методика оценки внутрисистемной ЭМС в прямом канале связи 106
3.5. Методика оценки внутрисистемной ЭМС в обратном канале связи 113
3.6. Критерий оценки внутрисистемной ЭМС 116 Выводы 118
Глава IV. Решение задачи повышения емкости сетей фиксированного абонентского радиодоступа с кодовым разделением каналов 120
4.1. Постановка задачи 120
4.2. Анализ условий построения сети с малым числом BS 121
4.3. Первый вариант выбора сети 125
4.4. Второй вариант выбора сети 139 Выводы 155
Заключение 157
Литература 161
- Характеристика сотовых систем связи с кодовым разделением каналов
- Характеристика средних потерь и медленных замираний сигнала
- Методика расчета зон обслуживания базовых станций
- Анализ условий построения сети с малым числом BS
Введение к работе
Научно-технический прогресс последних лет создал необходимую базу для широкого внедрения систем связи на основе стандарта с кодовым разделением сигналов (CDMA - Code Division Multiple Access). Данная технология обладает высокой спектральной эффективностью, что позволяет использовать одни номиналы рабочих частот в пределах всей зоны обслуживания. При условии выделения одинакового ресурса частот потенциальная пропускная способность систем CDMA превосходит аналогичный показатель систем, использующих частотное (FDMA -Frequency Division Multiple Access) и временное (TDMA - Time Division Multiple Access) разделение.
Коммерческие системы связи с кодовым разделением каналов находятся в фазе стремительного развития, общее количество пользователей сетей cdmaOne (коммерческое название стандарта IS-95) в мире превысило в 2002 году 65 млн. человек. Особенно интенсивно развиваются инфраструктуры CDMA в странах Америки, Австралии, Азии, Китае и Японии.
В последние годы, несмотря на бурное развитие систем мобильной связи, значительное внимание уделяется разработкам и внедрению систем абонентского радиодоступа для обслуживания стационарных абонентов и абонентов с низкой мобильностью в пригородных и труднодоступных районах. Наиболее известны разработки фирм Motorola, Qualcomm, Alcatel, Siemens.
При определенных условиях, связанных с количеством обслуживаемых абонентов и их удаленностью от телефонных сетей общего пользования, прокладка телефонных кабельных линий становится экономически неэффективной по сравнению с внедрением систем беспроводной связи для
7 соединения стационарных абонентов с телефонной сетью общего пользования (ТФОП).
Характерная для систем беспроводной связи низкая мобильность абонентов обеспечивает более стабильное распределение плотности трафика в зоне обслуживания по сравнению с сотовыми системами связи. Последнее обстоятельство позволяет рассмотреть такие актуальные вопросы, как уменьшение резервов аппаратного ресурса, использование менее дорогого оборудования, более эффективно использовать секторизацию ячеек, уменьшать быстрые флюктуации сигналов с помощью автоматического регулирования мощности передатчиков АС.
Специфические особенности технологии CDMA заставляют рассмотреть ряд вопросов, связанных с адаптацией к CDMA известных методик частотно-территориального планирования сетей, использующих наиболее распространенную технологию FDMA/TDMA. Желательно, чтобы предлагаемые рекомендации обеспечивали минимальные временные и материальные затраты.
Таким образом, целью работы является решение ряда проблем, связанных с использованием технологии кодового разделения сигналов в системах беспроводной фиксированной связи. Их решение необходимо для обеспечения ряда преимуществ таких систем по сравнению с системами, использующими другие стандарты. К преимуществам в первую очередь относятся: спектральная эффективность, высокая помехоустойчивость, конфиденциальность и криптозащищенность, более легкая адаптируемость к мультимедийным услугам и др.
Научной задачей диссертации является исследование и разработка методов планирования систем абонентского радиодоступа на основе систем с кодовым разделением каналов.
Защищаемые в диссертационной работе научные положения могут быть сформулированы следующим образом:
Проведенный анализ влияния параметров многолучевого рассеяния сигналов в системах стандарта CDMA, построенных по методу прямого расширения спектра сигнала, позволяет установить, что значение средних потерь зависит от параметров трассы распространения, архитектуры построения системы, ее технических характеристик. Величину средних потерь необходимо определять не в радиоканале, а в канале модуляции с учетом разнесенного приема.
Установленные законы распределения быстрых замираний позволяют определить энергетический бюджет радиолинии в системе фиксированного радиодоступа на основе стандарта CDMA. Это позволяет определить некоторый порог, ниже которого не должен опускаться уровень сигнала с определенной степенью вероятности.
