Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Актуальность проблемы увеличения скорости передачи данных в сетях GSM 13
1.1. Анализ способов увеличения скорости передачи данных в сетях GSM 13
1.2. Проблемы развития сотовой связи GSM и последующих поколений ... 18
1.3. Принципы «когнитивного радио» 20
Выводы 22
Глава 2. Разработка системы передачи данных с высокой скоростью в сетях GSM 23
2.1. Способ передачи данных с высокой скоростью в сетях GSM на принципах когнитивного радио 23
2.2. Оценка максимальной скорости передачи данных в дополняющей микросотовой сети при использовании различных схем повторного использования частот 25
2.3. Адаптивный выбор рабочих частот для микросотовой сети передачи данных 34
2.4. Формирование OFDM-сигнала в микросотовой системе передачи данных с исключением рабочих частот, занятых GSM 35
2.5. Алгоритмы процесса передачи данных в микросотовой сети 38
2.6. Организации транспортной сети для микросотовой сети передачи данных 40
2.7. Структурные схемы базовой и абонентской станций микросотовой сети передачи данных 41
Выводы 46
Глава 3. Исследование вопросов электромагнитной совместимости микросотовой и макросотовой сетей 47
3.1. Оценка электромагнитной совместимости микросотовой и макросотовой сетей 47
3.2. Анализ зависимости допустимой мощности БС микросотовой сети от частотного разноса между рабочими частотами микросотовой и макросотовой сетей 57
Выводы 61
Глава 4. Моделирование алгоритмов физического уровня прямого и обратного каналов совмещенной сети OFDM- GSM 62
4.1. Разработка алгоритма имитационного моделирования 62
4.2. Имитационное моделирование канала связи микросотовой сети 66
4.3. Результаты моделирования предложенных алгоритмов физического уровня прямого и обратного каналов совмещенной сети OFDM - GSM 78 Выводы 82
Глава 5. Рекомендации по практической реализации когнитивной системы передачи данных с высокой скоростью в сетях GSM 83
5.1. Спецификация параметров OFDM-модуляции в радиоканале передачи данных 83
5.2. Использование физического уровня технологии LTE в микросотовой сети передачи данных 86
Выводы 92
Заключение 93
Список литературы
- Проблемы развития сотовой связи GSM и последующих поколений
- Оценка максимальной скорости передачи данных в дополняющей микросотовой сети при использовании различных схем повторного использования частот
- Анализ зависимости допустимой мощности БС микросотовой сети от частотного разноса между рабочими частотами микросотовой и макросотовой сетей
- Использование физического уровня технологии LTE в микросотовой сети передачи данных
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Мобильные и беспроводные технологии сегодня обеспечивают практически глобальное покрытие для передачи речи и данных с невысокой скоростью. Только в сетях GSM предоставляются услуги более 4 миллиардам абонентам в 219 странах. Успех технических решений, принятых в стандарте GSM более 20 лет назад, позволяет применять их в современных и перспективных системах связи. На основе GSM развиваются системы связи для железных дорог (GSM-R). На базе GSM создаются в Европе и России системы экстренного реагирования на дорогах (eCall и ЭРА ГЛОНАСС). В США планируется создание системы GSM в новой полосе частот - 850 МГц. Параллельно с GSM уже существуют сети UMTS и CDMA 2000, относящиеся к третьему поколению сотовой связи (3G). На их основе развиваются новые виды технологий, услуг и приложений для мобильных и стационарных абонентов для общения людей между собой, для развития бизнеса, для взаимодействия с устройствами и машинами (М2М).
Главной тенденцией для пользователя становится получение услуг мультимедиа и различного контента «везде и в любое время» через различные устройства и системы доступа. Основной проблемой для реализации современных тенденций развития мобильной и беспроводной связи становится проблема увеличения скорости передачи данных на радиоинтерфейсе, решение которой однозначно связано с расширением полосы частот, выделяемой системе связи.
