CC BY
6МОЖЛИВ1СТЬ ПОДОЛАННЯ ФАКТОРУ БАГАТОПРОМЕНЕВОСТ1 В РАДЮКАНАЛАХ Д1АПАЗОНУ НВЧ НА ОСНОВ1 ТЕХНОЛОГIÏ OFDM
Уривський Л. О.,
3aeidyeau кафедри Телекомунжацшних систем КП1 iM. 1горя акорського,
доктор mexHÎHHUx наук, професор Мошинська А.В.,
Доцент кафедри Телекомунжацшних систем КП1 iM. 1горя акорського
кандидат теxнiчниx наук, доцент Шм1гель Б.
Астрант КП1 iM. 1горя акорського Соляткова В.Ю.
Астрант КП1 iM. 1горя акорського
THE ABILITY TO OVERCOME THE MULTIPATH FACTOR IN THE RADIO CHANNELS OF THE MICROWAVE RANGE BASED ON OFDM TECHNOLOGY
Uryvsky L.,
Head of Telecommunication Systems Department, Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute Dr.Sc., professor Moshynska A.,
Assistant professor, Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute,
PhD, assistant professor Shmihel B.,
Graduate student, Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute
Solianikova V.
Graduate student, Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute
Анотащя
Дану статтю присвячено аналiзу впливу багатопроменевосп на канал зв'язку в дiапазонi НВЧ, та умо-вам ïï виникнення. А саме розглянуто OFDM, як шструмент боротьби з багатопроменевютю в LTE. Наведет розрахунки розмiрiв зон формування вщбитих промешв, з заданими вщстанями м1ж абонентами в проектовано1 системi зв'язку. Abstract
This article is devoted to analyzing the effects of multipath on a communication channel in the microwave range, and the conditions for the occurrence of multipath. Specifically, OFDM is considered as a tool to confrontation multipath in the LTE. The calculations of the sizes of the formation zones of reflected rays, with given distances between subscribers in the designed communication system.
Ключовi слова: LTE, OFDM, багатопроменеве розповсюдження, Овал Касаш, НВЧ Keywords: LTE, OFDM, multipath propagation, Cassini oval, Microwaves
В системах радюзв'язку в НВЧ дiапазонi вра-ховують власш шуми приймача; взаемш переш-коди; адитивш перешкоди, а також мультиплжати-внi перешкоди, причиною яких е багатопроменевий характер розповсюдження електромагштно! хвилi, що створюе в точщ прийому складну штерфера-цiйну картину. Внаслщок рiзницi довжин рiзних шляхiв в точцi прийому вiдбуваеться складання ра-дiохвиль з рiзними фазами. Тому при руа абонентiв в дорозi сигнал зазнае глибоких змш аж до повного зникнення на деякий час [1].
Термш «ефекти багатопроменевого поши-рення» застосовуеться в тих випадках, коли ефек-тивний прийнятий сигнал складаеться з дешлькох компонентiв, що надходять на приймальну антену рiзними шляхами.
Компоненти можуть мати рiзнi фази i рiзнi ам-плiтуди, i !х взаемний зв'язок може також безпере-рвно змiнюватися з часом. Багатопроменевi ефекти виникають в результатi вiдбиття ввд будiвель, вiд поверхнi Землi або вщ горизонтальних кордонiв
мiж рiзними верствами атмосфери. Багатопроме-HeBi ефекти, викликаш вiдбиттями, спричиняють швидкi завмирання, що спостерiгаються на радюх-вилях. Вони можуть серйозно попршити яюсть об-слуговування.
Для того, щоб розв'язати проблему впливу багатопроменевого завмирання, що присутне в UMTS, в LTE для down-link використовуеться му-льтиплексування з ортогональним частотним роздь ленням каналiв (OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Тобто ввд базово! станцй' до термiналу для передачi даних використовуеться ба-гато вузьких смуг частот по 180 кГц кожна, замiсть розширення одного сигналу по всш ширинi смуги частот 5 МГц, тобто OFDM використовуе велику ш-лькiсть вузьких тднесучих для передачi з безлiччю несучих для передачi даних.
OFDM вщповвдае вимогам LTE по вщно-шенню до гнучкостi спектру i забезпечуе економь чно ефективнi ршення для дуже широких несучих з високими пiковими швидкостями.
