Влияние точности регулировки мощности на помехоустойчивость обратной линии мобильной связи Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Влияние точности регулировки мощности на помехоустойчивость обратной линии мобильной связи

Ключевые слова: вероятностные характеристики, пилот-сигнал, петли обратной связи, отношение сигнал-помеха, некогерентный оптимальный прием, базовая стан-иия.

В сотовых системах мобильной связи энергетическая проблема "далекий-близкий" решается путем управления мощностью передатчика. При регулировке мощности абонентской станции (АС) по замкнутому циклу, петля обратной связи определяет значение отношения сигнал/помеха по мощности при помощи пилот-сигнала, для чего применяются различные схемы. Синусоидальный пилот-сигнал проходит через турбулентную среду распространения электромагнитных волн и претерпевает различным искажениям. Поэтому на входе схемы измерения отношения сигнал/помеха действует случайный процесс. Необходимо определить вероятностные характеристики этого процесса в зависимости от характеристик канала связи и ступени его прохождения [1 ]. В [2] предложена схема, в которой используется оптимальный фильтр. Принимаемый пилот-сигнал сначала подводится на вход демодулятора. Сумма полезного сигнала (случайного процесса) и флуктуационного шума с выхода детектора одновременно поступает на входы схемы обработки суммарного сигнала и оптимального фильтра [3]. Эффективность регулировки мощности в этой системе зависит от точности определения значения требуемой и измеряемой мощностей. Точность регулировки также зависит от применяемой шкалы регулировки. Целью статьи является определение влияния неточности в регулировке мощности на помехоустойчивость линии АС — базовая станция (БС). Показаны этапы определения основных вероятностных характеристик пилот-сигнала на входе измерителя отношения сигнал/помеха петли обратной связи. Рассчитано изменение помехоустойчивости обратной линии мобильной связи при ошибках в управлении мощностью и некогерентном оптимальном приеме на базовой станции.

Мамедов И.Р.,

дт.н., профессор Азербайджанского Технического Университета.

Азербайджанская Республика, г. Баку, [email protected]

Алиев З.Б.,

диссертант Азербайджанского Технического Университета

1. Регулировка мощности передатчика АС как задача стохастического управлении

Целенаправленное воздействие на управляемую систему с целью сохранения ее определенную структуру и достижения определенной цели называется управлением. Объект управления находится под воздействием входного сигнала управления и(0 и в общем случае, внешних помех различной структуры. Эти помехи влияют на состояние объекта управления.

Каждая управляемая система состоит из объекта управления, блока измерения и блока управления [4], Для формирования команды управления выходной сигнал объекта управления у(и сначала подводится в блок измерения. В реальных условиях в блок измерения воздействуют также помехи измерения. Входной сигнат измерителя /(0 поступает в блок управления, куда также прилагаются критерии управления и другие необходимые априорные информации. Управляющий сигнал, формируемый блоком управления, воздействует на объект управления.

При анализе реальных систем управления должны быть учтены не только внешние помехи, но и их структуры. Системы управления, в которых учитываются влияния внешних помех на объект управления и влияния помех измерения па блок измерения, называются стохастическими системами управления. В теории связи рассматриваются также детерминированные системы управления, в которых предполагается, что на работу системы не оказывают влияния вышеназванные помехи.

Задачи теории систем управления условно подразделяются на следующие подгруппы:

1. Задача идентификация системы. Здесь выявляется необходимая информация для составления алгоритма управления. Выходной сигнал у(1) неизвестный системы поступает в блок измерения. Результаты измерения обрабатываются

с целью определения характеристик рассматриваемой неизвестной системы. Далее составляется алгоритм управления.

2. Задача оценивания состояния. Здесь осуществляется наилучшая оценка состояния у {у (рис.1). На объект управления воздействуют внешние помехи w(t), а на блок измерения — помехи измерения n{t). Производится измерение выходного сигнала объекта управления y(t) на фоне помехи. При известных вероятностных характеристиках помех формируется соответствующий сигнал управления z(l).

3. Задача управления. Здесь определяется управляющий Сигнал и алгоритм его воспроизведения. Формируемый сигнал изменяет состояние системы для достижения заданной цели. Эти операции выполняются для полностью известной системы и при этом не учитываются влияния помех (детерминированная модель),

4. Задача стохастического управления. Здесь по заданным характеристикам управляемой системы и по известным вероятностным характеристикам внешних помех и помех измерения определяется алгоритм управления системой, при помощи которого обеспечиваются экстремальные значения критерия качества.

