Алгоритмические особенности организации связи и устойчивость к неравномерности ГВЗ системы связи McWiLL

ИНФОКОММУНИКАЦИОНННЫЕ СЕТИ И СИСТЕМЫ СВЯЗИ

АЛГОРИТМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ СВЯЗИ И УСТОЙЧИВОСТЬ К НЕРАВНОМЕРНОСТИ ГВЗ СИСТЕМЫ СВЯЗИ McWiLL

О.А. Шорин, Генеральный директор ООО «НСТТ», профессор, д.т.н., oshorin@gmail.com; Р.С. Аверьянов, директор по производственной деятельности ООО «НСТТ».

УДК 621.396__

Аннотация. Рассмотрен вопрос устойчивости системы связи McWiLL к показателю неравномерности группового времени запаздывания (ГВЗ). Проведен анализ этапов организации связи, применяемых в McWiLL, на подверженность деградации в условиях роста неравномерности ГВЗ. Установлено, что наиболее уязвимым является режим поиска и входа в синхронизацию с сигналом «Преамбула» (Preamble), так как на этом этапе не производится настройка характеристик канала связи. Установлена высокая устойчивость системы широкополосной подвижной связи McWiLL по отношению к неравномерности ГВЗ радиотракта.

Ключевые слова: групповое время запаздывания; абонентская станция; синхронизация; ФЧХ; неравномерность.

ALGORITHMIC FEATURES OF THE ORGANIZATION OF COMMUNICATION AND SUSTAINABILITY TO THE UNEVENMALITY OF THE GROUP LAG TIME OF THE

McWiLL COMMUNICATION SYSTEM

Oleg Shorin, General director of LLC «NXTT», professor, doctor of technical sciences; Roman Averyanov, production director of LLC «NXTT».

Annotation. The question of stability of McWiLL communication system to the indicator of unevenness of group lag time is considered. The analysis of the stages of communication organization used in McWiLL on the susceptibility of degradation in the conditions of growth of the unevenness of group lag time is held. It has been established that the search and synchronization mode with the "Preamble" signal is the most vulnerable since at this stage the characteristics of the communication channel are not adjusted. The high stability of the McWiLL broadband mobile communication system with respect to the non-uniformity of the group lag time radio path has been established.

Keywords: group lag time; subscriber station; synchronization; phase-Frequency Characteristic, unevenness.

Неравномерность группового времени запаздывания (ГВЗ) в радиотракте возникает по ряду технологических причин, и, как правило, чем выше требуются частотно-селективные показатели, тем более высокий уровень приобретает неравномерность ГВЗ. Поэтому важно знать какие предельные показатели по неравномерности ГВЗ допустимы. Система мобильной связи McWiLL относится к поколению 4G. Ее характеризует высокая степень организационной сложности и иерархическая структура взаимодействующих логических уровней. Борьба с негативными последствиями таких показателей как неравномерность АЧХ и нелинейность ФЧХ (однозначно связана с неравномерностью ГВЗ) происходит разными способами на разных этапах. Поэтому исследование устойчивости системы к показателю неравномерности ГВЗ является комплексным вопросом, требующим детализированного описания режима организации связи.

Этапы организации связи в McWiLL, на которые оказывает негативное влияние неравномерность ГВЗ, следующие:

• Поиск абонентской станцией (АС) сигнала Preamble, транслируемого в широковещательном режиме базовой станцией (БС), обслуживающей территорию.

• Предварительная настройка задержки трансляции АС, осуществляемая с помощью сигнала Ranging.

• Прием информационных сообщений, сопровождающийся корректирующим выравниванием АЧХ и ФЧХ радиотракта на основе встроенных Pilot-сигналов.

• Управление задержкой трансляции АС со стороны обслуживающей БС.

На рис. 1 показана блок-схема начала режима организации связи в системе McWiLL.

Как можно видеть, самыми критичным относительно неравномерности ГВЗ (и АЧХ/ФЧХ) является этап поиска сигнала Preamble, так как он не предусматривает коррекции неравномерности характеристик. На всех остальных этапах применяются референсные сигналы Pilot (врезки в ресурсные блоки), имеющие известную амплитудно-фазовую структуру, связанную с номерами подканала и индексом обслуживающей БС [1]. По ним осуществляется выравнивание характеристик, которые могут изменяться динамически, и проблема теряет актуальность. Поэтому устойчивость к показателям неравномерности ГВЗ (и АЧХ/ФЧХ) радиотракта системы McWiLL следует рассматривать именно в рамках этапа поиска и обнаружения сигнала Preamble.

