CC BY
42
16 декабря 2011 г. 10:19
T-Comm #9-2010
(Технологии информационного общества)
Технические решения, лежащие в основе эволюционного развития систем мобильной связи
Непрерывное совершенствование систем мобильной связи достигается за счет их адаптации к изменяющимся характеристикам нестационарного канала и за счет обращения прежде очень нежелательных свойств, например, многолучевости, в полезные. Рассматриваются технические решения, позволяющие современным мобильным системам предоставлять услуги по нестационарным многолучевым каналам связи с ассортиментом и качеством, эквивалентным услугам фиксированных сетей.
Трофимов Ю.К., Ведущий научный сотрудник ФГУП НИИР.
(го/гтоу'а пиг ги
Основная задача эволюционного развития мобильных систем состоит в предоставлении услуг с ассортиментом и качеством, эквивалентным услугам фиксированных сетей. За последнее десятилетие самый распространенный в мире стандарт GSM эволюционировал от передачи речевых сигналов и небольших текстовых сообщений со скоростью 9.6 кбит/с в режиме коммутации каналов до богатого набора мультимедийных сообщений в реальном и нереальном времени со скоростями в несколько десятков Мбит/с в режиме коммутации пакетов.
В настоящее время Международный Сок» Электросвязи (МСЭ) рассматривает поступившие предложения по технологиям радиоинтерфейсов для очередного поколения IMT-Advanced, следующего за поколением 3G (в связи с многочисленными рекламными манипуляциями МСЭ принял решение не использовать для очередного поколения мобильных систем IMT-Advanced термин 40). Предполагается, что эти радиоинтерфсйсы будут поддерживать скорости передачи данных приблизительно до 100 Мбит/с для высокомобильных пользователей н до I Гбит/с для низкомобильных, таких как кочевые (nomadic), и находящихся в сети локального беспроводного доступа.
С цслыо наглядного сопоставления возможностей систем GSM с IMT-Advanced сравним их по эффективности предоставления услуг телефонной связи. Пропускная способность IMT-Advanced в величинах одновременно активных телефонных соединений в полосе частот 1 МГц составляет, согласно минимальным требованиям МСЭ, не менее 50 (определена для VoIP в условиях использования речевого кодека 12.2 кбит/с с коэффициентом активности 50% и с вероятностью нс-прсдоставлення связи менее 2%). в то время как в системе GSM с коэффициентом повторного использования частот К - 7 такая пропускная способность равна 5 ([7 слотов х 5 несущих] / [К”7]). Более того, результаты предварительной оценки технологии, представленной на рассмотрение МСЭ в качестве кандидатной для IMT-Advanced. продемонстрировали возможность достижения одновременно активных телефонных соединений в полосе частот I МГц в пределах от 70 до 140.
Впечатляющие результаты эволюционного развития мобильных систем достигнуты за счет множества различных технических решений, повышающих эффективность использования ограниченного частотного ресурса. К таковым, прежде всего, следует отнести:
• кодирование источника информации;
• адаптивные методы многоосновной модуляции и помехоустойчивого кодирования, гибридный метод автоматического повторения / запроса;
• снижение коэффициента повторного использования частот;
• эффективные системы многостанционного доступа;
• адаптивное управление радноресурсами (полоса частот, время занятия капала, излучаемая мощность) с учетом непрерывной оценки канала связи и параметров требуемой услуги каждого активного пользователя;
• усовершенствованные антенные технологии -пространственное мультиплексирование (MIMO) и адаптивное формирование диаграммы направленности антенны (Beamforming);
• использование когнитивного радио.
Ниже приводятся краткие характеристики перечисленных решений.
Кодирование источника информации (речь, аудио. видео) позволяет существенно повысить пропускную способность системы связи наряду с обеспечением большей помехоустойчивости передаваемого сигнала. Примером может служить адаптивный многоскоростной вокодер AMR, стандартизованный в 1998 году и широко используемый в сетях GSM и LMTS. Этот вокодер используется совместно с адаптивным методом модуляции и помехоустойчивого кодирования для выбора одной из восьми битовых скоростей (12.2; 10.2; 7.95; ... 4,75 кбит/с) в зависимости от состояния канала связи. При ухудшении характеристик канала скорость вокодера снижается и за счет этого увеличивается количество бит помехоустойчивого кода, улучшая таким образом качественные показатели и устойчивость сети при некотором допустимом снижении разборчивости речи.
Использование вокодера AMR вместо стандартного цифрового ИКМ кодера G.711 (ISDN), работающего со скоростью 64 кбит/с, обеспечивает повышение пропу-
скиой способности канала свяли в 5-13 раз. При этом цифровая оценка качества восприятия речи по пятибалльной шкале МОЯ в идеальном канале связи снижается от 4,3 для 0.711 до 4,14 для АМН, т.е. менее, чем на 4%.
