CC BY
67
УДК 621.397.21.05
Управление уровнем мощности в системах подвижной связи
В.М. Артюшенко, К.А. Енютин
Рассмотрены вопросы, связанные с алгоритмами управления уровнем мощности мобильных станций в системах подвижной связи.
The considered questions connected with algorithm of management level to powers mobile station in system rolling relationship.
В последнее время бурными темпами развиваются системы подвижной связи, основанные на множественном доступе с кодовым разделением каналов CDMA (Code Division Multiple Access) [1]. В восточных и европейских странах отказываются от использования сотовых сетей на основе GSM и переходят к развертыванию сотовых сетей с кодовым разделением каналов, где код присваивается согласно порядку запроса. Случайный характер и независимость кодов различных передатчиков обеспечивают доступ одновременно множеству пользователей к каналам для передачи информации.
Сотовые сети с кодовым разделением каналов обладают следующими преимуществами: рост
пропускной способности, увеличение степени защиты информации, что приводит к снижению вероятности перехвата соединения и повышению помехозащитных свойств; уменьшение вероятности отказов соединений.
В системах подвижной связи (СПС) с технологией CDMA применяется управление мощностью сигнала мобильной станцией (МС), что позволяет не только повысить качество обслуживания, но и оптимизировать пропускную способность СПС, а также продлить срок службы аккумуляторной батареи МС.
Схема управления уровнем мощности может быть централизованной или распределенной [2-4]. При централизованном управлении на БС имеется информация о местоположении каждого активного пользователя и СПС осуществляет контроль уровня мощности для каждого пользователя. В другом случае, при распределенном управлении для управления мощностью излучения используется только локальная информация.
Современные алгоритмы управления мощностью дают возможность изменять излучаемую мощность станции, исходя из анализа отношения сигнал/помеха (ОСП).
В качестве примера рассмотрим замкнутую схему управления мощностью, основанную на минимизации ошибки оценки ОСП. В результате работы подобной схемы регулирования достигается оптимальное соотношение между качеством обслуживания и потреблением энергии мобильной станцией. Для оценки и прогноза качества канала в схеме управления мощностью можно использовать фильтр Калмана, который позволяет точно и быстро изменять уровень сигнала абонентской мобильной станции в зависимости от ее местоположения и условий распространения радиоволн.
Рассмотрим управление уровнем мощности излучения МС для линии вверх (от абонента к базовой станции (БС)) при условии, что система обслуживает N пользователей.
В СПС с CDMA для /-го активного пользователя, находящегося в зоне обслуживания п-й БС, ОСП находится из выражения
LK S
J _ _____К°п/ п/_______ (1)
"1 Е к. „Д j +
s
ф
] *L
где 5^ - мощность сигнала мобильной станции /го пользователя, Ккс - усиление канала связи от
/-го абонента до п-й базовой станции ; Сф2 - дисперсия фонового шума, обычно принимаемая равной 0,05 мВт [2]; Ь - коэффициент расширения спектра сигнала (равен 21 дБ [2]).
Коэффициент усиления канала связи от /-го абонента до п-й базовой станции вычисляется по формуле
K кс = d-s z
niini
где
dnt = dn (Хі’Уі ) = V *i2 + Уі
расстояние от
точки с координатами х, и у, в которой находится /-я МС, и БС, расположенной в начале координат
(рис. 1); С2 - среднеквадратическое отклонение затухания сигнала в области затенения.
носительно Б С
В выражении (1) знаменатель описывает уровень принимаемых помех. Выполним замену переменных
О
ф •
Тогда ОСП примет следующий вид:
п К SП
Л = кс пі пг
Пі _ I '
(2)
Сделав допущение, что МС соединена только с одной БС (п = 1), вместо Фп можно принять ф.
Примем за 5г- флуктуацию канала (качество канала),
К
8,
мощности излучения:
^^пи =и іНСіН ;
ї«(, .,,= +и„ (<Г -«„), Н = 1,2,..., Н ,(3) где и - мощности сигнала МС на мо-
піН иіН+1
мент времени йи Н +1 соответственно; сіН - ошибка между фактическим фН и требуемым Фгтр
ОСП; - коэффициент усиления, найденный в
результате оптимизации излучаемой мощности.
Максимальный выигрыш, получаемый в результате использования алгоритма управления мощностью (3), заключается в минимизации в каждый момент времени Н соотношения
1
8.,
1 -
Л,”
Рі8 и
л,”
р2(8 ій+1) + р2 СіН
если сл ф 0; если сл = 0
где ди = -
ЬК.
I
8 і(й+1) , ККС пій , Ккспі(Н+1)
(4)
ІН, 1(Н+1) >0,
V V; р{>0 и р2>0 - весовые коэффициенты.
Оптимальные значения ОСП и мощность сигнала мобильной станции связаны между собой следующей мерой соотношений:
/ с2 Ч
1 _ Р'8 2
I
где I - переменная величина, описывающая уровень принимаемых помех, т.е. разницу между полной принятой мощностью и мощностью эталонного сигнала может быть вычислена в любой момент времени.
Излучаемая мощность сигнала пропорциональна ошибке между фактическим ф * и требуемым ОСП (С*).
