Анализатор сигналов базовых станций UMTS-сетей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

АЛЕКСЕЕВ Павел Анатольевич АШИХМИН Александр Владимирович,

доктор технических наук КАЮКОВ Игорь Васильевич, кандидат технических наук КОЗЬМИН Владимир Алексеевич, кандидат технических наук МАНЕЛИС Владимир Борисович, доктор технических наук

АНАЛИЗАТОР СИГНАЛОВ БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ UMTS-СЕТЕЙ

Рассмотрены, особенности организации физических и логических каналов связи, структуры, пакетов данных сигналов базовых станций стандарта UMTS, описаны, алгоритмы, работы, анализатора данных сигналов на базе панорамных цифровых радиоприемных устройств семейства АРГАМАК.

Ключевые слова: UMTS, радиомониторинг, базовая, станция, цифровая, обработка сигналов, анализатор сигнала, цифровое панорамное радиоприемное устройство.

UMTS physical and logical layers, frame structures specification are explained.. Algorithms used in the UMTS analyzer are described and applied, to ARGAMAK family digital panoramic radio receivers.

Keywords: UMTS, radiomonitoring, base station, digital signal processing, signal analyzer, digital panoramic radio receiver.

В последние десятилетия происходит интенсивное развитие технологий сотовых систем связи, связанное с необходимостью повышения скорости передачи данных и предоставления пользователям новых сервисов высокого качества. На смену системам второго поколения (GSM, IS-95) пришли широкополосные системы третьего поколения (UMTS, cdma2000). Они ориентированы, в первую очередь, на пакетную передачу данных, что позволяет предоставлять абонентам такие услуги, как высокоскоростной Интернет, видеоконференции, мобильное телевидение и др.

Системы третьего поколения основаны на технологии кодового разделения каналов. Они обладают гораздо большей пропускной способностью и другими преимуществами по сравнению с технологиями частотного и временного разделения каналов: отсутствие частотного планирования, возможность эффективной борьбы с замираниями сигнала посредством разнесенного многолучевого приема, более высокая спектральная эффективность.

Сотовые сети третьего поколения пользуются все большей популярностью во многих странах мира. В Северной Америке и Азиатско-тихоокеанском регионе доминирующими являются системы связи cdma2000 [1, 2], в Европе — сотовые системы связи, функционирующие по стандарту UMTS [3 - 7].

В последние годы в России осуществляется интенсивное развертывание высокоскоростных сетей сотовой связи на основе Европейского стандарта UMTS. Для планирования и эксплуатации этих сетей, проверки соответствия требований к параметрам передатчиков, анализа зоны покрытия необходимо регулярно проводить анализ параметров радиосигналов UMTS базовых станций (БС). Оборудование для анализа сотовых систем второго и третьего поколения выпускается ведущими мировыми производителями аппаратуры радиомониторинга: компаниями Rohde & Schwarz (TSMQ), Tektronix (YBT250), Agilent (E7495A/B). В [8] были представлены российские анализаторы сигналов базовых станций сетей GSM, IS-95, Tetra, Dect, состоящие

из двух частей: аппаратной части — ЦРПУ семейства АРГАМАК [8] и цифрового контроллера, в качестве которого может использоваться портативная ПЭВМ. Высокие метрологические параметры и достаточная полоса пропускания измерительных приемников АРГАМАК-ИС, АРГАМАК-М [9] позволил реализовать на их основе анализаторы сигналов UMTS, DVB-T/H/T2, LTE.

Настоящая статья посвящена рассмотрению алгоритма работы анализатора сигналов UMTS. Анализатор предназначен для поиска и приема сигналов UMTS БС, их идентификации, оценки параметров и местоположения. Осуществляется прием только широковещательных данных и выделение только служебной информации.

Формирование сигнала UMTC

Основой технологии UMTS является принцип кодового разделения каналов [6 и др.]. Сигналы различных сот сети и различные каналы каждой соты передаются одновременно в одном спектральном диапазоне. Каждая сота имеет свой индивидуальный скремблирующий код, который позволяет принимающей стороне выделить сигнал именно этой соты. Для разделения различных физических каналов соты применяются ортогональные канальные коды. Каждая БС сети включает в общем случае несколько сот, осуществляющих независимую передачу и прием в рамках своего сектора. Стандарт UMTS допускает использование двух режимов дуплекса: частотного (FDD —Frequency Division Duplex) и временного (TDD — Time Division Duplex). В режиме FDD прямой и обратный каналы (от базовой станции к абонентской и наоборот) имеют отдельные частотные полосы. В режиме TDD разделение прямого и обратного каналов осуществляется за счет использования различных временных интервалов в одной частотной полосе. Наибольшее распространение получил режим FDD, поэтому в данной статье рассматривается именно этот режим.

Сигнал UMTS соты включает совокупность различных физических каналов: пилот-канал (Primary Common Pilot Channel), первичный и вторичный синхроканалы (Primary /Secondary Synchronization Channel), первичный общий контрольный канал (Primary Common Control Physical Channel), а также другие служебные и информационные каналы.