В связи с ограниченностью частотного ресурса, приемлемого для мобильной и сотовой связи, чрезвычайно актуальной проблемой является поиск способов повышения скорости передачи данных в радиоканале без увеличения полосы частот системы связи. К ним можно отнести:
- увеличение плотности установки базовых станций, применение микросот
и фемтосот, за счет чего увеличивается емкость сети, а также скорость
передачи данных на одного абонента;
- применение современных систем сотовой связи и беспроводного
широкополосного доступа с агрегацией трафика;
применение интеллектуальных антенн для увеличения уровня принимаемых сигналов, что обеспечивает возможность работы с высокоскоростными видами модуляции и реализует методы пространственного разнесения;
- совместное использование полос частот, выделенных отдельным
операторам сотовой связи (spectrum sharing);
- «когнитивное радио».
В данной работе исследуются вопросы повышения скорости передачи данных в сетях GSM на принципах «когнитивного радио».
Объект и предмет исследований. Объектом исследований являются сети мобильной и беспроводной связи и их характеристики, связанные со скоростью передачи данных.
Предметом исследования являются способы построения когнитивной системы передачи данных с высокой скоростью в сетях GSM, а также возможные варианты построения оборудования подсистемы передачи данных на принципах адаптации по спектру с действующими сетями GSM.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка и исследование системы передачи данных с высокой скоростью в сетях GSM на основе когнитивного радио. В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:
Анализ возможных способов увеличения скорости передачи данных в сетях сотовой связи GSM. Анализ технологий когнитивного радио, ориентированных на передачу данных с высокой скоростью.
Разработка способа передачи данных с высокой скоростью в сетях GSM на принципах когнитивного радио. Разработка методов адаптивного выбора рабочих частот и формирования сигнала для сети передачи данных, работающей на принципах когнитивного радио.
Анализ вопросов электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств (РЭС) GSM и системы высокоскоростной передачи данных.
Разработка алгоритмов и соответствующего программного обеспечения, реализующего физический уровень системы высокоскоростной передачи данных.
Разработка рекомендации по практической реализации системы высокоскоростной передачи данных в сетях GSM.
Методы исследований
В работе использованы методы системного анализа, теории связи, электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, частотного планирования сетей радиосвязи, теория телетрафика, теории планирования эксперимента и теории моделирования.
Научная новизна диссертации заключается в том, что в ней разработаны:
1. Способ увеличения скорости передачи данных в системе сотовой связи GSM на основе создания дополняющей микросотовой сети, работающей в общей полосе частот с действующей сетью GSM на принципах когнитивного радио с соблюдением условий электромагнитной совместимости РЭС GSM и дополняющей микросотовой сети.
Способ формирования сигнала в каналах передачи данных на основе использования OFDM модуляции, обеспечивающий работу сети GSM и микросотовой сети высокоскоростной передачи данных в общей полосе частот.
Методы реализации функций адаптации по спектру и уровню сигналов, излучаемых в микросотовой сети высокоскоростной передачи данных, обеспечивающих электромагнитную совместимость с РЭС действующих сетей GSM.
Личный вклад
Автором разработаны и получены лично представленные результаты исследований способа передачи данных с высокой скоростью в сетях GSM, структурные схемы сети, базовых и абонентских станций высокоскоростной сети передачи данных, способ формирования сигнала в канале передачи данных на основе OFDM мультиплексирования, обеспечивающий электромагнитную совместимость РЭС базовой сети и сети высокоскоростной передачи данных, результаты исследования электромагнитной совместимости сети GSM и предлагаемой микросотовой сети, включая численные результаты, модель физического уровня совмещенной сети высокоскоростной передачи данных на основе OFDM/GSM.
Практическая значимость заключается в разработке способов, алгоритмов и рекомендаций, использование которых позволяет создавать совмещенные системы сотовой связи GSM с дополняющей системой, обеспечивающей скорость передачи данных в GSM, близкую к скорости передачи данных в системах сотовой связи 3G с HSPA и HSPA+, без выделения дополнительного спектра частот.
