CC BY
28
ОПТИМИЗАЦИЯ ГЕОМЕТРИИ АДАПТИВНОЙ АНТЕННЫ ДЛЯ СОТОВОЙ СЕТИ С
OFDM СИГНАЛАМИ
О.А. Шорин, Генеральный директор ООО «НСТТ», профессор, д.т.н., oshorin@gmail.com; Г.О. Бокк, директор по науке ООО «НСТТ», bokkg@yandex.ru; Р.С. Аверьянов, директор по производственной деятельности ООО «НСТТ», roman3178823@gmail. com;
А.О. Шорин, технический директор ООО «НСТТ», as@nirit.org
УДК 519.17 + 621.391 + 621.396
Аннотация. Для базовой станции сотовой сети предложена параметрическая модель, описывающая с единых позиций работу адаптивной антенны и алгоритма распределения ресурса радиоканала между абонентами в сети с сигналами OFDM. На ее основе предложен вариант составного параметрического критерия, позволяющего численно определять наилучшие характеристики антенной решетки и вид правила распределения ресурсов. Получены оценки достигаемых выигрышей.
Ключевые слова: алгоритм, модель, адаптивная антенна, сети подвижной радиосвязи, пространственная селекция.
ADAPTIVE ATENNA GEOMETRY OPTIMIZATION FOR CELLULAR NETWORK
WITH OFDM SIGNALS
Оleg Shorin, General Director LLC «NXTT», doctor of technical sciences; German Bokk, science director LLC «NXTT»; Roman Averyanov, Director of production activity LLC «NXTT»; Alexander Shorin, technical director LLC «NXTT»
Annotation. For the base station of the cellular network proposed parametric model, describing with one voice the operation of the adaptive antenna and the resource allocation algorithm of a radio channel between subscribers in the OFDM signals network. On its basis the option of the composite parametric criterion allowing defining numerically the best characteristics of an antenna array and the rules of resources allocation is offered. The estimates of achievable winnings are received.
Keywords: algorithm, model, adaptive antenna, mobile radio communication networks, space selection.
Очередной этап развития сотовых сетей связи связан с внедрением техники пространственной обработки сигналов и адаптивных антенн, позволяющих значительно (в разы) поднять пропускную способность радиоканала за счет активного использования ресурса, связанного с возможностями пространственной селекции сигналов.
В приложении к сотовым сетям, задача оптимизации адаптивной пространственной обработки приобретает отличную от традиционной формулировку: достижение максимальной пропускной способности для радиоканала, соединяющего множество распределенных в пространстве абонентов с обслуживающей базовой станцией. В такой формулировке антенная решетка, алгоритм пространственной обработки, алгоритм распределения ресурса радиоканала и алгоритмы обмена данными по радиоканалу оказываются тесно связанными и выступают как элементы единого программно-аппаратного модуля, решающего единую задачу передачи данных по радиоканалу. Характеристики антенны будут влиять на эффективность работы алгоритмов, а алгоритмы, в свою очередь, могут быть хуже или лучше согласованы со структурой антенны. Естественно возникает вопрос, как наилучшим образом сконструировать
антенную решетку и какими при этом должны быть алгоритмы, чтобы суммарный эффект, выражаемый в пропускной способности радиоканала, был наибольшим.
Решение такой задачи в общем виде представляет серьезную проблему, которая, возможно, будет решена в ближайшем будущем. Но для практических приложений она может быть существенно упрощена на том основании, что используемые антенные системы не являются произвольными, а ограничиваются конкретными параметрическими классами. Например, кольцевые однородные структуры с возможностью выбора радиуса размещения, а также, ширины диаграммы направленности отдельных антенн (именно такой класс антенных решеток рассматривается ниже). В таких условиях задача оптимизации становится параметрической и оптимальные решения можно найти, например, с помощью моделирования. Одновременно оказывается возможным оценить, какой выигрыш от применения адаптивной антенны можно получить.
В качестве ключевого параметра для построения критерия естественно выбрать размер сектора углового разнесения источников (лучей) которые могут быть «разделены» (подвергнуты селекции) адаптивной антенной. В дальнейшем будем его обозначать Этот параметр выступает как связывающий элемент между геометрией антенной решетки и алгоритмом динамического перераспределения ресурсов (кластеризации) на множестве обслуживаемых абонентов. И именно на его базе можно провести оптимизацию.
Действительно, если в результате кластеризации множества абонентов удастся создать группы, в которых каждый из источников (лучей) будет разнесен по углу с другими на величину не менее Sw, то в каждой группе коэффициент переиспользования выделенного на группу ресурса можно установить равным 1 (то есть, каждый источник может полностью использовать ресурс радиоканала, распределенный на группу, а селекция сигналов группы будет выполняться исключительно средствами адаптивной антенны). Но если размер ^^ выбрать большим (с запасом), то количество формируемых кластеров (групп) будет слишком большим, и каждой группе будет распределен сниженный ресурс, в расчете от общего. Если Sw выбрать малым, то количество групп будет небольшим, но в рамках одной группы антенная решетка окажется не способной к пространственной селекции. Вот такой механизм взаимного влияния через параметр Sw просматривается для геометрии антенной решетки и алгоритма динамического распределения ресурсов.
