CC BY
72
23 декабря 2011 r. 11:46
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
О технологических возможностях мобильности абонента в подвижной связи и вещании
Обсуждаются технические аспекты ограничения мобильности иэ-эа чувствительности технологии связи к скорости движения абонентского терминала пользователя. Рассматриваются как новейшие системы подвижной связи и радиодоступа (LTE и Mobile WiMAX), так и системы цифрового телерадиовещания (DVB-H, T-DAB и DRM+). Отмечается, что не всегда декларируемые характеристики услуг реально подтверждаются технические возможностями оборудования.
Рихтер С.Г.,
профессор кафедры РВиЭА
Смирнов Д.С.,
аспирант кафедры РВиЭА
Карпов В.А.,
магистр группы БМ80501
Системы радиосвязи и вещания среди прочего часто идентифицируют по типу поддерживаемого доступа: фиксированный (fixed), сеансовый (nomadic), в режиме перемещения (portable) и мобильный (mobile). Сообразуясь с этим, различают собственно возможность мобильности абонентов, предоставляемую технологией, и п одра давление на мобильную и фиксированную службы связи, что связано с вопросами чостотного распределения и лицензирования (1]. Словосочетание "мобильность абонента" будем понимать как перемещение с некоторой скоростью абонентского терминала (АТ) пользователя услуги подвижной связи, радиодоступа или телерадиовещания. С технической точки зрения, ограничивать мобильность АТ пользователя может чувствительность технологии связи к скорости движения абонента, сложность перехода из одной зоны обслуживания в сопредельную без разрыва связи, восприимчивость к кратковременным пропаданиям связи и тл.
Понятие "мобильность" относят к двум категориям абонентов: номадическим ("кочующим") и подвижным. Номадические абоненты в момент сеансов связи локализованы (неподвижны в зоне одного и того же сегмента базовой станции — например, пользователи ноутбуков в офисе), а подвижные абоненты должны иметь доступ к сети непосредственно в процессе движения (например, в движущемся автомобиле). Если для номадических абонентов важна быстрая регистрация в любой точке сети, то обеспечить подлинную подвижность гораздо сложнее. Прежде всего, необходима реализация хэн-довера, т.е. функции эстофетной передачи в сетях подвижной связи и радиодоступа, и сохранение высокого качества принимаемых программ в одночастотных сетях (ОЧС/SFN) цифрового телерадиовещания.
Остановимся далее на технических аспектах ограничения мобильности из-за чувствительности технологии связи к скорости движения абонентского терминала пользователя. Задача минимизации искажений передачи данных при мобильном приеме была сформулирована в 80-х годах прошлого века в процессе разработки цифровых систем подвижной связи (2G) и систем цифрового телерадиовещания. В 1990-е годы с этой проблемой в полной мере столкнулись разработчики современных систем радиодоступа.
Безотносительно к назначению системы связи или вещания, ос-
новным источником искажений в канале передачи данных с мобильным приемом являются флуктуации величины и формы принимаемого сигнала, обусловленные интерференционной картиной электромагнитного поля в точке приема. Поэтому, чтобы установить механизм влияния скорости движения АТ на качественные характеристики системы связи, следует проанализировать специфические условия распространения радиоволн как источника искажений в радиоканале передачи. Как известно, условия распространения рацио-волн в мобильной радиосвязи могут варьироваться от простейшей ситуации однолучевого распространения между приемником и передатчиком в условиях прямой видимости до многолучевого распространения при затенении и/или многократных отражениях от искусственных сооружений и складок местности в условиях доплеровско-го изменения частоты при движении объекта или препятствий. Многолучевое распространение приводит к межсимвольным искажениям (МСИ) в принимаемом цифровом потоке, а многолучевой прием может также проявляться в виде частотно-избирательного замирания в полосе чостот канала.
