Sankt-Peterburg, St. Petersburg, Russian Federation
Orel, Orel, Russian Federation
Orel, Orel, Russian Federation
VAC 05.12.2014 Радиолокация и радионавигация
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 49.37 Системы и аппаратура передачи данных
The purpose of the work consists in the model development of basic station service area in the wireless wideband access network unambiguously connecting information reception quality with spatial-energetic characteristics of radio-signals. The investigation method is a simulation. There is presented a mathematical apparatus allowing the fulfillment of the service area estimation of a basic station at data rate control at the expense of the use of adaptive circuits of modulation and enciphering with the fulfillment of requirements to service quality on the basis of initial data on parameters of the equipment used and conditions of its application. A service area model allows estimating quantitatively a basic station range at different data rates and the fulfillment of service quality requirements for different conditions of wireless access network functioning. With the aid of the model offered it is also possible to define power parameters of wireless access equipment required for the fulfillment of the specified values of service quality on the service area required.
service area, wireless access, data rate, basic station
Введение
В кризисных ситуациях и при проведении специальных мероприятий в интересах органов государственной власти из районов, неподготовленных в отношении связи, требуется развертывание системы связи. Для оперативного предоставления услуг абонентам системы связи при отсутствии кабельной инфраструктуры все большее применение находят технологии беспроводного широкополосного доступа (БШД). Основными преимуществами беспроводных сетей являются быстрота их развертывания, высокая гибкость при внесении изменений в построение сети и возможность масштабирования.
Основным вариантом построения сети БШД является отдельная сота в месте расположения абонентов. С помощью сети БШД осуществляется подключение как отдельных абонентских станций (АС), так и локальных вычислительных сетей, развертываемых на пункте управления.
Для планирования беспроводных сетей выпускается дорогое и сложное программное обеспечение, но для обоснования применения оборудования БШД в условиях кризисных ситуаций очевидна необходимость наличия простого инструмента для оценки зоны обслуживания базовой станции (БС) с выполнением требований по качеству обслуживания на основе исходных данных о параметрах применяемого оборудования и условий его применения. Для решения данной задачи необходима разработка модели функционирования сети БШД, однозначно связывающей качество приема информации с пространственно-энергетическими характеристиками радиосигналов.
Деление зоны обслуживания на субзоны
Для повышения пропускной способности и регулирования скорости передачи в современных технологиях БШД применяют различные механизмы адаптации, основными из которых являются гибридный автоматический запрос повторной передачи и адаптивные схемы модуляции и помехоустойчивого кодирования (AMC – Adaptive Modulation and Coding) [1]. Комбинации различных схем модуляций и скоростей кодирования, формируя дискретный набор скоростей, обеспечивают удобную настройку скоростей передачи данных. При определении подходящего режима работы с определенной скоростью передачи, в зависимости от заданных показателей качества обслуживания, также необходимо количественное определение пространства (зоны) для работы каждого из возможных режимов передачи.
Качество обслуживания абонентов в сетях связи с подвижными объектами определяется вероятностью связи с требуемой достоверностью, или вероятностью уверенного приема сигналов в предоставленном канале [2]. Для оценки вероятности уверенного приема сигналов в зоне обслуживания станции радиодоступа используются два показателя. Первый из них характеризует вероятность уверенного приема сигналов на границе зоны обслуживания (ЗО) круговой формы, т.е. вероятность уверенного приема на предельной дальности зоны обслуживания. Второй показатель характеризует усредненную по ЗО вероятность уверенного приема сигналов.
Для современных систем мобильной связи (IMT-2000) вероятность обеспечения связи с требуемой достоверностью в ЗО базовой станции, т.е. усредненная по зоне обслуживания вероятность уверенного приема , определяемая как доля площади ЗО БС, на которой обеспечивается прием сигналов с требуемой достоверностью, задается в соответствующих руководящих документах для данных технологий. Например, для систем мобильной связи IMT-2000, согласно рекомендации МСЭ М.1225 [3], должен обеспечиваться уровень уверенного приема на 95 % площади ЗО в течение 95 % времени, т.е.