Лдантивнмс методы мпогоосиовной модуляции и помехоустойчивого кодирования используются в системах беспроводной связи для согласования модуляции, кодирования и других параметров сигналов и протоколов с характеристиками линии радиосвязи (потери на распространение, внутрисистемные и внешние помехи, чувствительность приемника, доступный запас мощности передатчика и др.). Характеристики линии радиосвязи измеряются приемником и передаются на передатчик. Наиболее просто эта задача решается в системах с временным дуплексным разделением сигналов.
Примером может служить адаптивная модуляция и кодирование в системе высокоскоростного пакетного доступа на линии «вниз» НБЭРА (Стандарт ЗОРР. Яе1.5).
Тип модуляции изменяется от ОРЯК для «плохого» канала до 160АМ - для «хорошего». В первом случае канал оказывается более устойчивым, допускает больший уровень помех, но имеет пониженную пропускную способность. Во втором случае битовая скорость передачи возрастает вдвое, но канал в большей степени подвержен воздействию шума и помех и, при необходимости, требует более мощного помехоустойчивого кодирования, которое, в свою очередь, снижает скорость передачи информации.
Помехоустойчивый код с прямым исправлением ошибок имеет кодовую скорость 1/3, но она может эффективно варьироваться путем выкалывания бит и использования гибридной схемы автоматического запроса на повторение НА КО с возрастающей избыточностью. В хороших условиях распространения выкалывается большое количество бит и информационная битовая скорость увеличивается. В плохих условиях передаются все избыточные биты с соответственным снижением информационной скорости. В очень плохих условиях включается схема НАКО для повторной передачи искаженных блоков, которая обеспечивает их корректный прием, но с дальнейшим снижением информационной скорости.
В условиях такого рода адаптации система НЯОРА позволяет достичь очень высоких скоростей передачи до 14 Мбит/с в чистых каналах с использованием 160АМ и кодовой скорости, близкой к 1/1. На зашумленных каналах эта система адаптируется для обеспечения надежной связи посредством использования ОРЯК и кодовой скорости 1/3, обеспечивая скорость передачи информации около 2.4 Мбит/с. 11ри этом адаптация выполняется каждые 2 мс. т.е. параметры модуляции и кодирования изменяются 500 раз в секунду.
Снижение коэффициента повторного использования частот непосредственно влияет на эффективность использования спектра: при прочих равных условиях значение этого коэффициента К прямо пропорционально величине требуемой полосы частот. При величине К=1 достигается минимальная величина используемого спектрального ресурса. Именно благо-
даря К“ I принцип кодового разделения сигналов CDMA был положен в основу всех мобильных систем третьего поколения. И это несмотря на то. что до появления сотовых мобильных систем кодовое разделение сигналов считалось наименее эффективным с точки зрения пропускной способности сетей радиосвязи среди всех известных методов.
Эффективная система многостапциоиного доступа имеет решающее значение при построении мобильной системы связи. Помимо обеспечения высокой пропускной способности она должна облачать устойчивостью к мешающему воздействию помех и искажений и, главное, уметь адаптироваться к множеству различных факторов, включая нестационарные характеристики радиоканалов, различные скорости передачи информации. различные классы трафика со своими требованиями к качеству связи и обслуживания и т.п.
Аналоговые системы многостанционного доступа первого поколения с частотным разделением каналов были заменены в 90-х годах прошлого столетия на цифровые системы второго поколения с временным разделением (TDMA и GSM) и годом позже - с кодовым разделением (CDMA). На исходе столетия стали очевидны преимущества систем с кодовым разделением каналов - единичный коэффициент повторного использования частот, эффективная работа в условиях многолучевости посредством разделения принимаемых лучей с последующим их когерентным сложением, гибкое перераспределение нагрузки в соседних ячейках, что определило использование этого принципа во всех системах третьего поколения.
При создании систем очередного поколения 1МТ-Advanced на первый план вышла задача обеспечения высокой адаптации системы к характеристикам пользовательского мультимедийного трафика, изменяющегося от единиц килогерц до десятков мегагерц в сети с коммутацией пакетов, при обеспечении устойчивой работы по широкополосным каналам связи. Такую задачу удалось решить на основе использования системы доступа с мультиплексированием ортогонально разделяемых частот (OFDMA). Преимущества этой системы перед системой CD.MA можно понять из табл. 1.
