CC BY
32
МЕТОД ОЦЕНКИ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ—ШУМ В WCDMA
ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА КАНАЛА СВЯЗИ 1 2 Набиев Р.И. , Мурадзаде Э.И. Email: Nabiev1145@scientifictext.ru
1Набиев Рауф Иззат оглы - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой;
2Мурадзаде Эльвин Ильгар оглы - магистрант, кафедра приборостроительной инженерии, Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности, г. Баку, Азербайджанская Республика
Аннотация: в данной статье рассматривается метод оценки отношения сигнал—шум, повышения качества канала связи в WCDMA технологии и отмечены определения, преимущество и недостатки данной технологии. Дана сравнительная таблица отличия в планировании сетей мобильной связи различных поколений, технические характеристики самого формата сетей, их архитектуры и зоны покрытия и сравниваются GSM и WCDMA технологии. Изложен метод оценки отношения сигнал—шум для повышения качества канала связи, обеспечивающий достаточно высокую точность.
Ключевые слова: WCDMA технология, GSM технология, отношения сигнал—шум, сотовая связь.
METHOD OF ESTIMATION OF SIGNAL-NOISE RELATION IN WCDMA TECHNOLOGIES FOR IMPROVING THE QUALITY OF COMMUNICATION CHANNEL Nabiev R.I.1, Muradzade E.I.2
1Nabiyev RaufIzzat - PhD on Engineering, Associate Professor, Head of Department; 2Muradzade Elvin Ilgar - Undergraduate, INSTRUMENTATION ENGINEERING DEPARTMENT, AZERBAIJAN STATE UNIVERSITY OF OIL AND INDUSTRY, BAKU, REPUBLIC OF AZERBAIJAN
Abstract: in this article, is considered a method for estimating the signal-to-noise ratio of improving the quality of a communication channel in WCDMA technology and is given the definitions, advantages and disadvantages of this technology. Comparative table of the difference in the planning of mobile networks of different generations, the technical characteristics of the format of the networks, their architecture and the coverage area, also GSM and WCDMA technologies are compared. The method for estimating the signal-to-noise ratio is described to improve the quality of the communication channel, ensuring a sufficiently high accuracy. Keywords: WCDMA technology, GSM technology, signal-to-noise ratio, cellular communication.
УДК 004.735
WCDMA - это стандарт сотовой связи третьего поколения (3G). Он внедрялся в качестве надстройка над 2G/GSM сетями. Он позволяет передавать как голос, так и данные. При этом, данные передаются гораздо быстрее, чем в случае с GPRS/EDGE - до 2-3 Мбит/с. Качество голосовой связи при этом особенно не отличается от варианта GSM. Однако, покрытие 3G/WCDMA уступает покрытию GSM, и как правило, отсутствует за городом. Поэтому, если вам важна стабильность голосовой связи и вы бываете за городом - то этот вариант вам выбирать нельзя.
Если же вы постоянно находитесь в городе и вам нужен быстрый интернет, то вариант только WCDMA - будет для вас оптимальным. Он даже лучше варианта GSM/WCDMA, т.к. будет экономиться заряд батареи (не будет работать радиомодуль GSM) и связь не будет «скакать» между стандартами (и глючить) при передвижении по городу [1].
WCDMA (англ. Wideband Code Division Multiple Access — широкополосный множественный доступ с кодовым разделением) — технология радиоинтерфейса, использующая широкополосный множественный доступ с кодовым разделением каналов, использующий две широкие полосы радиочастот по 5 МГц. Термин W-CDMA (3GPP Release 4) также используется для описания самостоятельного стандарта сотовой сети, проектировался как надстройка над GSM и работает в диапазоне 1900—2100 МГц.
WCDMA выбрана большинством операторов сотовой связи для обеспечения широкополосного радиодоступа с целью поддержки услуг 3G.
Технология оптимизирована для предоставления высокоскоростных мультимедийных услуг типа видео, доступа в Интернет и видеоконференций; обеспечивает скорости доступа вплоть до 2 Мбит/с на коротких расстояниях и 384 Кбит/с на больших с полной мобильностью. Такие величины скорости передачи данных требуют широкую полосу частот, поэтому ширина полосы WCDMA составляет 5 МГц.
Технология может быть добавлена к существующим сетям GSM и PDC, что делает стандарт WCDMA наиболее перспективным с точки зрения использования сетевых ресурсов и глобальной совместимости [2].
Рассмотрим отличия в планировании сетей мобильной связи различных поколений (таблица 1) [3].
