Анализ методов обработки сигналов в сетях подвижной связи

УДК 621.37

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В СЕТЯХ ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ

Д.В. Жилин, В.А.Сладких, Б.В. Матвеев

Проведен анализ используемых методов обработки сигналов в сетях подвижной связи для целей учета их особенностей при применении процедур локализации источников радиоизлучений

Ключевые слова: сигнал, анализ, источник, локализация, радиоизлучение

В связи с интенсивным развитием сетей подвижной связи возникает необходимость разработки специальных устройств, обеспечивающих локализацию источников радиоизлучений, а также контроль над несанкционированными действиями по размещению базовых станций и других устройств передачи информации. Решение этих задач требует знания особенностей организации существующих сетей подвижной связи, их взаимодействия между собой, а также технических характеристик и параметров основных видов излучения. Малая стоимость беспроводных цифровых коммуникаций, быстрота развертывания, широкие функциональные возможности по передаче данных, телефонии, видеопотоков делают беспроводные сети одним из основных направлений развития телекоммуникационной индустрии.

Нами проведён анализ эффективности использования канального ресурса сетей WiMax и LTE.

Три основных технологии послужили увеличению пропускной способности каналов связи в рассматриваемых стандартах:

- мультиплексирование с ортогональным частотным разделением OFDM,

- идеология «множественный вход, множественный выход» MIMO,

- эволюционная системная архитектура сети SAE.

Расширение полосы канала является простым решением проблемы увеличения скорости информационного потока в канале. Но в условиях городской застройки расширение полосы канала приводит к значительным интерференционным искажениям сигнала. Принцип OFDM, хорошо исследованный в системах DVB, Wi-Fi и WiMAX, заключается в следующем: информационный поток разбивается на несколько потоков данных, которые одновременно передаются на различных частотах, вписываясь при этом все в тот же предписанный стандартом диапазон. Модель ортогонального частотного разделения позволяет избежать перекрестных помех для различных подканалов, что расширяет полосу пропускания во столько раз, сколько независимых каналов используется в системе.

Жилин Дмитрий Владимирович - ВГТУ, магистрант, тел. (473) 243-76-65

Сладких Владимир Александрович - ВГТУ, аспирант, тел. (473) 243-76-65

Матвеев Борис Васильевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8-960- 138-4561

MIMO-принцип позволяет уменьшить число ошибок при радиообмене данными (BER) без снижения скорости передачи в условиях множественных переотражений сигналов. Именно эта специфика распространения радиосигналов свойственна плотной городской застройке. При этом многоэлементные антенные устройства обеспечивают:

- расширение зоны покрытия радиосигналами и сглаживание в ней мертвых зон;

- использование нескольких путей распространения сигнала, что повышает вероятность работы по трассам с замираниями, переотражениями и т. п.;

- увеличение пропускной способности линий связи за счет формирования физически различных каналов (разделенных пространственно, с помощью ортогональных кодов, частот, поляризационных мод).

Системы MIMO могут использоваться либо для подавления эффектов замирания сигнала, либо для повышения пропускной способности. В общем случае различают три типа многоантенных систем с пространственным разнесением, пространственным мультиплексированием и с формированием диаграммы направленности.

Пространственное разнесение - метод повышающий эффективность по мощности за счет максимального сокращения повторных передач. При этом используются такие методы как разнесение задержки, пространственно-временное блочное кодирование (Space-Time Block Codes, STBC) и пространственно-временное решетчатое кодирование (Space-Time Trellis Codes, STTC). В среде с ярко выраженными эффектами многолучевого распространения мощность сигнала в радиоканале изменяется очень быстро и по времени и в зависимости от длины пути распространения. Сильное ослабление мощности сигнала на стороне приемника называют многолучевым замиранием. Для подавления этого эффекта часто используется разнесение антенн. Разнесение антенн позволяет компенсировать замирание за счет сложения нескольких копий одного и того же сигнала двух или более каналов, замирания в которых происходят независимо друг от друга. Например в системе SIMO разнесение приемных антенн улучшает характеристики системы, если приемник оптимально объединяет сигналы от нескольких антенн так, чтобы амплитуда результирующего сигнала обладала меньшими колебаниями по сравнению с амплитудой сигнала любой отдельной величины.