Адаптивное управление радиоресурсами (полоса частот, время занятия канала, излучаемая мощность) обусловлено необходимостью пропуска пользовательского трафика, изменяющегося в широком диапазоне битовых скоростей и требований к качеству обслуживания (QoS), при экономном использовании имеющихся ресурсов. Система IMT-Advanccd должна поддерживать четыре класса трафика - разговорный, интерактивный, потоковый и фоновый - каждый из которых характеризуется различными классами обслуживания. Основными параметрами класса обслуживания являются пропускная способность В и задержка Г. Например, разговорный класс относится к услугам реального времени. В зависимости от класса обслуживания его параметры могут изменяться от В~20 кбит/с, Т-50 мс для голосовой телефонии (включая VoIP) до В~5 Мбит/с. Т-20 мс для видеоконференции. С другой стороны, для потокового и фонового классов требуется высокая пропускная способность в пределах В~2-50
Мбит/с, причем для услуги потокового класса непосредственно с места события (услуга реального времени) задержка не должна превышать Т~100 мс, после предварительной записи события - Т - 1с. а для услуги фонового класса (Интернет браузинг, э-почта. передача/загрузка файлов) - Т < 2с.
Таблица 1
Сравнение систем CDMA и OFDMA
Возможное ш системы СОМА OFDMA
Полоса передачи Полная системная полоса частот Изменяемая до полной системной полосы частот
Избирательное по частоте планирование передачи Невозможно Ключевое преимущество OFDM. хотя требуется точная обратная связь в реальном времени от приемника к передатчику
Длительность передаваемых символов Очень малая -обратно пропорциональная системной полосе частот Очень большая -определяется разносом поднесущнх независимо от системной полосы частот
Использование эквалайзеров Затруднительно в полосе частот шире 5 МГц Удобно в любой полосе частот вследствие представления сигнала в частотной области
Борьба с многолучевостью Затруднительна в полосе частот шире 5 МГц Полностью исключаются искажения, вызванные многолучевостью с задержками до длительности циклического префикса (СР)
Годность для М1МО Требует значительных вычислительных затрат вследствие представления сигнала во временной области Идеально подходит для MIMO вследствие представления сигнала в частотной области и возможности его распределения по узким полосам частот в соответствии с изменениями характеристик канала в реальном времени
Чуствительность к внутрисистемным н внешним помехам в частотной области Производится усреднение помех по всему каналу за счет процедуры «размазывания» спектра Уязвима к внутрисистемным и внешним помехам
Разделение пользователей Путем скрсмбли-ровання и использования ортогональных расширяющих кодов По частоте и во времени, хотя могут быть также добавлены расширяющие коды и скремблиро-ваиис
В системе OFDMA управление радиоресурсами на линии «вниз» производится путем присвоения каждому пользователю необходимого количества так называемых радиорссурсных блоков и их размещения по частотной и временной осям. Ресурсный блок представляет собой минимально передаваемую величину, занимающую на частотно-временной плоскости, например, для LTE, площадь 180 кГц х 0,5 мс. Частотная полоска в 180 кГц состоит из 12-ти поднесуших, разнесенных друг от друга на 15 кГц. При системной полосе частот шириной 20 Мгц на частотной оси размещается 100 ресурсных блоков,
В стандартной OFDM, Рис.1, узкополосные каналы отдельных пользователей будут подвержены селективным замиранням и помехам. По этой причине в LTE и IMT-Advanced используется система OFDMA, которая представляет собой систему OFDM в сочетании с элементами TDMA. В системе OFDMA группа поднссу-щнх, назначенная в данный момент одному пользователю в зависимости от требуемой услуги, распределяется по осям частот и времени передачи динамически среди других пользователей, как показано в правой части рис.1, в зависимости от состояния канала связи с этим пользователем. В результате система характеризуется большей устойчивостью и увеличенной пропускной способностью.
І Іоднссущис (частота)
І Іоднссущис (частота)
OFDM OFDMA
I - пользователь I; 2 - пользователь 2; 3 - пользователь 3
Рис.1. Распределение радиоресурсов в системах OFDM и OFDMA
Усовершенствованные антенные технологии — пространственное мультиплексирование (МІМО) и адаптивное формирование диаграммы направленности антенны (Beamforming) - это технологии последнего времени, позволившие существенно увеличить пропускную способность и устойчивость систем мобильной связи последнего поколения.
84
Технология М1МО - «Много Входов-Много Выходов» (по отношению к каналу связи) - это технология организации канала связи с несколькими антеннами на передатчике и приемнике, позволившая получить выгоду от многолучевого распространения сигнала, которое для традиционных одноантенных систем являлось существенным недостатком. Используя сложную цифровую обработку сигнала эта технология позволяет многократно (в зависимости от числа используемых антенн) повысить пропускную способность канала, его помехоустойчивость и дальность связи.
