CC BY
46
УДК 621.396
МОЖЛИВОСТ1 П1ДВИЩЕННЯ 1НФОРМАЦШНО1 ШВИДКОСТ1 В СИСТЕМАХ БАГАТОСТАНЦ1ЙНОГО ДОСТУПУ З КОДОВИМ РОЗД1ЛЕННЯМ КАНАЛ1В CDMA НА БАЗ1 ВИСОТНИХ ТЕЛЕКОМУН1КАЦ1ЙНИХ ПЛАТФОРМ
Реутська Ю.Ю., Калюжний О. Я.
Наведет особливост1 побудови систем мобшьного радюзв'язку на баз1 висотних платформ, розглянуто можливост1 тдвищення тформацтног швидкост1 зв 'язку, показано перспективтсть таких систем для впровадження систем зв 'язку 3G/4G.
Вступ
Одним з перспективних напрямюв розвитку сучасних телекомушкацш-них мереж е застосування в якост носив обладнання безпшотних апара^в з великою тривалютю автономного польоту. Аеростатна висотна телеко-мушкацшна платформа (ВП) або High Altitude Platform (HAP), зпдно ITU, -це об'ект, який розташований на висот 18 - 22 км у постшнш точщ над поверхнею землi. До складу платформи входить радютехшчне обладнання для надання послуг зв'язку та пеpедaчi даних. У сучасних дослщженнях iз застосування ВП було показано, що апарати з великою тривашстю автономного польоту можуть конкурувати iз тpaдицiйними «наземними» ршен-нями в област зв'язку, завдяки отриманню бiльш велико! зони покриття у поеднанш з високошвидкiсною передачею та високою якiстю зв'язку. Роз-рахунок зони покриття систем з ВП випливае зi спрошено! геометpi! роз-ташування ВП вiдносно землi (див. рис.1). Кут тднесення а не повинний бути меншим за 5о для некритичного зв'язку, якщо брати до уваги кривизну земно! поверхш та природш перепони.
висотна платформа
/
/
/
/
кут Д1аграми спрямованост1 антени
h = 18-22 км
\
ч кут гидне с ення
\
земна поверхня
d= 50-500 км
Рис.1. Зона геогpaфiчного покриття висотною платформою
/ h 2
Зона геогpaфiчного покриття таких систем d = 2cosaJ-. На-
V 1 - cos2 a
приклад, для а=5о, И=20 км, ^=457 км.
Для порiвняння в табл.1 наведет характеристики систем мобшьного зв'язку - юнуючих (наземно! та супутниково!) та на основi ВП [1].
Таблиця 1
_Основш характеристики систем мобшьного звязку_
Показники Наземнi системи Супутниковi системи Системи з ВП
Затримка сигналу при поширенш Низька Висока для GEO Дещо нижча для MEO Низька
Розгортання та обслуговування (часовi та матерiальнi витра-ти) Середш Висок1 На сьогодш - нижч^ нiж у супутникових; в перспективi нижчi нiж у наземних
Вартiсть рухомих термiналiв Низька Висока Низька
Шкiдливе випромь нювання вiд термь налiв Незначне Пщвищене Незначне
Технологiчний ризик Низький Високий Середнш; в перспек-тивi - низький
Зона географiчного покриття Кiлька кшомет-рiв вiд станцп Тисяч1 кшометр1в Сотш кiлометрiв
Затiнення вiд рельефу земно! поверхш Значна залеж-нiсть вiд рельефу мiсцевостi Проблема лише за умо-ви малих кут1в мюця Як у супутникових системах
Гранична швидкiсть передачi даних До 2 Мбгг/с Вище 2 Мб1т/с Вище 2 МбЫс
Оцшка основних критерпв
Як бачимо, основними перевагами систем з ВП перед супутниковими системами е швидше та дешевше розгортання, зручнiсть обслуговування бортового обладнання, вщсутшсть ефекту «старшня», незначна вщстань вiд землi. В порiвняннi з наземною системою маемо виграш у швидкост розгортання, в отриманнi бшьш велико! зони покриття, у спрощенш шфра-структури зв'язку та можливост реалiзувати бiльш швидкiсну якiсну передачу даних, навггь для мультимедшних послуг у реальному часi. Ц переваги особливо важливi з огляду на розгортання телекомушкацшних систем третього та четвертого поколшня (3G та 4G систем).