Реализация полученных результатов
Результаты диссертационной работы использованы компанией ОАО «Интеллект Телеком» при формировании программы работ «Стратегическое моделирование будущего телекоммуникаций», явились основанием для включения в план работ ОАО «Интеллект Телеком» НИОКР «Разработка системы передачи данных с высокой скоростью в системах GSM на принципах «когнитивного радио».
Результаты диссертации представлены в отчете по теме «Концепция формирования современной инфраструктуры связи», исполнитель ОАО «Интеллект Телеком», заказчик - Министерство связи и массовых коммуникаций. В указанной теме «Способ передачи данных с высокой скоростью в сетях GSM на принципах «когнитивного радио» включен в перечень отраслевых критических технологий, связанных с прогнозом развития отрасли информационных и телекоммуникационных технологий: «обеспечение радикального увеличения пропускной способности сетей и снижения стоимости пропуска трафика».
Результаты диссертационной работы использованы ОАО «Мегафон» для оценки перспектив увеличения скорости передачи данных в сетях второго поколения стандарта GSM при составлении планов технического развития сетей 2G на 2012 год и при разработке функциональной стратегии развития сети ОАО «МегаФон» до 2015 года.
Апробация
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Инновации в авиации и космонавтике-2011». Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет). Москва, 2011.
Публикации
По теме диссертации опубликована заявка на изобретение № 2009149054 Российская Федерация, МПК A H04W80/00. Способ передачи данных в системе сотовой связи и система для его реализации. Громаков Ю.А. Настасий К.С. Родионов В.В.; заявл. 30.12.2009; опубл. 10.07.2011, Бюл. №19; приоритет 30.12.2009, решение о выдаче патента 06.02.2012, 3 с.
По теме диссертационной работы опубликованы 2 печатные работы в научно-технических журналах, рекомендованных ВАК, результаты работы отражены в 1 научном отчете.
Основные положения, выносимые на защиту:
Способ увеличения скорости передачи данных в системе сотовой связи GSM на принципах когнитивного радио, обеспечивающей скорость передачи данных в GSM, соответствующую скорости передачи данных в системах сотовой связи 3G с HSPA и HSPA+ в рамках действующих сетей GSM.
Способ формирования OFDM-сигнала в каналах передачи данных, обеспечивающий работу базовой сети и сети высокоскоростной передачи данных в общей полосе частот с соблюдением заданных требований электромагнитной совместимости.
Инфраструктура совмещенной сети GSM и дополняющей микросотовой сети передачи данных, структура приемопередающих устройств в дополняющей сети передачи данных, позволяющие реализовать предложенный способ увеличения скорости передачи данных.
4. Методика определения максимально допустимой мощности базовой
станции микросотовой сети, обеспечивающей электромагнитную
совместимость макросотовой и микросотовой сетей с учетом частотно-
территориального разноса между базовыми станциями указанных сетей.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 99 страницах текста и состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Графический материал представлен в виде 51 рисунка и 19 таблиц. Список использованных источников включает 58 наименований на 5 страницах.
Проблемы развития сотовой связи GSM и последующих поколений
Несмотря на внедрение сетей мобильной связи UMTS и LTE, предполагается, что сети GSM будут существовать еще 10-15 лет. Сети GSM стали составной частью интегрированной сети подвижной связи, в состав которой входит UMTS, cdma2000, LTE. Основной тенденцией развития интегрированной сети и GSM, в частности, становится увеличение скорости передачи данных.
Первоначально в сетях GSM передача данных осуществлялась в режиме с коммутацией каналов [44]. В этом режиме используется один временной слот на несущую, как и при передачи голоса. Но так как устанавливается постоянное соединение, даже когда данные не передаются, то при этом происходит нерациональное использование ресурсов сети. Скорость передачи данных невелика и составляет 9600 бит/с. Если во время передачи данных отношение сигнал/шум падает ниже порогового значения, то абонент получает искаженные фрагменты вместо целых файлов. Оплата производилась поминутно, что в комплексе с низкой скоростью приводило к большим затратам для абонента.
