Оценка скорости абонента системы Mobile WiMAX

Оценка скорости абонента системы Mobile Wimax

Ключевые слова: скорость перемещения абонента; эффект Доплера; модель канала; профиль задержек; LOS-компоненты; моделирование; Mobile WiMAX; режим SISO, MISO.

Представлены результаты моделирования физического уровня системы Mobile WiMAX стандарта 802.16d со схемами SISO и MISO. Использованы профили задержек COST 207 (TU6) и ITU Vehicular A; исследованы релеевский и райсовский (со слабой и c сильной LOS-компонентами) каналы. По методике, принятой в стандарте на систему DVB-H, получены оценки максимально-допустимой скорости Умах абонента. Применение высокоскоростных режимов передачи в системе Mobile WiMAX может быть реализовано лишь при наличии прямой видимости между передающей и приемной антеннами, а указанная в описаниях системы Mobile WiMAX оценка Умах ~ 120 км/час при отсутствии прямой видимости между передающей и приемной антеннами представляется завышенной. Результаты работы позволяют оценить реальную работоспособность систем передачи в условиях мобильного радиоканала, пополнив соответствующие справочные данные. Учет при моделировании конкретных параметров среды распространения, позволит конкретизировать полученные результаты.

Рихтер С.Г.,

профессор МТУСИ, sergeor@inbox.iv

Смирнов А.В.,

аспирант МТУСИ

Обеспечение мобильности пользователей услуг подвижной связи, широкополосного радиодоступа, теле- и радиовещания - задача первостепенной важности. Ограничения на скорость перемещения абонента накладываются как на сетевом уровне, так и на физическом. Первые вызваны трудностью обеспечения непрерывной связи за счет эстафетной передачи при быстром движении абонента между соседними зонами обслуживания. Вторая группа ограничений связана с физическими особенностями распространения радиоволн в условиях многолучевого канала, нестационарного во времени, что, как правило, свойственно мобильному приему. Другими словами, технологические возможности мобильности абонента на физическом уровне по существу определяются способностью радиосистемы передачи обеспечивать нормативное качество услуги в многолучевых каналах с доплеровским сдвигом частоты. Результаты моделирования и лабораторных испытаний доказывают, что качество связи резко ухудшается при значительном увеличении донлеровекого сдвига fd в канале [1].

Скорость движения наземного транспорта в последние десятилетия возросла до 300-400 и более км/час, поэтому закономерен интерес к вопросу о способности современных и перспективных систем связи и вещания обеспечить заявленные качественные характеристики при столь высоких скоростях перемещения абонента. В настоящей работе, которая является развитием публикации [2], речь пойдет об абонентах системы Mobile WIMAX (стандарт IEEE 802.1 бе).

Обозначим через V,laA (км/час) максимально допустимую скорость перемещения абонентского терминала (AT), при которой ещё обеспечивается нормативное качество услуг широкополосного радиодоступа, предполагающих мобильный прием. Достоверность справочных данных по величине VSIUX для разных систем далеко не одинакова. Так, научно обоснованными представляются лишь сведения по системам DVB-T/H, полученные по результатам имитационного моделирования для многолучевого профиля городского канала [3]. Здесь для оценки максимально допустимой радиальной скорости пере-

мещения объекта принимается доплеровская частота fjiju, при которой требуемое для обеспечения нормативного качества услуг связи отношение сигнат-шум (ОСШ) в канале превышает свое минимальное значение ОСШ,™,,, соответствующее доплеровскому сдвигу приблизительно fdimiA па 3 дБ (рис.1). На этом рисунке: 1 - значение ОСШ в канале при стационарном приеме (V = 0 км/час; i'd = 0 Гц); 2 - значение ОСШ при скорости AT, соответствующей f,j = 10 Гц; 3 — значение ОСШ = ОСШ,™,,; 4 -частота доплеровекого сдвига в канале, когда возникает необходимость в увеличении ОС1Л]П„, в системе передачи для поддержания нормативного качества услуги; 5 — значение ОСШ, соответствующее искомой доплеровской частоте fdadB-

Противоречивость сведений о величине Vllax часто связана с неоднозначностью определения предполагаемых условий эксплуатации (т.е. с не полным учегом особенностей окружающей среды и, следовательно, возможных приемных ситуаций), а также отсутствием на практике внятного критерия оценки максимально допустимой скорости перемещения AT, Будем далее ориентироваться на методику оценки величины принятую в стандарте [3J.