Пилот-сигнал передается непрерывно и используется абонентскими станциями для синхронизации и оценки канала распространения. По синхроканалам осуществляется поиск сот, определяется скремблирующая последовательность соты, выполняется слотовая и фреймовая синхронизация. В первичном общем контрольном физическом канале передается широковещательная информация, включающая идентификационные параметры соты.

Каждый физический канал структурирован по времени во фреймы длительностью 10 мс. Фрейм состоит из NsI = 15 слотов по Nch = 2560 элементов (чипов) в каждом. На рис. 1 представлена структурная схема формирования группового сигнала соты.

Комплексные символы модуляции каждого физического канала (кроме синхроканалов) расширяются по спектру с использованием соответствующего канального кода CSFk. Далее

Символы общего пшют-

Символы других каналов

С Р G

256,0 * Я ^CPICB

С Р G

• • •

• • •

• • •

Сигнал первичного

Сигнал вторичного

л

^Р-ХШ

:г

cos(cot)

-sin(<ot)

Рис. 1. Структурная схема формирования группового сигнала

полученная чиповая последовательность символов поэлементно перемножается с чипами первичного (или вторичного) скремблирующего кода соты PN. Частота следования чипов — 3,84 МГц. Скремблирующий код выровнен с границей фреймов первичного общего контрольного и пилот-каналова, т.е. первый комплексный чип фрейма этих каналов соответствует первому чипу скремблирующего кода. Отсчеты сигнала физического канала умножается на коэффициент Gk, который определяет относительную мощность канала. Сигналы всех физических каналов затем объединяются посредством поэлементного комплексного суммирования. Полученный сигнал фильтруется и переносится на несущую частоту. Для ограничения спектра сигнала используется фильтр с импульсной характеристикой корня квадратного из приподнятого косинуса [6]. Сформированный таким образом групповой сигнал подается в аналоговый тракт передатчика, где он усиливается и далее излучается в эфир.

В системе UMTS могут быть использованы 512 первичных скремблирующих кодов. Каждый первичный скремблирующий код порождает 15 вторичных скремблирующих кодов. Набор первичных скремблирующих кодов разделен на 64 кодовые группы, каждая из которых состоит из 8 первичных скремблирующих кодов. В общем случае номер первичного скремблирующего кода можно представить как Ngk = 16*8xg+16*k, где g — номер кодовой группы, k = 0,7 — номер скремблирующего кода в группе. В каждой соте может быть только один первичный скремблирующий код. Физические пилот-канал, первичный общий контрольный канал и ряд других каналов всегда передаются с использованием первичного скремблирующего кода. Для некоторых каналов допустимо использование вторичных скремблиру-ющих кодов.

Скремблирующий код представляет собой комплексную псевдослучайную последовательность длиной 38 400 чипов, которая периодически повторяется в каждом фрейме. Действительная и мнимая составляющие скремблирующего кода являются различными сегментами последователь-

Сц, = (1,1,1,1)

С2,о = (1Д)

Cl,D = (l)

~ (1,1,-1,-1)

Сц = (1,-1,1,-1)

С2,1 = (1,-1)

С« = (1,-1,-1,1)

SF= 1

SF=2

SF = 4

Рис. 2. Кодовое дерево для формирования OVSF-кодов

Исходный блок бит

Антенна!

Антенна 2

Кодированные блоки бит антенн

OVSF-кодов зависит от используемой величины спрединг-фактора. Для общего пилот-канала всегда используется канальный код C256ß, для первичного общего контрольного канала — C256 t. Канальные коды других физических каналов могут быть различными.

Стандарт UMTS допускает возможность разнесенной передачи в прямом канале. Режим переключения антенн Time Switched Transmit Diversity (TSTD) может применяться только для синхроканалов. В этом режиме четные слоты передаются через первую антенну, а нечетные слоты — через вторую антенну.

Режим пространственно-временного кодирования Space Time Transmit Diversity (STTD) может быть использован для всех информационных и контрольных каналов. При этом передача данных осуществляется блоками по 4 бита. Схема кодирования STTD представлена на рис. 3. Базовые станции UMTS могут не поддерживать режим разнесенной передачи. Однако для абонентских станций, а, следовательно, и для анализатора поддержка разнесенной передачи обязательна. Рассмотрим структуру физических каналов соты более подробно. Временная структура синхроканалов приведена на рис. 4.

Первичный синхросигнал для каждого фрейма представляет собой периодически передаваемый в начале каждого слота комплексный синхрокод cp длиной 256 чипов. Первичный синхросигнал является одинаковым для всех сот сети и имеет следующую структуру: cp = (a0a, ata,..,at5a}*-A, где a — знаковая последовательность длиной 16,

Рис. 3. Схема STTD-кодирования

ности Голда. Эта последовательность порождается двумя m-последовательностями, полиномы которых 1+X7+X'8 и 1+X5+X7+X10+X18.