=
= 0,95.
Рассмотрим ЗО, оцениваемую вероятностью электромагнитной доступности, с концентрическим делением на субзоны.
Как известно [2; 4], вероятность уверенного приема сигналов на границе зоны обслуживания определяется выражением
, (1)
а вероятность обеспечения связи с требуемой достоверностью в ЗО круговой формы
=
, (2)
где
,
,
.
Здесь – минимальный требуемый уровень сигнала на приеме для данных показателей качества, равный чувствительности приемника
для i-й скорости передачи информации;
– средняя мощность сигнала на приеме с учетом логнормальных замираний; параметр
– постоянная величина, зависящая от мощности передатчика, коэффициентов усиления антенн, потерь в фидере и т.д.;
– показатель ослабления сигнала;
– среднеквадратическое отклонение (СКО) уровня сигнала;
–расстояние между базовой и мобильной станциями;
– радиус ЗО.
Деление на субзоны осуществим так, чтобы в них обеспечивались одинаковые вероятности уверенного приема на их внешних границах, т.е. найдем множество значений внешних радиусов кольцевых субзон , на которых вероятности уверенного приема одинаковы и равны требуемым значениям:
(3)
при усредненных вероятностях уверенного приема в субзонах .
Определение дальности действия БС
Определение внешних радиусов субзон, в которых можно передавать информацию со скоростями при обеспечении требуемой достоверности, осуществим в следующей последовательности.
1. Определяем исходные данные для моделирования, которые включают в себя параметры оборудования БШД и среды распространения для возможного сценария развертывания сети БШД. Вариант типовых параметров оборудования БШД представлен в табл. 1-3 [5-10].
Развертывание сети БШД может происходить в различных окружающих средах, что требует учета их особенностей. Для каждой окружающей среды используются различные модели расчета средних потерь в тракте и правило потерь при распространении (
), а также стандартное отклонение логнормальных замираний затенения
. Следует отметить, что значения
и
принимаются постоянными на всей площади ЗО.
Таблица 1
Параметры оборудования БШД
|
Параметр |
Значение |
|
Рабочая частота |
2500 МГц |
|
Метод дуплекса |
TDD |
|
Ширина канала |
5/10 Мгц |
|
Диаграмма направленности антенны |
70° (- 3 дБ) |
|
Высота БС/МС |
32/1,5 м |
|
Коэффициент усиления антенны БС/АС |
15/-1 дБи |
|
Максимально излучаемая мощность БС/АС |
43/23 дБм |
|
Собственный шум приемника БС/АС |
4/7 дБ |
|
Плотность мощности теплового шума |
-174 дБм/Гц |
Таблица 2
Параметры OFDM
|
Параметр |
Направление передачи |
|||
|
вниз |
вверх |
вниз |
вверх |
|
|
Полоса пропускания системы |
5 МГц |
10 МГц |
||
|
Размер БПФ |
512 |
1024 |
||
|
Число защитных поднесущих |
92 |
104 |
184 |
184 |
|
Число пилотных поднесущих |
60 |
136 |
120 |
280 |
|
Число информационных поднесущих |
360 |
272 |
720 |
560 |
|
Число подканалов |
15 |
17 |
30 |
35 |
|
Интервал поднесущей |
10,94 кГц |
|||
|
Защитный интервал Tg= Tb/8 |
11,4 мкс |
|||
|
Полезное время OFDM символа Tb |
91,4 мкс |
|||
|
Период OFDM символа Ts |
102,9 мкс |
|||
|
Длительность кадра |
5 мс |
|||
|
Число OFDM-символов в кадре |
48 (44 информационных) |
|||
Таблица 3
Параметры среды распространения
|
Параметр |
Значение |
|
Модель потерь в тракте |
ITU Vehicular; модифицированная Хата COST231 |
|
СКО медленных замираний |
8 дБ |
|
Потери проникновения |
10 дБ |
2. Для заданной вероятности уверенного приема в ЗО определяем вероятность уверенного приема сигналов на границе зоны обслуживания БС
.