В режиме поиска сигнала Preamble абонентская станция осуществляет сканирование позиций несущей частоты в пределах диапазона 8 МГц и позиций задержки в пределах диапазона длительности кадра McWiLL (10 мс [1]). Шаг перебора частот составляет 250 кГц, что соответствует дискретности установки, несущей в McWiLL. Шаг по задержке составляет 80 мкс, что обеспечивает полное попадание интервала обработки БПФ64 хоть для одной точки прохода в интервал присутствия сигнала Preamble, состоящего из 2-х одинаковых фрагментов длительностью 64 мкс каждый. Для пояснения процесс попадания точки контроля в указанный интервал показан на рис. 2.

AC_

Поиск на приеме сигнала Preamble

СБП Ф 6+—>умноженне hi кгд PrsimbLs — ОБПФй^. нг-нгк

i ^УШШГ.'ДЫ. ор^внгниг ; порог о:.:)

БС

Радиоэфир

Первичная корр екция зад ержки и

Поиск на прием сигнала ВСНпо возможным позициям IS

Выравнивание АЧХ и стр анение не о днор о дно сти ГВЗ по вреже референсного сигнала Pilot

Декодирование служебной информации сигнала ВСН

Гр анс ляция сигнал а Rau gin g

Прием сигнала коррекции

кксь

Коррекция зад ер:кки. несущей и уровня, также выравнивание АЧХ и устранение не о днор о дно сти ГВ 3 по вр езке референсного сигнала Pilot

Запрос ресурса по каналу КАСЬ

Шир оковещат ельная - трансляция сигнала Preamble

Шир оковещат е льная тр ансляция сигнал а

ВСН

^ВСН вьлгсч^гт обучающий ргфгргн:-гигн1л Pilot)

Прием сигнала Ranging Вычисление задер:кки

Трансляция по RRCh

командь: коррекции задер;кки: несу щей и у р оеня тр ансляции для R.ar, sir, г посылки с кодом

iRRCh включает обучающий рефергнг-гигнЕЛ Pilot)

Прием сигнала запроса ресурса по КАСЬ Выравнивание АЧХ и устранение неоднородности ГЕй по врезке референсного сигнала Pilot

Рисунок 1

10 мс

Preamble

64 мкс 64 мкс

Интервал БПФ64 № о

Интервал БПФ64

Частичное пересечение

Инте рвал БПФ64

По

включение

случайная задержка Ат

Интервал БПФ64

Частичное пересечение

Интервал БПФ64

Интервал БПФ64

16 мкс

80 мкс

Интервал Интервал

БПФ64 № 123 БПФ64 № 124

Рисунок 2

Поиск несущей частоты более простой для анализа процесс по сравнению со сканированием задержки. Объясняет это относительно высокая точность предустановки возможных позиций несущей. Действительно, искажения БПФ преобразования можно считать небольшими, если позиции сетки частот отклоняются на величину меньшую У от шага разноса соседних составляющих. В сигнале Preamble используется сетка из 64 поднесущих равномерно распределенных в пределах полосы 1 МГц. Поэтому допустимыми будут ошибки установки несущей частоты в пределах:

\Sf\ < (1/4МГц = 3,906 кГц.

Для диапазона 340 МГц это приводит к требованиям долгосрочной стабильности опорного генератора АС на уровне:

3,906 кГц 5

-я 1.15-10 = 11,5 ppm.

340МГц

Что является очень невысоким уровнем. Даже для диапазона 1800 МГц требования на стабильность составляют 2,17 ppm, что не представляет никакой трудности реализации.

А случайная задержка предустановки начала сигнала Preamble может оказаться в пределах от 0 до 64 мкс. Более того, возможна неоднозначность по привязкам к началу или к центру реального сигнала. Поэтому необходима дополнительная проверка для сдвигов -64 мкс и 0 мкс относительно первично обнаруженной позиции «начала» сигнала Preamble.