Полученные выражения для определения потерь на трассе распространения сигнала и тракте обработки позволяют получить неравенства, определяющие зоны покрытия секторов базовых станций. Полученные результаты позволяют построить частотно-территориальный план первого приближения.
Для уточнения частотно-территориального плана выведены выражения, с помощью которых могут быть рассчитаны зоны обслуживания секторов базовых станций, распределение нагрузки по секторам в зависимости от мощности передатчиков, координат, высот подвеса и ориентации антенных систем базовых станций. Выведенные выражения имеют вероятностный характер. Это открывает возможность так называемого «мягкого» территориального планирования. Беспроводной абонент в этом случае может с известной вероятностью быть приписан к одному из нескольких секторов сети.
5. Для оценки внутрисистемной ЭМС предложен критерий - отношение сигнал/шум в выбранных точках приема. Критерий с
9 заданными весовыми коэффициентами должен не превышать выбранного порога, различного для прямого и обратного каналов.
Полученные выражения для соотношения сигнал/шум на выходе RAKE-демодуляторов в трактах приемников абонентских станций в прямом и обратном каналах связи позволяют оценить внутрисистемную ЭМС.
Сделаны выводы о том, что при переходе из многозонового в однозоновый режим работы пропускная способность базовых станций в системе cdmaOne может быть увеличена почти на 2/3.
Рассмотренные два метода построения сетей с использованием репитеров и организацией ассиметричных каналов высокоскоростной передачи данных позволяют повысить эффективность систем абонентского радиодоступа.
Названные положения отвечают требованиям научной новизны, имеют теоретическую ценность. Проведенные исследования позволили выработать практические рекомендации по проектированию систем абонентского радиодоступа на базе стандарта CDMA.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка.
Характеристика сотовых систем связи с кодовым разделением каналов
Технология кодового разделения каналов (code division multiple access -CDMA) долгое время была в поле зрения фирм-производителей беспроводной связи вследствие своих неоспоримых преимуществ [38,39,55,68,73,76,100], главным из которых является то, что многоабонентские системы связи, построенные по принципу CDMA, обладают высокой спектральной эффективностью. Значение данного обстоятельства особенно велико в условиях острого дефицита частотного ресурса, сложившегося на современном этапе развития средств связи, телевидения и радиовещания. Каналы множественного доступа систем CDMA размещены в едином частотно-временном ресурсе, что позволяет использовать одни номиналы рабочих частот в пределах всей зоны обслуживания. В результате, при условии выделения одинакового ресурса частот, потенциальная пропускная способность систем CDMA многократно превосходит аналогичный показатель систем с временным (TDMA) и частотным (FDMA) разделением каналов [14,54,55,79].
Использование методов корреляционной обработки сигналов обеспечивает системам CDMA высокую помехоустойчивость к воздействию как широкополосных, так и узкополосных аддитивных помех.
Применение сложных сигналов (сигналов с большой базой) обеспечивает системам с кодовым разделением каналов высокую разрешающую способность по времени и частоте, позволяет применять эффективные методы борьбы с мультипликативными помехами в радиоканале (межсимвольная интерференция, доплеровские искажения спектра). Вместе с тем, высокая разрешающая способность систем CDMA позволяет сочетать передачу информации по каналам множественного доступа с решением задач позиционирования мобильных абонентов (измерения координат), не расходуя при этом избыточного частотно-временного ресурса.
Конфиденциальность передаваемой информации и высокая криптозащищенность являются естественными свойствами систем с кодовым разделением каналов в силу использования уникальных адресных последовательностей большой длины. Точное определение параметров адресных последовательностей сопряжено со значительными материальными и временными затратами, что делает "взлом" системы маловероятным событием.
Превышение допустимого числа активных абонентов в системах CDMA не нарушает связь, а приводит к плавной деградации ее качества. Таким образом, для систем с кодовым разделением каналов характерно свойство эластичности трафика. Значительного увеличения пропускной способности систем множественного доступа с кодовым разделением каналов позволяет достигнуть использование фактора речевой активности абонентов. В зависимости от параметров речи, при кодировании из речевого сигнала абонента удаляют избыточность, и кодированную речевую информацию передают с различной скоростью. Мощность излучаемых в эфир сигналов при этом изменяют таким образом, чтобы энергия посылки одного символа оставалась неизменной. Так, при более "активной" речи скорость и мощность передачи выше, чем при менее "активной", энергия же информационных посылок в обоих случаях одинакова. Во время речевых пауз, занимающих, в среднем, 35...40% длительности разговора, скорость передачи информации по каналам трафика резко ограничивают (соответственно понижают и мощность передатчика). В итоге пропускная способность сети может быть увеличена приблизительно в два раза, уровень взаимных помех при этом не превышает допустимого порога, а качество связи (коэффициент ошибок) соответствует заданному. Радиоинтерфейс систем CDMA может быть легко (с минимальными изменениями) адаптирован для передачи разнородного, в том числе и мультимедийного трафика. Использование единого частотно-временного системного ресурса позволяет конфигурировать текущий набор каналов множественного доступа на основе адресных поднесущих с разной тактовой частотой, кратностью (с несколькими кодовыми подканалами) и.т.д.