Таблица 1. Отличия в планировании сетей мобильной связи различных поколений
Наименование LTE GSM WCDMA
Планирование частотного ресурса Распределение фрагментов полосы системы между пользователями базовых станций Распределение частотных каналов между базовыми станциями Не требуется
Наличие регулярной методики планирования Нет Существует Существует для высокоскоростной и низкоскоростной передачи
Коммутация Пакетов (все через IP) Каналов, пакетов Каналов, пакетов
Передача информации OFDM Узкополосный сигнал Широкополосный сигнал
Профиль трафика VoIP, потоковое видео, мобильный интернет, фоновый трафик Речь, мобильный интернет, фоновый трафик Речь, потоковое видео, мобильный интернет, фоновый трафик
Дисциплина обслуживания VoIP - CMO с отказами. Мобильный интернет - СМО с очередями и приоритетами. Потоковое видео -СМО без задержек Речь - CMO с отказами. Мобильный интернет - СМО с очередями и приоритетами. Речь - CMO с отказами. Мобильный интернет -СМО с очередями и приоритетами. Потоковое видео - СМО без задержек
Различные форматы и стандарты связи предоставляют доступ в интернет различного качества. Это зависит не только от аппаратных возможностей телефона, загрузки сети, диапазона и т.д., но и от технических характеристик самого формата сетей, их архитектуры и зоны покрытия [4]. Дословно данная аббревиатура расшифровывается как Wideband Code Division Multiple Access, что переводится как множественный доступ с кодовым разделением, широкополосный. Это относительно старый формат связи - такая технология интерфейса (радиоинтерфейса) применялась еще при работе с сетями третьего поколения 3G. Более инновационный формат сетей четвертого поколения LTE, взаимодействует с таким форматом радиоинтерфейса уже гораздо меньше, тем не менее, данный тип связи все еще имеет определенные перспективы. Данный термин также применяется не только для
обозначения радиоинтерфейса, но и для обозначения самостоятельного типа сотовой сети. Он проектировался как надстройка над традиционным форматом GSM и до сих пор так и остался в формате надстройки.
Как было сказано выше, WCDMA представляет собой интегрированную надстройку для сетей GSM. До того, как появилась технология 4G LTE разница была в том, что, тогда как устройства GSM были «привязаны» к сим-карте, телефоны, работающие на формате WCDMA, к ней привязаны не были.
Для работы используются в нем две широкие радиочастотные полосы с диапазоном по 5 Мегагерц. В этом смысле формат не слишком гибкий и может работать только с этими частотами, в отличие от иных форматов, способных использовать более или менее широкий диапазон частот, благодаря чему качество работы и загруженность сети ниже, а также, проще ее интеграция. Если же речь идет о стандарте сотовой связи, то такая сеть может работать в более широком диапазоне - от 1900 до 2100 Мегагерц.
Данный интерфейс связи имеет целый ряд преимуществ над более старыми стандартами связи. Однако по некоторым показателям он превосходит и наиболее инновационные форматы передачи данных: достаточно высокая стабильность работы за счет того, что формат старый и достаточно простой, он не приносит неожиданностей для абонентов и операторов; большая зона покрытия, которая значительно превышает зону 4G, которая до сих пор есть не везде даже в крупных городах; высокая степень интегрированности с сетями 3G; при использовании работы по такой сети оказывается меньшая (но все равно довольно значительная) нагрузка на аппаратные ресурсы устройства, батарея разряжается медленнее; в отличие от LTE, требует гораздо меньше аппаратных ресурсов, можно работать с такой сетью даже на более или менее старых телефонах; тогда как возможность работы с сетями LTE пока реализована не на всех смартфонах, возможность работы с сетями типа WCDMA присутствует практически на любом устройстве; телефоны, работающие в формате LTE, стоят немного дороже за счет присутствия такого модуля, тогда как когда речь идет о формате WCDMA такой разницы не наблюдается. Кроме того, имеется ряд преимуществ перед более старыми форматами в условиях работы в роуминге.
Несмотря на довольно большое число преимуществ, у данного формата имеется и ряд недостатков по сравнению с более новыми стандартами:
1. Как бы там ни было, формат считается устаревшим;
2. Скорость передачи данных по такой сети гораздо ниже, чем по сетям LTE, при чем, как выгрузки, так и загрузки;
3. Увеличено время ожидания передачи по сравнению с LTE, что в целом снижает скорость работы интернета на устройстве;
4. Более сложная архитектура сети (то есть, схема передачи данных от одного сервера к другому, и, наконец, к пользователю, который эти данные запросил);
5. Чуть менее качественная загрузка страниц в связи с тем, что архитектура сетей сложнее и часть данных может теряться - в результате возникают сбои и ошибки, появляются неподгруженные картинки и т.п., особенно на сайтах со сложным многослойным дизайном;
6. Значительное падение скорости соединения и его качества по мере удаления от вышки сотового оператора - падение скорости более чем в пять раз;
7. Существенный недостаток по сравнению со старым форматом 2G - большая аппаратная нагрузка на устройство. Точный выбор стандарта связи должен осуществляться, исходя из собственных предпочтений пользователя.