Для обеспечения ортогональности между различными физическими каналами соты в UMTS применяются канальные коды OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor). OVSF-коды формируются с помощью кодового дерева, как показано на рис. 2, где они обозначены как CSF,n, SF — спрединг фактор кода, n — номер кода, n = 0,SF — 1. Полное дерево содержит 8 уровней, что соответствует SF = 256. Ансамбль

А = 1+],

{а0,а1,..,а15} = {1,1,1 - 1, - 1,1, - 1, - 1,1,1,1, - 1,1, - 1,1,1}.

Вторичный синхросигнал для каждого фрейма состоит из последовательности пятнадцати различных кодов т = 0, 1 4 длиной 256 чипов, передаваемых в начале слотов, т — номер слота. В каждом слоте возможен один из 16 вторичных синхрокодов = } , , = 0, 255, г = 0, 1 5 . Они представляют собой известные комплексные ортогональные псевдослучайные последовательности с одинаковыми действительными и мнимыми частями. Сочетание вторичных синхрокодов во фрейме определяет кодовую

Первичный синхроканал

Вторичный синхроканал

Слот О

,(0)

256 чипов

2560 чипов

Слот!

Слот 14

• • •

.(И)

Фрейм, Юме Рис. 4. Структура синхроканалов

Слот 14

Фрейм i

Антенна 1 А А А А А А А А А А А А А А А А А А А А

Антенна 2 -А А А -А А -А -А А А -А -А А А -А -А А А -А -А А

i

Слот О

Слот!

Фрейм z+1

Рис. 5. Символьные последовательности для пилот-канала

Биты данных

Добавление проверочных бит

Фреймовое сегментирование

QPSK-модуляция

Символы

Рис. 6. Схема формирования символов первичного общего контрольного канала

группу, к которой принадлежит скремблирующий код соты. Число возможных кодовых групп равно 64. Пилот-канал передается непрерывно и несет известную символьную последовательность. Число чипов в символе равно 256, так что количество символов в слоте равно 10. В режиме разнесенной передачи пилот-канал передается с обеих антенн с использованием одного и того же канального и скремблирующего кодов. В этом случае известная символьная последовательность отличается для первой и второй антенн (рис. 5). В случае одной антенны для передачи используется символьная последовательность первой антенны.

Первичный общий контрольный канал передается непрерывно за исключением первых 256 чипов каждого слота. Спрединг-фактор для этого канала БР = 256, так что количество символов в каждом слоте равно 9. Схема формирования символов первичного общего контрольного канала представлена на рис. 6.

Входными данными для формирования первичного общего контрольного канала являются пакеты длиной 246 бит, представляющие собой одно или несколько широковещательных сообщений или их сегментов.

При формировании символов модуляции выполняются следующие процедуры над входными пакетами данных:

♦ добавление к пакету 16 проверочных бит, формируемых посредством циклического кодера с полинмом 1+05+0'2+0'6, сверточное кодирование, выполняемое со скоростью 1/2, кодовое ограничение — 9, полиномы — 561 (восьмеричное), 753 (восьмеричное), число добавляемых к пакету хвостовых нулевых бит — 8;

♦ первое блоковое перемежение, при котором в начале выходного блока располагаются биты с нечетными но-

мерами, а затем биты с четными номерами исходного блока;

♦ фреймовое сегментирование, при котором блок разбивается на две равные части, передаваемые в соседних фреймах;

♦ второе блоковое перемежение, выполняемое для каждого фрейма и заключающееся в заполнении матрицы размерности 9*30 по строкам, переставлении столбцов по известному закону и считывании бит по столбцам;

♦ ОРЯК-модуляция, при которой каждой последовательной паре бит фрейма ставится в соответствие комплексный ОРЯК-символ.

Прием UMTS-сигнала

Обработка входного радиосигнала включает следующие

процедуры:

♦ формирование видеосигнала с необходимой частотой отсчетов;

♦ поиск первичного синхросигнала сот UMTS и слотовая синхронизация для найденных сот;

♦ фреймовая синхронизация и определение номера кодовой группы найденных сот;

♦ определение скремблирующего кода найденных сот;

♦ определение режима передачи (разнесенная или в помощью одной антенны);

♦ частотная синхронизация;

♦ оценка числа и временных позиций компонент многолучевого сигнала найденных сот;

♦ высокоточная оценка временного положения сигнала (для местоопределения БС);

Входной радиосигнал

Для поиска первичного синхросигнала сот формируется решающая функция:

Ц= I

п=О

15

16

X ак X *г+2(тЧ)+2*16*£+2Лд,и«т

к=О т=1

(1)

I = 0, 2 N ск - 1 ,

где Ы1г — число используемых фреймов. Если значения решающей функции (1) не превышают заданный порог на всем априорном интервале, выносится решение об отсутствии первичного синхросигнала сот в данном частотном канале. Если для некоторых временных позиций ,, , > • • • , г е' имеет место превышение порога, О' — количество превышений порога, эти временные позиции являются кандидатами на начало слотов сигналов сот. Часть этих временных позиций обусловлена сигналами различных сот системы, а часть —

