Прием различных пакетов сигнала GSM базовой станции при наличии помехи соседнего канала

УДК 621.391

ПРИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ПАКЕТОВ СИГНАЛА GSM БАЗОВОЙ СТАНЦИИ ПРИ НАЛИЧИИ ПОМЕХИ СОСЕДНЕГО КАНАЛА

А.В. Новиков

Проведен анализ влияния помехи соседнего канала на качество приема синхропакетов и пакетов широковещательного канала сигнала GSM базовой станции. Даны рекомендации по выбору полосы пропускания фильтра частотного канала

Ключевые слова: GMSK-сигнал, частотный канал, помеха соседнего канала

Сотовые сети стандарта GSM (Global System for Mobile Communication) пользуются большой популярностью в России и многих других странах. С момента появления первой коммерческой сети в диапазоне 900 МГц (1992 г.) стандарт непрерывно развивался и совершенствовался. Несмотря на активное развитие систем подвижной сотовой связи следующих поколений, GSM сети будут еще долго оставаться популярными благодаря своей надежности, функциональности и развитой инфраструктуре.

Для планирования и эксплуатации GSM сетей, проверки соответствия параметров базовых станций территориально-частотному плану, анализа зоны покрытия, исследования конфликтных ситуаций регулярно производится идентификация базовых станций (БС) этих сетей и измерение их параметров [1, 2].

В системах сотовой связи стандарта GSM физический ресурс подразделяется на частотный и временной. Частотный ресурс представляет собой совокупность частотных каналов с шагом 200 кГц, а временной ресурс - временные слоты, объединенные во фреймы.

Как правило, при работе анализатора [1] в любой точке приема наблюдаются сигналы нескольких БС, причем их мощности могут существенно отличаться. Особенность используемого в системах сотовой связи GSM типа модуляции - гауссовской частотной модуляции с минимальным сдвигом (GMSK - Gaussian Minimum Shift Keying) - состоит в том, что сигналы соседних частотных каналов перекрываются. Полоса сигнала составляет 200 кГц по уровню -10 дБ. Наличие превосходящего по мощности сигнала в соседнем частотном канале может существенно ухудшить качество приема в исследуемом канале или сделать прием вовсе невозможным.

В данной статье рассмотрен вопрос влияния помехи соседнего канала на прием информационных каналов широковещательной несущей БС: данных синхроканала (SCH - Synchronization Channel) -синхропакетов (рис. 1); и данных широковещательного канала (BCCH - Broadcast Control Channel) (рис. 2) при различных полосах пропускания фильтра частотного канала .

Новиков Антон Викторович - ЗАО «ИРКОС», зам. начальника отдела, магистр, тел. (4732) 392-300

В качестве источника данных использовался программный генератор сигнала GSM базовой станции, формирующий пакеты SCH либо пакеты BCCH широковещательной несущей в соответствии со стандартом [3; 4] на видеочастоте. Видеосигнал переносится на промежуточную частоту. На выходе генератора формируется цифровой сигнал s^,g с частотой дискретизации 6.4 МГц на промежуточной частоте 3.2 МГц. Для имитации помехи в соседнем частотном канале формируется сигнал s, представляющий собой последовательность нормальных пакетов, информативная часть которых заполнена случайными данными. Кроме того, формируется случайный сигнал nt, имитирующий шум в канале

связи и представляющий из себя гауссовский случайный процесс с равномерной спектральной плотностью мощности в обрабатываемой полосе частот. Входными параметрами генератора являются отношение сигнал-помеха (ОСП) ZSIR и отношение сигнал-шум (ОСШ) ZSNR. Полная процедура приема широковещательной информации БС в анализаторе описана в [1]. В данной работе рассмотрен прием синхропакетов и пакетов широковещательного канала при идеальной временной и частотной синхронизации.

На входе анализатора (рис. 3) наблюдается цифровой сигнал, представляющий собой сумму информационного сигнала, помехи соседнего частотного канала и шума в канале связи

s, = sfs + sГ + n .