ОСШ. дБ

ОСШ +3 дБ

ocuu

fdmex/2

íd3db fdmaií и. Гц

Рис, 1 Иллюстрация принципа определения доплеровской частоты йзда

В результате интерференции лучей в точке приема при многолучевом характере распространения радиоволн огибающая сигнала статистически описывается райсовской или релеевской функцией плотности вероятности (ФПВ). Модель релеевского канала применяется при приеме на портативное оборудование и при подвижном приеме в отсутствие прямой видимости передатчика; именно эту модель в стандарте [3] рекомендуется использовать для

получения строгой оценки величины скорости VHax. Заметим, что правомерны и иные оценки величины скорости VsiaN, которые, однако, должны сопровождаться конкретизацией условий проведения испытаний.

Дело в том, что существует множество реализаций моделей райсовского и релеевского каналов, различающихся числом учитываемых отраженных лучей и их характеристиками. Поскольку основное влияние на радиоканал оказывают характеристики лишь нескольких лучевых компонент, наибольшее распространение получили шестилучевые профили задержек унифицированных стандартных моделей COST 207 и ITU Vehicular А и В [4,5]. В зависимости от условий внешней среды, профили различаются расширением задержки и характером распределения мощности принимаемого сигнала по лучевым компонентам. Например, оценки в системах DVB-T/И получены для типовой городской модели канала COST 207, имеющей профиль TU6 {Typical Urban).

Стандарт IEEE 802.16с находится иод эгидой 1МТ-2000, поэтому для его компьютерного моделирования применима модель 1TU, используемая при моделировании физического канала систем 3G [6,7]. Из вариантов дискретных профилей задержки ITU, учитывающих высокий уровень мобильности абонентов во время сеансов связи, выбран Vehicular А, поскольку он имеет меньшее расширение задержки и в большей степени применим к таким условиям, как скоростное шоссе или железная дорога, где абонентом практически могут быть достигнуты высокие скорости перемещения.

При оценке скорости, помимо выбора адекватной модели канала, необходимо также определиться с критерием деградации качества мобильной услуги. Как правило, в качестве подобного критерия используется относительное число ошибок на бит сообщения BER (Bit Error Ratio) - Рощ, соответствующее квазибезошибочному режиму работы QEF (Quasi Error Free) - Рош|')ь\ при котором в нормально функционирующей системе обеспечивается достаточный запас помехоустойчивости в течение всего сеанса связи. Вне зависимости от технологии оценки, нормативное качество услуги может быть достигнуто лишь при определенной вероятности ошибки на выходе декодера (если декодер Витерби - VBER, на выходе декодера Рида-Соломона - CBER).

В системах передачи данных и широкополосного доступа различные схемы кодирования и скорости передачи данных позволяют предоставлять набор услуг, характеризуемых качеством обслуживания QoS (Quality of Service). В таких системах требование к величине P0ni|QTF варьируется в пределах 1>00~\.. 1^10"6 - в зависимости от профилей QoS и с учетом применения алгоритма автоматического повтора передачи HARQ (hybrid automatic repeat request) [5,6 и др.]. В данной работе принято, что VBER = 2xlO .

Для моделирования физического уровня системы Mobile WiMAX (стандарт IEEE 802.16e) в данной работе используется имитационная модель из библиотеки Siimi-! ink/Communications blockset физического канала WiMAX стандарта 802.16d (фиксированный WiMAX), которая также дает возможность сравнить помехоустойчивость каналов SISO и MISO пространственно-временного кодирования (ПВК). Поскольку стандарты 802,16d и 802.16с имеют ряд отличий на физическом и MAC уровнях, в имитационную модель при моделировании были внесены необходимые изменения.

Целью моделирования является нахождение приближенного значения частоты Г^ив в различных условиях связи для разных режимов передачи, поэтому в качестве параметров модели используются характеристики многолучевого канала (параметры дискретного профиля задержки и величина доплеровского сдвига в канале), а также пороги ОСШ для выбора конкретного режима передачи - в соответствии с данными табл. 1. Специфика исследования не предполагала использование адаптивной коррекции схемы модуляции-кодирования, поэтому для фиксации конкретного режима передачи пороги ОСШ задавались вручную.