Первичная оценка «начала» сигнала Preamble выносится оп дискретной точке на оси времени, в которой наблюдается максимум отклика (превосходящего порог обнаружителя) на выходе блока ОБПФ64.

Приведем краткую аналитическую справку организации поиска сигнала Preamble, необходимую для анализа устойчивости.

В указанном режиме в последовательно проверяемых позициях сдвига времени и несущей частоты осуществляются БПФ преобразование принятого сигнала на интервале 64 точек с дискретом 1 мкс. Пусть присутствующий сигнал Preamble имеет задержку Лт относительно начала интервала обработки (см. рис. 2). Тогда спектральные компоненты, формируемые на выходе блока БПФ64 (обнаружителя Preamble) будут:

= + -Хр

где: A - среднее значение амплитуды спектра Preamble на приеме, 84 (i), 8p(i) - случайные составляющие амплитуды и фазы Preamble в позиции поднесущей i, обусловленные неравномерностью АЧХ и ФЧХ, Лf = 1 МГц/ 64 = 15,625 кГц - частотный разнос дискретных спектральных составляющих Preamble, 8(0 - случайная начальная фаза, Xp(i) - символы (±1), задающие код сигнала Preamble, однозначно связанный с индексом БС ID (0-15) транслирующей сигнал станции.

АС, осуществляет поиск сигнала Preamble для всех возможных значений БС ID. Поэтому она осуществляет умножение сформированных спектральных компонент (1) на каждую из 16 допустимых последовательностей Xp (i). Для каждого результата формирует преобразование

ОБПФ64. При правильном выборе последовательности Xp (i) на входе ОБПФ64 будет

дискретный спектр без Xp (i) множителей:

W(/)=ХР (/) • Рг (/) = {А + SA(/)}e-j2"<AfAT)  еуМ(), г = 0,1,63.

В идеальном случае отсутствия искажений АЧХ и ФЧХ получим:

Vtu(i)=Ae12"-iWKz\ i = 0,1,...,63.

При этом преобразование в блоке ОБПФ64 можно записать так:

А 63

S

64 г=0

где: k - номер дискретной временной позиции на выходе блока ОБПФ64, At = 1 мкс - шаг между позициями отсчетов, формируемых на выходе блока ОБПФ64. При этом синфазная и ортогональная квадратурные компоненты отсчетов будут равны:

S^k^Re^k)), se(k)=lm(s(k)),k = 0,l,...,63.

Работа обнаружителя состоит в поиске отсчета k, обеспечивающего максимум:

D=max (S2 (k) (k)),

и сравнения этой величины с порогом:

H

D > П .

<

Ho

Алгоритм обнаружения (3)-(4) инвариантен к случайному постоянному сдвигу фазы 8cpo.

Формула (2) показывает, что максимальный отклик на выходе ОБПФ64 (и на входе решающего правила (4)) следует ожидать для позиции ko:

ko=arg

Таким образом, техника ОБПФ64 в режиме поиска сигнала Preamble обеспечивает предварительную синхронизацию по задержке с точностью ±1/2 At = ± 0,5 мкс. В принципе существует возможность дальнейшего уточнения параметра задержки на основе интерполяционной формулы [2]:

Air =

1

k0 + "

2 2

At.

Но в документации данных об этом не обнаружено.

Наличие искажений характеристик АЧХ, ФЧХ и ГВЗ приводит к потере эффективности процедуры обнаружения (4). Простой анализ показывает, что линейная составляющая в ФЧХ (или постоянная составляющая ГВЗ) приведут к простой коррекции для оценки задержки, но не к энергетическим потерям. Реально к деградации характеристик обнаружителя будут приводить только нелинейные составляющие характеристики ФЧХ.

Воспользуемся мажоритарной оценкой. То есть будем полагать, что нелинейные составляющие ФЧХ, начиная со второго порядка ограничены сверху границей:

&p

где в фигурных скобках в левой части записана оценка линейной регрессии для ФЧХ,

Y 63 1 63

коэффициенты asp= — ) и bsp=^^) ^(Sp{i)-ap)'(i - 31,5) - коэффициенты

линейной регрессии, cp - положительное значение, обеспечивающее условие (7) в диапазоне 1 МГц. Постоянную cp будем использовать как базовый показатель, устанавливающий допустимый уровень неравномерности ГВЗ (нелинейности ФЧХ) для диапазонов 1 МГц. Путем элементарных вычислений на основе (7) находим неравномерность ГВЗ: 63 - c