Технология CDMA обладает высокой гибкостью и способностью сочетаться с такими базовыми методами мультиплексирования, как частотный (frequency division multiplexing - FDM) и временной (time division multiplexing - TDM). Данное обстоятельство позволяет проектировать системы с кодовым разделением каналов, удовлетворяющие целому ряду требований: возможность адаптации радиоинтерфейса к частотному плану района развертывания, обеспечение элементов совместимости с одним из стандартов FDMA/TDMA и т.д.
Характеристика средних потерь и медленных замираний сигнала
Средние потери на трассе распространения сигнала являются важнейшим параметром, необходимым для прогноза зоны покрытия отдельных базовых станций и систем связи с целом, формирования энергетического бюджета радиолиний, оценки внутрисистемной ЭМС, а также для решения других задач при проектировании сетей беспроводной связи.
Интенсивное развитие мобильной радиосвязи и средств абонентского радиодоступа, имеющее место на протяжении последних десятилетий, обусловило разработку ряда моделей и соответствующих методик расчета затухания сигнала. Известные сегодня модели потерь в системах наземной сухопутной радиосвязи можно классифицировать в соответствии с принципами, лежащими в основе их построения.
Статистические методы прогноза, основанные на презентативных выборках данных практических измерений, длительное время являлись основными в практике инженерных расчетов. Широкое распространение среди методов (моделей) данного типа получил метод Hata [42]. Модель стала результатом аналитической аппроксимации результатов практических измерений, опубликованных Okumura и его группой [69]. Набор эмпирических формул и поправочных коэффициентов, полученный в ходе аппроксимации, позволяет рассчитывать средние потери для следующих типов местности: типичная городская застройка, пригород, сельская местность.
В районах с типичной городской застройкой (typical urban) потери составляют Uban = 69.55 + 26.161og10/ - 13.821og10hBs - a(hMS) + (44.9 6.551og10hBs)log10R [дБ], (2.1) где / - несущая частота, МГц; hBs и hMs - высоты антенн BS и MS, м; a(hMs) поправочный коэффициент; R - расстояние между BS и MS, км.
Поправочный коэффициент a(hMS) зависит от типа местности, в которой действует система связи.
Для малых и средних городов a(hMs)=(l-llogio/-0,7)hMs-(l-561og10/-0.8), для больших городов a(hMS)= Г 8.29[log10(1.54hMs)]2-l.l при/ 200МГц I 3.2[log10(11.75hMs)]2-4.97 при/ 400МГц. В типичных пригородных районах (typical suburban) величина потерь J- suburrban ЬигЬап-2[1оё10(//28]2-5.4[дБ], (2.2) в сельской местности (rural) 78(1о10/)2+18.331оЕі0/-40.94[дБ]. (2.3)
Модель Hata является многопараметрической, учитывает радиодиапазон системы связи, высоты подвеса антенн базовых и абонентских станций, длину трассы распространения, тип местности. Возможность применения данной модели ограничена следующей областью значений входных параметров: /=150... 1500МГц, 1IBS=30...200 м, riMs=l-..10 м, R=1...20 км. Таким образом, используя терминологию сотовой связи, можно констатировать, что модель Hata пригодна для проектирования макросотовых сетей, характеризуемых относительно большими размерами ячеек и высотами подвеса антенн BS. Известны модификации модели, обеспечивающие ее применение в радиодиапазоне 1500...2000 МГц путем введения дополнительных поправочных коэффициентов. Статистическая методика Hata вследствие своей простоты и удобства применения получила широкую популярность при проведении оценочных расчетов, получении первого приближения конфигурации сети.