Влияние канала на передаваемый сигнал, в конечном итоге, зависит от основных параметров сигнала — несущей частоты ^0), длительности (Т$) или ширины спектра (Д^ =1/Т$). В свою очередь параметры канала зависят от условий приема и характеризуются видом рассеяния сигнала, временем россеяния (памятью) и скоростью изменения параметров канала. Для идентификации каналов с замираниями сигнала применяют ряд специфических параметров, в том числе Тт — максимальное время взаимного запаздывания лучей и доплеровский сдвиг частоты
/ = /„— а* а. с
где V — скорость движения абонента, с — скорость света, а — угол между вектором движения абонента и направлением прихода луча.
Различают три наиболее существенных эффекта, к которым приводит интерференция лучей в радиоканале:
1) быстрые случайные изменения формы сигналов на небольшом (порядка четверти длины волны) расстоянии или в течение короткого времени. В результате амплитуда принятого сигнала постоянно изменяется во времени; это явление принято называть замираниями сигнала;
2) случайные изменения частоты принимаемого сигнала — как результат переменного во времени доплеровского сдвига частоты; можно наблюдать суперпозицию спектральных составляющих, соответствующих различным доплеровским сдвигам частоты. В результате происходит расширение спектра, вместо его четкой локализации относительно несущей ЧОСТОТЫ
3) временная дисперсия —взаимное наложение копий различных сигналов, что означоет возникновение межсимвольной интерференции.
118
T-Comm, #9-2011
Максимальный доплеровский сдвиг (Гц) для различных категорий абонентов
Таблица 1
Несущая частота *о. МГц Скорость перемещения АТ пользователя, км час:
2.4 60 120 200 350
225 0.5 12.5 25.0 41.7 72.9
900 2,0 50.0 100 167 292
1500 3.33 83.3 167 278 486
2500 5.56 139 278 463 810
3500 7.78 194 389 648 1134
В системах с фазовой манипуляцией прием и демодуляция сигнала значительно осложняется, если фаза несущего колебания значительно изменяется но протяжении одною символьного периода. Влияние доплеровского сдвига приводит к фазовым искажениям. При больших значениях ?£1пхи в принимаемых данных возникают неустранимые ошибки, от которых невозможно избавиться обычным увеличением мощности. Условие, при котором влияние доплеровского сдвига незначительно и им можно пренебречь, описывается соотношением:
m
поэтому часто для оценки доплеровского сдвига частот на качество связи используют произведение fdnKlxTs [2]. В табл. 1 представлены значения максимального доплеровского сдвига для разных номиналов несущей чостоты и различных категорий абонентов, от пешеходов, до пользователей, передвигающихся на автомобиле или поезде со скоростью до 350 км/ч.
В относительно узкополосных системах сотовой связи 2-го поколения для борьбы с искажениями многолучевости существуют определенные возможности, связанные с использованием декодера Ви-терби с блоком оценки импульсного отклика канала [3] и/или режима с медленными скачками по частоте и экеалайзинга [4]. Эго связано с принятым в таких системах последовательным (TDM) методом передачи данных на единственной несущей. Такой метод передачи характеризуется хорошими энергетическими показателями, не требует частотной избирательности для выделения конкретной информации, не предъявляет повышенные требования к линейности тракта передачи. Однако в высокоскоростном канале даже с незначительным рассеянием си тала во времени последовательная передача сопровождается значительными межсим вольными искажениями, что делает затруднительным или практически невозможным качественный прием цифровых данных на подвижном объекте, особенно в условиях пересеченной местности или в городе с многоэтажной зостройкой.
В наземных системах, предполагающих как обязательное условие мобильный прием, в настоящее время предпочтение отдают системам с параллельной передачей данных (FDM), использующим для передачи большое число (сотни и даже тысячи) частот. На современном технологическом уровне наиболее эффективно параллельная передача данных реализуется с использованием частотно-разнесенных ортогональных (под)несущих (OFDM). В систему мультиплексирования таких сигналов вводят корректирующее кодирование данных в сочетании с частотным и временным перемежен нем; при таком комплексном построении модема схему модуляции с параллельной передачей данных называют кодированным OFDM, т.е. COFDM.
