CC BY
67
ТЕОР1Я ТА ЗАСОБИ ТЕЛЕКОМУШКАЦК
УДК 621.396
ЗАСТОСУВАННЯ ВИСОТНИХ ПЛАТФОРМ ТА ТЕХНОЛОГИ OFDM У ТЕЛЕКОМУН1КАЦ1ЙНИХ СИСТЕМАХ 4G
Михайлевський В.О., Калюжний О. Я.
Розглянут1 питання переходу до телекомуткацтних систем четвертого поколшня 1з застосуванням висотних платформ та технологи OFDM. Розкриваеться енергети-чна ефективтсть таких систем.
Вступ
Подальший розвиток безпровщного доступу до телекомушкацшних систем передбачае значне шдвищення швидкост передачi шформаци. Це пов'язано з масовим впровадженням послуг, що потребують доступу до свггово! мережi 1нтернет. Отже, канал зв'язку мае забезпечити достатню пропускну здатшсть для передачi великих об'емiв даних. Мережi третього поколiння частково виршили цi проблеми, але за час 1х впровадження потреби в швидкост зросли. Виходячи iз цього, фахiвцi почали замислюва-тися про стандарт четвертого поколшня (4G). Цей стандарт ще не розроб-лено, але передбачаеться, що вш повнiстю iнтегруватиметься до св^ово! мережi 1нтернет, тобто базуватиметься на прототш IP. В таких мережах користувачу мають бути доступнi всi можливють, якi надае 1нтернет.
Для забезпечення вказаних вимог треба суттево розширити смугу частот, що, у свою чергу, вимагае переходу до бшьш високочастотних дiапа-зошв, зокрема, до Ка^апазону (18 - 40 ГГц). Але оскшьки основна час-тина користувачiв знаходиться у мютах з висотними будiвлями, шдвищен-ня робочих частот при використанш наземних станцш практично немож-ливе (ефекти багатопроменевого розповсюдження, значне згасання сигналу). Перспективним варiантом [5] побудови мереж у Ка^апазош, е засто-сування висотних або стратосферних платформ (HAP's - High Altitude Platforms). HAP's це кероваш безпшотш лггальш апарати, розташованi на висотi 18...22 км. Одна така платформа покривае регюн радiусом бiльше 250 км. Впровадження HAP's призведе до появи нового поколшня засобiв телекомуткаци - поряд з наземними i супутниковими мережами будуть задiянi аеростати, дирижаблi та висотнi лiтаки.
1нтерес до HAP's викликаний 1'хтми перевагами перед супутниковими та наземними системами. На вщмшу вщ супутникових систем тут немае критичних вимог до маси та кшькост устаткування, енергетичш втрати при розповсюдженнi сигналу малi (через порiвняно невелику висоту роз-ташування). HAP's можна розмiстити над важко доступними територiями, де не можливе ефективне розташування наземних систем.
При застосуванш HAP's можна видiлити три рiвня штеграци ще! мережi
Рис.1. Схема розташування НАР^
з юнуючими мережами. Нижнш фiзичний рiвень забезпечуе доступ, марш-рутизацiю та керування потоками даних у единому формат паке™ даних. Середшй шлюзовий р1вень з'еднуе радiомережi з рiзними додатками мережц на цьому рiвнi викону-ються функци адресно! трансля-цИ, керування параметрами якос-тi, забезпечення захисту даних, та здшснюеться повна реашзащя 1Р-протоколiв. Третiй рiвень поеднуе вс механiзми i протоколи прикладного середовища. Такий шд-хщ дозволить зняти питання сумiс ност рiзних систем та iнтегруван -ня тако! системи у глобальну свь
тову мережу 1нтернет. Схема розташування НАР ^ наведена на рис.1.
