Оценка условий ЭМС при учете особенностей радиоинтерфейса системы UMTS

Оценка условий ЭМС при учете особенностей радиоинтерфейса системы UMTS

В СТАТЬЕ ДАНА ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ РАДИОИНТЕРФЕЙСА СИСТЕМЫ UMTS, КОТОРЫЕ ОКАЗЫВАЮТ ВЛИЯНИЕ НА ОЦЕНКУ ЭМС. ОПИСАН МЕТОДИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ УСЛОВИЙ ЭМС ДЛЯ РЭС UMTS С УЧЕТОМ ЭТИХ ОСОБЕННОСТЕЙ, ОСНОВАННЫЙ НА МЕТОДЕ СТАТИСТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ. ДАЕТСЯ КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА SEAMCAT-2, РАЗРАБОТАННОГО В РАМКАХ СЕРТ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО ЭМС. ДАННЫЙ ПРОДУКТ ПОЗВОЛЯЕТ МЕТОДОМ СТАТИСТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОИЗВОДИТЬ ОЦЕНКУ УСЛОВИЙ ЭМС В СЕТЯХ СВЯЗИ.

Скрынников В.Г.,

ОАО "Мобильные ТелеСистемы"

На этапе строительства сетей сотовой связи третьего поколения одним из важных элементов является определение условий электромагнитной совместимости (ЭМС) РЭС этих сетей с другими радиоэлектронными средствами. В условиях России в выделенных для UMTS полосах радиочастот работает значительное число радиоэлектронных средств. Это создает операторам довольно серьезные проблемы для своевременного строительства сетей. В основном эти проблемы сводятся к вопросу, как обеспечить возможность совместной работы сетей UMTS и других радиослужб в общей полосе радиочастот. В этой сложной ситуации приобретает значимость то, как точно оцениваются условия электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств и на основе этой оценки разрабатываются соответствующие нормы (как правило, это нормы частотно-территориального разноса РЭС). Известно, что расчет норм частотнотерриториального разноса (ЧТР) для конкретных типов радиоэлектронных средств ориентирован традиционно на определение взаимного влияния двух РЭС с фиксированными параметрами и не всегда может учесть сложную динамику изменения параметров РЭС в реальных условиях. Можно предположить, что данное обстоятельство

приводит зачастую к разработке норм ЧТР "с запасом" и не может способствовать обеспечению реальных условий ЭМС в сложившейся электромагнитной обстановке в полосах частот UMTS.

Постараемся показать необходимость адаптации механизмов оценки условий электромагнитной совместимости для РЭС системы UMTS к особенностям ее радиоинтерфейса (см. таблицу ниже). Учет этих особенностей может повлиять в значительной степени на оценку реальных условий ЭМС.

Классическое уравнение ЭМС устанавливает взаимосвязь энергетических, частотных и пространственных параметров РЭС-рецептора и РЭС-источника радиопомех, при которых обеспечивается требуемое качество функционирования радиоэлектронного средства. Применительно к рассматриваемой задаче уравнение ЭМС можно представить в следующем виде

Pc,k - Pj, к ' Ck,

где Рс к, Р^ к — мощности полезного и суммарного помехового сигналов на входе приемника и Ск — защитное отношение приемника к-го РЭС-рецептора помех. При этом для простоты рассуждений внутренние шумы приемника не учитываются.

Основные особенности радиоинтерфейса UMTS

Свойства UMTS Количественные показатели Влияние на ЭМС

UMTS - система с расширенным спектром сигнала (широкополосная система): * имеет запас в отношении сигнал/шум, равный коэффициенту расширения спектра сигнала SF. для линии МЙ>В8 йР = 4.. .256 запас помехоустойчивости равен 6 дБ...24 дБ; для линии Вй>М$ 8К = 4...512 запас помехоустойчивости равен 6 дБ...27 дБ. снижение уровня помех за счет меньшей требуемой мощности излучения передатчика В8 на пользовательский канал.

UMTS - система с кодовым разделением каналов: • обеспечивает эффективную регулировку мощности излучения в канале; * требуемая мощность излучения передатчика на канал и размер зоны обслуживания соты (сектора) зависят от степени их загруженности. • мощность излучения Вй на один канал составляет 15...30 дБм; • возможные значения радиуса соты составляют: 0,8 км ... 1,6 км. • уровень помех различен при разной загруженности сети; • снизить уровень помех можно за счет 01раниче-ния загрузки соты (сектора).