Вид алгоритма динамического распределения ресурса (кластеризации) при заданном не вызывает вопросов. Если построить граф, вершины которого показывают угловые позиции источников, а ребра соединяют те вершины, для которых угловое расстояние не превосходит то указанная задача (и алгоритм) распределения ресурса в первом приближении сводится к широко известной задаче (алгоритму) правильной раскраски вершин минимальным числом красок [1,2]. Точное решение задачи содержит алгоритм Муллата [3,4], в котором предусматривается «режим с обратным извлечением элементов из групп». В рассматриваемой ситуации этот режим позволяет не только создать наименьшее число групп (кластеров) с заданным уровнем углового разнесения абонентов (что достигается алгоритмом раскраски), но и дополнительно распределить отдельных абонентов, оказавшихся в более «мягких» по расположению условиях, сразу по нескольким группам, обеспечивая полное использование имеющихся в распоряжении ресурсов радиоканала.
Также однозначно можно определить алгоритм адаптивной пространственной обработки, который должен удовлетворять известному критерию минимума среднеквадратической ошибки [5,6], чтобы обеспечить наилучшие показатели в смысле достигаемых уровней сигнал/(помеха+шум) в отдельных каналах сформированных групп.
Учитывая вышеизложенное, можно сформулировать параметрический критерий оптимизации и, вытекающее из него правило решения рассматриваемой задачи в виде:
(Б№,а) = агдтах С(Б№,а), (1)
где: а - настраиваемые параметры, задающие геометрию антенной решетки базовой станции; Sw - параметр, задающий размер запрещающего сектора угловых сближений в группах; C(Sw, а) - суммарная производительность работы радиоканала, наблюдаемая для параметров Sw, а при условии формирования групп абонентов (лучей) по алгоритму Муллата и пространственной обработки по алгоритму МСКО.
В сотовых сетях стандарта McWiLL в диапазонах 300-400 МГц предусматривается использование на базовых станциях 8-ми элементных кольцевых антенных решеток. Такая структура априорно ориентирована на равномерное распределение углов прихода абонентских сигналов. Поэтому в качестве параметров настройки для нее можно рассматривать радиус расположения элементов R и ширину диаграммы направленности отдельного элемента (антенны) Hw. Будем в дальнейшем рассматривать именно такой класс допустимых решеток.
а = (R,Hw)(2)
В сокращенных вариантах оптимизации можно рассматривать настройку только по R и Sw или только по Sw.
На рис. 1 показана базовая станция McWiLL с антенной решеткой диапазона 300 МГц -400 МГц. На рис. 2 и рис. 3 показаны структурные схемы многоканального приемника и многоканального передатчика базовой станции. Так как в сети стандарта McWiLL используются сигналы OFDM, то в указанных структурных схемах присутствуют блоки преобразования Фурье (БПФ и ОБПФ). Пространственная обработка осуществляется в блоках весовой обработки, включенных в рамку со светло-коричневым фоном. Для каждой абонентской линии (луча) такая обработка индивидуальна. Так как преобразование Фурье и пространственная обработка являются линейными операциями, то для уменьшения вычислительной сложности можно менять порядок их выполнения.
Работа алгоритма Муллата приводит к формированию отдельных групп абонентов (кластеров). На рис. 4 и рис. 5 показаны примеры такой кластеризации для случаев с Sw=60° и Sw=30°. Приведенные данные демонстрируют, что в ситуациях с выбором чрезмерно большого значения параметра Sw адаптивная система пространственной селекции успешно справляется со своей задачей, но число групп (кластеров) оказывается относительно большим, и ресурс, приходящийся на каждого абонента, в итоге будет небольшим.
н 1 г > 1 1 § + и
i
ж
г N tDF.hr , „Г\ Vv
пч>
УМ МШУ
TRX RX
Рисунок 1.
Если же параметр Sw выбран маленьким, то число групп будет небольшим, удельный ресурс, приходящийся на абонента, станет большим, но адаптивная антенная решетка оказывается не способной осуществить полноценную пространственную селекцию сигналов в пределах групп.
Оптимальные значения и соответствующие ему Я (радиус размещения элементов антенной решетки) и Ин (ширина диаграммы направленности отдельного элемента) были определены экспериментально (с помощью моделирования работы базовой станции стандарта McWiLL).
На рис. 6 показаны полученные в ходе испытаний нормированные значения суммарной пропускной способности радиоканала Стах/Соо для БС McWiLL, при различных значениях Я (зависимости синего цвета). По оси «х», в единицах длинны волны несущей, отложено Я. Нормированная пропускная способность Стах/Со представлена в единицах производительности линии с антенной из одного элемента, с Ин=65°. По дополнительной оси отложены значения ширины диаграммы направленности отдельного элемента решетки, при которых наблюдались наилучшие показатели по производительности (соответствующие зависимости показаны зеленым).
