CC BY
108
Обеспечение мобильного приема на физическом уровне
Ключевые слова: мобильность приема; скорость перемещения; эффект Доплера; модель канала; физический уровень системы; системный критерий мобильности; OFDM-модем.
Рассмотрены технические аспекты ограничения мобильности из-за чувствительности технологии связи к скорости движения терминала пользователя или/и среды распространения радиоволн. Анализируются новейшие системы подвижной связи и радиодоступа (LTE и Mobile WiMAX), а также системы цифрового телерадиовещания (DVB-T/H, T-DAB и DRM+). Обсуждаются технические решения, направленные на обеспечение на физическом уровне квазибезошибочного режима работы системы в условиях частотноселективных замираний в канале передачи. Произведение доплеровского сдвига на величину символьного интервала предлагается рассматривать как системный критерий мобильности (СКМ), если величина доплеровского сдвига соответствует квазибезошибочному режиму работы системы передачи.
Рихтер С.Г.,
профессор МТУСИ, [email protected]
Мобильность абонента технически обеспечивается :
Технологические возможности мобильности абонента определяются способностью систем связи и вещания обеспечивать нормативное качество услуг в многолучевых каналах с доплеровским сдвигом частоты. В качестве критерия деградации качества услуги используется относительное число ошибок на бит сообщения Рош, соответствующее квазибезошибочному режиму работы QEF (Quasi Error Free) - Рош |QEF, при котором в системе обеспечивается достаточный запас помехоустойчивости в течение всего сеанса связи.
Нестационарный механизм в канале с быстрыми (многолучевыми) замираниями, в частности, характеризуется максимальным доплеровским сдвигом частоты fdmax = V x fQ /с — при скорости относительного перемещения передатчика и приемника V, рабочей частоте f0, скорости света с. Изменение угла а между вектором движения и направлением прихода луча приводит к изменению величины и знака доплеровского сдвига fd = fdmax x cos (а). "Размазанный" за счет эффекта Доплера спектр сигнала характеризует селективные во времени замирания, которые при большом сдвиге частоты могут привести к возникновению неустранимых ошибок принимаемых данных [1, 2 и др.], от которых невозможно избавиться увеличением мощности.
Кривые помехоустойчивости 1-5 в IV квадранте на рис. 1 — зависимость Рош от отношения сигнал/шум (ОСШ) C/N — иллюстрируют серьезность проблемы доплеровского сдвига спектра при мобильном приеме. Кривые построены приближенно для конкретного сочетания параметров в системе DVB-H (режим 4k, модуляция QPSK, скорость кода Rc= 1/2, fo=500 МГц, Pcm|QEF ~ 2 x10-4), полученных при использовании релеевской модели TU6, типичной для мобильного приема в условиях города с многоэтажной застройкой. На этом же рисунке в I квадранте построена зависимость ОСШ от частоты Доплера, иллюстрирующая факт того, что для сохранения требуемого качества связи при повышении скорости V необходимо пропорционально увеличивать ОСШ, чтобы скомпенсировать рост битовых ошибок в канале передачи [3,4].
Можно проследить взаимосвязь величины fdmax со значением "дна" (горизонтальной части) кривых помехоустойчивости, т.е. с уровнем неустранимой вероятности ошибок Рнво. Эта взаимосвязь (кривых 5 и 6) определяется физикой процессов, характеризуемых лавинообразным ростом ошибок в передаваемом цифровом потоке в результате случайной ЧМ при стремлении частоты Доплера к значению fdmax (рис. 1). В результате по мере приближения частоты Доплера к асимптотическому значению, вероятность ошибки в канале стремится к пределу Рнво, числовое значение которого определяется соответствующим уровнем помехоустойчивости системы передачи.
Обозначения: 1...5 — кривые помехоус-тойчивости Рош(С/Ы), 6 — зависимость (C/N)fd. Значения C/N, при которьх выполняется условие Рош = Рош | QEF= 2 x 10-4: 1 — для канала с белым гауссовским шумом; 2.4 — для релеевского канала (2 — при стационарном приеме (V = 0 км/час; fd = 0 Гц); 3 — (C/N)^ при fd ~ fdmax/2;
4 — [(С/^ном+3 дБ] соответствует искомой доплеровской частоте fd*).