Концепция SAE направлена на поддержку широкого использования любых услуг на базе IP и обеспечение непрерывного обслуживания абонента при его перемещении между сетями беспроводного доступа, которые могут не соответствовать стандартам 3GPP (GSM, UMTS, WCDMA и т.д.) [1]. Архитектура SAE поддерживает узлы только двух типов - базовые станции и шлюзы доступа, - это позволяет снизить расходы на развертывание сетей LTE/SAE, а так же на их эксплуатацию. Ядро сети SAE включает в себя четыре ключевых компонента:

- модуль управления мобильностью: управление служебной информации об абоненте, авторизацию терминальных устройств и общее управление мобильностью;

- модуль управления абонентом: установление нисходящего соединения, шифрование данных, маршрутизацию пакетов;

- 3GPP-якорь: шлюз между сетями 2G/3G и LTE;

- SAE-якорь: поддержка непрерывности сервиса при перемещении абонента между сетями, как соответствующими спецификациям 3GPP, так и нет (I-WLAN и т.п.).

Системная архитектура сети SAE позволяет значительно уменьшить задержки передачи данных, что особенно критично для VoIP или онлайновых интерактивных игр. Несмотря на то, что обе технологии (LTE и WiMax) базируются на одном и том же радиоинтерфейсе MIMO-OFDM, некоторые технологические решения в обработке сигналов вывели LTE на более высокие скорости.

Рассмотрим основные из них.

В LTE на линии вверх отказались от OFDM, поскольку при сложении множества ортогональных поднесущих формируется сигнал с большим пик-фактором. Для передачи такого сигнала без искажений требуется высоко линейный, а значит, дорогостоящий усилитель. Было решено использовать технологию SC-FDMA - мультиплексирование на одной несущей [2].

При использовании MIMO в технологии WiMax ресурсы выделяются пользователям слотами, формируемыми из поднесущих и символов OFDM; при этом применяется метод расстановки поднесущих PUSC. В свою очередь в LTE учли тот факт, что в пределах одного ресурсного блока (180 кГц) поднесущие коррелированны, что позволяет сократить количество пилот-поднесущих для оценивания канала на приемной стороне. Доля пилот-поднесущих в LTE в 1,5 раза меньше, чем в WiMax.

В WiMax диспетчеризация ресурсов организованна так что, поднесущие, выделяемые пользователю, распределены по всему спектру канала [3]. Делается это для рандомизации и усреднения влияния частотно-селективных замираний на широкополосный канал. В сетях LTE для каждой абонентской станции и каждого частотного блока несущей формируются индикаторы качества канала. Пользователям выделяются те ресурсные блоки, которые обладают наивысшим индикатором качества, а

значит, наилучшим отношением сигнал/шум. Т акой способ распределения ресурсов между пользователями дает заметный энергетический выигрыш по сравнению с рандомизированной раздачей частотных ресурсов.Благодаря упрощенной архитектуре LTE (в радиоподсистеме WiMax, как правило, имеется контроллер базовых станций, а в LTE он отсутствует) сократилось время на обработку пакетов до 10 мс, против 30 мс в WiMax [4].

Один из конкретных примеров - использование пространственного мультиплексирования применительно для пользователей, которые при этом имеют лучшее качество сигнала. Это позволяет оператору предлагать повышенную скорость передачи данных для некоторых пользователей. Динамичный механизм применения спецификаций Wi-MAX помогает осуществлять такое использование.

В современных системах радиодоступа можно максимально учесть условия распространения радиоволн в канале связи и адаптироваться к ним путем выбора наиболее подходящей схемы модуляции и кодирования. В LTE доступны 29 схем модуляции и кодирования. Выбирается та, которая в данных условиях распространения радиоволн обеспечивает максимальную пропускную способность. Точность настройки на канал в зависимости от отношения сигнал/шум составляет 1-2 дБ. В WiMax число схем MCS в несколько раз меньше, точность настройки на канал более грубая - 2-3 дБ.

В любой сотовой сети необходимы процедуры управления мощностью передатчиков абонентских станций для борьбы с замираниями и компенсации потерь в радиоканале. Классический алгоритм управления - мощность излучения абонентских станций должна устанавливаться такой, чтобы уровни сигналов различных пользователей поступали на вход приемника базовой станции с отношением сигнал/шум, равным некоторому пороговому значению. Именно такой алгоритм используется в WiMax. В LTE применяется модифицированный алгоритм - частичное управление мощностью. Пороговое отношение сигнал/шум меняется для пользователей в зависимости от их положения внутри соты: чем ближе абонент к базовой станции, тем выше порог отношения сигнал/шум как критерий регулировки мощности. Следовательно, вблизи базовой станции абонентский терминал работает с более высоким отношением сигнал/шум, с более высокой скоростью кодирования и кратностью модуляции, а значит, с более высокой спектральной эффективностью.