сигналами различных лучей одной соты. _

Далее для каждой из найденных величин , Ц — 1 , 0 для каждого из пятнадцати слотов вычисляются корреляции принятого сигнала со всеми возможными вторичными син-хрокодами:

щ-1

1=0

255

1Д

к=О

I Ч +2k+2Nchm+2Nl:,N^l

(2)

Измерения сигналов найденных сот (спектральные, мощностные качества сигнала, канала)

Рис. 7. Последовательность обработки UMTS-сигнала

♦ оценка канала (комплексных амплитуд компонент многолучевого сигнала);

♦ прием широковещательных сообщений первичного общего контрольного канала;

♦ выделение идентификаторов соты, сети, страны, локальной области, блокирования соты для абонентов;

♦ измерения сигналов найденных сот, включая спектральные измерения, мощностные измерения, измерения качества сигнала и измерения канала.

Последовательность обработки иМТЯ-сигнала представлена на рис. 7.

Входной радиосигнал усиливается и переносится на промежуточную частоту. Далее выполняется аналогово-цифровое преобразование сигнала, перенос его на видеочастоту, фильтрация (для подавления высших гармоник и приведения исходной полосы сигнала к полосе иМТЯ-сигнала) и передискретизация. Формируется цифровой комплексный видеосигнал х, I = 0, 1, 2... с частотой, соответствующей 2 отсчетам на чип, [5 = 2/с, [с = 3,84 МГц. Получение такого видеосигнала осуществляется на ПЛИС.

где т = 0,14 — номер слота во фрейме, г = 0,15 — номер вторичного синхрокода, д = 1, О' — номер исследуемой временной позиции, — 1| , к — 0, 255— г-ый вторичный синхрокод.

Из массива (2) формируется массив Учд,Л, элементы которого соответствуют определенному номеру кодовой группы д е [0, 63] и сдвигу к, к е [0, 14], однозначно связанному с началом фрейма (Л — номер слота относительно начального слота фрейма).

14

= /¿ = С|>,(|и + А)то<115],

(3)

п=0

где С(а,Ь) — таблица соответствия между номером кодовой группы и последовательностью кодов вторичного синхрока-нала [4].

Оценка номера кодовой группы и положения начала фрейма (номер сдвига) определяется по положению максимального элемента массива (3):

(¿,й)9=а!^тах7?>в>А

(4)

Таким образом, для каждого значения I, , = 1, Q ' определяем номер кодовой группы Ц, и устанавливаем фреймовую синхронизацию

(5)

где 1Ч — начало фрейма.

При выбранных параметрах процедура обработки синхросигналов успешно функционирует при отношении сигнал-шум по синхросигналам до -20 дБ в однолучевом канале.

На следующем этапе для каждого , Я ~ *> *2 формируются восемь корреляционных откликов, соответствующих восьми скремблирующим кодам группы §

74

Zq,k ~ X

т=О

511

i=0

к)

D* s4'kJ ■Г

+2i'+1024m й-512т

,к = 0,7,

(6)

Р^я** , — 0, 38399 — скремблирующая последовательность с номером ЫдХ (•)* — обозначает комплексное сопряжение. Оценка номера скремблирующего кода в группе определяется по положению максимума (6):

kq = argmaxZ^.

(7)

Таким образом, для всех iq, q — 1 , Q ' получаем соответствующие номера скремблирующего кода, определяемые параметрами gq и kq . Если для различных iq коды одинаковые, для дальнейшего анализа остается код с тем q, для которого величина Zqk — максимальна. Отброшенные величины q соответствуют более слабым лучам сигнала одной соты. Число оставшихся временных позиций обозначим Q. Прием широковещательных данных и другие процедуры зависят от того, какой режим передачи (на одну антенну или разнесенный) используется сотой. Поэтому после нахождения скремблирующего кода на основе свойств пилот-канала (рис. 5) определяется режим передачи соты. Для компенсации отличия частот опорного и принимаемого сигналов выполняется частотная синхронизация. Она осуществляется отдельно для сигнала каждой найденной соты и использует результаты фреймовой синхронизации, полученные ранее. Оценка частотной расстройки производится по пилот-сигналу в соответствии с оптимальным алгоритмом с дискретным выходом [10]. При анализе каждой найденной соты сформированный видеосигнал корректируется в соответствии с оценкой частотной расстройки соты. В условиях многолучевого распространения для широкополосных систем (таких, как UMTS) имеется возможность оптимизировать характеристики приема за счет использования Rake-приемника. Для синхронизации его однолучевых приемников необходима оценка временных позиций компонент многолучевого сигнала (сигналов лучей). Эта оценка осуществляется посредством анализа выходного сигнала коррелятора пилот-сигнала в окрестности найденной ранее оценки начала фрейма iq q-ой соты. В результате анализа выделяются лучи (не более трех) с наиболее мощными сигналами, задержка между которыми не менее одного чипа. Временные позиции сигналов лучей сот р = 1; Pt P — количество лучей.