Этот сигнал переносится на видеочастоту исследуемого канала и фильтруется для выделения анализируемого частотного канала.

Для приема сообщений синхроканала производится демодуляция GMSK символов информационной части синхропакета, т. е. формирование их мягких решений

Уп = Re {X

где xn - комплексные отсчеты видеосигнала с выхода фильтра частотного канала.

Демодулированные символы уп синхропакета поступают на сверточный декодер, на выходе которого формируются оценки информационных и про-

верочных бит синхропакета. Если ошибок нет, то прием 8СИ пакета считается успешным. Формирование мягких решений при демодуляции вМЕК символов широковещательного канала производит-

ся аналогично (2). Далее осуществляется их депере-межение и декодирование с оценкой информационных и проверочных бит. Если ошибок нет, то прием BCCH пакета считается успешным.

Рис. 1. Структура синхропакета.

Хвостсеы е С ,ту . ^ Биты тренировочн

ктс. е. Структураснй0мальннг°как?таые биты к к

биты ^ г последовательное

Биты тренировочн последовательное

Рис. 3. Структурная схема алгоритма приема данных широковещательной несущей.

Критерием качества приемаЗданных в данной работе является вероятность пакетной ошибки РЕЯ, характеризующаяся отношением количества неверно декодированных пакетов 0Е к общему числу пакетов J на интервале анализа

PER = Je-J

пропускания 205 кГц. (Рис. 4а). В этом случае имее26 место максимальное отношение сигнал-шум на выходе фильтра, что обеспечивает наилучшие характеристики по сравнению с фильтрами 150 кГц и 175 кГц. Для приема данных широковещательного канала оптимален фильтр с полосой 175 кГц. (Рис. 4б). Использование фильтра с полосой пропускания 205 кГц дает незначительное (около 0.5 дБ), а 150 кГц -заметное (более 1.5 дБ) ухудшение характеристик по уровню PER = 10-2. Использование фильтра 125 кГц дает значительноеіух|удш|ни5 к^ества приема пакетов обоих типов, что объясняется сильными

В работе исследовано влияние полосы пропускания фильтра частотного канала на качество приема синхропакетов и пакетов широковещательного

канала. На рис. 4, рис. 5, рис.6 представлены зави-

„ _ nrn _ искажениями струкгупвшЭДвКшгнала/ вносимыми

симости вероятности пакетной ошибки PER от от-vnnuni/i . -І-Ґ

„ |-ЗЛ'-,Дгдинлым фильтром. При появлении в соседнем час-

ношения сигнал-шум в канале связи ¿„АГ„ при раз- „ ,

j snr . ОЙтотЯРН ¿канале помехи использование фильтра с по- лосой 205 кГц сопровождается ее проникновением в

анализируемый частотный канал. При приеме син-

личных отношениях сигнал-помеха ZS

и разл

ных значениях полосы пропускания фильтра. Выбирались следующие значения полосы: 125 кГц, 150 кГц, 175 кГц, 205 кГц (по уровню -3 дБ). Фильтр реализован с помощью прямого и обратного преобразований Фурье [5]. При отсутствии помехи в соседнем частотном канале, оптимальным для приема данных синхроканала является фильтр с полосой! 0МОши9окЙЙещательноГоканала на фоне помехи сосед-

Декодирование сивмолов г

хропакетов проигрыш по уровню PER = 10- более узкополосным фильтрам (175 кГц и 150 кГц) составляет 1 дБ при ZSIR = -6 дБ (рис. 5а) и 5..6 дБ при ZSIR = -10 дБ (рис. 6а). При приеме пакетов

него канала фильтр с полосой 175 кГц остается наилучшим и дает выигрыш по уровню PER = 10-2 1 дБ и 1.5 дБ при ZSIR = -6 дБ (Рис. 5б) и 4 дБ и 0.5 дБ

при = -10 дБ (Рис. 6б). по сравнению с фильтрами 205 кГц и 150 кГц соответственно.