Параметры эксперимента были выбраны такими. Число активных абонентов (или лучей) Ыа=30, уровень сигнал/шум, достигаемый при приеме на один элемент, 20 дБ, 25 дБ и 35 дБ, логнормальные замирания с а =3 дБ. Допустимым был принят уровень 5% для относительной доли абонентов, у которых уровень сигнал / (шум+помеха) в радиоканале ниже порога, позволяющего использовать модуляцию QAM16 или выше. Ситуации, приведшие к большему проценту таких абонентов, забраковывались по признаку невыполнения КР1.
Результаты эксперимента показывают, что подбор ширины диаграммы Ин элемента антенной решетки под конкретный радиус Я, позволяет практически во всех случаях достигнуть производительности радиоканала близкой к максимальной. При Я=0,5А наилучшие показатели по производительности канала для случая использования элементов с круговыми диаграммами (Ин=360°). С увеличением радиуса антенной решетки Я оптимальные значения Им, уменьшаются. Абсолютно наилучшие показатели при этом наблюдаются в окрестности Я = (1Л - 1,1 А), с элементами, имеющими ширину диаграммы порядка 100°. Использование решетки с Я=0,5А будет приводить к незначительным (порядка 2,7%) потерям общей производительности. Однако, если доступными к использованию будут только антенные элементы с круговыми диаграммами, то достигаемая производительность радиоканала будет существенно зависеть от радиуса решетки Я. Соответствующая характеристика показана на рис. 6 красным. Из нее видно, что даже незначительное увеличение радиуса от 0,5А до 0,567А (что также можно интерпретировать как изменение номинала несущего колебания от 300 МГц до 339 МГц при постоянном радиусе конструкции решетки 0,5 м), приводит к потенциальным потерям по производительности порядка 14,5% (по полосе это соответствует эффективному сокращению от 5,00 МГц до 4,28 МГц). В то же самое время, для несущей 420 МГц радиус конструкции 0,5 м будет в единицах длины волны соответствовать Я=0,7А, что попадает на локальный выброс красной характеристики на рис. 6.
Потери производительности из-за неоптимальной ширины диаграммы элемента при этом составят только 5,5%. Поэтому для двудиапазонной антенной решетки (339 МГц/420 МГц) со всенаправленными элементами лучше в существующем конструктиве уменьшить радиус 0,5 м до 0,48 м, что позволит снизить суммарные потенциальные потери производительности радиоканала в двух диапазонах от 18% до 10%. Если же рассматривать конструкцию решетки для одного диапазона (339 МГц), то лучше всего уменьшить радиус до 0,46 м, что обеспечит условия для почти 100% использования ресурса радиоканала. И совсем плохо применять кольцевой конструктив решетки с радиусом 0,50 м для диапазона 1800 МГц. В этом случае Я=3А и, согласно красной характеристики на рис. 6, потенциальное снижение производительности радиоканала будет составлять порядка 33,8%. То есть, 1/3 емкости канала будет потеряна.
П ростра.нстве и пая ж____ССЛСКЦИЯ
щ.
И-'-,
-^Демодулятор |Д<колер
—^-1 — -Демодулятор Декодер | IX.' ('1) ^ ■
___Демодулятор ^.Кк^ ]ср |-
-!--1С модулятор ■
Рисунок 2.
V
Рисунок 5.
Рисунок 6.
Также следует отметить, что полученные в ходе эксперимента значения производительности радиоканала достаточно близко примыкают к верхней теоретической границе. Действительно, согласно [5-6] адаптивная антенная решетка из N элементов в принципе может осуществить пространственную селекцию не более чем для N независимых каналов. В случае антенной решетки McWiLL N=8 и увеличение производительности не может в принципе превысить порога, равного 8. Полученные экспериментальные данные показали увеличение в пределах значения 7 для широкого спектра возможных ситуаций. Поэтому можно сделать вывод, что даже если задача оптимизации пространственной селекции для базовых станций сотовых сетей будет решена в полномасштабной постановке, то ожидаемый положительный эффект, по сравнению с полученным решением на базе предложенной методики, будет составлять для 8-элементной решетки McWiLL не более (8-7) /8 =12,5%.
Литература
1. Зыков А.А. Основы теории графов. - М.: Изд-во Наука, 1987. - 384 c.
2. Оре О. Теория графов. - М.: Изд-во Наука, 1980. - 336 с.
3. Муллат И. Э. Экстремальные подсистемы монотонных систем // Автоматика и телемеханика
1, 1976. - № 5. - С. 130.
4. Муллат И.Э. Экстремальные подсистемы монотонных систем // Автоматика и телемеханика
2, 1976. - № 8. - С. 169.
5. Монзинго Р. А., Миллер Т. У. Адаптивные антенные решетки: Введение в теорию. - М.: Изд-во Радио и связь, 1986. - 448 с.
6. Уидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов. - М.: Изд-во Мир, 1989. - 440 с.