UMTS — перспективная, быстро развивающаяся технология: • позволяет использовать адаптивные методы пространственной селекции за счет применения адаптивных антенн в передатчике и приемнике. - снижение уровня помех за счет эффективной пространственной селекции при передаче и приеме.

Рис. 1. Зависимость пропускной способности ячейки HSDPA от мощности базовой станции

P, а,(А/)Gtx¡(в)-Grx,к(в) LR) '

М

РЪ,к = ^

1=1

где Р — мощность излучения /-го передатчика помех; а/(А/) — частотные характеристики (спектральная маска) /-го передатчика помех; Аf — разнос по частоте; ОИ(- (0) и О^к (9) — коэффициенты усиления антенн ¡-го передатчика и приемника к-го РЭС, зависящие от углов 0, определяющих взаимное направление на рассматриваемые РЭС; ¡.(К.) — потери на трассе распространения сигнала /-го передатчика помех, удаленного от к-го РЭС на расстояние Я.

С учетом (2) приведенное выше уравнение ЭМС (1) примет вид

р -а,.(А/) -ОТХ1(0)-

&ЕХ, с,

с'к 1=1 ЦЯ.)

Для выполнения данного условия при расчете норм ЧТР определяются требуемые значения параметра Аf (частотный разнос) и параметра Я (территориальный разнос).

В рамках поставленной задачи особенность имеет мощность излучения Р. /-го источника помех, в качестве которого рассматривается передатчик базовой станции ^) системы UMTS (далее Р;= Рдз .). Как было показано в [2], мощность излучения базовой станции UMTS имеет сложный характер и зависит от целого ряда параметров. А именно, суммарная мощность излучения BS UMTS, требуемая для N пользовательских каналов, равняется

Gp

Приведенное соотношение определяет минимально необходимую мощность базовой станции UMTS с учетом энергетического запаса, требуемого для компенсации помех от соседних ячеек (параметр /) и компенсации потерь из-за неортогональности кодов в нисходящих пользовательских каналах (параметр а). Кроме того, необходимая мощность зависит от таких параметров радиоканала, как требуемое отношение сигнал/шум на входе приемника MS (E/N0) каждого пользователя и выигрыша по энергетике (Gp) за счет расширения спектра сигнала (по сути, от характера предоставляемой услуги), а также от потерь L(d) на трассе между передатчиком BS и приемником MS (от удаленности пользователей от базовой станции). В выражении (4) использованы другие параметры: PN — мощность шума в приемнике MS; GBS — коэффициент усиления антенны BS в направлении на мобильную станцию MS; дрС — коэффициент динамической регулировки мощности и U- — коэффициент активности /-го абонента.

Особо следует подчеркнуть, что в UMTS, как в системе с кодовым разделением каналов, требуемые уровни сигнала для пользовательских каналов, создаваемые суммарной мощностью базовой станции PBs , одновременно являются и внутрисистемными помехами на входе приемника каждого поль-

Pc

зователя. Это в свою очередь вынуждает иметь в ресурсе радиоканала запас по энергетике, равный росту уровня внутрисистемных помех.

Количественно допустимый уровень внутрисистемных помех в радиоканалах UMTS может быть определен по аналогии с [1,9,10] с помощью коэффициента загрузки ячейки сети п^, который в приведенном выше выражении задает требуемый запас по энергетике на компенсацию этих помех. На рис. 1 показаны зависимости пропускной способности ячейки сети UMTS для высокоскоростного режима передачи данных Н$РРА от мощности базовой станции, полученные в соответствии с (4) [2]. Из данного рисунка следует, что пропускная способность сети UMTS в значительной степени зависит от мощности базовой станции и для реальных условий не допустимы ее ограничения, ниже 5 Вт.

С учетом описанных выше особенностей запишем уравнение ЭМС (3) в окончательной форме (см. 5).

Как видно, уравнение ЭМС для системы UMTS имеет более сложный характер с ярко выраженной взаимной зависимостью параметров радиоинтерфейса. Так, на мощность помехи, оказывающей воздействие на приемник к-го РЭС-рецептора со стороны BS UMTS, влияет целый ряд описанных выше

аі(А/) - GTX, і(в) - GRX, к(в) PN

L

Ck.