а) пакет SCH

б) пакет BCCH

Рис. 4. Зависимость PER(ZSNR), помеха соседнего канала отсутствует

а) пакет SCH б) пакет BCCH

Рис. 5. Зависимость PER(Zsnr), ZSR = -10 дБ.

Z

Z

Z

Z

Z

Z

а) пакет SCH б) пакет BCCH

Рис. 6. Зависимость PER(ZsnR ), ZSR = -10 дБ.

а) пакет 8СИ б) пакет ВССН

Рис. 7. Ухудшение характеристик приема, обусловленное помехой соседнего канала

На рис. 7а показано ухудшение характеристик приема данных синхроканала, обусловленное присутствием помехи в соседнем частотном канале.

Оно составляет порядка 3 дБ для фильтра с полосой пропускания 150 кГц и порядка 6 дБ для фильтра с полосой пропускания 175 кГц по уровню PER = 10~3 при ОСП равном -10 дБ. Оптимальным для приема синхропакета является фильтр с полосой пропускания 150 кГц, который дает выигрыш порядка 3 дБ по уровню PER = 10-3 по сравнению с фильтром 175 кГц при приема данных на фоне помехи.

При приеме данных широковещательного канала ухудшение характеристик (рис. 7б), обусловленное наличием помехи, превосходящей по мощности информативный сигнал на 10 дБ, составляет 4 дБ для фильтра с полосой 175 кГц и 2 дБ для фильтра с полосой 150 кГц по уровню PER = 10-3. Для BCCH пакетов оптимальным является использование фильтра с полосой пропускания 175 кГц, что дает выигрыш по сравнению с фильтром 150 кГц порядка 3дБ в отсутствие помехи и 0.5 дБ при ОСП равном -10 дБ.

Следует отметить, что для идентификации GSM базовых станций и анализа их интерференционных воздействий [2] обязателен прием как данных синхроканала, так и данных широковещательного канала, поэтому при выборе фильтра необходимо ориентироваться на менее помехоустойчивый пакет.

Таковым является пакет BCCH, наилучшие характеристики приема которого обеспечивает фильтр с полосой пропускания 175 кГц. Несмотря на то, что

ЗАО «ИРКОС», г. Москва

GSM BASE STATION BURSTS RECEIVING IN FLUENCY OF NEIGHBOR CHANNEL INTERFERENCE A.V. Novikov

GSM base station synchronal burst and broadcast control burst receiving quality in fluency of neighbor channel interference is analyzed. Recommendations on frequency channel filter bandwidth choice are given

для приема данных синхроканала указанный фильтр не является оптимальным [6], значение PER = 10-2 достигается при меньших значениях ОСШ чем для данных широковещательного канала. (Рис. 7). Следовательно, использование неоптимального для приема синхропакетов фильтра частотного канала не имеет значения при совместном приеме пакетов обоих типов.

Таким образом, наиболее целесообразным для приема данных широковещательной несущей является использование фильтра с полосой пропускания 175 кГц вне зависимости от наличия помехи в соседнем частотном канале и ее мощности.

Литература

1. В.Б. Манелис, И.В. Каюков, А.В. Новиков. Идентификация GSM базовых станций. Труды XIV научнотехнической конференции «Радиолокация, навигация, связь». Т.2. - Воронеж. - 2008. - С. 833-840.

2. В.Б. Манелис, И.В. Каюков, А.В. Новиков. Идентификация и анализ интерференционных воздействий GSM базовых станций // Известия вузов. Радиоэлектроника. №2 (Т. 52). - 2009. - С. 3-14.

3. Digital cellular telecommunications system (Phase 2); Channel coding (GSM 05.03 version 4.5.1).

4. European digital cellular telecommunications system (Phase 2); Modulation (GSM 05.04).

5. А.Б. Сергиенко. Цифровая обработка сигналов. -СПб: Питер, 2005. - 608 с.

6. А.В. Новиков. Прием сигнала GSM базовой станции при наличии помехи соседнего канала. Труды XVI научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь». Т.2. - Воронеж. - 2010. - С. 1224-1228.

Z

Key works: GSMK signal, frequency channel, neighbor channel interference