А ГВЗ = ±--^ = ±641,71-с [мкс]

2^(1/64) p

и соответствующие энергетические потери обнаружителя Preamble:

D = jA Zcos (cp\( m + 0,5)2 - 341,25) L 32 m=0

На рис. 3 показана зависимость энергетических потерь (9) от показателя неравномерности ГВЗ (8). Видно, что, если принять допустимыми энергетические потери на уровне 0,25 дБ, то допустимой будет неравномерность ГВЗ в пределах 500 нс. Это доказывает высокую устойчивость системы McWiLL по отношению неравномерности ГВЗ в приемном

тракте.

о

D

-0.5

О 0.25 0.5 0.75 1 Д ГВЗ (мкс) 1.5

Рисунок 4

Аналогичный расчет для неравномерности АЧХ показан на рис. 5. По горизонтальной оси отложен уровень неравномерности АЧХ (по отклонению от средней величины) в дБ, а по вертикальной - относительный уровень помех на входе решающей схемы обнаружителя, возникающих из-за неравномерности AЧХ.

2

Рисунок 5

Если задаться допустимым уровнем помех -40 дБ, то получим допустимый уровень неравномерности АЧХ ±1 дБ в пределах полосы 1 МГц.

Заключение. Система широкополосной подвижной радиосвязи McWiLL обладает высокой устойчивостью к неравномерности ГВЗ в радиотракте. В каждой полосе 1 МГц допускаются изменения в пределах ±500 нс. Это подтверждает возможность решать задачи частотной избирательности с повышенной эффективностью.

Литература

1. ГОСТ Р 58166-2018. Технические требования к радиоинтерфейсу широкополосной подвижной радиосвязи (ШПР). Организация протоколов и алгоритмов работы на канальном и физическом уровнях. Основные параметры и технические требования. - М.: Стандартинформ, 2018. - 142 с.

2. Горгадзе С.Ф., Бокк Г.О. Планирование и обработка результатов эксперимента в радиотехнике и инфокоммуникационных системах // - М.: Горячая линия - Телеком, 2018. - 132 с.

3. Шорин О.А. Вероятность перегрузки сотовых систем связи с учетом подвижности абонентов // Электросвязь, 2004. - № 5.

4. Косинов М.И., Шорин О.А. Повышение емкости сотовой системы связи при использовании зон перекрытия // Электросвязь, 2003. - № 3.

5. Лохвицкий М.С., Сорокин А.С., Шорин О.А. Мобильная связь: стандарты, структуры, алгоритмы, планирование Москва, 2018.

СНИЖЕНИЕ НЕГАТИВНОГО ВЛИЯНИЯ ВЫСОКИХ ЗНАЧЕНИЙ ПИК-ФАКТОРА

СИГНАЛОВ В СИСТЕМЕ McWiLL

О.А. Шорин, Генеральный директор ООО «НСТТ», профессор, д.т.н., oshorin@gmail.com; Г.О. Бокк, директор по науке ООО «НСТТ» д.т.н., bgo@nxtt.org.

УДК 621.396

Аннотация. Рассмотрен один из вопросов, связанных со снижением негативного влияния высоких значений показателя пик-фактора (PAPR) сигналов OFDM, препятствующих эффективной работе усилителей мощности, повышающих энергопотребление и способствующих быстрой разрядке аккумуляторов. Отмечается, что в системах подвижной радиосвязи стандарта McWiLL достигнут определенный прогресс в решении такой задачи. В результате чего было достигнуто преимущество над другими общеизвестными системами связи последних поколений. Но в то же самое время в стандарте McWiLL был упущен еще больший потенциально достижимый выигрыш от разработанного метода из-за того, что при организации скоростных соединений на нескольких подканалах расширение ресурса в первую очередь предусматривает увеличение спектральных компонент, а потом уже добавление временных слотов. Отмечено, что это может привести к полной потере положительного эффекта.

Ключевые слова: пик-фактор, PAPR, OFDM, перемежение частот, спектральные компоненты.

REDUCTION OF THE NEGATIVE INFLUENCE OF HIGH VALUES OF THE PEAK FACTOR OF SIGNALS IN THE McWiLL SYSTEM