L

1 nDL j=1 GBSJ'

E

(—)  v

(N)j 1

Gj (—)  - v-

No 1 1

а

+ а

параметров сети UMTS (коэффициент загрузки, количество пользователей в ячейке и их удаление, динамическая регулировка мощности, вид и задаваемое качество услуги для каждого пользователя, неортогональ-ность канальных кодов и др.). В реальных условиях многие из этих параметров носят случайный характер или являются просто переменными. Чаще всего к таким параметрам относят:

• количество активных пользователей (N);

• взаимное удаление РЭС в сети UMTS (i(d));

• взаимное относительное направление на РЭС (G^©), Gw(0));

• динамическая регулировка мощности (дрс).

Учитывая случайный характер перечисленных параметров, представим уравнение

где все параметры с чертой сверху — случайные величины с соответствующим распределением T [X(o)j, a — некоторый параметр распределения. К примеру,

Рис. 2. Задание маски спектра сигнала и диаграммы направленности антенны

і Г''

. ...1 1 г-

Рис. 3. Вид вектора и плотности вероятностей сигнала на входе приемника

Pc

* аа

к L(Ri) 1 -nDL к G g

BSj

Gp

- + a

Gtx ,i(в) = Gtx , i' Te\X ( a) ]

В этой связи следует сделать акцент на двух важных обстоятельствах.

Первое, в силу случайного характера параметров помехи, создаваемой базовыми станциями сети UMTS, достоверная оценка ее воздействия на РЭС будет статистической.

Второе, в Рекомендациях ITU-R степень воздействия радиопомех определяется вероятностным критерием рвлиян пом оценки их недопустимого воздействия на РЭС в заданном интервале времени (% времени, когда отношение сигнал/помеха на входе приемника РЭС ниже допустимого) [8]. Данный критерий для типичных условий в сетях связи определяется интегралом вероятности

влиян ПОМ

= 100^(=^ < C) =

= 100 J exp

2

v

dt

где С

0к"

значение защитного отношения в

(—)  -V

(N 0) j j

приемнике РЭС-рецептора помех, заданное по условиям оценки ЭМС.

Для получения точных оценок вида (8) в ходе определения условий ЭМС для сетей UMTS наиболее приемлемым становится метод статистического моделирования, получивший название метода Монте-Карло. Метод Монте-Карло — это численный метод решения математических задач при помощи моделирования случайных чисел. Он позволяет моделировать любой процесс, на протекание которого влияют случайные факторы [6]. Особенностью данного метода является простота структуры вычислительного алгоритма.

Применительно к задачам ЭМС метод Монте-Карло позволяет моделировать реальную ситуацию при задании изменяемых параметров сети в виде соответствующего распределения случайных чисел, которое в той или иной степени отражает случайное поведение этих параметров. Результат моделирования носит случайный характер и выражается в виде вероятности влияния помехи.

Удобной на сегодняшний день инструментальной реализацией данного метода является программный продукт SEAMCAT-2

(Spectrum Engineering Advanced Monte Carlo Analysis Tool, v. 2.1), который был разработан и принят к использованию в рамках CEPT (European Conference of Postal and Telecommunication) [4,7]. Данный программный продукт является многофункциональным средством статистического моделирования и может применяться для решения целого ряда задач по ЭМС.

Для описания случайных (изменяемых) параметров сетей в SEAMCAT-2 используется несколько видов распределения случайных величин: равномерное, дискретное равномерное, дискретное неравномерное, нормальное (гауссовское), релеевское распределение и распределение, задаваемое пользователем.

Имеется возможность использовать для описания потерь на трассе распространения сигнала следующие общепринятые модели: усовершенствованная модель Хата (Extended Hata) при учете дифракций и переходных сред (внутренняя — внешняя), модель для свободного пространства (Free space), модель ITU-R P.1546 и произвольные модели, задаваемые пользователем.

SEAMCAT-2 имеет удобный пользовательский интерфейс, позволяющий вводить маску спектра сигнала и диаграммы направленности антенн с визуальным их отображение на экране (рис. 2), графически отображать векторы сигналов (полезного и помехового), функции их распределения и плотность вероятностей (рис. 3).

j,k

C

0k

Программный продукт SEAMCAT-2 был тщательно протестирован и успешно использован на практике для статистической оценки условий ЭМС при ППРЧ в сетях GSM [5], а также оценки группового влияния базовых станций UMTS на РЭС спутниковых служб.

Заключение

Создание сетей UMTS на территории России сопряжено в нынешних условиях с главной проблемой — проблемой обеспечения электромагнитной совместимости РЭС в выделенных для UMTS полосах радиочастот. Данная проблема сегодня является одним из главных сдерживающих факторов строительства сетей UMTS на территории ряда регионов России. В этих условиях представляется необходимым находить и применять новые эффективные подходы, которые позволили бы более точно оценивать условия ЭМС для специфичной радиоподсистемы UMTS в сложной электромагнитной обстановке.