Оцшка основних критерпв
Для оцшки ефективностi системи НАР ^ розглянемо розрахунок 11 енер-гетичного бюджету у порiвняннi з наземною системою. Припустимо, що вщстань до базово! станцп d = 20 км, середа розповсюдження сигналу -мюто. Ефективна висота антени наземно! базово! станци = 30 м. Частота несучо! / = 1800 МГц. Висота антени мобшьного термiналу Низ = 2 м. Скориставшись для розрахунку моделлю Хата [1] в частотному дiапазонi до 2 ГГц при ефективнш висот антени вщ 30 до 100 м втрати при
розповсюдженш сигналу становитимуть 184 дБ. Розрахуемо втрати при розповсюдженш сигналу при використанш системи НАР'£, за умови / = 14 ГГц, d = 250 км. Очевидно, що основною перевагою висотно! пла-тформи е те, що вона весь час знаходиться в зош прямо! видимост^ а отже шуканий параметр можна розрахувати зпдно [3] за формулою Г 1 л2
Ь =
X
+ Ош, де Ош - коефiцiент, який враховуе вплив природних 4п- d) 0
явищ. Прийнявши Ош=10, отримаемо Ь = 173 дБ.
Наведет дат показують, що за наявшстю прямо! видимост система НАР ^ дозволяе перейти на частоти ^а^апазону без значних енергетичних втрат у порiвняннi з наземними системами. Зазначимо, що застосування НАР ^ не позбавляе вщ проблеми селективних завмирань та мiжсимвольно! штерференцп. Приведемо деякi приклади. Нехай швидкостi передачi скла-дають 270 Кбiт/с (системи другого поколшня - GSU) та 1,3 Мбгг/с (системи третього поколiння - СБМА [2]). Для спрощення задачi використаемо модель каналу з двопроменевим розповсюдженням. Окрiм основного сиг-
налу в приймач попадае один вщбитий сигнал, який мае вщносно основного сигналу затримку т0 та зсув фази на р радiан (кут, який можна визначи-ти за формулою р = 2п/0т0, де /0 - так звана частота режекци). Передаточ-на функщя каналу визначаеться як: Н(/) = а(1 - Ь • в~]2п(/-/0>х°), де коефщь ент а описуе згасання прийнятого сигналу, Ь визначае згасання вщбитого сигналу вщносно основного. На рис.2 показаний модуль передаточно! фу-нкцй характеристики каналу |Н(/)| при т0 = 10 мкс для рiзноl ширини
спектру сигналу в дiапазонi 900 МГц. При передачi двiйкових даних зi швидкiстю 270 Кбiт/с спектр сигналу виявляеться достатньо широким i мае декшька провалiв (див. рис. 2), що призводить до значного послаблення окремих частот в смуз1 сигналу.
|НСТ)|.дБ
|нсо1.дБ
Рис.2. Амплiтудна характеристика каналу з двопроменевим розповсюдженням (b = 0,4; b = 0,9; т0 = 10 мкс; f = 10 кГц) сигналiв з шириною спектра Af = 300 кГц (а) та Af = 1,3 МГц (б) Вказане явище зветься селективним завмиранням. На цш швидкост пе-рюд модуляци дор1внюе 3,7 мкс., тобто вш в декшька раз1в менший за затримку розповсюдження т0 = 10 мкс "другим шляхом". Як наслщок, канал вносить м1жсимвольну штерференщю. Як вщомо, в GSM системах канал представляеться у вигляд1 скшченого автомату, який описуеться решгтко-вою д1аграмою. Оскшьки GMSK вщноситься до квадратурно! модуляци, такий автомат мае 22N сташв, де 2N +1 тривалють 1мпульсного вщклику каналу. В систем1 GSM застосовуеться 24 = 16 сташв. При переход1 до 6i-льших швидкостей передачi даних (EDGE), за рахунок використання 8-PSK модуляци, кшьюсть станiв збiльшуеться до 82N, що навiть при короткому iмпульсному вiдклику забагато i ускладнюе подальше збiльшення швидкост в таких системах. Передача даних зi швидкiстю 1,3 Мбiт/с вва-