Одним из недостатков рассмотренной модели является то, что она в слабой мере учитывает характеристики зоны развертывания сети связи: этажность строений, ширину и ориентацию улиц, другие параметры. Это затрудняет проектирование сетей микросотовой и персональной связи, требующих большей точности при расчете зоны покрытия базовых станций. С целью преодоления имеющихся ограничений был разработан ряд усовершенствованных методик. Дифракционная аналитическая модель специально предназначена для расчета средних потерь на трассах распространения в городских и пригородных зонах [88]. В отличие от модели Okumura-Hata, дифракционная модель позволяет вести расчеты в более широком диапазоне частот, до 2000...2200 МГц, при удалении абонентской станции от базовой от сотен метров до единиц километров и для разных возвышений установки антенны BS. В первую очередь модель предназначена для расчета затухания на закрытых трассах, когда сигнал, приходящий на MS, является результатом сложной интерференции множества отраженных сигналов. Можно утверждать, что дифракционная модель позволяет рассчитывать усредненные значения сигнала в точке приема в зависимости от характеристики городского рельефа.
Методика расчета зон обслуживания базовых станций
На втором этапе будут рассчитаны зоны обслуживания секторов базовых станций и распределение абонентской нагрузки по секторам, соответствующее тем мощностям передатчиков, координатам, высотам подвеса и ориентации антенных систем базовых станций, которые были определены на этапе построения проекта территориального плана.
Определим зоны засветки базовых станций SUght, в пределах которых уровень приема пилотного сигнала превышает чувствительность приемника мобильной станции Р с вероятностью шст: ?т[р% Р%\ шт. (3.17)
Уровень сигнала в зоне засветки не гарантирует уверенного приема, однако остается достаточно сильным как для обеспечения возможности связи, так и для создания внутрисистемных помех в прямом канале. Зона засветки BS включает в себя как составную часть зону покрытия: Slight :э Scm.
По аналогии с зоной покрытия (3.15) зона засветки BS включает совокупность точек rMS, для которых потери по мощности в радиоканале ограничены как PL{rBS dE Plx/- -dE-APlxs,dE-P ,dE-LBS,dE-Ci ,dE, rMSeSlight, (3.18) где kP = Ф ( cov) " запас мощности на медленные замирания в прямом канале связи. Можно показать, что вероятность уверенного приема в зоне засветки BS определяется неравенством Рг P WF ) Р х# ф _ЛПІП ,оь fus оь _ф-1/ \ 1 Ms VBS-MS)- 1 min J \шсоч/ І oL,dE rMS Є light
При развертывании сети сотовой связи в городах и пригородах плотность распределения абонентского трафика, как правило, достаточно высока. Поэтому здесь и далее будем полагать, что размеры зон покрытия и зон засветки не ограничены максимально допустимыми мощностями передатчиков базовых и абонентских станций: Plxr\dE Pl \dE PL(PBS_us),dE + aLO-1(mC0v),dE, rMSeSlighl
Определим зоны обслуживания BS. При наличии у базовой станции свободных каналов трафика MS в процессе регистрации будет приписана к сектору той BS, которому соответствует максимальный уровень принимаемого пилотного сигнала: fc). MS \rj,)-maxrMS- yjl (3.19) где гл - трасса сигнала от антенной системы базовой станции j-ro сектора сети до точки приема і-й MS с координатами rt.
Поскольку одним из главных требований к проекту начального приближения сотовой сети является обеспечение малой вероятности блокирования вызова (Ргы«0.02), будем полагать, что в подавляющем большинстве моментов времени каждая из BS располагает некоторым количеством свободных каналов трафика и условие (3.19) определяет выбор BS обслуживания.
В каждой точке зоны охвата сети r&Snet определим вектор р, компоненты которого pj задают вероятность того, что MS, помещенная в данную точку, будет обслужена т-м сектором п-и BS (/-м сектором сети): где j = nM + m, п = 1,...,Nnet- номер BS, т = 1,...,М - номер сектора BSn; размерность вектора вероятностей обслуживания р определяется общим количеством секторов в сети: dim[p]= NnetMxl.