Одною з основних особливостей OFDM е мо-жливють протистояти м1жсимвольним завадам (ISI — intersymbol interference) i штерференщ! м1ж тд-несучими (ICI — intercarrier interference), що дае змогу протистояти багатопроменевому розповсю-дженню.
Напруженiсть поля земно! хвилi визначаеться за такою залежшстю:
Е = V30P1GaniF1fi, (1)
де R - вiдстань вщ передавально! антени до приймальнi; G a - коефщент посилення передавально! антени; Р1 - потужнiсть передавача; п1 -кое-фiцiент корисно! дi! системи передачi енергi! вiд пе-редавача до передавально! антени; F - множник ослаблення.
Для штирьових антен, що застосовуються в системах рухомого зв'язку Ga «1, n1 «0,9. Потуж-шсть передавачiв становить вщ одиниць до десятков ват. Для малих висот пiдйому антен без ураху-вання кривизни земно! поверхнi (на ввдсташ Дкм < 20VT, де к - довжина xBaii в метрах) множник ослаблення, що визначае характер мультипликативно! перешкоди в кана. ii зв'язку, знаходять з наступного виразу:
F = ^2+^ /ЯД (2)
де hi h2 - висоти передавально! i приймальнi антен; ho - мшмальна ефективна висота антени, що враховуе параметри грунту.
При наявностi в точщ прийому одного вщби-того променя оцiнюють розмiри i форму зони Френеля, ввдбиваючись в межах яко! радiохвиля приходить в точку прийому з енерпею, достатньою для наведення в антеш напруга не менше чутливостi приймача.
Якщо допустити, що поверхня, яка перевипро-мiнюе промiнь, створюе промiнь в напрямку прийо-мно! антени i розмiри цiе! поверхнi порiвняннi з ро-змiрами першо! зони Френеля, то висота розташо-ваного на ввдсташ R1 ввд випромiнюючо! станщ! перешкоди (радiусу першо! зони Френеля) може бути визначена за залежшстю:
¿1 = V(AK/3)r(1-r) (3)
де R - вiдстань вiд передавально! до прийомно! антени; r - вщношення ввдстаней до перешкоди i вiд передавально! до прийомно! антени.
Напруженiсть поля в точщ прийому за рахунок перевипромiнювання променя знаходять за такою залежшстю:
Епр = V30PGTF27R7 (4)
де F2 - множник ослаблення на дмнщ вiд по-верхнi, що перевипромiнюе до точки прийому; R2 -вщстань ввд поверхнi, що вщбивае до точки прийому; Р1-потужшсть, що перевипромiнюеться по-
верхнею P1 = nASx; ПА = РА GAF2/4nRl; Па - величина вектора Умова - Пойнтшга падаючо! на пове-рхню, що перевипромiнюe хвилi вiд передавально! антени; Si - ефективна площа перевипромiню-вання, близька до геометричнiй площi дмнки, що перевипромiнюe; 5Х = С;Я2/4^.
Припускаючи, що поверхня, яка перевипромь нюе, е шорсткою, вiдповiдно до критерш Релея = 1. Величина вектора Умова - Пойнтшга в пун-кп прийому визначаеться виразом Ппр =
P^Ff^fif. _
Множник ослаблення F = ^Ппр/Псв, де Псв = РаСл/4^Д2 - величина вектора Умова -Пойнтшга при поширенш у вшьному просторi.
Напруженiсть поля в точщ прийому, створена в результата рiвномiрного дифузного розсшвання, визначаеться по залежностг
Епр = V30PAGA/R[R!F1F2/(4nR1R2)] (5) Вираз у квадратних дужках е множником осла-блення при перевiдбиттiв радiохвиль вщ перешкоди, тобто = fiÄF1F2/(4^fi1fi2).
Якщо в точцi прийому присутш прямий i ввд-битий промеш, сумарну напруженiсть поля знаходять по залежносп
Fz = V30PAGA/R[Fnp + (RlF^/^nR^))] (6) Якщо вщбитих променiв буде N, то сумарний множник ослаблення
Fz = Fnp + (ЯА/4я)
h=1
(7)
Припускаючи, що сигнал, який прийшов в точку прийому, створить на входi приймача напругу, рiвну чутливостi приймача, граничний множник ослаблення для дано! системи зв'язку визначають за такою залежнiстю:
¿Пред = ^ЛЙЛАР^^^^вх) (8)
де ивх - чутлиисть приймача; Ювх - вхвдш опiр приймача; G2 - коефщент посилення приймальнi антени; - ККД системи передачi енергi! ввд при-йомно! антени до приймача.