жаеться широкосмуговою. Анашз змiни сигналу в 4aci показуе, що затрим-ка розповсюдження т0 = 10 мкс "другим шляхом" призведе до накладання прямого та вщбитого сигналу, яке складе 13 бтв. В мережах переважно використовуеться RAKE-приймач, який компенсуе щ явища за рахунок аналiзу сигнашв прийнятих при поширеннi рiзними шляхами. Для таких систем збшьшення швидкост забезпечуеться збiльшенням кiлькостi псев-дошумових послщовностей. Але CDMA-системи критичнi до взаемно! ав-токореляци. Не виконання умови взаемно! автокореляци призведе до не можливост розпiзнавання користувачiв на фош шумiв. Такий пiдхiд теж не дозволить шдвищити швидкiсть до декшька десяткiв Мбiт/с. Задачу можна виршити за умови використання шшого менш критичного до вка-заних явищ методу модуляци - модуляци, що грунтуеться на ортогональному частотному подш каналу з мультиплексуванням (Orthogonal Frequency Division Multiplexing або OFDM) [1]. Ця модулящя використана для побудови системи мобшьного зв'язку Mobile WiMax (802.16e), яка за-безпечуе швидюсть передачi даних до 10 Мбгг/с. Поеднання тако! модуляци з технолопею HAP's дозволяе збшьшити швидкiсть в декiлька разiв, за рахунок специфiки каналу зв'язку. 1дея OFDM полягае в тому, що потж даних, що передаються, розподiляеться на декiлька частотних смуг - "шд-канашв", причому передача ведеться паралельно по всiх "подканалах". Ви-сока швидкiсть досягаеться саме за рахунок одночасно! паралельно! пере-дачi, тодi як швидкiсть передачi в окремому "пiдканалi" може бути невисо-кою. У n -й перюд модуляци (nT < t < (n + 1)T ) сигнал, який модулюе декь лька несучих, описуеться формулою:
N-1
x(t) = S (,nP(nT)cos2n(/ + kA/)t - bk nP(t - nT)sin2n(/ + kA/ )t)
k=0
де p(t) описуе форму iмпульсу, пара коефiцiентiв (akn, bkn ) являе собою
шформацшт символи, що модулюють вiдповiдно синфазну i квадратурну компоненти k -ï "пiднесучоï", А/ - величина частотного розносу. Вид шфо-рмацiйноï пари залежить вiд типу модуляцiï, застосовуваноï на кожнiй окремiй "пiднесучiй". При цьому юнуе вiльний вибiр у застосуванш шди-вiдуальноï модуляци для кожно1' з них. Параметри модуляци вибираються так, щоб тривалiсть мiжсимвольноï iнтерференцiï, внесено1' каналом, ста-новила малу частку перiоду модуляци T. Роздшимо T на двi частини - так званий захисний штервал Tg та перiод ортогональност Tort, тобто
T = Tg + Tort. Захисний штервал - це цикшчне повторення кшця символу,
який приеднуеться до початку символу. Вш створюе часову затримку мiж символами, i якщо довжина захисного iнтервалу бiльша максимально:' за-тримки сигналу при багатопроменевому розповсюдженш, то мiжсимвольна iнтерференцiя вщсутня. При використаннi HAP's, тривалiсть захисного ш-
тервалу можна зменшити за рахунок наявносп прямо! видимосп i, тим самим, шдвищити швидюсть передач1 шформаци.
Якщо рознос А/ вибираеться р1вним 1/Tort то протягом часу Tort вс
"шднесуч^' будуть взаемно ортогональш. Такий тип модуляци i називаеть-ся модуляцiею з ортогональним частотним подшом каналiв OFDM. Взаем-на ортогональшсть шднесучо! випливае з того, що для будь яких j та k
i
cos
f f
2п
V v
/c + k
To
Л Л f f 2п
V v
cos
oPt J
\ Л
fc + j
To
dt =
oPt J J
To
opt
, для k = j
0, для k Ф j
i
i sin
/
2п
V v
/c+k
To
r
sin
oPt у
/
2п
V v
/с + j
To
dt =«
opt j j
To
opt
, для k = j-
0, для k Ф j
Визначення шформацшних символiв (ak1,bk1) для k-о! "шднесучоГ
T 1 T
можна зробити за формулами: i x(t)p(t) cos(2п(/ + kА/)t)dt = akд — i p2 (t)dt
T 2 t
g g
T 1 T
i x(t)p(t)sin(2п(/ + kА/)t)dt = bk1 — i p2(t)dt. Вид правих частин наведе-
T 2 t
g g
них виразiв обумовлений тим, що форма iмпульсу p(t) часто бувае прямо-кутна або, принаймнi, мае постшне значення за перiод штегрування, так що результати кореляцп багатоканального сигналу з опорними тонами пропорцшш iнформацiйним символам ak 1 i bk 1. Кiлькiсть фрагменлв сигналу, накопичених за перюд ортогональностi Tort, позначимо як N. Тодi фрагменти хг = x(iTort/N), i = 0,...,N -1 дорiвнюють
х, =
I N-1
Re 1 Z(ak ,1 + jbk ,1 )exp
k=0
j2п /с +
To
.To,
ort J f
N
i t Л n-1 f ki ЛI
= Re j exp ^ j2n/JNJ X0 (ak,1 + jbk,1) exp ^ j2п n J |
Коефiцiент expVj2nfiiTNj "вщповщае" за зсув "шднесучоГ вiдносно основно! частоти /с. Якщо шформацшт символи ak 1 + jbk 1 розглядати, як спек-
тральнi вiдлiки, то генерацiю такого сигналу можна виконати за допомо-гою швидкого зворотного дискретного перетворення Фур'е, що за умови використання процесора, зменшуе вагу i енергетичш витрати.