Для увеличения скорости передачи данных была разработана технология HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) - высокоскоростная передача данных с коммутацией каналов [35]. Увеличение скорости происходит путем выделения одному соединению нескольких временных слотов на одной несущей. Теоретически, если будут использоваться все 8 временных слотов, то максимальная скорость передачи данных будет равняться 14,4 кбит/с х 8 = 115,2 кбит/с. На практике под одно соединение выделяется не более четырех временных слотов, что соответствует максимальной скорости 57,6 кбит/с. Недостатки - общие у режима с коммутацией каналов - загруженность сети и очень дорогое соединение для абонента. При внедрении технология HSCSD на существующую сеть стандарта GSM, требуется небольшая доработка базовых и абонентских станций системы в части добавления в них возможности объединения/разделения данных по нескольким потокам.
Дальнейшим усовершенствованием системы GSM в области передачи данных является использование пакетной радиопередачи данных. При такой передаче, данные отправителя разбиваются на отдельные пакеты, каждому пакету присваивается адрес получателя и его очередность. На стороне получателя происходит сборка пакетов. При этом пакеты могут идти разными маршрутами. При принятии ошибочного пакета или при его потере возможен запрос на повторную передачу данного пакета.
При внедрении пакетной передачи данных в сети GSM была использована технология GPRS (General Packet Radio Service) [24]. В этом случае пакеты данных передаются по тем же физическим каналам сети, что и голосовой трафик (хотя возможно выделение под GPRS и отдельных каналов). Использование канальных ресурсов сети происходит только непосредственно во время самой передачи данных, хотя абонент остается подключенным к сети GPRS все требуемое время. При этом используются голосовые каналы, которые свободны в паузах между передачей речи. Выделение каналов происходит с приоритетом голосовых данных. Передача пакетов идет одновременно в нескольких слотах на одной несущей. Это позволяет увеличивать скорость передачи пропорционально задействованному числу канальных интервалов. Возможно выделение от 1 до 8 слотов в TDMA-кадре под передачу информации. Теоретический максимум скорости передачи данных на одного абонента составляет 171,2 кбит/с при использовании всех слотов. Одну и ту же несущую с ее 8 временными слотами одновременно могут использовать до 32-х разных абонентов. В этом случае работа абонентов происходит поочередно с регламентированной задержкой ожидания. Так как абонент занимает эфир только когда он действительно передает данные, а не все время, как в случае сервиса с коммутацией каналов, то возможно применение новой схемы оплаты за услугу передачи данных - не за время соединения, а за переданный объем информации.
Для поддержки GPRS, в сеть GSM необходимо добавить новые узлы пакетной обработки данных и произвести модернизацию существующих узлов для обеспечения маршрутизации пакетов данных от мобильного терминала до шлюзового узла (он обеспечивает взаимоприсоединение с внешней сетью пакетной передачи данных для реализации доступа к сетям Интернет/интранет). Новые узлы для обеспечения пакетной передачи данных включают в себя: SGSN (Serving GPRS Support Node), GGSN (Gateway GPRS Support Node) и PTM-SC (Pointo-Multipoint Service Center).
Узел SGSN обеспечивает маршрутизацию пакетов, включая управление мобильной связью, аутентификацию и шифрование в обоих направлениях для всех абонентов GPRS, находящихся в пределах зоны обслуживания системы. Абонент GPRS в зависимости от своего местоположения может обслуживаться любым узлом SGSN сети. Трафик передается от узла SGSN на контроллер базовых станций BSC, а в направлении к мобильному терминалу - через базовую приемопередающую станцию BTS.
Узел GGSN обеспечивает шлюз во внешние сети ISP, одновременно неся функции обеспечения безопасности, обработки счетов абонентов и динамического выделения IP-адресов. С точки зрения внешней сети узел GGSN будет представлять собой хост, которому принадлежат все ІР-адреса, выделенные абонентам сети GPRS.
Узел PTM-SC обрабатывает трафик мультивещания между магистралью GPRS и домашним регистром HLR. Узлы присоединяются по магистральной сети IP. Функции логических узлов SGSN и GGSN могут быть объединены в одном общем физическом узле, а могут быть разведены по разным точкам, вплоть до размещения в разных сетях мобильной связи.