Таблица I

Предусмотренные стандартом варианты кодирования и модуляции

№ режима передачи Модуляция Блок данных до кодирования, байт Кодер Рида-Соломона О jí Б. ¿ U _г £0 S <j П £ S и о О с Cl О О X S и Суммарная скорость кодирования. Блок данных после кодирования, байт

0 BPSK 12 (12, 12, 0) 1/2 1/2 24

Î QPSK 24 (32, 24, 4) 2/3 1/2 48

2 QPSK 36 (40, 36, 2) 5/6 3/4 48

3 I6-QAM 48 (64, 48. 8) 2/3 1/2 96

4 16-QAM 72 (80, 72, 4) 5/6 3/4 96

5 64-QAM 96 (108,96, 6) 3/4 2/3 144

6 64-QAM 108 (120,108,6) 5/6 3/4 144

Когда некоторая доля электромагнитной энергии попадает на антенну приемного устройства напрямую от антенны радиопередатчика без отражений, говорят о наличии прямой видимости или о присутствии LOS1 — компоненты. Отношение энергии LOS - компоненты к диффузионной энергии в одной лучевой компоненте характеризуется K-фактором. Естественно, что в условиях присутствия мощной LOS-компоненты легче обеспечить высокую мобильность AT, поскольку упрощается работа механизмов оценки канала и, следовательно, возрастает достоверность приема.

Для пояснения этого тезиса сравним траектории изменения комплексного коэффициента передачи в многолучевом канале при наличии мощной LOS-компоненты и при ее отсутствии. В первом случае модуль коэффициента передачи примерно постоянен, фаза изменяется линейно - канал практически полностью определяется лучевой компонентой прямой видимости, не подверженной эффекту замираний (рис. 2а). Во втором случае на вход приемного устройства приходит несколько электромагнитных волн с сопоставимой средней амплитудой. При этом подверженность всех компонент луча глубоким ре-леевскнм замираниям приводит к тому, что поведение суммарного сигнала также оказывается релеевским. Для характеристики канала принципиально, какая часть энергии принимаемого сигнала сосредоточена в LOS-компоненте. Недостаточная мощность компоненты прямой видимости приводит к тому, что суммарное поведение канала остается квазирелеевским.

Сказанное поясняет рис. 2а, где средний радиус окружности на комплексной плоскости показывает посго-

' LOS - Line of Sight.

яиную амплитуду коэффициента передачи LOS-кОмпОненты, а размах отклонений от среднего радиуса указывает на глубину замираний релеевских компонент (Non-Line of Sight). Соответственно предельную ситуацию иллюстрирует рис. 26, на котором амплитуда LOS-компоненты равна нулю, а амплитуда и фаза комплексного коэффициента передачи канала полностью определяются суперпозицией лучевых компонент вне прямой видимости. Этот факт отражают многочисленные повороты и петли фазовой траектории.

Рис, 2, К влиянию ЬОБ-компоненты па фазовую траекторию канала: а} сильная И)8-компонента; б) слабая/нулевая Ш5-компоиента

Имитационное моделирование системы WiMAX выполнено для двух дискретных профилей задержек (COST TU6 и ITU Vehicular А) для следующих моделей каналов:

1. релеевский (К = 0);

2. райсовский со слабой LOS-компонентой (К = 10 дБ);

3. райсовский с сильной LOS-компонентой (К = 10 дЬ, уровень LOS-компоненты +15 дБ относительно отраженных компонент).

Моделирование осуществлялось для кратности защитного интервала (ЗИ) T(;/TL1 = 1/8 при Тс: = 11,4 мкс. Суммарная длительность OFDM символа составила Ts = Tu + Тс; =102,8 мкс. Здесь Ту - длительность «полезной» части символа, То - длительность ЗИ.

Основные результаты моделирования представлены в табл. 2. При определении величины VMax принято значение частоты несущей 2,4 ГГц, Из специфицированных в табл.! режимов передачи в результатах моделирования отражены те, которые оказываются способными работать в условиях мобильного приема для заданной модели канала. Прочерк означает неспособность конкретного режима передачи обеспечить нормативное качество связи при наличии доплеровского сдвига в канале свыше 50 Гц.

Прокомментируем полученные результаты, оценив влияние различных факторов на величину VMas.

1. Влияние условий распространения радиоволн (т.е. модели капала).