Помимо этого, каждая базовая станция LTE отслеживает уровень помех от соседних сот. Базовые станции сети определяют, в каком ресурсном блоке уровень помех превышает пороговое значение, и периодически обмениваются индикаторами перегрузки, определяемыми для каждого частотного блока в соте. Соответственно, уровень излучаемой мощности устанавливается в зависимости от принятого индикатора перегрузки: если для какого-либо блока указывается высокий уровень помех, то базовая станция передает команду снизить мощ-

ность сигнала мобильной станции, излучаемого в данном ресурсном блоке.

В таблице представлен сравнительный анализ рассматриваемых технологий - WiMax и LTE.

Характе- ристика ШіМах LTE Эффект

Много- станци- онный доступ ОГЭМЛ на канала «вверх» и «вниз» OFDMA на канале «вниз» и SC-FDMA - «вверх» SC-FDMA снижает пик-фактор, упрощая терминал

Организация канальных ресурсов Парал- лельные подне- сущие Поднесу -щие с учетом кор-релиро-ванности Учет коррелиро-ванности подне-сущих повышает спектральную эффективность

Диспетчеризация частотных ресурсов Рандо- минзиро- ванная Селектив- ная Селективная диспетчеризация дает дополнительный энергетический выигрыш

Задержка обработки пакетов 30 мс 10 мс Снижение задержки за счет упрощения архитектуры LTE

Адаптация к характери-стикам канала Низкая точность (2-3 дБ) Высокая точность (1-2 дб) Высокая точность повышает спектральную эффективность

Управление мощностью Класси- ческий алгоритм Частичное управление мощностью Частичное управление мощностью является компромиссом между пропускной способностью на краю соты и в среднем по соте

Рассмотренные методы обработки сигнала позволили стандарту LTE достичь высокой пропускной способности сети - средняя пропускная способность соты на линии вниз составляет 11,8 Мб/с, а на линии вверх - 4,8 Мб/с. Такие скорости близки к скоростям кабельного доступа (например, технология ADSL) и позволяют реализовать полноценные услуги передачи мультимедийной информации.

Следует отметить, что на текущий момент в рабочем состоянии в мире находятся 17 сетей стандарта LTE. Существует и российская разработка, очень близкая по своим параметрам к стандарту LTE - разработанный производственным объединением «Радиозавод им. А.С. Попова» стандарт HPIP (Hybrid Public Intellectual Product) превышает покрытие одной базовой станции, сохраняя при этом пропускную способность около 10 Мб/с.

Что же касается дальнейшего развития технологий подвижной связи - на сегодня консорциумом 3GPP уже сформулированы основные требования к LTE Advanced (Release 10), являющиеся, по сути, требованиями к стандарту мобильных сетей четвертого поколения (4G). В них определена максимальная скорость передачи данных в нисходящем радиоканале до 1 Гбит/с, в восходящем - до 500 Мбит/с, а максимальная эффективность использования спектра в нисходящем радиоканале -30 битЛз/Гц, в восходящем - 15 битЛз/Гц, что втрое выше, чем в LTE.

Анализ способов обработки сигналов в сетях мобильной связи показал, что имеется много факторов, которые необходимо учитывать при применении методов локализации источников радиоизлучений в таких системах, и выбрать один из числа известных методов, который обеспечил бы надежные результаты определения координат, вряд ли возможно. Это связано, прежде всего, с различной структурой сетей и использованием в них отличающихся способов передачи сообщений. Такие показатели как спектральные характеристики сигналов, количество излучаемых антенн, наличие мультиплексирования и многолучевости также необходимо учитывать при разработке методов локализации источников радиоизлучений применительно к сетям подвижной связи.

Литература

1. 3GPP TR 23.882. 3GPP System Architecture Evolution: Report on Technical Options and Conclusions (Release 8). - 3GPP, 09.2008.

2. Варукина Л.А., Координация помех в сетях LTE// Радиочастотный спектр. - 2010. - №2. -С. 30-33.

3. Вишневский В.М., Портной С.Л., Шахнович И.В. Энциклопедия WiMAX. Путь к 4G. - М.: Техносфера, 2009. - 465 с.

4. Тихвинский В.О., Терентьев С.В., Юрчук А.Б. Сети мобильной связи LTE: технологии и архитектура. - М.: Эко-Трендз, 2010. - 284 с.

Воронежский государственный технический университет

ANALYSIS OF METHODS OF SIGNAL PROCESSING IN MOBILE COMMUNICATION

NETWORK

D.V. Zhilin, V.A. Sladkich, В^. Matveev

Methods signal processing used analysis is carried out in accordance with aims and peculiavities using sources for localization of radiation

Key words: signal, analysis, sources, localization, radiation