Когда сигнал наиболее сильного луча является сигналом первого (раннего) луча, выходной сигнал коррелятора пилот-сигнала используется также для высокоточной оценки временного положения сигнала (для цели местоопределе-ния БС) в соответствии с методикой [11]. В соответствии с оценками временного положения сигналов лучей найденных сот осуществляется дескремблирова-ние сигналов лучей сот

ЛР,9) _ г

У к - xj^+2k л kmod(NslNch)-

г )

,р* Ч'Ч

(8)

В (8) отсчеты видеосигнала х] с частотой 21с децимируются с коэффициентом 1/2. Таким образом, после дескремблиро-вания частота следования отсчетов равна /с. Для получения системной широковещательной информации: идентификаторов соты, сети, страны и др. необходим прием сообщений первичного общего контрольного канала. Для этого производятся следующие операции:

♦ формирование корреляционных откликов символов;

♦ оценка канала распространения;

♦ формирование мягких решений кодированных бит;

♦ второе деперемежение;

♦ объединение мягких решений кодированных бит двух фреймов;

♦ первое деперемежение;

♦ сверточное декодирование;

♦ анализ проверочных бит пакета;

♦ формирование потока широковещательных сообщений;

♦ выделение необходимых идентификационных параметров.

После дескремблирования отсчеты (8) поступают на вход канальных корреляторов первичного общего контрольного канала, на выходе которых формируются корреляционные отклики символов лучей

ТТ(рл) и п

256(п+1)-1

= I

/Г'С^к mod256),

к=256п

(9)

где С256 1(к), к = 0, 255 — канальный код первичного общего контрольного канала, р = 1,Р, п = 0, 149 — номер символа во фрейме.

Для демодуляции данных необходима оценка канала распространения — оценка комплексных амплитуд сигналов лучей сот. Ограничимся в настоящей статье случаем передачи с помощью одной антенны. Оценка канала для каждого луча р = 1,Р каждой найденной соты д = 1,0 выполняется последовательно для интервалов длиной 512 чипов посредством накопления отсчетов (8) на соответствующих интервалах

А- --тт— 2* Ук * (10)

"V ^ к=5Ш

В (10) г = 0, 74 — номер интервала фрейма (75 интервалов длиной 512 чипов составляют один фрейм). Комплексный множитель в (10) обусловлен передаваемым в пилот-канале комплексным символом. Оценка канала (10) используется для всех информационных символов, попадающих в г-ый интервал фрейма.

По оценкам канала (10) и корреляционным откликам символов лучей (9) формируются оценки символов модуляции на выходе Яаке-приемника:

v(?) —"V1 тт(р,ч) л *0>.?)

п n ßoor(nll) /

*-floor(nl2)

(11)

р=1 / р=1

где Дааг(х) — ближайшее целое, меньшее х. Поскольку в 15 символьных интервалах фрейма (в начале каждого слота) первичный общий контрольный канал не передается, символы с номерами п = 0, 10, 20,...,140 отсутствуют. В итоге

Измерения параметров UMTS-сигнала

формируется массив оценок символов модуляции фрейма

Мягкие решения кодированных бит первичного общего контрольного канала равны:

AW= ReZ»*4,,i= bnZi«!! = 0,134

(?) „ -

(12)

Далее выполняется второе деперемежение мягких решений кодированных бит фрейма (12). Оно заключается в заполнении матрицы размерности 9x30 по столбцам, переставлении столбцов по известному закону и считывании мягких решений по строкам.

Затем мягкие решения кодированных бит всех соседних пар фреймов объединяются в один массив (пакет). После выделения из первого принятого сообщения номера фрейма, который передается в каждом пакете, объединение мягких решений выполняется только для тех пар фреймов, в которых первым является фрейм с четным номером.

Далее выполняется первое деперемежение мягких решений кодированных бит, при котором выходной массив формируется посредством записи в него сначала элементов объединенного массива мягких решений двух фреймов с нечетными номерами, а затем с четными.

Полученные мягкие решения кодированных бит пакета поступают на вход декодера Витерби, на выходе которого формируются жесткие решения информационных бит пакета первичного общего контрольного канала. Восемь хвостовых бит отбрасываются.

По информационным битам пакета циклическим кодером формируется 16 проверочных бит. Они сравниваются с принятыми проверочными битами пакета. Если все соответствующие биты совпадают, принимается решение о безошибочном приеме информационного блока. Если хотя бы одна пара соответствующих бит не совпадает, принимается решение об ошибочном приеме информационного блока. В этом случае осуществляются процедуры и анализ проверочных бит для пакета следующих пар фреймов. Прием информационных блоков выполняется до получения всех необходимых идентификационных параметров. После заданного числа неудачных попыток приема информационного блока работа с данной предполагаемой сотой прекращается. Если хотя бы для одного блока контрольная сумма совпадает, исследуемая сота считается обнаруженной, даже если приняты не все необходимые идентификационные параметры.