Литература

1. Скрынников В.Г., Скрынников О.В. Оценка зоны радиопокрытия сети UMTS на ранней стадии планирования. — Мобильные системы, февраль 2006.

2. Скрынников В.Г. Предварительная оценка параметров сети UMTS/HSDPA. — T-Comm, 2008.

3. Скрынников В.Г. Особенности предварительной оценки параметров создаваемых сетей UMTS/HSDPA. — Connect! Мир связи, август 2007.

4. Скрынников В.Г. SEAMCAT — эффективное средство для оценки ЭМС в сетях связи. — Мобильные Телекоммуникации, апрель 2006.

5. Скрынников В.Г. Эффективность режима ППРЧ в сотовых сетях стандарта GSM. — Мобильные системы, 2006.

6. Monte-Carlo Simulation Methodology for the Use in Sharing and Compatibility Studies between Differend Radio Services or Systems. — ERC Report 68, 2002.

7. SEAMCAT. Software Version 2.1.- ERC, 2004.

8. Rec fTU-R p.1546. Method for point-to-area predictions for terrestrial services in the frequency range 30 MHz to 3000 MHz. 2005.

9. H. Holma, A. Toskala. WCDMA for UMTS. Radio Access for Third Generation Mobile Communications. 2001.

10. First Report on the Evaluation of RRM Algorithms by Simulation. — IST-2000-25133: ARROWS, D09, 2002.

В 17 школах Юго-Восточного административного округа Москвы запущен проект преобразования школьного курса информатики

Наряду с традиционной дисциплиной теперь в учебную программу внедряется курс "Основы информационных технологий", который входит в программу Сетевых академий Cisco. Проект осуществляется под патронажем Префектуры ЮВАО и Департамента образования ЮВАО при содействии Учебно-методического информационно-прокатного Медиацентра Юго-Восточного окружного управления образования Департамента образования города Москва.

“Основы информационных технологий: программное обеспечение и аппаратные средства ПК" — 70-часовой вводный курс в информационные технологии и технологии передачи данных, который рассчитан на учеников старших классов и ориентирован на лабораторные занятия. Особое внимание в нем уделяется вопросам защиты информации и эффективной работы в группе.

Школьники научатся собирать компьютеры и устанавливать различные версии операционной системы (ОС) Windows, периферийных и мультимедийных устройств, получат знания об архитектуре локальных сетей, сетевых протоколах, моделях OSI и служебных программах TCP/IP. Помимо базовых сетевых понятий, в рамках курса рассматриваются функции сетей и их конфигурации.

По окончании этих занятий школьники смогут сдать экзамен на получение международного сертификата CompTIA A+, признанного ведущими компаниями в области компьютерных технологий. Наличие данного сертификата позволяет успешно работать в качестве технического специалиста в вычислительных центрах.

Под руководством специалистов "Учебного центра Сиско Системс"* обучение по курсу "Основы информационных технологий" прошли 27 преподавателей школ ЮВАО. По их мнению, программа мало чем отличается от курса информатики средней школы, но гораздо шире по охвату и содержит посвященный сетевым технологиям раздел, которого нет в школьном курсе информатики. В мае по окончании занятий по новой программе среди учащихся этих 17 школ под патронажем Префектуры ЮВАО будет проведена Олимпиада по курсу "Основы информационных технологий". Ее победители в июне примут участие во второй всероссийской студенческой Олимпиаде Cisco по сетевым технологиям в номинации "школьники".

Приказом Министерства образования и науки РФ всероссийская студенческая Олимпиада Cisco по сетевым технологиям внесена в список мероприятий, по итогам которых присуждаются государственные премии для поддержки талантливой молодежи. Студенческие Олимпиады Cisco проводятся в рамках программы Сетевых академий Cisco, которая в прошлом году отметила свой десятилетний юбилей.

Сетевые академии считаются краеугольным камнем стратегии Cisco в области подготовки технических специалистов и развития экономики. В эту программу компания вложила уже более 300 млн долл. Выпускники Сетевых академий пользуются большим спросом на рынке труда. Программа действует уже в 160 с лишним странах мира, включая Азербайджан, Армению, Беларусь, Грузию, Казахстан, Киргизию, Россию, Узбекистан, Украину. К настоящему времени в 11 тыс. Сетевых академий Cisco по всему миру прошли обучение более 2 млн студентов.