Розглянемо бшьш детально особливост застосування систем мобшьного радюзв'язку (СМР) на базi ВП. У найбiльш поширеному дiапазонi частот (бiльше 1 ГГц) на роботу таких систем впливають рiзноманiтнi завади природного та штучного походження: шуми приймача, атмосферш шуми, що утворюються електричними розрядами тд час гроз, космiчнi та сонячш шуми, електротранспорт i промисловi електроустановки, радюелектронш засоби рiзного призначення. Серйозш проблеми, що виникають при побу-довi наземних систем мобiльного радюзв'язку, пов'язаш зi специфiчними умовами !х роботи [3]:
- зоною дп СМР е, переважно, мюта та передмютя з рiзними щшьшс-тю й характером забудови, типом поверхш;
- мобiльна станцiя, як правило, перебувае поза зоною прямого радю-бачення базово! станцii;
- сигнал в точку прийому надходить у результат багатопроменевого поширення, тобто багаторазового вщбиття сигналу вщ чисельних за-вад (будинкiв, дерев, поверхш землi тощо);
- рух станци призводить до появи допплерiвського зсуву частоти. Внаслщок вiдзначених факторiв точний анал^ичний розрахунок енер-
гетичного потенщалу каналу для реальних умов виконати неможливо, тому скористаемось моделлю [2], яка грунтуеться на численних експеримен-тальних результатах. Отже, проведемо порiвнювальний аналiз енергетич-ного бюджету СМР за умови наземного базування та використання ВП.
Для визначеност приймемо типовi для реальних СМР вихщт данi: максимальна вщстань до базово! станцii d = 20 км, середа розповсюдження сигналу - мюто, ефективна висота антени наземно! базово! станци h-BSeff = 30 м, частота несучо! f = 1800 МГц, висота антени мобiльного те-
рмiналу hMS = 2 м. Для розрахунку наземного каналу скористаемось моделлю Окамури [2], вщповщно до яко! в частотному дiапазонi вщ 150 до 2000 МГц з ефективною висотою антени hBSeff вщ 30 до 1000 м маемо:
L = LS + A(f,d)+G(hBsef)+G(hMS)+gAREA ,
де LS - втрати в вiльному просторi, A( f, d) - медiанне значення втрат в мю-
т з квазiгладкою земною поверхнею по вщношенню до згасання в вшьно-му просторi (визначаеться згiдно [2]), коефщенти G (hBSeff), G (hMS) зада-
ються виразами: G(hBSeff) = 20\og(hBSeff!200) при 10 < hBSeff < 1000 м
?
G(hMS) = 10log(hMS/3) при hMS < 3 м, GAREA - поправний коефщент, що за-лежить вщ типу мiсцевостi та несучо!.
При заданих вихщних даних A( f, d) = 36 дБ; G (hBS eff) = 16 дБ;
G(hMS) = 1,7 дБ; GAREA = 18 дБ, LS = 124 дБ i, вщповщно, L = 195,7 дБ
Розглянемо втрати для каналу з ВП. Оскшьки основною перевагою ВП е те, що вона увесь час знаходиться в зош прямо! видимост^ втрати на розповсюдження сигналу визначатимуться як: LHAP = LS + G( hMS) i становити-муть 125,7 дБ. Отже, рiзниця втрат енергетичного потенщалу систем з ВП у порiвняннi з наземними системи складае (для розглянутого прикладу) А = 195,7 -125,7 = 70 дБ. Цей виграш можна використати для покращення якост зв'язку та шдвищення швидкост передач^ збшьшивши спектральну ефективнiсть. В той же час, вщомо [7], що зростання спектрально! ефекти-вност пов'язане зi збiльшенням позицiйностi цифрово! модуляци. Зокрема, для найбiльш поширеного методу модуляци PSK це означае шдвищення
кшькосп можливих значень фази. При цьому, енергетичний програш скла-
2
дае [3]: у(м) =-, де М - позицшшсть модуляцi! (у(4) = 8 дБ,
М (1 - cos2M-T)
Y (8) = 30 дБ, у (16) = 74 дБ). Тому, в наземних дшчих системах третього поколiння використовують модуляцш невисоко! позицiйностi, зокрема 4PSK. В системах з ВП за рахунок додаткового енергетичного потенщалу можливо отримати високу яюсть пеpедaчi при позицшност модуляци до 16, що забезпечуе швидюсть, достатню для мультимедiйних послуг мереж 3G в повному обсязь
Ще одшею проблемою дiючих СМР е чaсовi селективнi завмирання, головною причиною яких вважаеться допплеpiвське розсшвання - рух МС та "розходження" допплеpiвського зсуву частоти окремих радюхвиль при багатопроменевому пошиpеннi. При цьому мае мюце "розтягнення" сигна-лiв в чaсi та мiжсимвольнa iнтеpфеpенцiя. Для боротьби з цими явищами в наземних мережах 3G використовують алгоритми так званого RAKE-прийому [2,3,8]. Необхщною умовою застосування цих алгорштв е мож-ливють pоздiлення на виходi лiнiйного фшьтра приймача променевих складових paдiосигнaлу, тобто вщклик фiльтpa для кожно! з названих ком-понентiв повинен бути короткочасним у поpiвняннi з !х взаемним часовим зсувом. При цьому вважаеться, що лшшна частина приймального тракту виконуеться на основi фшьтру, узгодженого з очiкувaним сигналом. Отже, необхщно, щоб ширина aвтокоpеляцiйно! функцп (АКФ) сигналу була зна-чно меншою за часову затримку мiж нaйбiльш значущими його промене-вими складовими. У свою чергу, ширина АКФ сигналу, як вщомо [8], зво-ротно пpопоpцiйнa його смузь Тому, нaйбiльш придатними для застосування RAKE-приймача е системи широкосмугово! пеpедaчi з кодовим роз-дшенням (CDMA). В реальних системах CDMA взаемна корелящя послiдо-вностей, що розширюють смугу, не доpiвнюе нулю, тому коpистувaчi (апа-ратура коpистувaчiв) створюють iнтеpфеpенцiйнi завади один одному. Зважаючи на це, в дшчих наземних системах використовують складш мо-дифжаци RAKE-aлгоpитмiв та додaтковi засоби детектування [2,10]. Най-бшьш складними е aдaптивнi RAKE-пpиймaчi, де характеристики каналу ощнюються в процеЫ роботи. 1нший корегуючий компонент - декодер Вь теpбi приводить до обчислювальних складностей, що експоненцiaльно збь льшуються на величину часового розсшвання в кaнaлi [3]. Для кожного нового прийнятого символу в бшарному випадку необхщно розрахувати
лМ +1 • • 5
2 метрик, що е перепоною для юнуючих наземних кaнaлiв зв язку.