OFDM-сигнал состоит из К модулированных поднесущих. Интервал времени Т5, в течение которого осуществляется передача од-
ного символа с помощью К поднесущих, образует OfDM-стшвол. Длительность OFDM-символа складывается из двух частей: Ts = Ту ♦ Tq, где Ту — представляет собой “полезную'1 (ортогональную) часть, о TG — защитный интервал, являющийся копией (циклическим повторением) части полезного интервала. Линейная независимость (ортогональность) поднесущих обеспечивается их расположением на частотной оси с интервалом, кратным 5f = 1 /Ту, а ширина спектра сигнала с К ортогональными поднесущими оценивается приближенным соотношением АЫК/ Ти.
Модемы OFDM различных систем и стандартов имеют различные характеристики и параметры, используют разные режимы работы, обусловленные многими причинами. Различия в OFDM — модемах систем связи и вещания определяются видом предоставляемых услуг и характерными для них условиями распространения радиоволн. Именно поэтому такое решение применено в вещательных стандартах DVB-T, DVB-H, Т-DAB и DRM наземных систем цифрового телерадиовещания [5-7], а также в продвинутых технологиях подвижной связи LTE (3GPR Release 8) и мобильного радиодоступа Mobile WiMAX (IEEE 802.16е, Release 15) [ 1,8], которые относят к поколению "почти 4G". Таким образом, целесообразность применения того или иного способа организации цифрового потока в системе передачи данных определяется характером искажений сигнала в радиоканале и объемом передаваемых данных
При построении цифровых радаосистем передачи с OFDM-модемами выбирают численные значения таких параметров как число поднесущих К и частотный интервал между соседними поднесущими 6f, длительность канального OFDM-символа Ts и защитного интервала Т,- между соседними символами, способ модуляции поднесущих, вид и скорость помехоустойчивого кода, характеристики временного и частотного перемежения рад других параметров. Значения перечисленных параметров определяются такими требованиями к собственно системе передачи, как предоставляемая полоса чостот VV требуемая скорость передачи информации Ru, значения расширения задержки в многолучевом канале Тт и доплеровского расширения спектра сигнала fdmax, а в системах вещания — расстояние R^ между передатчиками ОЧС. Как известно [4-7], некоторые из этих требований противоречивы.
О порядке допустимых скоростей перемещения АТ пользователя можно судить по спецификациям этого оборудования. Так, релиз
1.5 предусматривает максимальную скорость мобильной станции 120 км/ч, а оборудование LTE с COFDM-модемом должно обеспечивать поддержку соединений для абонентов, движущихся со скоростью до 350 км/час. В перспективе, согласно спецификации Mobile WiMAX, релиз 2.0, максимальная скорость мобильной станции может составить 500 км/ч. В то же время в результате полевых испытаний системы цифрового радиовещания Eureka 147/DAB (ET5J EN 300401) [6] установлено, что оборудование (режим I, диапазон
T-Comm, #9-2011
119
1,5 ГГц) может поддерживать свои характеристики для скоростей автомобиля до 40 км/час в случае городских, пригородных и лесных зон и для скоростей до 60 км/час — в сельских районах И это в системе с весьма совершенным COFDM-мсдемом (!).
Чтобы разобраться со столь явным противоречием соотнесем основные характеристики типовых каналов приема с параметрами OFDM — модемов наиболее известных систем вещания и радиодоступа (табл. 2) [1,8,9]. Здесь для стандартов DRM и LTE (Release 8) указан лишь ряд характеристик, позволяющих оценить возможности модемов. При этом в системе LTE используются: для прямого канала (линия вниз — DL) радиоинтерфейс с технологией OFDMA, а для обратного канала (линия вверх — UL) — технология множественного доступа с одной несущей частотой — SC-FDMA.