В пакетах первичного общего контрольного канала передается большое количество различных типов системных широковещательных сообщений. В отдельном пакете может содержаться одно из большого множества сочетаний широковещательных сообщений или их сегментов. Поэтому при приеме из потока пакетов формируется поток сообщений в соответствии со стандартом. Выделение необходимых идентификационных параметров производится в соответствии с протоколом сообщений [7]. В сообщении М1В содержатся идентификаторы страны и сети, в сообщении Я1В1 — идентификатор локальной области, в сообщении Я1В3 — идентификаторы соты и блокирования соты для абонентов.

Для каждой обнаруженной соты производится высокоточная оценка частотного сдвига AF между средней частотой сигнала соты и центральной частотой выделенного канала. Оценка частотного сдвига производится по пилот-сигналу и основана на интерполяционном алгоритме дискретных выходных значений оптимального приемника [10]. При этом обеспечиваются характеристики, близкие к характеристикам алгоритма максимального правдоподобия. Средняя мощность UMTS-сигнала P определяется как средний квадрат модуля видеосигнала. Усреднение выполняется по заданной выборке отчетов. Известно, что групповой сигнал с кодовым разделением каналов обладает большим пик-фактором. Его оценка находится по той же выборке в соответствии с выражением PAPR = Pmax/ P , где Pmax — максимальное значение мгновенной мощности. Крест-фактор сигнала равен CF = V PAPR.

Сигнал UMTS представляет собой совокупность параллельных каналов, расширенных ортогональными канальными кодами. Зависимость мощности сигнала кода от его номера — кодограмма является специфической и важнейшей характеристикой для сигналов с кодовым разделением каналов. Для формирования кодограммы используется поток отсчетов (8) после дескремблирования. Мощности всех возможных каналов n = 0, SF—1, (SF = 256 — максимальный спрединг-фактор), которые могут присутствовать в анализируемом UMTS-сигнале, оцениваются с учетом многолуче-вости следующим образом:

1 р e-i ü+i)sf-i

= I yre^kmodSF)

/>=1 У=о

k=j-SF

(13)

где О — число 256-чиповых отрезков на интервале анализа. Если в сигнале соты используются более короткие коды, их мощность отображается на нескольких каналах в (13). По кодограмме определяется коэффициент использования кодовых каналов V, представляющий собой отношение числа используемых кодов к общему кодовому ресурсу и характеризующий загрузку анализируемой соты. Важнейшей характеристикой, в значительной степени определяющей область покрытия соты, является мощность пилот-сигнала. Анализатор вычисляет мощности пилот-сигналов всех обнаруженных сот. Мощности каналов соты различны. Оцениваются отношения мощности первичного общего контрольного канала, первичного и вторичного синхроканалов к мощности пилот-канала. Загрузка соты и отношения мощностей сигналов в анализируемом частотном канале рассчитываются только для соты с наиболее мощным сигналом. Одной из важнейших характеристик качества принятого сигнала является среднеквадратическое значение разности между переданными и принятыми символами (БУМ, %). Анализатор вычисляет значения БУМ для пилот- и первичного общего контрольного каналов.

Одной из причин ухудшения приема является временная дисперсия сигнала или многолучевость канала распространения. Оценка профиля многолучевости осуществляется по выходному сигналу коррелятора пилот сигнала. По профилю многолучевости рассчитываются вспомогательные пара-

метры канала распространения: эффективная длина канала (корень квадратный второго центрального момента от профиля многолучевости) и уровень многолучевости (отношение мощности сигналов всех лучей, кроме максимального, к суммарной мощности сигналов всех лучей). Помеху входного сигнала можно условно разделить на вну-трисотовую помеху, обусловленную многолучевостью канала распространения, и межсотовую помеху, вызванную сигналами других сот частотного канала. Последняя обычно существенно превосходит уровень внутренних шумов приемного устройства. Анализатор оценивает уровень межсотовой помехи, используя оценки средних значений мощности многолучевых компонент пилот-сигнала и оценки средних значений мощности помехи и шума этих компонент. Оценка качества приема характеризуется частотой битовой ошибки BER, равной отношению ошибочно принятых демо-дулированных бит к общему числу принятых бит успешно декодированных пакетов первичного общего контрольного канала, и частотой пакетной ошибки PER, рассчитываемой как отношение ошибочно декодированных пакетов этого канала к общему числу принятых пакетов. Кроме того, анализатор оценивает отношение сигнал/(помеха + шум) для пилот-канала SINR с учетом многолучевости канала распространения. Измерение параметров, связанных с каналом распространения и качеством приема, таких как мощность пилот-сигнала, профиль многолучевости, эффективная длина канала распространения, отношения сигнал/(помеха + шум), ча-

Рис. 8. Анализатор сигналов базовых станций

стота битовой и пакетной ошибки, выполняются в произвольных местах зоны покрытия.