Оба слагаемых в формуле (2) зависят от , таким образом, задача сводится к определению данной величины. Аналитически эту задачу решить не удается. Поэтому определяем требуемое значение
для заданного значения
методом перебора на интервале
. В качестве
примем значение, при котором
=
, а
= 0. Найденное значение
в соответствии с выражением (1) будет определять вероятность уверенного приема сигналов на внешних границах субзон ЗО
.
3. Исходя из заданных параметров системы, определяем требуемое значение чувствительности приемника (дБ), которое необходимо при работе на i-й скорости:
,
где дБм/Гц – общая эффективная плотность шума и интерференции, в которой
– собственные шумы приемника;
– плотность теплового шума;
– плотность интерференции приемника, выраженная в мВт/Гц;
– требуемое отношение сигнал/шум+интерференция в дБ;
– информационная скорость, выраженная в дБ.
Для радиоинтерфейса OFDM минимум входного уровня чувствительности для
=10-6 должен быть [5-7]:
,
где – отношения сигнал/шум (SNR) в приемнике (дБ), указанные в табл. 4; R –коэффициент повторения (например, для технологии WiMAX повторение используется только для QPSK модуляции при сверточном и турбокодировании и может быть равно 1, 2, 4, 6);
– число используемых информационных поднесущих;
– частота выборки (дискретизации) в МГц; ImpLoss – потери реализации (implementation loss), которые учитывают неидеальность приемника (ошибки оценки канала, ошибки слежения, ошибки квантования и фазовый шум);
– значение собственного шума приемника к порту антенны.
Таблица 4
Отношения сигнал/шум в приемнике
|
Модуляция |
Скорость кода |
SNR приемника (дБ) |
|
QPSK |
1/2 |
5 |
|
3/4 |
8 |
|
|
16-QAM |
1/2 |
10,5 |
|
3/4 |
14 |
|
|
64-QAM |
1/2 |
16 |
|
2/3 |
18 |
|
|
3/4 |
20 |
4. Для найденной вероятности уверенного приема сигналов на границе зоны обслуживания из выражения (2) определяем требуемый запас на замирания
=
-
, т.е. необходимое при данной скорости передачи информации превышение среднего уровня сигнала
над чувствительностью приемника
=
.
5. В соответствии с параметрами оборудования беспроводного доступа определяем максимально допустимые потери сигнала на трассе распространения для i-й скорости передачи информации [2; 5]:
,
где – максимальная мощность передатчика в канале (дБм);
– потери в кабеле, коннекторе, объединителе передатчика (дБ);
– коэффициент усиления антенны передатчика (дБи);
– коэффициент усиления антенны приемника (дБи);
– потери в кабеле и коннекторе приемника (дБ);
– выигрыш от разнесенного приема (если используется) (дБ);
– потери сигнала из-за проникновения в здания;
– другие возможные выигрыши и потери (дБ), которые уточняются для каждой конкретной радиотехнологии (согласно [3], данные выигрыши для OFDMA могут составлять от 10,5 до 16,7 дБ для нисходящей и 12,5-16,7 дБ для восходящей передачи и зависят от сценария развертывания).
6. Сравнивая полученное значение максимально допустимых потерь на трассе распространения сигнала со значением потерь в тракте
, рассчитанным по модели потерь в тракте, определяем радиус
субзоны круговой формы, в которой можно передавать информацию со скоростью
с заданной достоверностью. Данный радиус
равен максимальному расстоянию от БС, которое определяет долю от всей площади ЗО круговой формы, в которой возможна передача со скоростью
при выполнении условия (3).
Очевидно, что для повышения средней скорости передачи целесообразно передавать информацию со скоростью не во всей определенной для данной скорости субзоне круговой формы с радиусом
, а только при расстоянии АС-БС
. Соответственно площадь субзоны для скорости
будет ограничиваться внешней границей, равной радиусу субзоны круговой формы
для данной скорости из определенных значений множества внешних радиусов
, и внутренней границей, равной внешнему радиусу, определенному для субзоны круговой формы следующей градации скорости
. Аналогичным образом определяются субзоны для остальных значений скоростей передачи. Для субзоны круговой формы, в которой можно передавать информацию со скоростью
, внешний радиус
из определенных значений множества внешних радиусов
.