- релеевский канем (К=0): может быть реализована указанная в литературе оценка V4ax < 130 км/час, однако, лишь в режиме MISO - QPSK 'А;

- райсовский канал со слабой LOS-компонешпой (К = 10 дБ): прирост скорости в режиме MISO - QPSK 'Л составляет не более 15%;

- райсовский канал с сильной (+15 дБ) LOS-компонентой (К = 10 дБ): реализуется почти трёхкратное увеличение скорости абонента в режиме SISO - QPSK Vi, а в режиме MISO - QPSK Уг прирост скорости составляет лишь приблизительно 50%.

2. Влияние кратности модуляции.

- релеевский канал (К=0): применение многоуровневой модуляции 64-QAM практически невозможно, а ре-

жима MiSO - 16-QAM 'Л - проблематично. Это резко уменьшает пропускную способность системы;

- райсовский канал со слабой LOS-компонентой (К = 10 дБ): появление слабой регулярной составляющей сигнала практически ничего не меняет по отношению к варианту релеевского канала;

- райсовский канал с сильной (+15 дБ) LOS-компонентой (К = 10 дБ): появление сильной регулярной составляющей сигнала делает работоспособными режимы 16-QAM '/2, 16-QAM % и 64-QAM 2/3, что резко увеличивает пропускную способность системы при достаточно высокой допустимой скорости перемещения абонента.

3. Влияние пространственно-временного кодирования,

- релеевский Kanal (К=0): переход к режиму MISO -QPSK У2 увеличивает оценку V,lax приблизительно на 30%;

- райсовский канал со слабой LOS-компонентой (К = 10 дЬ): остается справедливой предыдущая оценка с учетом прироста абсолютного значения скорости VM11X;

- райсовский канал с сильной (+15 дБ) LOS-компонентой (К = 10 дБ): происходит серьезное снижение оценок VM¡K практически для всех видов модуляции;

Таблица 2

Основные результаты моделирования

Модель канала Модуляция Ia!« ОСШп|,п, дЬ Vehicular A Typical Urban

fé ' /-s ' Г'и V«, км/ч fjlJB ' Гц км/ч

Релеевский канал SISO В PS к 1С 15 500 216 460 199

OPS К 1/2 25 220 95 ПО 48

Релеевский канал MLSO BPSK 1 /2 10 500 216 570 246

OPS к 1/2 20 300 130 300 130

3/4 26 120 52 - -

16-QAM 1/2 30 160 69 - -

Райсовский канал SISO со слабой LOS-компопен-тои К= 10 дЬ BPSK 1/2 15 650 281 600 259

QPSK 1/2 25 260 112 200 86

Райсовский канал MISO со слабой L.OS-компонен-той К- 10 дЬ BPSK 1/2 m 550 238 600 259

OPS К 1/2 20 340 147 320 138

3/4 26 120 52 90 39

16-QAM 1/2 30 160 69 - -

Райсовский канал SISO с сильной LOS- кимпонен- той (+15дЫ К= 10 аЬ BPSK 1/2 10 1200 518 1070 462

OPS к 1/2 20 730 315 660 285

3/4 26 540 255 430 186

16-QAM 1/2 30 400 173 380 164

3/4 37 280 121 280 121

64-QAM 2/3 40 160 69 120 52

3/4 46 100 43 -

Райсовский канал MISO с сильной LOS-комлонеп-той [+15дК) К = 10 дБ BPSK 1/2 10 950 410 950 410

OPS К 1/2 20 480 207 510 220

3/4 26 350 151 400 173

16-QAM 1/2 30 270 117 310 134

3/4 37 180 78 230 99

64-QAM 2/3 40 100 43 90 39

3/4 46 70 30 - -

4. Влияние скорости помехоустойчивого кодирования,

-релеевский канал (К=0): увеличение скорости кодирования с V2 до Vi уменьшает оценку V„afi в режиме MISO -QPSK более чем в два раза (со 130 до 52 км/час);

— райсовский канал со слабой LOS-компонентой (К = 10 дБ): усугубляется предыдущая оценка - скорость VMax уменьшается почти в три раза (со 147 до 52 км/час);

- райсовский канал с сильной (+15 дБ) LOS-компонентой (К = 10 дБ): тенденция уменьшения оценки

VMax с ростом скорости кодирования сохраняется, однако снижение скорости не превышает 25%.

Выводы

• Указанная в описаниях системы Mobile WiMAX оценка V,!ax ~ 120 км/час представляется завышенной, поскольку в режиме SISO - QPSK 'Л моделирование дает оценку (в зависимости от профиля задержки) 48 < км/час < 95.