Прирiвняемо вирази (2) i (8) i, вирiшуючи отриману рiвнiсть щодо R1R2 з урахуванням (5) отримаемо:
Й1Й2 = J(&2 + ^2)№2 + ^У^М^^вх/^вх (9) де h2 - висота антени, що перевипромiнюе.
У виразi (9) зроблено припущення про рiвнiсть висот приймально! та передавально! антен hпр = = h1. Для кожного фжсованого моменту часу R1R2 = const = а2 е рiвнянням овалу Кассiнi [2].
Параметр а залежить ввд характеристик системи зв'язку i властивостей грунту, що врахову-ються в параметрi h0. Позначивши половину вщс-таш мiж кореспондентами R / 2 = с, ва випадки ова-лiв Кассiнi можна звести до основних: а>с<2; а = с; с <а< с <2 ; а < с.
Рис 1. Форми зон формування eid6umux промешв.
У першому випадку овал Касаш являе собою власне овал з фокусами в мюцях розташування приймально! i передавально! станцп (рис.1, а). При а = с овал бшьш стиснутий посерединi траси (рис. 1, б). У третьому випадку зона ввдбиття являе собою лемнiскату (рис. 1, в). При а < с овал перетво-рюеться в окружносл навколо мiсць розташування антен (рис. 1, г) [3].
Проведемо розрахунок для систем 802.11 для частот F=2.4GHz та F=5GHz (X = 0.125 та X = 0.06 м), потужшсть передавача Рт-=10 W , висота антени h = 10 м.
Висота
поверхнi
перевипромiнювання
■ R/3 - вибираеться рiвною висотi зони,
суттевою для поширення радiохвилi. Вона зале-жить вiд вiдстанi R i ввд довжини хвил1 X. Чутли-вiсть приймача Uinput = 0,4 ■ 10-6 V.
Вiдстань мiж корес-пондентами R = 10 км бли-зька до гранично! ввдсгаш, на якому для розгляну-того дiапазону частот можна вважати землю як пло-ску П0верхнiсть Rdirect < 20 УХ.
h0 = 5 м, Gi = G2 ~ 1; ni= П2 ~ 0,9.
Результати розрахунку параметра а як функцп довжини хвилi для вщсташ R представленi на рис. 2.
Рис 2. Графж залежносmi napaMempie a, c eid eidcmaHi R
Аналiз залежносп параметра а ввд ввдсташ R, зображений на рис. 1, показуе, що при робот рухо-мих кореспондентiв при невеликих вщстанях R<200 м, зона формування вщбитих променiв е власне овал, т. Е. а > с/2 (рис. 1a). При середшх вщста-нях 200 м < R < 800 м мае мюце другий випадок с<а<сУ2, що характеризуеться звуженням овалу в
середнш частинi (рис.21), а при ввдстанях R> 800 м, випадок а<с зона формування вироджуеться в двi окремi областi бiля приймальних антен (рис. 1г).
Розмiри зон формування вщбитих променiв формуються значениями a та половиною вiдстанi м1ж фокусами овала Кассiнi c.
Розглянемо зони формування вщбитих промешв для F=2.4GHz.
-500
-500 -1000 -500
500 г
-1000 -500
500
о 3
500 1000
-500
-500 -1000 -500
500 г
500 1000 -1000 -500
500
500 1000
500 1000
О 3
-1000 -500 0 500 1000 -1000 -500 0 500 1000
Рис. 3 Форми зон формування eid6umux npомeнiв для F=2.4GHz
Виходячи з навколишнього рельефу i знаючи конкретш розмiри зони формування вщбитих промешв, можна провести реальну оцшку можливосп освгги утворення промешв.
Дiаметр окружносп буде найменшим для випадку а < с:
d = Ус2 + а2 — Ус2 — а2 Для випадку, коли a=427, c=600:
d = 314.92 м Зашзнювання променю:
At = - =
c
314,92 3108
= 1.05 -10-06с
(8)
(9)
Тривалiсть одного символу, для швидкосп пе-редачi V = 50 МЬрБ:
' (10)
1
tn=- =
1
V 50106
= 2•10-8с
t0<At (11)
Проведемо розрахунок для зон формування вiдбитих променiв для R=10км та F=5GHz.
a= 508.2 м; c= 5000 м; Дiаметр окружностi: d = 52м
At = 1.73 • 10" tn < At
(12)
З виразiв (11, 12) випливае, що час зашзню-
вання променю б№ше часу тривалосп iмпульсу.