Таким образом, субзоны будут ограничиваться не только своим внешним радиусом , но и внутренней окружностью с радиусом
, равным внешнему радиусу субзоны круговой формы, в которой возможна передача со скоростью
, а найденные значения внешних радиусов
будут определять границы переключения скоростей передачи в ЗО в зависимости от расстояния БС-АС при обеспечении заданных показателей качества обслуживания.
Пример расчета
В качестве примера проведен расчет модели ЗО сети радиодоступа на основе типовых параметров оборудования БШД, представленных в табл. 1-3 ( = 0,95, направление передачи – «вниз»,
= 4, выигрыш от разнесения
= 3 дБ, другие выигрыши
= 13,5 дБ, модель потерь в тракте – Vehicular). Полученные результаты представлены на рисунке.
Рис. Результаты расчета ЗО БС
Заключение
Предложенная модель ЗО БС позволяет количественно оценить расстояния от БС до АС, на которых можно передавать информацию на заданных скоростях при выполнении требований по качеству обслуживания для различных условий функционирования сети радиодоступа.
На основе полученных результатов возможно будет оценить скорость передачи данных в планируемой для развертывания однозоновой сети БШД.
С помощью предложенной модели также можно определять энергетические параметры оборудования БШД, требуемые для выполнения заданных показателей качества обслуживания на требуемой площади обслуживания БС сети БШД.
Порядок расчета является доступным, не требующим больших вычислительных ресурсов и легко корректируемым под конкретное оборудование и технологию БШД, что позволяет использовать его должностным лицам органов управления системой связи для планирования развертывания сети БШД в условиях кризисных ситуаций, а также принятия оперативных решений по оборудованию узлов связи.
Таким образом, на основе разработанной модели можно получать данные для планирования различных сценариев применения оборудования БШД с обеспечением требований по качеству обслуживания при развертывании системы связи.
1. Korkin, A.G. Realizaciya gibridnogo avtomaticheskogo zaprosa povtornoy peredachi v sistemah besprovodnogo dostupa / A.G. Korkin, I.P. Kolotuhin // Informacionnye sistemy i tehnologii. - 2018. - № 1. - S. 78-84.
2. Dzheyks, U.K. Svyaz' s podvizhnymi ob'ektami v diapazone SVCh: [per. s angl.] / pod red. U.K. Dzheyksa. - M.: Svyaz', 1979. - 349 s.
3. Recommendation ITU-R M.1225: Guidelines for evaluation of radio transmission technologies for IMT-2000.
4. Vijay, K. Garg. Wireless communications and networking / K. Garg Vijay. - Elsevier Inc., 2007. - 931 r.
5. ITU-R. Document 8F/1079-E. Additional technical details supporting IP-OFDMA as an IMT-2000 terrestrial radio interface. - URL: http://www.wimaxforum.org//news/download/R03-WP8F-C-1079!R1!MSW-E.doc (data obrascheniya: 30.05.2017).
6. ITU-R. Document 8F/1347-E. Clarifications regarding OFDMA TDD WMAN Link budget. - 2007. - URL: http://www.wimaxforum.org//news/downloads/8F_1347.doc (data obrascheniya: 30.05.2017).
7. Std IEEE 802.16e-2005. IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems. - IEEE, 2006.
8. WiMAX System Evoluation Methodology. WiMAX Forum. - 2008. - URL: http://www.wimaxforum.org/news/downloads/WiMAX_System_Evaluation_Methodology_V2_1.pdf (data obrascheniya: 30.05.2017).
9. Recommendation ITU-R M.2012: Detailed specifications of the terrestrial radio interfaces of International Mobile Telecommunications-Advanced (IMT-Advanced).
10. Recommendation ITU-R M.1580: Generic unwanted emission characteristics of base stations using the terrestrial radio interfaces of IMT 2000.