Очевидно, что из всех секторов сотовой сети наибольшие вероятности обслуживания будут соответствовать тем J секторам, в зоне засветки которых находится MS: г e(j5lighty. Поэтому в дальнейшем, в целях уменьшения вычислительной сложности алгоритма, будем полагать, что вероятности обслуживания для секторов BS, не обеспечивающих засветку точки ш, тождественны нулю: Pj(r) = 0,ftSmj, (3.20) и вектор р содержит, по крайней мере, MNnet-J нулевых компонент. Указанные J компонент вектора р отвечают вероятностям событий, образующих полную группу: J J 1 7-(Ю = 1 re[jSimj. J j
Зону засветки сектора базовой станции, для каждой точки которой определены вероятности обслуживания абонентской станции сектором данной BS Pj{r), rsSmji
будем именовать зоной обслуживания сектора. Необходимо отметить, что характеристики зоны обслуживания сектора определяются не только параметрами базовой станции данного сектора, но также и параметрами базовых станций соседних секторов. Таким образом, зона обслуживания сектора нераздельно связана и заключает информацию о характеристиках плана всей сети сотовой связи.
Получим выражение для одной из компонент вектора вероятностей обслуживания, определив вероятность обслуживания абонентской станции, находящейся в точке гп j-м сектором сети. Согласно соотношению (3.19) вероятность данного события составит
Анализ условий построения сети с малым числом BS
Рассмотрим второй вариант выбора сети абонентского радиодоступа cdmaOne - в соответствии с предложенным выше вторым подходом. Предлагаемый вариант состоит в организации асимметричной передачи данных методом полной загрузки ресурсов прямого канала связи.
Как говорилось выше, пропускная способность сети абонентского радиодоступа cdmaOne определяется возможностями передачи трафика в обратном канале связи. При этом, если инфраструктура сети включает небольшое число BS (одну...три), уровень внутрисистемных помех в прямом канале значительно меньше порогового, а отношение с/ш значительно превышает минимально допустимое. В подобных условиях появляется возможность поднять трафик прямого канала за счет дополнительной передачи данных с высокой скоростью.
Найденный подход может быть использован, когда один или несколько абонентов сети абонентского радиодоступа испытывают потребность в расширении сервисных возможностей информационного доступа обычной абонентской линии. Организация ассиметричных каналов высокоскоростной передачи данных позволяет обеспечить таких абонентов возможностью приема видео- и мультимедийной информации, высокоскоростных Internet-данных и т.д. и т.п.
При полной (номинальной) загрузке ресурсов базового оборудования передачей симметричного речевого трафика значительная часть каналов множественного доступа BS на ортогональных кодовых поднесущих остается незанятой. Следовательно, эти физические каналы могут быть использованы для параллельной передачи высокоскоростного информационного потока. При этом смежные каналы трафика данной BS не будут испытывать перегрузки внутрисистемными помехами вследствие ортогональности адресных поднесущих. Ограничение скорости передачи дополнительного трафика обуславливает возрастание уровня помехового фона в трактах приемников абонентских станций соседних сот. Однако в силу пространственной удаленности соседних сот уровень помехового фона в них будет в значительной степени ослаблен потерями сигнала с расстоянием.
Рассмотрим ситуацию, когда сеть абонентского радиодоступа включает только одну BS. По данным [3] при полной загрузке BS симметричным речевым трафиком в среднем используется до 30...40 дуплексных каналов. Следовательно, для дополнительного информационного обмена может быть задействовано еще 64-3-(30...40) = 21...31 каналов прямого трафика (три физических канала на кодовых поднесущих используются для передачи пилотного сигнала, данных о синхронизации и информации персонального вызова). Это дает возможность, сохраняя качество передачи речевого трафика, дополнительно передавать информационные потоки с общей скоростью 200...300 кбит/с при скорости передачи в канале трафика 9.6 кбит/с.
Очевидно, что дополнительные каналы прямого трафика могут быть предоставлены как одному абоненту, так и распределены среди нескольких заинтересованных пользователей. Следует отметить, что приведенные оценки получены для часов наибольшей нагрузки сети связи, когда имеет место максимальная потребность в услугах передачи речевого трафика. В ночные часы, когда большая часть каналов освобождается, могут быть достигнуты существенно большие скорости информационного обмена.
Оценим возможности дополнительной передачи прямого трафика в сети абонентского радиодоступа, включающей от двух до семи односекторных сот (рис.4.6). Абонент MS1, находящийся в соте базовой станции BS1, является получателем высокоскоростного потока данных.
Рассмотрим наихудший с точки зрения помеховой обстановки случай - когда абонент MS1 находится на границе соты и передатчик базовой станции работает с максимальной мощностью. В соответствии с приведенными выше рассуждениями требования внутрисистемной ЭМС будут соблюдены, если абоненты других базовых станций не будут испытывать помеховой перегрузки. В качестве индикатора уровня помех будем рассматривать абонентский приемник MS2, расположенный на минимальном удалении от источника дополнительной помехи - базовой станции BS1.