Таким образом, управления мощностью передатчика мобильной связи может быть классифицирована как задача стохастического управления с точки зрения теории управления систем. Анализ системы усложняется из-за трудности определения структуры внешних помех. Поэтому сначала рассмотрим детерминированную систему управления. При детерминированной модели сигнал управления может быть генерирован автономно (разомкнутая система управления) и с помощью выходного сигнала управляемой сис темы (система управления с обратной связью).

В большинстве предложенных моделей управления мощностью передатчиков мобильной связи одновременно применяются автономная внешняя разомкнутая цепь управления и цепь обратной связи. Составляем комбинированную схему детерминированного управления мощностью передатчика мобильной связи (рис. I).

Стохастическое управление более реально отражает процедуру управления, гак как в реальной системе всегда присутствуют внешние помехи. Анализ таких систем может быть проведен при конкретной структуре внешних помех.

T-Comm #12-2014

59

]]ере- Линия связи Приемник

ДЛТЧИ К

Оценка состояния

I________

2(1>

Блок измерения

"Критерия правления

Внешняя цепь

Блок управления

У (О

«0)

Объект управления

Замкнутая петля управления

с!к\\'1(У)

(¡V

к = 1,2,3,...

Здесь

где

•М -

ах

(2)

одномерная плотность вероятности входного

случайного процесса, в с (у ) — его характеристическая функция.

После вычисления кумулянтов входного случайного процесса определяется передаточная функция линейной инерционной системы. В литературе найдена передаточная функция названного оптимального фильтра [4], Импульсный отклик этой системы выражается формулой [5]:

(3)

Выражение (3) справедливо при I > 0 и сс>0, ЧТО соответствуют условиям нашей задачи.

Третьим этапом определения плотности вероятности на выходе линейной инерционной системы является расчет

кумулянтов гепк выходного случайного процесса »1 (1), для чего пользуются известным импульсным откликом (или передаточной функцией) этой линейной системы и выражением [4]:

пк

<301 эс

Г Г^-иЩ^и

Шд. *

& о|_о Подставив (3) в (4) находим;

(4)

4 Л

о

*<Й

а

к-1

«¿к ="

4а

(5)

Рис, 1. Комбинированная схема детерминированного управления системой

В стохастических системах управления системой разделяется на два типа задач. Фактически такое управление состоит из комбинации задачи оценивания состояния системы и задачи оптимального детерминированного управления, т.е. из задач 2-го и 3-го пунктов последовательно.

2. Вероятностное описание амплитуды пилот-сигнала

В теории связи фильтры относятся к классу линейных инерционных систем [4]. При воздействии случайного процесса на вход линейной инерционной системы на ее выходе тоже появляется случайный процесс, но в общем случае, уже с другими вероятностными характеристиками. Задача состоит и определении нужных вероятностных характеристик выходного процесса при известных параметрах системы и вероятностных характеристиках входного случайного процесса.

В рассмотренном случае входной случайный процесс считаем стационарным в широком смысле. Известны методы определения плотности вероятности на выходе линейной инерционной системы, если известна эта характеристика случайного процесса на ее входе. 1 [ри этом по известной плотности вероятности входного случайного процесса находятся его кумулянты 4, 5]:

Следующим этаном преобразования является аппроксимация плотности вероятности случайного процесса на выходе линейной инерционной системы по полученным его кумулянтам на выходе этой системы. При фиксированном максимальном порядке используемых кумулянтов и симметричности плотности вероятности ряд Эджворта обычно обеспечивает лучшую аппроксимацию одномерной плотно-

сти вероятности ¡4.5

-.(У)- ¿е-"

. Названый ряд имеет вид [5]:

1+ (у)+~~ н 4 (у)+

л!

4!

10аг

6!

н6(у)-

(6)

где Нп(у) - полиномы Эр мм та [5].

При малых значениях кумулянтов высокого порядка используем только первые два слагаемые в (6). Тогда в аппроксимируемой плотности вероятности случайного процесса на выходе оптимального фильтра участвуют начальные моменты первого, второго и третьего порядков.

2. Оценка влияние ошибки в управлении мощности на помехоустойчивость линии АС-БС

При изменении условия распространения сигнала может произойти изменение закона распределения амплитуды пилот-сигнала. Определим мощность пилот-сигнала на выходе оптимального фильтра петли обратной связи. Допустим, что среднее значение при различных распределениях амплитуды пилот-сигнала на входе приемника равно половине амплитуды излучаемого пилот-сигнала 0,5Ао. При рэлеевском распределение амплитуды пилот-сигнала на входе петли обратной связи нами определена мощность случайного процесса /;(1) на выходе названного оптимального

к 4 — Л" ¡2 . .

фильтра: Р_ =-А^. Из полученного выражения следует,

Над-

что она зависит от среднего его значения и параметра а фильтра.

