Оценка временной дисперсии сигнала GSM базовых станций

УДК 621.391

ОЦЕНКА ВРЕМЕННОЙ ДИСПЕРСИИ СИГНАЛА GSM БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ

А.В. Новиков

Разработан и реализован алгоритм оценки импульсного отклика и профиля многолучевости канала распространения при анализе сигналов GSM базовых станций. Приведены примеры работы алгоритма для различных каналов распространения

Ключевые слова: GSM сигнал, импульсный отклик канала, профиль многолучевости

Для планирования и эксплуатации GSM сетей, проверки соответствия параметров базовых станций территориально-частотному плану, анализа зоны покрытия регулярно производится идентификация базовых станций (БС) этих сетей и измерение их параметров [1-3]. При анализе зоны покрытия важнейшими характеристиками являются временная дисперсия сигнала - импульсный отклик и профиль многолучевости канала распространения (зависимость мощности принимаемого сигнала от времени прихода). Многолучевое распространение может существенно ухудшить прием GSM сигнала или сделать его вовсе невозможным, несмотря на высокий уровень сигнала на входе приемника. Оценка импульсного отклика кана-

ла необходима при демодуляции в многолучевом канале, в частности, при использовании алгоритма Витерби.

Целью данной работы является разработка и реализация алгоритма оценки временной дисперсии канала распространения сигнала GSM БС. На широковещательной несущей GSM БС передаются различные информационные и служебные каналы, включая синхроканал (SCH) и широковещательный канал (BCCH). Данные синхроканала передаются в синхропакетах, состоящих из информационной части и постоянной тренировочной последовательности (Рис. 1). Последняя используется для оценки импульсного отклика и профиля многолучевости.

Хвостовые Информационные Биты тренировочной

биты биты последовательности

Информационные

биты

Рис. 1. Структура синхропакета

Оценка временной дисперсии производится на интервале (—q, — q + N — 1) отсчетов

GSM сигнала, где N - общая длина интервала, q - расстояние (в отсчетах) между началом интервала и положением максимального луча. Обозначим

Ьг =

- вектор импульсного отклика канала, подлежащий оценке,

( an+q , an+q -1 ^.^ an+q - N+1 ) ,

*n+q—N+1 / ,

- вектор отсчетов (символов) переданного сигнала, an = exp (jjn). Фазы отсчетов сигнала тренировочной части синхропакета

(рп, n = 0,63 определяются следующим обра-

зом. Биты тренировочной последовательности синхропакета Ьт = \Ъг, I = 0,63} имеют значения [6]

1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0,

0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1,

0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1,

0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1.

Они подвергаются дифференциальному кодированию = Ь  Ь—1, где  - сложение по модулю 2. Далее формируется поток модулирующих величин а = 1 — 2йг, по которым фазы

символов модулированного сигнала приближенно определяются как

1+2

j=p Z akGi-k,

2 к=1-2

Новиков Антон Викторович - ЗАО «ИРКОС», магистр, зам. начальника отдела, тел. (473) 239-23-00

где - отсчеты гауссовского фильтра с эквивалентной полосой ВТ = 0.3 .

Оценка импульсного отклика канала по т -му синхропакету Ьт определяется из условия минимума метрики тренировочной последовательности

h„ = arg min [Q (h„,)],

Q

64—q—1

l

n=N—q—1

x.

— aT h„

где xn - комплексные отсчеты входного видеосигнала, формируемого приемным устройством, jm - номер отсчета, соответствующего начальному символу тренировочной последовательности m -го синхропакета. Значение . jm .

определяется в процедуре временной синхронизации [1]. Выражение (5) можно переписать в векторно-матричном виде

Q

m = ( xN—q—1+jm , xN+1-q-1+jm , ” ^ X64-q-1+jm ) -

где

вектор отсчетов видеосигнала т -го синхропакета, А - матрица отсчетов переданного сигнала:

A = [ЯЛ

ac

—J.

Для нахождения искомой оценки импульсного отклика канала (4) продифференцируем правую часть (6) по вектору Ит, и приравняем результат к нулю:

<*.3

dh

-2AT x* + 2AT A*h* Z./A. i Z./A. r\. 11 ^

„ „

Решая уравнение (7), получаем:

h„ =( A*AT )"1 x„A*

„ \ / „ или в другой форме

Л 1 64—q—1

0.

h

( 64—q—1

* T

l aA

l

n=N—q—1

x.

a.

n+]„ n '

^ n=N—q—1 J

Оценка профиля многолучевости формируется путем усреднения квадратов модулей элементов вектора импульсного отклика канала по синхропакетам интервала анализа:

) 1 M І ) |2 ----

Pk =— l\hmk\ ,k = 1,N, k Mt-!' ’

где Итк - к -ый отсчет оценки импульсного

отклика т -го синхропакета, М - число синхропакетов на интервале анализа.