• Применение высокоскоростных режимов передачи в системе Mobile WiMAX может быть реализовано лишь при наличии прямой видимости между передающей и приемной антеннами (т.е. при К »1) и в условиях благоприятной импульсной характеристики радиоканала. Однако такая передача оказывается весьма энергетически затратной, что требует особенно тщательного радиопла-пирования.

• В релеевском канале скорость кодирования имеет большее влияние на достигаемое качество связи, чем в райсовском. В условиях отсутствия прямой видимости использование режима 16-QAM 14 позволяет обеспечить большую величину Vm«, чем при работе в режиме QPSK % {естественно, с учетом увеличения требуемого ОСШ на 4 дБ).

• Режим BPSK в системе Mobile WiMAX носит факультативный характер. Он используется для модуляции пилот-сигнала [6], однако передача полезной информации в таком режиме ведется только в экстренных случаях. Тем не менее оценку мобильности режима В PS К 'Л, который позволяет получить значительный выигрыш в величине VraBX относительно QPSK '/:, можно интерпретировать как переход к режимам передачи QPSK с низкой скоростью кодирования гК1! < 0,5,

• Применение разнонаправленной передачи MÍSO дает энергетический выигрыш только в условиях отсутствия прямой видимости. При наличии мощной LOS-компоненты принцип ПВК оказывается неэффективен. Объяснить это можно высокой корреляцией между М ISO-путями.

• Профиль COST TU6 (по сравнению с профилем ITU Vehicular А) оказался более критичным как к скорости канального кодирования, так и к кратности модуляции.

Результаты моделирования указывают также на то, что определяющее влияние на качество связи имеет от-

носительное ослабление лучевых компонент к наиболее мощной, а не величина K-фактора самого по себе. Когда LOS-компонента превышает уровень отраженных компонент не менее чем на 15 дБ, размах замираний не превышает 10 дБ, а свойства канала стремятся к модели канала с АБ1Т11. Однако в реальных условиях наличие в многолучевой картине компоненты с К = ЮдБ по определению говорит о значительном превосходстве ее мощности над отраженными компонентами, а присутствие компоненты с К = 10 дБ, которая при этом остается слабее отраженной волны, крайне мало вероятно.

Заметим, что при уменьшении вдвое величины ЗИ (т.е. при выборе Тс/Т и = 1/16) для профиля задержки Vehicular А наблюдается энергетический проигрыш около 7 дБ, а для профиля TU6 отмечается уменьшение оценки скорости Vni3S.

Результаты работы позволяют оценить реальную работоспособность систем передачи в условиях мобильного радиоканала, пополнив соответствующие справочные данные. В свою очередь, учет при моделировании конкретных параметров среды распространения, позволит конкретизировать полученные результаты.

Литература

1. Скляр Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2-е изд.: Пер. С англ, - М.: Издат. дом «Вильяме», 2003,- 1104 с.

2. Рихтер С.Г. Об оценке влияния доплеровского сдвига частоты на качество связи // Материалы X Международной НТК «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (INTERMATIC-2011, ч.З) 14-17 ноября 2011 г. Москва, с.60-63.

3. ETSI TR 102 377 vl.4.1 (2009-06). Digital Video Broadcasting (DVB); DVB-H Implementation Quidelines.

4. Весоловский К. Системы подвижной радиосвязи, Еорячая линия - Телеком, Москва, 2006. - 536 с.

5. Andrews J.G., Ghosh A., Muhamed R. Hundamentals of WiMAX: understanding broadband wireless networking. Pearson Education, Inc., 2007, p.449.

6. Вишневский В., Портной С., Шахноеич И. Энциклопедия WiMAX. Путь к 4G. "Техносфера", 2009.-472 с.

7. WiMAX and 1МТ-2000, WiMAX Forum January 22, 2007.

The estimate of the peak speed in mobile wimax

S. Rikhter, sergeor@inbox.ru, A. Smirnov, MTUCI, Russia

Abstract

The results of modeling of the physical layer of Mobile WiMAX 802.16d standard schemes SISO and MISO. Used profiles delays COST 207 (TU6) and ITU Vehicular A; investigated Rayleigh and Rician (weak and strong LOS-components) channels. Allow to evaluate the results of the real performance of transmission systems in a mobile radio, adding the corresponding reference data. In turn, keeping the specific parameters for modeling the propagation environment, the results obtained enable to specify.

Keywords: Doppler effect, the channel model, profil delays; LOS-components; modeling; Mobile WiMAX; mode SISO, MISO.