Функциональные возможности анализатора

На рис. 8 представлен анализатор сигналов UMTS, построенный на базе портативного измерительного приемника Арга-мак-М. Пакет программного обеспечения позволяет анализировать параметры сигналов не только UMTC, но и других цифровых технологий, например GSM, CDMA, Tetra, Dect и др.

I Yp ш гни сп«трj бдБм.В | X. Л 57.6 У: 22

Рис. 9. Окно программы СМО БС UMTS. Режим «Мониторинг», подрежим «Измерения»

Рис. 10. Окно программы СМО БС UMTS. Режим «Мониторинг», подрежим «Детальные измерения»

Анализатор позволяет в заданном диапазоне частот найти сигналы сот, принять их идентификационные данные и выполнить большой объем измерений физического уровня. На рис. 9, 10 в качестве примера показаны окна программы СМО-БС UMTS в режиме «Мониторинг». Функции, обеспечиваемые анализатором:

♦ обнаружение присутствующих в эфире сигналов UMTS БС, отображение спектра сигнала;

♦ определение номера скремблирующей последовательности обнаруженных сот;

♦ определение числа передающих антенн сот;

♦ прием идентификационных параметров найденных сот:

• идентификатора соты CI,

• идентификатора сети MNC,

• идентификатора локальной области LAC,

• идентификатора страны MCC,

• идентификатора блокирования соты для абонентов CB (Cell Barred);

♦ оценка частотного сдвига;

♦ мощностные измерения:

• оценка средней мощности UMTS-сигнала,

• оценка мощности пилот-сигнала, первичного синхросигнала, вторичного синхросигнала и первичного общего контрольного канала,

• построение кодограммы — мощности сигналов всех кодовых каналов,

• оценка коэффициента использования кодовых каналов,

• определение пик-фактора и крест-фактора UMTS-сигнала;

♦ измерение качества сигнала:

• визуализация оценок символов модуляции первичного общего контрольного канала,

• оценка EVM пилот-сигнала и первичного общего контрольного канала,

• отношения сигнал/(помеха + шум) для пилот-сигнала,

• оценка уровня шума,

• оценка уровня паразитного прохождение несущей,

• оценка вероятности битовой и пакетной ошибок;

♦ измерения канала распространения — определение профиля многолучевости и эффективной длины канала;

♦ по выполненным измерениям анализатор позволяет:

• осуществить построение зоны покрытия сети UMTS с учетом данных цифровых карт местности,

• определить местоположение обнаруженных базовых станций;

• проверить соответствие наблюдаемых в эфире базовых станций частотно-территориальному плану;

• сформировать отчеты по результатам работы;

• сохранить полученные результаты в базе данных.

Таблица 1. Результаты работы анализатора

№ F, МГц SC MCC MNC LAC CI CB SINR, дБ EVM,% BER AF, Гц V

1 2157,6 6192 250 99 33602 15467647 1 -6,8 9,7 0 7,8 0,58

2 2152,4 1280 250 01 2703 23678464 1 -9,4 12,7 0,0012 -21,9 0,75

3 1232 250 01 2703 23677524 1 -16,7 29,5 0,13 -11,5 -

4 3536 250 01 2703 23667684 1 -17,8 39,5 0,075 -52,9 -

5 2137,4 4688 250 02 3601 23669987 1 -8,6 11,5 0,003 0,4 0,7

6 5712 250 02 3601 23671097 1 -14,1 21,7 0,055 -15,3 -

7 2132,4 1648 250 02 3601 23669600 0 3,2 3,9 0 -1,0 0,24

LiniiÜiil

О 1024 2048 3072 4096 5120

Временная позиция, чип

Рис. 11. Выходной сигнал коррелятора первичного синросигнала

Пример работы анализатора

Рассмотрим пример работы анализатора сигналов UMTS БС в фиксированной точке крупного города. Выполнялись исследования в четырех частотных каналах, выделенных для UMTS-систем. В табл. 1, приведены принятые идентификационные данные а также некоторые измеренные параметры сигналов обнаруженных сот. Величина F является центральной частотой канала. Пробел в табл. 1 означает отсутствие измерения соответствующего параметра. Видно, что были найдены и успешно приняты идентификационные параметры семи различных сот трех UMTS-сетей. Число обнаруженных сот различно для разных частотных каналов и меняется от 1 до 3. Значение идентификатора страны MCC = 250 является кодом России. Значение идентификатора сети MNC = 01 соответствует сети MTC, MNC = 02 - сети Мегафон, MNC = 99 - сети Билайн. На частоте F = 2132,4 МГц обнаружена единственная сота,

которая блокирована для абонентов и функционирует в тестовом режиме.

Приведем примеры наиболее важных диаграмм, формируемых анализатором. На рис. 11 приведен выходной сигнал коррелятора первичного синхросигнала для частотного канала Р = 2137,4 МГц. Этот сигнал характеризует общую сигнально-помеховую обстановку в анализируемом частотном канале в точке приема, в частности, позволяет оценить относительные мощности сигналов обнаруженных сот. Горизонтальная линия соответствует порогу поиска. Видно, что в исследуемом частотном канале найдены 2 соты, сигналы которых являются достаточно мощными.