Використання ВП забезпечуе менше нiж в наземних системах максима-льне часове розсшвання в каналь Отже, при великих швидкостях пеpедaчi даних систем 3G не потpiбнi додaтковi схеми заглушування штерференци i pеaлiзaцiя алгорштв рознесеного прийому спрощуеться.
Висновки
Для забезпечення надежно! якост при швидкост передавання шформа-цiï в 100 M6ït/c в межах Украши кшьюсть сучасних наземних СМР (радiус ди яких за цих умов дорiвнюе прибдизно 100 метрiв), сягатиме мшьйошв одиниць, що реадiзувати практично неможливо i потребуе принципових змiн арх^ектури та органiзацiï доступу. Мождивим ршенням пробдеми е використання СМР, обдаднання яких розмщене на висотних платформах, що дозводяе: найпростше технiчно та економiчно доцiдьнiше виконати вимоги, що пред'явдяються до систем стандарту 3G; дшсно, як показано, система CDMA з використанням технодогп ВП задоводьняе вЫм вимогам стандарту 3G при вщноснш простотi технiчноï реадiзацiï тракту передачi; на сьогоденнiй едементнш базi безпосередньо перейти до реадiзацiï систем стандарту 4G з швидюстю передачi даних до 100 Мбгг/с, що передбачае пiдвищення частоти несучо!" (Кл^апазон), забезпечення вiдносно ведико!" зони географiчного покриття та низько1' затримки сигнаду при поширеннi.
Л1тература
I. Stylianos Karapantazis and Fotini-Niovi Pavlidou. Broadband Communications via High-Altitude Platforms: A Survey. IEEE Communications Surveys & Tutorials, http://www.comsoc.org/pubs/surveys, Vol. 7, №1, First Quarter, 2005. Веседовский Кшиштоф. Системы подвижной радиосвязи.- М.: Горячая диния-Тедеком, 2006.- 356 с.
Системы мобидьной связи./ В.П. Ипатов, В.К. Ордов, И.М. Самойдов и др.; под ред. В.П. Ипатова.- М.: Горячая диния-Тедеком, 2003.- 272 с. Системи тедекомушкацш: Пщруч. Ддя ВНЗ/ М.1. Мазурков, В.1. Правда, П.Ю. Баранов, in.; за ред. М.1. Мазуркова i В.1. Правди.- Одеса: ТЕС, 2005.- 288 с. www.3GPP.org www.3GPP2.org
Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модудяции и расширения спектра / под ред. В.И. Журавдева. - М.: Радио и связь, 2000 Прокис Дж. Цифровая связь. Пер. с ангд. - М.: Радио и связь, 2000 Aliftiras G. Receiver Implementations for a CDMA Cellular System. Blacksburg, Virginia, July, 1996. 10. Giridhar D.M., Fry G. "1xTREME: A Step Beyond 3G"
II. S. Agrawal I. Acharya S.G. Insade 3G Wireless Systems: The 1xEV-DV Technology. Proc. of Technology Review, №2003-01, March, 2003.
2.
3.
4.
5.
6. 7.
9.
Реутская Ю.Ю., Калюжный А. Я. Возможности повышения скорости в системах многостанционного доступа с кодовым разделением каналов СБМЛ на базе высотных телекоммуникационных платформ.
Приведены особенности построения систем мобильной радиосвязи на базе высотных платформ, рассмотрены возможности повышения информационной скорости святи и перспективность таких систем для внедрения систем связи 3G/4G.
Reutskaya J., Kalugniy O. Increases of speed in systems of multistation access are with the code division of channels of CDMA on the base of height telecommunication platforms. The features of construction of systems of mobile radio communication on the basis of high-altitude platforms are given, the opportunities of increase of information speed are considered consecrate, it is shown perspective of such systems for introduction of systems of communication 3G/4G