Исходя из последнего допущения, предлагается следующий алгоритм управления уровнем
“'і(Н+1)
О ОПТ
(Н+1)
і(й+1)
Р 2\'уі(Н+1) І
Р18і
( Н +1 )
Р2 (8г(й+1) ^ + Р2
Схема работы алгоритма регулирования уровня мощности представлена на рис. 2.
Суть этого алгоритма заключается в непосредственном управлении ошибкой между фактическим (Фй) и требуемым (Фгшр) ОСП. Величина изменения мощности излучения пропорциональна ошибке ОСП. Наибольшее улучшение достигается при выборе малой мощности излучения МС, когда в текущий момент времени ОСП находится на низком уровне.
+ Р 2
-Л,”
тр
(5)
(6)
+
и Г =
с
2
Минимум ошибки ОСП достигается, когда Скт = 0 (5), при р2 = 0. Тогда, оптимальная мощность сигнала мобильной станции /-го пользователя будет равна
^ опт __ 1 ^ тр
8
ih+1
Весовые коэффициенты р1 и р2 обеспечивают оптимальное соотношение между обеспечением качества работы системы и мощностью, потребляемой мобильной станцией. С увеличением
Л ^опт ~
р2 возрастает с. , что приводит к менее устоичи-
вой работе системы управления мощностью излучения, однако при этом сокращается потребление энергии мобильной станцией.
Рассмотрим работу системы управления уровнем мощности излучения МС на примере сети CDMA с семиугольными ячейками и тремя пользователями в ячейке. Эстафетная передача и активность речи (наличие сигнала в момент разговора и отсутствие его в паузах) не учитываются. Будем для определенности считать рабочую частоту, равной 1,9 ГГц, ширину полосы пропускания для каждого канала, равной 1,23 МГц (эти данные соответствуют стандарту CDMA 2000). Скорость передачи 9600 б/c, коэффициент расширения спектра сигнала L = 128 (21 дБ). Требуемое ОСП, при котором вероятность ошибки на бит меньше 10-3 -фшр = 7дБ; максимальная мощность излучения
oma^ ^ л omin г т>
оп = 2 Ьт, минимальная Sn = 6,3 мВт; дисперсия фонового шума S ф= 0,05 мВт. Шаг в регулировке мощности назовем итерацией, и пусть время между итерациями равно 0,625 с. Будем считать также, что пользователь в течение всего эксперимента находится на одном месте на расстоянии 1,4 км от БС.
В течение всего времени наблюдения на качество канала связи 8i влияют внешние шумы, что приводит к случайному изменению 8i , т.е. к флуктуации канала (рис. 3).
Флуктуация канала приводит к резкому изменению уровня мощности. В рассмотренном случае 8г- со средним 14,43 дБ и СКО равным 0,258 дБ приводит к изменению мощности со следующими параметрами: среднее 0,181 Вти СКО - 0,12 Вт.
Изменение весовых коэффициентов pi и р2 позволяет найти оптимальное соотношение между обеспечением качества системы и мощностью потребления мобильной станцией. Так, при р1 = 0 и р2 = 0 обеспечивается наилучшее качество связи,
Рис. 3. Зависимость флуктуация канала от шага итераций
поскольку уровень мощности излучения находится на оптимальном уровне. Увеличивая весовой коэффициент до значения р2 = 100, находим, что уровень излучаемой мощности уменьшается (рис. 4), что приводит как к снижению потребления мощности мобильной станцией, так и к уменьшению качества связи.
Из произведенного эксперимента можно сделать следующие выводы об оптимальном распределенном управлении мощностью СПС на основе анализа ОСП.
Итерации
Рис. 4. Зависимость управления мощностью сигнала на основе анализа ОСП
• Оптимальное распределенное управление уровнем мощности излучения СПС на основе ОСП позволяет регулировать мощность сигнала мобильной станции в зависимости от уровня внешних помех. Это приводит к уменьшению уровня помех, вносимых мобильными станциями. Если пользователь находится на фиксированном расстоянии от БС (в эксперименте рассмотрен случай, когда пользователь находится на расстоянии 1,4 км
Вт
от БС), то мобильная станция обеспечивает оптимальный уровень сигнала для обеспечения требуемого качества связи. Основной недостаток подобного управления заключается в сильном влиянии внешних помех на качество канала. Так, в рассмотренном случае изменение 81 составляет 6 дБ и СКО - 0,12 дБ, что приводит к постоянному изменению мощности сигнала в пределах 0,5 Вт (СКО составляет 0,12 Вт). Такой диапазон изменения мощности излучения сигнала в большинстве случаев неприемлем. Для устранения этого недостатка необходимо модифицировать схему 4 регулирования уровня мощности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Варакин Л.Е., Шинаков Ю.С. CDMA: прошлое, настоящее, будущее. - М.: MAC, 2003.
2. Шелухин О.И., Артюшенко В.М. Проектирование сетей подвижной радиосвязи с CDMA. - М.: Радиотехника, 2008.
3. Song W. J., Kim W. H. Evolutionary computation and power control for radio resource management in CDMA cellular radio networks//Systems Control and Management Labs. - Republic of Korea, Department of Mechatronics, KwangJu Institute of Science and Technology, 2002.
Qian L., Gajic Z. Variance Minimization Stochastic Power Control in CDMA Systems, 2002.
Поступила 15. 02. 2008 г.