Для нормальной работы цифровой системы связи необходимо, чтобы параметры канала оставались практически неизменными на протяжении длительности сигнала Ts, т.е. должно выполняться неравенство Ts << tcorr. Отсюда следует известное условие, при котором влияние доплеровского сдвига незначительно и им можно пренебречь [1,5]:
f, xT << 1. (1)
dmax s 1 ‘
Произведение nmax = fdmaxx Ts часто рассматривают как показатель интенсивности быстрых (релеевских) замираний. Так, согласно [1], изменение величины nmax от 0,01 до 0,1 может классифицироваться как переход от умеренно быстрых до очень быстрых замираний. Сама по себе подобная классификация остается мало информативной, если оценкам показателя интенсивности быстрых замираний не поставить в соответствие уровень конкретных искажений сигнала в системе передачи. Если при мобильном приеме сохраняется нормативное качество услуги, то чем большая величина произведения nmax при этом допустима, тем более устойчива система к доплеровскому сдвигу частоты и, следовательно, тем выше будет максимально- допустимая скорость относительного перемещения передатчика и приемника Vmax. Уточним далее величину этого произведения для ряда систем связи и вещания и рассмотрим возможный способ оценки влияния доплеровского сдвига частоты на качество связи.
В настоящей работе произведение [fd x Ts] предлагается рассматривать как системный критерий мобильности (СКМ), если при до-плеровском сдвиге fd x fdmax реализуется квазибезошибочный режим работы системы мобильной связи или вещания. Чтобы поддер-
живать такой режим при увеличении доплеровского сдвига, необходимо пропорционально увеличивать отношение сигнал/шум (ОСШ) на входе демодулятора системы. Однако квазибезошибоч-ный режим невозможно обеспечить при стремлении частоты Доплера к своему асимптотическому значению fdmax Поэтому, например, в технологии ЦТВ DVB-H [3,4] используется доплеровская частота fd3dB, при которой требуемое ОСШ превышает свое значение при fd ~ fdmax/2 на 3 дБ (см. рис.1). На этом основании для получения оценки Vmax предлагается заменить в произведении Птах максимальное значение частоты fdmax на доплеровскую частоту fd3dB' В противном случае результаты расчетов завышаются на 15.20% в зависимости от таких параметров OFDM-модема, как число под-несущих, кратность модуляции, скорость корректирующего кода и ряда других. Заметим, что оценки произведения ^dB = fd3dB хTs известны лишь из документов EBU и ETSI [3, 4].
В ряде научных изданий [1, 5, 6 и др.] требования к величине произведения nmax конкретизированы безотносительно к виду системы передачи: nmax= 0,005.0,01. Отмечается, что точное значение зависит от типа модуляции сигнала, строения приемника и заданной частоты появления ошибок. Добавим к этому перечню способ передачи данных в модеме: последовательная передача (на одной несущей) или параллельная передача с использованием К>>1 (под)несущих.
Для систем с одной несущей воспользуемся характеристиками системы GSM 900/1800 [8]. В результате можно получить оценки
0,0008 <nmax <0,002, (2)
где верхняя граница соответствует использованию усовершенствованного алгоритма выравнивания каналов при работе в условиях "холмистая местность" и "сельские районы" [8], т.е. в случае относительно низкой интенсивности многолучевости.
В качестве примера параллельной передачи данных рассмотрим ряд систем с OFDM-модемом. Использование результатов моделирования системы DVB-T/H [3,4], а также результатов моделирования и полевых испытаний системы T-DAB [1,6-7], позволили получить достаточно надежные ориентиры для оценки произведения [fd х Ts] в целом для систем с OFDM — модемом. Результаты расчетов СКМ приведены в табл. 1.
В работе [5] отмечается, что при проектировании системы T-DAB принято, что Vmax = 120 км/час и на этом основании для успешной эксплуатации системы в релеевском канале установлены предельные значения несущей частоты для каждого режима (моды). Эти значения указаны в таблице, им однозначно соответствует оценка nmax = 0,052. Из расчетов также можно заключить, что использование режимов I и IV в не рекомендованном диапазоне частот 1,5 ГГц приводит к существенному уменьшению допустимой скорости Vmax (см. сноску в табл. 1).
Таблица 1
Результаты расчетов СКМ для ряда систем
Система Режим fo. ГГц Оценка V„„. км/час lb*T.]