Во входном видеосигнале хп присутствует

шумовая составляющая, проявляющаяся в появлении шумового фона в оценке профиля многолучевости. Качество оценки профиля многолучевости можно повысить, оценив уровень этого фона и вычтя его из каждой компоненты профиля (10):

64—q—1

P = P — b l Kk\ , k = 1, N,

n=N—q—1

где Vnk - k -й элемент вектора:

( 64—q—1 Л 1

* T

l anan

у n=N—q—1 J

а коэффициент /3, характеризующий уровень шума, определяется как нормированная взвешенная сумма компонент профиля многолучевости на интервале N — V, N :

b =

N 64—q—1

l Pk l И.д-1

k=N—n n=N—q—1

l

k=N—n

64-q-1

l К

n=N-q-1

Интервал суммирования N — V, N в (13) выбирается в предположении, что лучи с задержкой более V символов относительно луча с максимальной мощностью отсутствуют.

Для анализа разработанного алгоритма использовался симулятор 08М базовой станции, формирующий сигнал широковещательной несущей в соответствии со стандартом [4, 6]. Временная синхронизация полагалась идеальной. Для имитации многолучевого канала распространения производилось суммирование Я копий сигнала с относительными мощностями

К=Ег/Е„, г=0, Я—1 и относительными задержками Т/г =ТГ/Т. Для главного луча с максимальной мощностью Е0 задержка Т0 = 0.

2

*

n

2

2

2

k

*

1.200

Р’к

1.000 0.800 0.600 0.400 0.200 0.000

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 к’

Рис. 2. Оценка профиля многолучевости для однолучевого канала,

ОСШ 3дБ

1.200 т----------------------------------------------------------------------------------

Р’к

1.000 0.800 0.600 0.400 0.200 0.000

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 к’

Рис. 3. Оценка профиля многолучевости для двухлучевого канала (Е = 0.25, т' = 4), ОСШ 3дБ

1.200

Р’к

1.000 0.800 0.600 0.400 0.200 0.000

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 к’

Рис. 4. Оценка профиля многолучевости для трехлучевого канала (Е = 0.25, т[ = 4, Е2 = 0.5, т'2 = —3), ОСШ 3дБ

Рис. 2 - 4 иллюстрируют работу предложенного алгоритма. По оси ординат отложены значения оценки нормированного профиля многолучевости

к

Р'к"

л/max

к

Л

: 1, N, N = 15

для раз-

личных многолучевых каналов распространения. По оси абсцисс отложена задержка в символах к' = к — q — 1 относительно положения луча максимальной мощности. На Рис. 2 представлен случай однолучевого канала, на Рис. 3 - случай двухлучевого канала с Е = 0.25, < = 4, на Рис. 4 - трехлучевого канала с Е[ = 0.25, т[ = 4, Е2 = 0.5, 72 = —3.

Наличие слабых паразитных лучей, не соответствующих моделируемым каналам, обусловлено высоким уровнем шума в канале распространения, а также фильтрацией и передискретизацией при формировании видеосигнала. Тем не менее, формируемая оценка с большой степенью точности отражает заданные условия распространения сигнала даже при низких (3 дБ) отношениях сигнал-шум и позволяет сделать достоверный вывод о профиле многолучевости канала. Оценка импульсного отклика и временной дисперсии может быть несколько улучшена при успешном приеме синхропакета. В этом случае в качестве опорного сигнала (2) будут использоваться все (информационные и

тренировочные) символы пакета, а интервал суммирования в (9), (11), (12), (13) будет соответствовать размеру пакета.

Таким образом, разработан и реализован алгоритм оценки временной дисперсии канала в GSM сетях, которая может быть использована при проектировании сотовой сети, а также для построения эквалайзеров, позволяющих улучшить демодуляцию сигнала в условиях многолучевого распространения.

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. А.В. Ашихмин, И.В. Каюков, В.А. Козьмин, В. Б. Манелис. Анализатор базовых станций GSM сетей на базе панорамного измерительного приемника Аргамак-ИМ // Специальная техника. - 2008. - № 1. - С. 31-39.

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

5. Kay, Steven M. Fundamentals of Statistical Signal Processing: Estimation Theory. - N.J.: Prentice-Hall, 1998.- 595 p.

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

ЗАО «ИРКОС», г. Москва

GSM BASE STATION SIGNAL PROPAGATION CHANNEL TIME SCATTERING ESTIMATION

A.V. Novikov

Propagation channel time scattering estimation algorithm for GSM base station signal analyzer is developed and implemented. Examples of different propagation channels profile estimations are drawn

Key words: GSM signal, channel impulse response, path-delay profile