Тому копiя попереднього символу буде приходити
з запiзнюванням i створюватиме iнтерференцiю з наступними символами. Щоб усунути проблему мь жсимвольно! штерференци, необхвдно збiльшити довжину символу.
Для боротьби з впливом фактору багатопроме-невосп, використовують технологш OFDM. Це до-зволяе розщепити високошвидк1сний потiк даних на безл1ч окремих потоков, передавати кожен з суб-поток1в на свош частотi, збiльшивши довжину символу.
На невеликих вщстанях при достатшх потуж-ностях передавачiв i високо пiднятих антенах мож-ливий зв'язок i при постiйно екранованому прямому
променi за рахунок вщбитих ввд перешкод проме-нiв, розташованих в межах ще! зони. Така ситуацiя найбiльш iмовiрна в густо забудованому мiському районi або прськш мiсцевостi. Знаючи передбачу-ваиi ввдсташ м1ж абонентами в проектовано! сис-темi зв'язку i визначивши параметр а, розраховують розмiри зони формування вщбитих променiв. За щiльнiстю забудови передбачуваного району дi! си-стеми зв'язку визначають можливу кiлькiсть вщби-тих променiв, що iстотно полегшуе вибiр iмовiр-ною моделi НВЧ радюканалу. Можна припустити, що в данш ситуацil превалюе паралельний характер поширення вiдбитих променiв. З ростом вщсташ м1ж абонентами зона формування ввдбитих проме-нiв стае вже в центральнш частинi. Змiнюеться i ме-ханiзм утворення сумарного поля за рахунок вщби-тих промешв. Паралельно поширюються променiв стае менше, зростае ймовiрнiсть неодноразового в1дбиття. Змшюеться i iмовiрнiсний закон поля в точш прийому [4].
У разi рiвного розподiлу половини вщсташ параметру а зона перетворюеться в лемшскату i з по-дальшим зростанням вiдстанi приймае форму кш навколо приймальнi i передавально! антен.
Висновки
Для дiапазону НВЧ характерна невелика вщс-тань мiж базовими станцiями. Коли вiдстань дуже маленька, у приймач приходить прямий промiнь, але зi збiльшенням ввдсташ, з'являеться бiльше перешкод на шляху променя i бiльше факторiв для його вiдбиття.
Якщо промшь, що затримався, приходить пi-сля реестрацп символу, переданого вiд базово! ста-нцi!, то вiн накладаеться на сусiднiй символ i руй-нуе його. I чим вище швидшсть, тим коротше iмпу-льс i тим важче розрiзнити прийнятий сигнал.
Час затримки залежить вщ географil, а трива-лiсть iмпульсу залежить вiд швидкостi передачi. Щ два фактори один з одним не пов'язаш Але !х мо-
жна поставити у ввдповщшсть, наприклад, при вь домому часi затримки, вибрати таку швидк1сть пе-редачi даних, при як1й час затримки буде не ютот-ним по ввдношенню до загально! тривалостi сигналу.
OFDM е шструментом, який дозволяе загаль-ний потiк передавати таким чином, щоб швидк1сть в кожнш пiднесучiй була в n-разiв менше (де n - ш-льк1сть пвднесучих), i ввдповвдно довжина iмпульсу в n-разiв бiльше. Таким чином, маючи просторовi характеристики в конкретному канал1, можна шд-бирати таку к1льк1сть пiднесучих, при якому вирь шуеться задача багатопроменевостi i реальний час затримки набагато менше довжини iмпульсу.
Список лiтератури
1. C. Gustafsson et al., "On mmwave Multipath Clustering and Channel Modeling," IEEE Trans. Antennas and Propagation, vol. 62, no. 3, Mar. 2014.
2. Weisstein, Eric W. "Cassini Ovals". MathWorld. -http://mathworld.wolfram.com/CassiniOvals.html
3. Mümtaz Karata§ "A multi foci closed curve: Cassini oval, its properties and applications": https://core.ac.uk/download/pdf/47254027.pdf
4. S.-Y. Lien et al., "5G New Radio: Waveform, Frame Structure, Multiple Access, and Initial Access," IEEE Commun. Mag., vol. 55, no. 6, June 2017, pp. 6471.