LTE Rel. 8 (20 МГц) 2.0 120/350 0.016/0.046
Mobile WiMAX Rel. 1,5 (20 МГц) 2.3/2.4 120 0,0274
Rel. 2,0 (20 МГц) 2.3/2.4 320...500 0,07...0,11
Mode 1 <0.375 120 0,052
T-DAB Mode IV <0.75 30*
Mode II <1.5 60**
Mode III <3.0
DVB-T/H 2k 174...911
4k 0.75...0,47 87...456 0,034...0,11
8k 43...228
•Для молы I на частоте 1.5 ГГц; •• Для молы IV на частоте 1.5 ГТа
»J.lV
Рис. 1. Иллюстрация взаимосвязи функций Рош(С/Ы) и C/N( У
В настоящей работе для оценки влияния доплеровского сдвига частоты на качество связи предлагается использовать диаграмму СКМ, представляющую собой построенную в логарифмическом масштабе зависимость произведения [fdx Ts] от числа поднесущих K. На рис. 2 такая диаграмма построена для систем, указанных в табл. 1, по приведенным там расчетным данным, а точки А и Б на оси ординат (K=1) соответствуют оценкам (2) системы GSM 900/1800; на оси абсцисс отмечено число поднесущих K, соответствующее большинству режимов анализируемых систем.
Совокупность наиболее надежных данных (по системам DVBT/H, T-DAB и GSM 900/1800) представляет собой фигуру, ограниченную штрих-пунктирными линиями и обозначенную как релеев-ский канал, что отражает специфику работы систем мобильной связи и вещания в условиях городской среды, т.е. UA (Urban Area). Основу, определяющую форму этой фигуры, составляют: прямоугольник, образованный отрезками 1-2 и 3-4 и охватывающий параметры систем DVB-T/H для трех режимов и трех видов модуляции; отрезок 5-6, соответствующий данным четырех режимов системы T-DAB, и точка А, иллюстрирующая параметры системы GSM 900/1800 в базовой реализации.
Анализ диаграммы СКМ, в частности, показывает, что уровень эффективности обработки замираний в системе с OFDM-модемом определяется как числом поднесущих, так и уровнем помехоустойчивости, достигнутым в системе. В свою очередь, помехоустойчивость определяет устойчивость системы к доплеровскому сдвигу частоты. Так, в системе DVB-T n3dB = 0,034 (f0 = 750 МГц), а в более совершенной системе DVB-H при f0 = 470 МГц имеем n3dB = 0,11. Столь значительное увеличение произведения [fd3dB x Ts] достигается благодаря использованию прогрессивных решений на канальном и физическом уровнях.
Аналогичный результат можно получить и на примере системы широкополосного доступа Mobile WiMAX. Так, в модификации Rel. 1,5 при гарантированной скорости V = 120 км/час имеем Птах = 0,027, а при переходе к более совершенной модификации Rel.2.0, когда предполагаются возможными скорости Vмах = 320.500 км/час, расчеты дают оценку Птах= 0,073.0,11. Однако, возможность достижения указанных значений скорости ничем не подтверждена — в отличие от подобных оценок в системах цифрового вещания. На наш взгляд, именно поэтому прямоугольник 1516-17-18 на диаграмме СКМ, характеризующий систему Mobile WiMAX Rel. 2.0, почти полностью выходит за пределы фигуры UA,
Рис. 2. Диаграмма системного критерия мобильности
соответствующей городской среде распространения радиоволн. Это можно трактовать так, что заявленные оценки величины Vmax не соответствуют условиям эксплуатации в городской среде; в этом случае адекватной представляется райсовская модель распространения радиоволн, отличающаяся от релеевской наличием прямого луча между передатчиком и приемником. Аналогичная ситуация имеет место и в системе GSM 900/1800 с усовершенствованным алгоритмом выравнивания каналов — т.Б на рис. 2. С учетом прямоугольника 15-16-17-18 эта точка образует совокупность оценок СКМ, соответствующих работе систем с числом поднесущих K > 1 в райсовском канале. Поэтому на диаграмме эта область обозначена аббревиатурой RA (Rural Area).