При функционировании систем сотовой связи, использующих кодовое разделение каналов, необходимо контролировать мощность абонентского терминала путем оценки отношения сигнал—шум (ОСШ) [5].
Если измеренное ОСШ выше необходимого, то базовая станция посылает команду АТ понизить мощность, в противном случае — повысить. Такие измерения производятся 1500 раз в секунду (1,5 кГц) для каждого АТ, т.е. чаще, чем могут возникать изменения в канале связи. Таким образом, управление мощностью по замкнутому контуру позволяет
28
предотвратить какой-либо ее дисбаланс для всех восходящих каналов, принимаемых БС. Иными словами, целью контроля мощности является достижение минимального уровня ОСШ, достаточного для обеспечения качественного приема сигнала. Для регулировки мощности используются две вложенные петли управления (рис. 1) [5].
Рис. 1. Две вложенные петли управления
Внутренняя (быстрая) петля управления мощностью оценивает ОСШ восходящего канала и сравнивает полученное значение с целевым параметром. На основе результатов сравнения по нисходящему каналу передаются команды управления мощностью для АТ. Целевое значение ОСШ устанавливается внешней (медленной) петлей управления мощностью на основе измерений уровня блоковой ошибки BLER (Block Error Rate), проводимых с частотой 10—100 Гц.
Для повышения скорости передачи в восходящем канале также применяется модуляция более высокого порядка (4PAM), которая требует точной оценки мощности принимаемого сигнала. Неточная оценка ОСШ негативно влияет на работу петли контроля мощности между БС и АТ, что, в свою очередь, снижает возможности увеличения скорости передачи данных в восходящем канале.
В большинстве случаев оценку отношения сигнал—шум удобно проводить на основе специальных последовательностей символов пилот-канала, применяемых для фазовой и частотной подстройки. В зависимости от формата в слоте может передаваться от трех до восьми символов [6]. Поскольку сигнал управления передается в квадратурной составляющей, то последовательность извлеченных символов определяется следующим выражением:
1 SF
(1)
где Sj — демодулированные символы, SF (Spreading Factor) — коэффициент расширения спектра, а c256kn — последовательность, используемая для расширения спектра [7]. Далее вычисляются значения параметров RSCP и ISCP:
RSCPi=^Z(5nPn)2
(2)
(з)
п=1 /
где N — число символов пилот-канала в одном фрейме; рп — детерминированная последовательность пилотных символов, определенная в работе [5]. Тогда ОСШ определяется по формуле:
RSCP,
ОСШ, =
RSCP, - ISCP,
Данный метод также позволяет с высокой точностью определять ОСШ в широком
диапазоне значений. При интервале оценки в 500 мкс погрешность не превышает 1,5 дБ.
Основным достоинством представленных методов оценки ОСШ по сравнению с
аналогичными решениями является высокая точность оценки и экономия ресурсов при
практической реализации.
Список литературы /References
1. Какой режим сети выбрать в телефоне, WCDMA или GSM? В чем разница? [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://wimax.livebusiness.ru/tags/WCDMA_ili_GSM/ (дата обращения: 15.03.2018).
2. W-CDMA. [Электронный ресурс]. Режим доступа:https://ru.wikipedia.org/wiki/W-CDMA/ (дата обращения: 15.03.18).
3. Как работает WCDMA: как работают сети и какую структуру они имеют. [Электронный ресурс]. Режим доступа:http://geek-nose.com/wcdma-chto-eto-takoe, (дата обращения: 17.03.18).
4. Планирование сетей LTE. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://1234g.ru/4g/lte/planirovanie-setej-lte/planirovanie-setej-lte/ (дата обращения: 18.03.18).
5. Крутин Д.В., Кисляков, М.А., Мосин С.Г. Методы оценки качества канала связи. Технология wcdma. // Изв. вузов. Приборостроение, 2012. Т. 55. № 8. С. 12-15.
6. 3GPP TS 25.211. Physical channels and mapping of transport channels onto physical channels (FDD). Technical Specification, 2010. Р. 57.
7. 3GPP TS 25.213. Spreading and modulation (FDD). Technical Specification, 2010. Р. 34.