Оценка максимальной скорости передачи данных в дополняющей микросотовой сети при использовании различных схем повторного использования частот
Использование OFDM на «линии вниз» и на «линии вверх» При использовании GPRS/EDGE на «линии вверх» учитывается обычная асимметричность трафика в направлении от/к абоненту. При этом можно отметить следующие достоинства и недостатки этого варианта: достоинство: максимальная скорость на «линии вниз»; недостатки: отсутствие или загруженность GPRS/EDGE каналов исключает работу микросотовой сети; необходимость изменения в действующей сети GSM в части координации работы подсистемы GPRS/EDGE и микросотовой сети передачи данных; ограниченная скорость передачи данных на «линии вверх».
При передаче данных на свободных частотах в обоих направлениях можно отметить следующие достоинства и недостатки: достоинства: автономность работы от загруженности или наличия GPRS/EDGE; гибкое управление скоростью в направлениях от/к абоненту; недостаток: меньшая возможная скорость передачи данных, чем при использовании GPRS/EDGE на «линии вверх». Организации транспортной сети для микросотовой сети передачи данных
При построении микросотовой сети передачи данных остается актуальным вопрос организации транспортной сети. Для соединения базовых станций микросотовой сети (BTS мик) с контроллером базовых станций микросотовой сети (BSC мик) (рис 2.3) необходимы высокоскоростные соединения, обеспечивающие передачу трафика системы. Учитывая, что размещение базовых станций микросотовой сети может изменяться для удовлетворения потребностей пользователей, целесообразно строить транспортную сеть на основе сети беспроводного широкополосного доступа (БШД) [49]. Для обеспечения динамического перераспределения ресурсов сети БШД, например, при возникновении потребности повышенной пропускной способности на каком-либо участке сети предлагается ее строительство на основе технологии mesh. Главным преимуществом mesh-сетей по сравнению с известными сетями PmP (Pointo-Multipoint) является возможность развертывания ограниченного числа точек доступа, непосредственно имеющих соединение с транспортной сетью оператора (GAP - Gateway access point), и некоторого количества транзитных точек доступа (ТАР - Transit access point), что позволяет осуществить расширение зоны покрытия оператором. В случае отказа одной или нескольких ТАР, например в случае ее полной загрузки, трафик будет автоматически перенаправлен на другие ТАР, а в случае необходимости повышения производительности транспортной сети на каком-либо участке, возможно параллельная передача трафика по различным путям mesh-сети. В случае неполной загрузки mesh-сети в качестве транспортной, также возможно оказание услуг передачи данных пользователям с помощью БШД. При этом требуется специальный алгоритм маршрутизации для обеспечения требуемого качества обслуживания в зависимости от типа передаваемого трафика.
Структурные схемы базовой и абонентской станций микросотовой сети передачи данных Обобщенная схема базовой станции микросотовой сети передачи данных, в случае передачи сведений о занятых частотах от базовой станции по каналам OFDM, имеет вид: гчэтт -. Сканирующий приемник . \/ L \ OFDM-демодулятор s Контроллер базовой J станции ч V "S OFDM-модулятор S Рис. 2.13 Обобщенная схема базовой станции микросотовой сети. Базовая станция периодически прослушивает с помощью сканирующего приемника рабочий диапазон частот сети GSM на предмет определения занятых каналов. Результаты обрабатываются микропроцессором (CPU), определяются номера поднесущих OFDM, которые способны помешать работе сети GSM. Далее в CPU формируется кадр для рассылки пользователям номеров поднесущих OFDM, запрещенных для излучения. В соответствии со структурой кадра OFDM-модулятор формирует многочастотный сигнал. Также на OFDM-модулятор от CPU поступают номера запрещенных поднесущих для исключения излучения на них базовой станции микросотовой сети. Данные от контроллера базовой станции микросотовой сети поступают на OFDM-модулятор, сформированный радиосигнал излучается антенной. Принимаемый от абонентских устройств радиосигнал поступает на OFDM-демодулятор, при этом во входящем потоке данных удаляются нулевые символы на указанных CPU позициях.