Прежде чем комментировать приведенные данные, обратим внимание на то, что в описаниях систем Mobile WiMAX и LTE [1,8 и др.] вопрос о мобильности абонентов только обозначен, однако никаких конкретных сведений о влиянии скорости перемещения абонентов на качественные характеристики предоставляемых услуг практически нет. Лишь в работе [8] среди технических требований к сети радиодоступа E-UTRAN, входящей в LTE, указаны градации мобильности абонента: низкая (скорость перемещения 0... 15 км/час), высокая (15... 120 км/час) и сверхвысокая (120.. .350 км/час, максимально до 500 км/чос), а также указано, что предельно возможные скорости передачи данных в системе (100,DL/50,UL Мбит/с) можно реализовать лишь в условиях благоприятной помеховой обстановки, когда можно использовать многопозиционные виды модуляции 16QAM и 64QAM и когда низка мобильность абонента — около 3 км/час (!). На основании этого можно заключить, что справочные данные по возможной скорости передвижения абонента при оказании услуги широкополосного мобильного доступа следует рассматривать как благие намерения, не подтвержденные техническими возможностями.
Чтобы подтвердить справедливость этого утверждения проверим выполнение неравенства (1) для ряда систем подвижной связи, радиодоступа и цифрового телерадиовещания, воспользовавшись данными таблиц 1 и 2.
В работе [2] условие (1) конкретизировано с позиций минимизации искажений от эффекта Доплера в системах с COFDM-модемом
I^TS<0,01...0,02.
(2)
При этом использование многопозиционных видов модуляции
1 бОАМ и 640АМ усугубляет ситуацию, повышая требования и к выполнению неравенства (2) и к энергетическому потенциалу системы [8]. На необходимость существенного (не менее 2 дБ) повышения отношения сигнал/шум (ОСШ) на входе демодулятора приемника при увеличении произведения Т$ до приблизительно 0,05 указывают также и результаты моделирования, приведенные в работе [2]. Аналога ный вывод можно сделать и по результатам исследования восприимчивости системы Т-РАВ к доплеровскому расширению [6]. Однако в этом случае при выборе значеню оценки (2) следует учесть использование модуляции сравнительно не высокой кратности ([ХЭР5К).
Результаты оценки произведения Ть для систем, представленных в табл. 2, собраны в табл. 3.
Учитывая изложенное, обратимся к оценкам произведения ^сЬа* приведенным в табл. 3. При этом будем руководствоваться подходом, учитывающим кратность модуляции, применяемой в конкретной системе. А именно: примем значение ^;так Т5 = 0,01 за критическое для систем с модуляцией высокой кратности, а для системы Т-ЭАВ критическим значением этого произведения может, видимо, считаться оценка 0,05. В результате можно сделать следующие выводы.
Системы подвижной связи и мобильного радиодоступа, а также цифрового телерадиовещания, предполагающие мобильный прием и использующие многопозиционные виды модуляции, в состоянии обеспечить заявленные качественные характеристики лишь при скоростях перемещения АТ пользователя, не превышающих 60 км/час.
Система цифрового радиовещания Т-ОАВ отвечает этому требованию при работе в режиме IV в ^диапазоне (1,5 Пц); в вещательных диапазонах ОВЧ качественный прием звуковых программ возможен при скоростях не менее 200 км/чос. Этот вывод подтвержден результатами полевых испытаний [6].
Сформулированные выводы требуют дальнейшей детализации, в частности, анализа влияния на помехоустойчивость величины отношения Тс / Ту в ОРОМ-мадеме, а также зависимости пропускной способности от ОСШ, т.е. учета энергетических характеристик системы.
Сравнительные характеристики ряда известных OFDM-модемов
Таблица 2
Стандарт Режимы Характеристики модема OFDM R„, Мбит/с
К 8f, кГц ДҐ, кГц Тц, мкс То, мкс Rsin. КМ
DVB-H 4к 3409 2.232 7610 560 112 33 а 17
T-DAB 1 1536 1 1536 1000 246 96 2.46
2 384 4 248 62 24
3 192 8 125 31 12
4 768 2 492 123 48
DRM /DRM+ Е 212 -0,445 96 2500 250,0 - <0.20
LTE1 6/DL 1200 15.0 20000 66.7 4.7 - 100
6/UL 1 15.0 20000 66.7 4.7 - 50
Mobile Wi-MAX1 Release 1.5 1 106 11.75 1250 102.9 11.4 - 11.42 23.52
2 426 5000 -
3 851 10000 -
4 1703 20000 -
\ - в предположении использования технологии М1МО
120
T-Comm, #9-2011