Отрезки 6-7 и 8-9 на рис. 2, построенные по результатам полевых испытаний системы T-DAB [7], иллюстрируют влияние условий распространения волн на критическое значение произведения [fd x Ts]. Так, для отрезка 6-7, соответствующего испытаниям в городе и пригороде, имеем Птах< 0,052.0,069, что полностью вписывается в границы области UA на диаграмме СКМ. Напротив, для отрезка 8-9, соответствующего испытаниям в сельской местности, получаем оценку Птах < 0,105, принадлежащую области RA
Как известно [5], устойчивость системы к доплеровскому сдвигу частоты в значительной степени зависит также и от точности оценки канала связи в условиях быстрых замираний. Условиям очень быстрых замираний соответствует область оценок СКМ от приблизительно 0,07 до 0,11. Обработка таких замираний под силу только системам с сегментацией по времени, мощной упреждающей кодо-защитой, глубоким перемежением по времени и частоте и насчитывающей не менее 1000 поднесущих OFDM-модема. Детализируя эти требования, укажем на необходимость согласования глубины перемежения по времени с временем корреляции канала СОП- = 1 / f(dmax, а глубины перемежения по частоте — с полосой когерентности (корреляции) канала f ~ 1/Tm. Выбирая количество поднесущих OFDM-модема, необходимо преодолеть частотную селективность канала, обеспечив широкополосность системы по отношению к полосе когерентности канала. Из числа анализируемых в работе систем указанным требованиям в полной мере отвечает система DVB-H. Поэтому соответствующие этой системе оценки СКМ могут служить ориентиром для других систем с OFDM-модемом.
В пользу справедливости полученных результатов говорит также
тот факт, что для систем DVB-T/H известна оценка fjmaxx Ts < 0,125 при максимальной относительной длине защитного интервала равной 1/4 [5]. Эта оценка определяется исходя из теоремы об отсчетах применительно к максимальной доплеровской частоте при использовании пилот-сигналов для канальных измерений в системах с OFDM-модемом.
Анализируя диаграмму СКМ, отметим, что система T-DAB существенно уступает системе DVB-H. Это следствие применения в T-DAB энергетически менее эффективных дифференциальной модуляции и сверточного кодирования, а также непакетирован-ной передачи. Более совершенные в этом отношении системы LTE и Mobile WiMAX, в принципе, должны обладать характеристиками мобильности, не уступающими модернизированной системе DVB-H. Это подтверждается тем, что системы LTE (отрезок 11-12) и Mobile WiMAX Rel.1.5 (отрезок 13-14) вписываются в пределы фигуры UA. Следовательно, можно предположить, что известные оценки скорости Vmax для этих систем (см. табл. 1) заслуживают доверия. Наиболее устойчивой к допле-ровскому смещению частоты является квадратурная модуляция QPSK (ФМ-4), поскольку эта модуляция обладает потенциальной (предельно возможной) помехоустойчивостью. Платить за высокую помехоустойчивость приходиться снижением пропускной способности системы.
В заключение заметим, что знание величины СКМ и использование диаграммы СКМ на рис. 2 позволяет достаточно просто оценивать предельно-допустимую скорость перемещения абонентского терминала для любой системы подвижной связи и вещания. Так, для новой системы цифрового радиовещания DRM+, с учетом ее помехоустойчивости и параметров OFDM-мсдема в диапазоне ОВЧ [8], не трудно получить оценку Vmax = 120.130 км/час (отрезок 20-21 на рис. 1).
Литература
1. Салр Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2-е изд.: Пер. с англ. — М.: Издат. дом "Вильямс", 2003. — 1104 с.
2. Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра / Пер. с англ. — М.: Радио и связь, 2000. — 520 с.
3. EBU — TECH 3317 (2007— 07). Planning parameters for hand held reception. Concerning the use of DVB-H and T-DMB in Bands III, IV, V and the 1.5 GHz band.
4. ETSI TR 102 377 v1.4.1 (2009-06). Digital Video Broadcasting (DVB); DVB-H Implementation Quidelines.
5. Schulze H., Lueders Ch. Theory and Application of OFDM and CDMA Wideband Wireless Communication. John Wiley & Sons, Ltd, England — 2005, р.408.
6. Hoeg W., LaUerbach Th. Digital Audio Broadcasting: Principles and Application of Digital Radio. John Wiley & Sons Ltd, England, 2003, p.362.
7. DSB Handbook. Terrestrial and satellite digital sound broadcasting to vehicular, portable and fixed receivers in the VHF/UHF bands. ITU, RadioBureau, Geneva, 2002, р.826.
8. Весоловский К. Системы подвижной радиосвязи. — М.: Горячая линия — Телеком, 2006. — 536 c.
9. ETSI ES 201 980 v3.1.1 (2009-08), Digital Radio Mondial (DRM) System Specification.