Обобщенная схема абонентского устройства микросотовой сети, в случае передачи сведений о запрещенных частотах от базовой станции по каналам OFDM системы, имеет вид: Bluetooth (до 723,2 кбит/с), WiFi s OFDM-модулятор N, х" \ USB, PCMCIA CPU \ к CPU мобильной птянттии GSM / ч v, OFDM- S демодулятор Рис. 2.14 Обобщенная схема абонентской станции микросотовой сети
В начале работы абонентское устройство получает кадр с номерами запрещенных для излучения поднесущих OFDM. После декодирования он поступает на CPU, который распознает эти данные. Номера запрещенных поднесущих от CPU передаются на OFDM-модулятор и OFDM-демодулятор для, соответственно, включения и удаления нулевых символов на данные позиции при передаче/приеме данных. При приеме, после OFDM-демодулятора, данные идут транзитом через CPU на выход устройства, за исключением момента ожидания первоначального кадра с запрещенными поднесущими и самих этих кадров. Абонентское устройство может быть как совмещенным в одном корпусе с абонентской станцией GSM, так и выполняться в отдельном корпусе. В случае исполнения в отдельном корпусе, абонентское устройство микросотовой сети может подключаться к подвижным и стационарным терминалам с помощью Bluetooth (при этом максимальная скорость, поддерживаемая интерфейсом, составляет 723,2 кбит/с), либо Wi-Fi, или посредством проводных интерфейсов (USB, PCMCIA). В этом случае добавляется возможность работать с новой сетью передачи данных с помощью уже существующих терминалов, и нет необходимости производить их замену. Передача данных посредством Bluetooth осуществляется для совместимости абонентских устройств новой сети и существующих абонентских станций GSM. При этом скорость передачи данных, примерно, в два раза превышает максимальную скорость, достигаемую в EDGE.
Структурные схемы базовой и абонентской станций микросотовой сети в случае передачи сведений о занятых частотах от базовой станции по каналам OFDM системы представлены на рис. 2.15, рис.2.16. На них более подробно показаны блоки, входящие в состав OFDM-модулятора и OFDM демодулятора. Они имеют стандартный состав, за исключением модифицированных, как было показано ранее (рис.2.10), блоков параллельно/последовательных преобразователей, и модифицированных блоков последовательно/параллельных преобразователей, которые удаляют символы, пришедшие на позициях, указанных CPU.
Анализ зависимости допустимой мощности БС микросотовой сети от частотного разноса между рабочими частотами микросотовой и макросотовой сетей
Для практической реализации предложенного способа передачи данных в рамках сети GSM целесообразно использовать уже разработанные технические решения, основанные на технологии OFDM, используемые в современных стандартах связи.
В настоящее время наиболее перспективным стандартом подвижной связи является LTE (Long Term Evolution) [18, 26, ЗО, 31, 13, 9, 12]. Этот стандарт отличают высокая спектральная эффективность, высокие скорости передачи данных на «линии вверх» и «линии вниз», возможность использования различной ширины канала, низкие задержки при передаче данных.
Полосы радиочастот 880-915 МГц, 925-960 МГц, 1710-1785 МГц, 1805-1880 МГц используемые GSM, определены в технических спецификациях партнерского проекта 3GPP и ETSI для возможного применения сетей LTE [2, 3]. Однако применение сетей LTE в диапазонах GSM подразумевает замещение действующей сети GSM новой системой связи. Вместе с тем существующие сети GSM полностью удовлетворяют требованиям пользователей по передаче речи, имеют глобальное покрытие и сотни миллионов абонентов по всему миру.
С помощью способа предложенного в данной диссертационной работе становится возможным использовать преимущества технологии LTE параллельно с действующими сетями GSM.