В системах ЬТЕ, 1МТ-А(|уапсес1 и \ViMAX используются схемы расположения антенн «базовая станция х мобильная станция» вида 2x2, 4x2 и 4x4. Если на базовой станции можно свободно разместить достаточно большое количество антенн, то для мобильных трубок, размеры которых должны допускать пространственный разнос между антеннами по крайней мере на половину длины волны, это является серьезной проблемой.
Эффективность технологии М1МО можно продемонстрировать на примере системы ЬТЕ-Искаве 8. Для этой системы установлено 5 категорий пользовательского оборудования, и только оборудование категории I использует одноантенную технику, обеспечивая в полосе частот 20 МГц на линии «вниз» пиковую скорость 10 Мбит/с. Оборудование категорий 2.3 и 4 в такой же полосе работает с антеннами вида «2x2», обеспечивая пиковые скорости 50, 100 и 150 Мбит/с соответственно. И, наконец, оборудование категории 5 работает только с антеннами вида «4x4», обеспечивая в тех же условиях пиковую скорость 300 Мбит/с.
Адаптивное формирование диаграммы направленности антенны (Веат1Ьпшвд) позволяет увеличить площадь покрытия, повысить качество сигнала и увеличить эффективность подавления помех. Все это приводит к увеличению пропускной способности системы. Принцип работы такой системы состоит в когерентном объединении передаваемых/принимаемых антенной лучей для формирования М излучающих элементов к/от каждого приемопередатчика. Наибольшее преимущество от системы ВсатЬгт^ получают в условиях макро покрытия, когда антенна базовой станции находится на уровне крыш в условиях больших помех от соседних ячеек, особенно при единичном коэффициенте повторного использования частот.
Использование копии ивиого радио позволяет системе получать сведения о ее окружающей обстановке. устанавливать свое положение и формировать линию поведения; для достижения заранее установленных целей автономно динамически подстраивать свои рабочие параметры и протоколы в соответствии с полученными сведениями; обучаться по полученным результатам для дальнейшего улучшения своих качественных показателей.
Применительно к будущим системам мобильной связи просматриваются два сценария использования когнитивного радио. В сценарии «гетерогенного доступа» пользовательский терминал может работать с множеством различных систем 1МТ.
Например, путем закачки в реальном времени соответствующего 110, и каждый раз выбирать наиболее подходящую в данной обстановке; такой сценарий позволяет обеспечить эффективное динамическое распределение радиоресурсов в гетерогенных сетях беспроводной связи.
В другом сценарии «доступа к альтернативному спектру» базовая станция и/или пользовательский терминал ведут поиск незагруженных участков спектра и после выбора одного из них подстраиваются под его характеристики.
В настоящее время в рамках Международного Союза Электросвязи ведутся интенсивные исследования по использованию систем когнитивного радио, которые должны привести, согласно пункту 1.19 повестки дня ВКР-12. к разработке регламентных мер и их значения для внедрения этих систем на основе результатов таких исследований в соответствии с Резолюцией 956 (ВКР-07).
В заключение следует отметить одну важную особенность построения мобильных сетей, связанную с широким развертыванием «домашних» ячеек - «хот спотов», фемто ячеек, ячеек по технологии ОАК/иМА. Короткое расстояние для связи в малых ячейках означает. что пользователь может производить операции с малой мощностью передатчика, обеспечивая долгий жизненный цикл аккумуляторной батареи, и с оборудованием карманного размера.
Короткое расстояние снижает ущерб от возросших потерь при распространении на высоких частотах и от требований к увеличению мощности для более широких полос частот. И, главное, короткое расстояние обеспечивает возможность интенсивного повторного использования частот.
Проведенные МСЭ исследования (Отчет МСЭ-К М.2078) показали, что 80% сеансов связи происходит в то время, когда люди находятся в помещении. Применительно к системе 1МТ-А<.Ь а|ке<1 радиус макро ячейки не превышает 500 м. а домашней ячейки - 15 м, так что кратность повторного использования частот в домашних ячейках на территории макроячейки может достигать 1000 раз! С точки зрения достигнутого эффекта повторное использование частоты эквивалентно получению новых частот, и поэтому малый размер ячеек обеспечивает чрезвычайно высокую эффективность использования спектра.
Массовое использование домашних ячеек позволяет резко снизить требования к спектральному ресурсу для будущих мобильных систем, ограничившись приведенными в Отчете МСЭ-И М.2078 величинами 1280-1720 МГц и ведет к прямой конвергенции мобильной и фиксированной связи с переносом основной тяжести решения «мобильной» проблемы острого дефицита спектра на «фиксированную» проблему организации «последней мили».
Бурное развитие мобильной связи таким образом «подтягивает» развитие фиксированной связи от существующих 35% до необходимых 100%.
