Методы оценки качества канала связи. Технология WCDMA

УДК 621.376.9

Д. В. Крутин, М. А. Кисляков, С. Г. Мосин

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА КАНАЛА СВЯЗИ. ТЕХНОЛОГИЯ WCDMA

При функционировании систем сотовой связи, использующих кодовое разделение каналов, необходимо контролировать мощность абонентского терминала путем оценки отношения сигнал—шум (ОСШ). Предложены методы определения ОСШ с использованием технологии WCDMA.

Ключевые слова: WCDMA, кодовое разделение каналов, ОСШ.

Поскольку современное общество все больше нуждается в передаче больших объемов информации, разработка и исследование алгоритмов приема и обработки сигналов в многоканальных системах мобильной цифровой связи весьма актуальны. В наши дни основная нагрузка по передаче информации приходится на системы связи третьего поколения, среди которых наибольшее распространение в Европе и России получила технология WCDMA.

WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) — одна из технологий многостанционного доступа, которая использует кодовое разделение каналов и обеспечивает высокую скорость передачи данных. В качестве основного типа модуляции используется QPSK (Quadrature Phase Shift Keying). В таких системах для разделения сигналов применяют скремблирую-щие коды, уникальные для каждого абонентского терминала. В качестве таких кодов используют коды Голда благодаря хорошим авто- и взаимокорреляционным свойствам [1, 2].

В системах связи с кодовым разделением каналов полоса частот используется одновременно несколькими абонентами. Поэтому для каждого абонента сигналы других пользователей сети являются помехой, которая может ухудшить качество связи. В случае, когда базовая станция (БС) одновременно работает с несколькими абонентскими терминалами (АТ), мощность сигнала от АТ, расположенных вблизи, значительно выше, чем у находящихся на значительном удалении. Таким образом, качество канала связи между БС и удаленным АТ резко ухудшается при появлении АТ в ближней зоне. Поэтому возможность точного и быстрого управления мощностью является одним из наиболее важных аспектов функционирования систем связи стандарта WCDMA.

Для решения этой проблемы в технологии WCDMA применяется быстрое управление мощностью по замкнутому контуру. Критерием оценки в этом случае является отношение сигнал—шум (ОСШ).

В радиоинтерфейсе WCDMA используют фреймы длительностью 10 мс, состоящие из 15 слотов, в каждом из которых в специальных полях (TPC) передают команды управления мощностью. На рис. 1, a представлена структура слота восходящего канала управления; б — нисходящего [3].

Пилот TFCI FBI TPC

Т ± слота = 2560 чипов, 10 бит

б)

Инф. биты 1 TPC TFCI Инф. биты 2 Пилот

Рис. 1

Если измеренное ОСШ выше необходимого, то базовая станция посылает команду АТ понизить мощность, в противном случае — повысить. Такие измерения производятся 1500

Методы оценки качества канала связи. Технология WCDMA 13

раз в секунду (1,5 кГц) для каждого АТ, т.е. чаще, чем могут возникать изменения в канале связи. Таким образом, управление мощностью по замкнутому контуру позволяет предотвратить какой-либо ее дисбаланс для всех восходящих каналов, принимаемых БС. Иными словами, целью контроля мощности является достижение минимального уровня ОСШ, достаточного для обеспечения качественного приема сигнала.

Для регулировки мощности используются две вложенные петли управления (рис. 2). Внутренняя (быстрая) петля управления мощностью оценивает ОСШ восходящего канала и сравнивает полученное значение с целевым параметром. На основе результатов сравнения по нисходящему каналу передаются команды управления мощностью для АТ. Целевое значение ОСШ устанавливается внешней (медленной) петлей управления мощностью на основе измерений уровня блоковой ошибки BLER (Block Error Rate), проводимых с частотой 10—100 Гц [2].

4-V-'

Внутренняя петля

^-V-J

Внешняя петля Рис. 2

Для повышения скорости передачи в восходящем канале также применяется модуляция более высокого порядка (4PAM), которая требует точной оценки мощности принимаемого сигнала. Неточная оценка ОСШ негативно влияет на работу петли контроля мощности между БС и АТ, что, в свою очередь, снижает возможности увеличения скорости передачи данных в восходящем канале. В настоящей работе представлено несколько методов оценки ОСШ, обеспечивающих достаточно высокую точность.

В большинстве случаев оценку отношения сигнал—шум удобно проводить на основе специальных последовательностей символов пилот-канала, применяемых для фазовой и частотной подстройки. В зависимости от формата в слоте может передаваться от трех до восьми символов [3]. Поскольку сигнал управления передается в квадратурной составляющей, то последовательность извлеченных символов определяется следующим выражением:

1 SF

Si = ж Е [Im

SF n=1

где Sn — демодулированные символы, SF (Spreading Factor) — коэффициент расширения спектра, а C256kn — последовательность, используемая для расширения спектра [4]. Далее вычисляются значения параметров RSCP и ISCP:

RSCPi =1Е

ISCP = —

г N

N

N 1

n=1

( N Л2

Е 5пРи

V п=1 у

где N — число символов пилот-канала в одном фрейме; рп — детерминированная последовательность пилотных символов, определенная в работе [3]. Тогда ОСШ определяется по формуле:

ОСШ, =--.