На помехоустойчивость системы влияют неточности регулировки мощности. При известных ошибках управления мощности можно найти разность между необходимым и действующим значениями мощности на входе приемника.

Допустим, что в приемнике ВС применяется некогерентный прием сигнала. В литературе [I] приведена зависимость

60

Т-Сотт #12-2014

Р = (с1рк5,м) (Рис' 2)> где Ж0Т - база сигнала, аИ(т-нормированное значение мощности для 1-го канала передатчика БС при работе на от-:м уровне относительно максимальной мощности, К„ - среднее расстояние от влияющей БС до 1-го абонента, R¡ - расстояние от «своей» БС до /-го абонента, п — параметр затухания, Ь - количество активных абонентов,

С| =-т- - условный параметр, учитывающий зату-

V

хание сигнала при распространении от г'-го абонента до БС, V2 - спектральная плотность флуктуационного шума, Ру м — максимальная мощность, равная мощности передат-

Рис. 2. Зависимость м) при регулировке мощности

и без нее: 1 - при отсутствии регулировки для значения Ь = 100, : 5, = 4; 2 - при регулировке мощности по арифме-

тической прогрессии для значения Ь = 100, Яп/К| =5, шсТ =4, ак'1,т = 3 - при отсутствии регулировки для значения Ь = 10, Я „ / Я; = 5, ЖСТ = 4; 4 - при регулировке мощности по арифмети ческой прогрессии для значения С = 10, Я „ = 5,

Пользуясь этой зависимостью определяем изменение помехоустойчивости на линии АС-БС, Из графиков следует, что при управлении мощностью АС по шкале с арифметической прогрессии из-за изменения мощности сигнала вероятность ошибки почти не изменяется при большом количестве активных абонентов. А при малом количестве активных абонентов уменьшение мощности на 25% приводит к увеличению вероятности ошибки примерно в пять раз.

Заключение

С целью анализа точности определения уровня мощности, или отношения сигнал/помеха по мощности в замкнутой цепи обратной связи для автоматической регулировки мощности должны быть определены вероятностные характеристики пилот-сигнала. Эти вероятностные характеристики определяются законом флуктуации амплитуды пилот-сигнала в линии связи.

При малом количестве активных абонентов ошибка в управлении мощностью на 25 % приводит к увеличению вероятности ошибки на линии АС-БС примерно в пять раз.

Литература

1. Вепиев М.А. Методы и средства помехоустойчивой передачи сигналов в системах мобильной связи. Диссертация на соискание ученой степени доктора философии по технике. Баку, 2011.

2. Велиев М.А. Составление модели замкнутой петли обратной связи для управления мощностью передатчика. Ученые записки АзТУ, 2008, № 1.-С. 25-27.

3. Велиев М.А. Измерение отношения сигнал/помеха для управления мощности радиопередатчика системы сотовой связи. - Научные известия Сумгаитского Гос. Университета, 2009, т.9, № 1, -С. 65-69.

4. Левин Б.Р., Щварц В. Вероятностные модели и методы в системах связи и управления. —М.: Радио и связь, 1985.- 312 с.

5. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники, Книга первая. - М.: Советское радио, 1974. - 550 с.

Influence on the accuracy of power adjustment immunity uplink mobile

Mammadov I.R., Ph.D., professor of Azerbaijan Technical University, Azerbaijan, Baku, ¡[email protected] Aliyev Z.B., dissertanf Azerbaijan Technical University

Abstract

In this paper stages of definition of the main probability characteristics of the Pilot-Signal Ampli-tude at the input of the Closed Feed-back Circuit Measurement of signal/interference ratio is are shown. Change of the noise immunity in the Feed-back line of the mobile communication at the power adjustment errors in the non- coherent optimum reception at base station is calculated.

Keywords: probability characteristics, Pilot-Signal, Feed-back Circuit, Signal-Interference Ratio, non-coherent optimum reception, base station.

References

1. Veiiev MA Methods and means of interference-free signal transmission in mobile communication systems. Thesis for the degree of Doctor of Philosophy in Technology. Baku, 2011.

2.. Veiiev M.A Preparation of a model of closed feedback loop to control transmitter power. Scientific notes AzTU 2008, No 1. Pp. 25-27.

3. Veiiev MA. Measurement of signal / noise ratio for controlling the transmission power of mobile. Scientific news Sumgait State. University Press, 2009, v.9, No 1. Pp. 65-69.

4. Levin B.R., Schwarz W. Probabilistic models and methods in communication systems and management. Moscow: Radio and Communications, 1985. 312 p.

5. Levin B.R. Theoretical Foundations of Statistical Radio Engineering. Moscow: Sovetskoe radio, 1974. 550 p.

T-Comm #12-2014

61