Радиоинтерфейс LTE основан на применении OFDM [4, 36]. Расстояние между поднесущими в OFDM сигнале составляет 15 кГц. Ширина радиоканала может составлять 1,4 МГц, 3 МГц, 5 МГц, 10 МГц, 15 МГц или 20 МГц.
Виды модуляции, используемые при модуляции поднесущих - QPSK, 16-QAMMH64-QAM. Дуплексное разделение каналов может быть как частотным (FDD), так и временным (TDD). Однако, применение FDD более эффективно в плане использования радиочастотного ресурса, так как при этом меньше накладных расходов при передаче данных (служебных полей, защитных интервалов и т.п.). Учитывая, что в GSM также используется FDD и в случае наличия свободного канала для передачи данных в микросотовой сети будут доступны и прямой и обратный каналы GSM, дальнейшее описание системы LTE будет производиться для FDD.
Радиообмен между базовой и абонентской станциями происходит на основе циклически повторяющихся кадров. Длительность одного кадра составляет 10 мс. Каждый кадр состоит из 20 слотов длительностью 0,5 мс. Два смежных слота образуют субкадр (рис. 5.2). кадр, 10 мс
Каждой абонентской станции в каждом слоте выделяется свой диапазон канальных ресурсов в частотно-временной области (рис.5.3) - ресурсная сетка. Каждой поднесущей в частотной области соответствует своя ячейка ресурсной сетки, называемая ресурсным элементом.
Несколько ресурсных элементов объединяются в ресурсный блок -минимальную информационную единицу в канале. При этом это минимальный ресурс, выделяемый абонентской станции планировщиком базовой станции. О распределении ресурсов в каждом слоте базовая станция сообщает в специальном управляющем канале. Ресурсный блок образуется из 12 поднесущих и 6 или 7 OFDM-символов, в зависимости от длины защитного интервала (так как защитный интервал формируется путем добавления в начало каждого OFDM символа части его окончания, то в спецификациях LTE его называют циклическим префиксом). Возможны два варианта циклического префикса: стандартный, длительностью 5,2 мкс для первого символа слота и 4,7 мс для остальных 6 символов, и расширенный длительностью 16,7 мкс. Выбор длительности циклического префикса зависит от задержек в канале распространения. Стандартный циклический префикс позволяет скомпенсировать разницу в 1,4 км пути между прямым и отраженным сигналом.
Ресурсная сетка LTE Для синхронизации и оценки смещения несущей в каждый ресурсный блок входят опорные и синхронизирующие сигналы. В стандарте определены следующие типы опорных сигналов: опорный сигнал с информацией о ячейке (Cell-specific); сигнал, относящийся к конкретной абонентской станции; сигнал, использующийся для мультимедийного широковещательного сервиса в случае одночастотной сети. Опорные сигналы используются для непосредственного определения условий в канале передачи, так как приемной станции заранее известны расположение в блоке, а также форма опорного сигнала. Измерив их, можно рассчитать отклик канала и восстановить исходную форму других поднесущих.
Опорный сигнал информацией о ячейке присутствует в каждом субкадре «линии вниз». Его форма определяется с помощью псевдослучайной последовательности Голда, которая является частным случаем m-последовательности, при инициализации которой используется идентификационный номер ячейки БС (Cell ID). Данный опорный сигнал равномерно распределен по ресурсным элементам (рис. 5.4). При этом, в случае стандартной длине циклического префикса он транслируется в 0-м и 4-м OFDM-символе, а при расширенном циклическом префиксе - во время 0-го и 3-го OFDM-символа. В частотной области опорные сигналы передаются через каждые шесть поднесущих, при этом сдвиг определяется идентификатором ячейки, взятым по модулю 6.
Использование физического уровня технологии LTE в микросотовой сети передачи данных
В данном случае, легко заметить, что на спектрограмме отсутствуют участки спектра, предназначенные для работы системы GSM. Таким образом, исключается взаимное влияние систем OFDM и GSM. Частоты, которые требуется исключить из спектра сигнала OFDM, задаются пользователем до начала модулирования и вырезаются системой автоматически.