Виходячи з принципiв побудови систем з OFDM, захисний штервал вь дiграе основну роль боротьби з мiжсимвольною iнтерференцiею. Однак, збшьшення Tg без змiни довжини символу призведе до скорочення дов-
жини основно! символьно! части, а це, в свою чергу, призведе до зменшен-
g
g
ня пропускно! спроможност каналу. З шшого боку, одночасне збшьшення захисного та основного iнтервалiв призведе до необхiдностi збшьшення смуги частот. Отже, шдвищення ефективност можливе при зменшенi захисного штервалу, без змiни основно! частини. Як було показано на моделi двохпроменевого розповсюдження при т0 = 10 мкс в системi CDMA накла-дання склало 13 бтв. Для систем, якi базуються на OFDM кшьюсть "шд несучих" складае не менше тисяч^ полоса сигналу 5-10 МГц. При виборi захисного штервалу виходять з пропорцй TglTort = 1/4, 1/8, 1/16. Таким
чином при полос сигналу 7,6 МГц, кшькост "шднесучих" 6817, рознос "шд несучих" 1116 Гц, довжиш основно! частини символу 896 мкс, довжи-на захисного iнтервалу при TgjTort =116 складатиме 56 мкс
(Tg = 56 > т0 = 10 мкс). При цьому швидкiсть передачi досягае 10 Мбгг/с.
Отже, при використаннi висотно! платформи можливе збшьшення швидко-стi OFDM за рахунок зменшення захисного штервалу, переходу до моделi розповсюдження Райса, збшьшення позицшносл модуляцй, збiльшення полоси сигналу (при переходi до ^а^апазону).
Висновки
Поеднання висотних платформ надасть можливють розробити телеко-мунiкацiйну систему, яка забезпечить необхщт умови (зокрема, розши-рення спектру сигналу та шдвищення швидкост передавання) для переходу до телекомушкацшних систем четвертого поколшня
Л1тература
1. Системы подвижной радиосвязи / Пер. с польск. И.Д. Рудинского; под ред. А. И. Ледовского. - М.: Горячая линия - Телеком, 2006.-536с.
2. Системы мобильной связи. /Ипатов В.П.,Орлов В.К., Самойлов И.М.,др. под.ред.В.П.Ипатова.-М.:Горячая линия-Телеком, 2003.-272 с.
3. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ.-М.: Издательский дом «Вильямс», 2003.-1104 с.
4. Lu B., Wang X. Bayesian Blind Turbo Receiver for Coded OFDM Systems With Frequency Offset and Frequency-Selective Fading. IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS, VOL. 19, NO. 12, DECEMBER 2001.
5. Grace D. oth. Improving the System Capacity of Broadband Services Using Multiple High-Altitude Platforms. IEEE Trans. on wireless communications. v. 4, No. 2, 2005.
6. Thornton J.,Grace D. Effect of Antenna Aperture Field on Co-channel Interference, Capacity, and Payload Mass in High Altitude Platform Communications. ETRI Journal, v.26, No 5, 2004.
Михайлевский В. А., Калюжный А.Я. Применения высотных платформ и технологии OFDM в телекоммуникационных системах 4G.
Рассмотрены вопросы перехода к телекоммуникационным системам четвертого поколения с применением высотных платформ и технологии OFDM. Раскрывается энергетическая эффективность систем.
Mihaylevskiy V. A., Kalugniy O.Ja. Application of height platforms and technology of OFDM in the telecommunication systems of 4G.
Questions of passing to the telecommunication systems of fourth generation with application of height platforms and technology of OFDM are considered. There are considered of power efficiency of these systems.