г RSCp - ISCp

Для обеспечения большей точности оценки также можно проводить усреднение ОСШ на нескольких фреймах, тогда итоговое значение вычисляется по формуле

_ 1 A

ОСШ = — 2 ОСШ, ,

A i=i

где A — окно усреднения.

Проведенные исследования показали, что при частоте расчета 100 Гц погрешность оценки ОСШ не превышает 1 дБ, в то же время при использовании усреднения на нескольких фреймах точность значительно увеличивается. Однако в отдельных случаях данный подход не может применяться. Например, в канале случайного доступа (Random Access Channel, RACH) при установлении сеанса связи между АТ и БС необходима достаточно быстрая оценка параметров сигнала. Ниже приведен алгоритм расчета ОСШ, используемый при детектировании преамбулы в канале RACH.

На первом шаге вычисляется общая мощность принятого сигнала:

RTWP = —

N

( N \

S Ъ+а2

V n=1 J

где 1п , Qn — синфазная и квадратурная составляющие сигнала, N — окно корреляции.

Сигнал на выходе корреляционного детектора, используемого для детектирования преамбул, определяется как

( N \

1

z = N

2 SiPi+n

V n=1

где pi — эталонный сигнал нормированной амплитуды.

При наличии преамбулы в слоте доступа на выходе детектора фиксируется ярко выраженный корреляционный отклик. Энергию полезного сигнала и мощность шума можно определить по выражениям:

е,- = max

nt = RTWP - e .

В этом случае ОСШ определяется по формуле:

е.

ОСШ = .

ni

Данный метод также позволяет с высокой точностью определять ОСШ в широком диапазоне значений. При интервале оценки в 500 мкс погрешность не превышает 1,5 дБ.

Основным достоинством представленных методов оценки ОСШ по сравнению с аналогичными решениями является высокая точность оценки и экономия ресурсов при практической реализации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Tanner R., Woodard J. WCDMA - Requirements and Practical Design. NY: JohnWiley&Sons Ltd, 2004. 447 p.

2. Holma H., Toskala A. WCDMA for UMTS. Radio Access for Third Generation Mobile Communications. NY: JohnWiley&Sons Ltd, 2004. 481 p.

3. 3GPP TS 25.211. Physical channels and mapping of transport channels onto physical channels (FDD). 2010.

4. 3GPP TS 25.213. Spreading and modulation (FDD). 2010.

Проектирование беспроводных сенсорных сетей

15

Сведения об авторах

Денис Викторович Крутин — Владимирский государственный университет им. А. Г. и Н. Г. Столетовых, кафедра вычислительной техники; инженер; E-mail: krutin.denis@gmail.com Максим Андреевич Кисляков — Владимирский государственный университет им. А. Г. и Н. Г. Столетовых, кафедра вычислительной техники; младший научный сотрудник; E-mail: kislyakov.maxim@gmail.com Сергей Геннадьевич Мосин — канд. техн. наук, доцент; Владимирский государственный университет

им. А. Г. и Н. Г. Столетовых, кафедра вычислительной техники; E-mail: smosin@vlsu.ru

Рекомендована ВлГУ Поступила в редакцию

17.04.12 г.

УДК 004.031.2

М. А. Кисляков, С. Г. Мосин, В. В. Савенкова ПРОЕКТИРОВАНИЕ БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ

Рассмотрены теоретические вопросы проектирования беспроводных сенсорных сетей. Описаны отдельные этапы проектирования. Сети классифицированы по типу топологической структуры.

Ключевые слова: беспроводная сенсорная сеть, маршрут проектирования, статическая топология.

Использование беспроводных сенсорных сетей (БСС) является одним из наиболее активно развивающихся методов сбора и передачи данных. Прогресс в этом направлении в основном связан с расширением сферы применения таких сетей. Таким образом, вопрос унификации процесса проектирования БСС становится все более актуальным.

Сенсорные сети уже частично заняли свой сегмент рынка, большое количество компаний предлагают свои решения в области беспроводного мониторинга. Существующие аппаратно-программные комплексы БСС в основном предназначены для решения узкоспециализированных задач, что затрудняет процесс адаптации систем к изменяющимся условиям. Более того, даже при необходимости внесения небольших модификаций требуется пройти все этапы проектирования заново.

На данный момент унифицированных средств проектирования БСС не существует. Каждая компания использует собственные, закрытые для анализа характеристик разработки. По этой причине решения, ориентированные на выполнение одной конкретной задачи, не могут быть использованы в другой предметной области.

Беспроводная сенсорная сеть — это распределенная, самоорганизующаяся совокупность множества датчиков и исполнительных устройств, объединенных посредством радиоканала. Область покрытия подобной сети может составлять от нескольких метров до нескольких километров за счет ретрансляции сообщений от одного элемента к другому [1, 2].

Авторы работы [3] выделяют общие свойства сенсорных сетей, такие как ограниченное время функционирования узлов вследствие наличия автономного источника питания на каждом из них, ненадежная связь между узлами, поскольку радиоканал используется в качестве среды передачи, необходимость в самоорганизации — автоматической либо с минимальным участием человека.

Процесс проектирования сенсорной сети во многом зависит от ее целевой задачи. Однако разработка отдельных маршрутов для каждой задачи трудоемка и нецелесообразна.