Также в модели присутствует фазомер (рис. 4.20), включенный до и после компенсатора канала, позволяющий контролировать фазу сигнала до и после компенсации в виде точек, соответствующих комплексным значениям сигнала.
В главе выбрана методология и реализована модель совмещенной сети высокоскоростной передачи данных на основе OFDM-GSM. Представленная модель работоспособна в рамках заданных условий и обладает высокими качественными характеристиками. Быстродействие модели достаточно для накопления широкой базы результатов. Набор средств для осуществления визуального контроля работы системы достаточен. Результаты моделирования позволяют подтвердить ранее полученные теоретические результаты.
Для случая рассмотренного в данной главе, SER системы в случае исключения поднесущих из OFDM-сигнала микросотовой системы передачи данных снижается на 3,7%. Глава 5. Рекомендации по практической реализации когнитивной системы передачи данных с высокой скоростью в сетях GSM
Спецификация параметров OFDM-модуляции в радиоканале передачи данных Определим параметры OFDM-мультиплексированного сигнала. При выборе параметров OFDM-мультиплексирования требуется учесть с одной стороны защищенность системы от межсимвольной интерференции при многолучевом распространении сигнала, а с другой - доплеровский сдвиг частоты при движении приемника.
В первую очередь необходимо рассчитать параметры OFDM-символа. Длительность символа OFDM (Ts) состоит из информационной части (I) и защитного временного интервала (7 ) [46], рис. 5.1. Защитный интервал служит для окончательного устранения межсимвольной интерференции.
Исходя из среднеквадратического разброса по задержке в канале стт, выбирается длительность защитного интервала Tg: защитный интервал должен быть больше в 2-4 раза разброса по задержке в канале. При этом чем выше размерность модуляции m (в случае применения mQAM), тем большее значение множителя требуется использовать, поскольку такой сигнал более чувствителен к межсимвольной интерференции.
После выбора защитного интервала можно найти длительность OFDM-символа Ts. Чем меньшую долю интервала Ts составляет длительность защитного интервала Tg, тем меньше энергетические потери. Однако длительность Ts не может быть слишком большой, так как число поднесущих колебаний становится слишком большим, и частотные интервалы между ними слишком малыми. Возрастает чувствительность системы к отклонениям частоты в приемнике вследствие эффекта Доплера и к флуктуациям фазы. Возрастает также пик-фактор OFDM-сигнала. Последнее затрудняет обеспечение линейного режима мощных усилителей передатчика. Практическая рекомендация по выбору длительности Ts символа может быть сформулирована следующим образом: если допустить энергетические потери не более 1 дБ, то длительность символа должна быть больше защитного интервала в четыре-пять раз.
Следовательно, длительность основного интервала интегрирования OFDM-символа в приемнике Т= Ts - Tg, а частотный интервал между соседними поднесущими колебаниями Af= 1/Т [37].
В связи с тем, что направление движения приемника может быть как к источнику сигнала, так и от него, расстояние между соседними поднесущими спектра OFDM-сигнала должно быть больше 2±fdomep= 522 Гц. Данное значение определяет нижнюю границу для расстояния между соседними поднесущими, а также верхнюю границу длительности полезной части OFDM-символа, равную:
По результатам экспериментальных измерений среднеквадратического разброса по задержке в канале ат при различных условиях распространения приведенных в таблице 5.1 [29], находим, что в условиях пригорода, который характеризуется невысокой плотностью застройки, для диапазона 900 МГц средний наихудший случай среднеквадратического разброса по задержке стт находится в пределах 1960-2110 не. Расчет будем вести для стт = 2110 не. При этом также обеспечивается работоспособность системы и внутри зданий, где максимальная величина среднеквадратического разброса по задержке равна 270 не.
Длительность защитного интервала Т3 = 4стт = 8,44 мкс. Длительность OFDM-символа Тс = 4 Т3 = 33,76 мкс. Длительность основного интервала интегрирования OFDM-символа в приемнике Т = Тс-Т3 = 25,32 мкс. Расстояние между соседними поднесущими колебаниями Л/=1/Т= 39,5 кГц.