На рис. 12 показана кодограмма для частотного канала 2157,6 МГц. Пилот-сигналу соответствует канальный код с номером 0, первичному общему контрольному каналу — с номером 1. Оценка коэффициента использования кодовых каналов для этого примера равна 0,7. Оценка отношения

lili lllllll I Ii ill. IILhII .1 »и niiiiii

O 16 32 48 64 80 96 112 128 144 160 176 192 208 224 240

Номер канального кода

Рис. 12. Пример кодограммы для частотного канала 2157,6 МГц

2,121

2,121

1,414

0,707

-0,707

-1,414

-2,121 -1,414 -0,707 0 0,707 1,414 2,121

,121 -1,414 -0,707 0 0,707 1,414 2,121

Рис. 13. Иллюстрация оценок символов модуляции

мощности первичного общего контрольного канала к мощности пилот-канала равна 0,65. Оценка отношения мощности первичного и вторичного синхросигналов к мощности пилот-канала равна 0,4.

Для визуальной оценки качества демодуляции на рис. 13 представлены оценки символов модуляции первичного общего контрольного канала для двух найденных сот на частоте 2137,4 МГц. Величина БУМ для сигналов этих сот равна соответственно 11,5% и 21,7%. Заметим, что и для

второй соты с более слабым сигналом идентификационные параметры приняты успешно (табл. 1). На рис. 14 приведен пример оценки профиля многолучево-сти для трехлучевого канала распространения, сигнал которого получен методом математического моделирования. Относительные мощности сигналов лучей: 1, 0,2, 0,5, задержки сигналов лучей соответственно 0, 1 и 2,6 мкс. Значение эффективной длины канала 1,152, ее оценка 1,155 мкс. Значение уровня многолучевости 0,41, ее оценка 0,42.

1.2

us

u

0,8

§ 0,6 E

я ü

5 04 о ' № В

S o,2

-1,3

-0,65

0,65 1,3 1,95

Задержка, мкс

2,6

3,25

Рис. 14. Пример оценки профиля многолучевости канала распространения

Заключение

Представленный анализатор предназначен для идентификации и измерения параметров сигналов базовых станций UMTS-сетей. Он построен на базе цифрового панорамного измерительного приемника семейства АРГАМАК, цифрового контроллера, в качестве которого может использоваться ПЭВМ. Для работы анализатора необходим пакет программного обеспечения СМО-БС.

Анализатор реализует поиск сигналов сот, прием их широковещательных идентификационных данных, измерение параметров, визуальное представление и анализ результатов. По функциональным и метрологическим возможностям анализатор не уступает аналогичным анализаторам ведущих мировых производителей и может быть использован при планировании и эксплуатации систем UMTS, при проверке соответствия требований к параметрам передатчиков и анализе зоны покрытия

Литература

1. TIA/EIA/IS-2000.2-A, Physical Layer Standard for cdma2000 Standards for Spread Spectrum Systems, March 2000.

2. TIA/EIA/IS-2000.4-A, Signaling Link Access Control (LAC) Standard, for cdma2000 Standards for Spread. Spectrum Systems, March 2000.

3. 3GPP TS 25.201, Universal Mobile Telecommunications System. (UMTS); Physical layer - general description, Release 10, April 2011.

4. 3GPP TS 25.211, Universal Mobile Telecommunications System. (UMTS); Physical channels and. mapping of transport channels onto physical channels (FDD), Release 10, May 2011.

5. 3GPP TS 25.212, Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); Multiplexing and channel coding (FDD), Release 10, May 2011.

6. 3GPP TS 25.213, Universal Mobile Telecommunications System. (UMTS); Spreading and. modulation. (FDD), Release 10, May 2011.

7. 3GPP TS 25.331, Universal Mobile Telecommunications System. (UMTS); Radio Resource Control (RRC); Protocol specification, Release 10, July 2011.

8. Рембовский А.М., Ашихмин А.В., Козьмин В.А. Радиомониторинг: задачи, методы,, средства/ Под редакцией А.М. Рембов-ского. Изд. 3. - М: Горячая линия. - Телеком, 2012.

9. Ашихмин А.В., Козьмин В.А., Першин П.В., Поляков А.В., Сергиенко А.Р., Рембовский А.М. Цифровые радиоприемные устройства семейства АРГАМАК с улучшенными техническими характеристиками./ Спецтехника и связь, 2012. -№ 1. - С. 51 - 61.

10. Каюков И.В., Манелис В.Б. Сравнительный анализ различных методов оценки частоты, сигнала./ Известия, вузов. Радиоэлектроника, 2006. - Т. 49. - № 7. - С. 42 - 56.

11. Манелис В.Б., Сергиенко А.И. Высокоточная, оценка времени прихода радиосигнала./ Известия, вузов. Радиоэлектроника, 2008. - № 2. - С. 64 - 69.