492_Nosov_V._I.__Metody_povyshenija_pomekhoustojchivosti_sistem_radiosvjazi_..

Установка дополнительного количества базовых станций коренным образом исправить ситуацию не сможет, поскольку они будут вносить дополнительные интерференционные помехи. Имеются также и другие схемы более высокого уровня, которые могут использоваться в случае макросотовой архитектуры, построенной с применением технологии «beamforming». Они обеспечивают существенное увеличение эффективности использования спектра (увеличение скорости передачи данных для каждого абонента или увеличение количества абонентов при той же пропускной способности).

Таким образом, использование в составе базовой станции интеллектуальной антенной системы, приводит к увеличению пропускной способности на 40%. В макросотовой системе, реализующей формирование диаграммы направленности, эффективность использования спектра для каждого канала составляет 2,1 б/с/Гц/сектор.

Ещё одно преимущество применения устройства формирования адаптивной диаграммы направленности заключается в том, что при комбинировании с алгоритмами подавления помех коэффициент повторного использования частоты может достигать значения 1. Это означает, что на всех станциях может использоваться вся полоса частот. Это позволяет дополнительно увеличить эффективность использования спектра, а также реализовать систему WiMAX даже при наличии узких частотных полос.

Для определения степени влияния адаптации диаграммы направленности на рабочие характеристики системы связи с мобильными абонентами, оценки выполнялись с использованием типичных моделей многолучевых каналов при различных скоростях перемещения абонентов.

Врезультате было установлено, что для абонентов с низкой мобильностью

иабонентов, перемещающихся со скоростью до 30 км/час, рабочие характеристики связи не изменяются. Только при высоких скоростях выигрыш от формирования диаграммы направленности немного уменьшается, но даже в этом случае рабочие характеристики намного лучше, чем в системах без использования адаптационных алгоритмов.

Использование технологии MIMO

Система независимой обработки переотраженных декоррелированных сигналов абонента (MIMO) является многообещающей технологией, обеспечивающей увеличение пиковой скорости передачи трафика, средней скорости передачи данных и пропускной способности сот в широкополосных беспроводных сетях.

В концепции MIMO подразумевается использование нескольких приёмопередающих антенн. Представленный далее анализ ориентируется на схемы MIMO, определенные для профиля WiMAX Forum MTG. Реально в WiMAX

51

используются различные схемы, но для упрощения мы ограничимся только одним случаем.

Основная идея MIMO заключает в разбиении потока транслируемых данных на независимые приёмопередатчики, обеспечивающие связь для одного и того же абонента на одной и той же частоте. В этом случае по сравнению с обычной системой совокупный поток данных может быть увеличен.

Поскольку для обоих потоков данных используется одинаковая частота в одном и том же географическом регионе, то для реализации потенциальных преимуществ систем такого типа эти потоки необходимо декоррелировать.

В плотных городских условиях (так называемые «микро-соты», «пико-соты» или «внутренняя среда»), где радиоволны на пути между базовой станцией и оборудованием абонента многократно переотражаются и флуктуируют, схема дает определенный выигрыш. Для максимизации выигрыша, необходимо обеспечить хорошую независимость антенн, передающих информацию в канал одновременно. Это может достигаться либо пространственным разнесением антенн на некоторое расстояние, либо использованием разных поляризаций антенны для разных трактов.

Становится очевидным, что в составе абонентского оборудования для MIMO необходимо наличие не менее двух приёмопередающих трактов. Декодирование MIMO является непростой задачей, связанной со значительным увеличением сложности абонентского оборудования (увеличение стоимости оборудования). Поэтому поддержка в абонентском оборудовании технологии MIMO является дополнительной функцией.

Использование MIMO обеспечивает два основных преимущества:

Увеличение надежности нисходящих линий связи.

При сравнении MIMO и устройства с одной антенной, наблюдается существенное улучшение работы нисходящих и восходящих линий связи, проявляющееся в виде более стабильной и более надежной передачи данных в условиях сильного рассеивания радиоволн.

Увеличение пропускной способности MIMO.

Благодаря возможности использования схем модуляции более высокого уровня или одновременной передачи нескольких независимых потоков, MIMO, по сравнению с одной антенной обеспечивает в линиях связи увеличение пропускной способности приблизительно на 30% по отношению к системам обычной сотовой связи, и на 100% по отношению к микро-сотам. Эффективность для каждого канала может составлять от 1,7 б/с/Гц/сектор, в типичной (типовой) системе, и в некоторых случаях теоретически может достигать 2,8 б/с/Гц/сектор (пико-соты).

52

В качестве преимущества необходимо отметить стабильность рабочих характеристик MIMO по сравнению с характеристиками систем с использованием традиционного антенного оборудования. То есть, при скоростях перемещения абонента от 3 км/час до 120 км/час никакого ухудшения характеристик мобильности или передачи не наблюдается.

Серьёзным минусом таких систем является ухудшение качественных характеристик в случае отсутствия переотражений. Такая ситуация имеет место на открытых пространствах с неплотной застройкой и в случае, если антенна базовой станции располагается выше уровня крыш. В таких ситуациях для достижения приемлемых рабочих характеристик сети очевидна необходимость формирования диаграммы направленности.

Приведенный анализ наводит на мысль о возможности объединения двух технологий, с целью получения преимуществ. Но, к сожалению, не всё так просто.

Возникает противоречивое требование по расположению радиоизлучающих элементов – для случая применения технологии “beamforming” антенны должны распологаться достаточно близко друг к другу (как правило, это половина длины излучаемой волны). С другой стороны, для реализации схемы MIMO элементы должны быть декоррелированы, то есть должны располагаться на удалении друг от друга или должны иметь разную поляризацию.

Для оценки возможности совмещения двух технологий был проведен анализ, с целью установить:

Каков будет результат применения технологии MIMO в случае адаптивной антенной системы. Если элементы располагаются друг к другу ближе оптимального расстояния, эффективность работы MIMO снизится.

Возможно ли применение пары двухэлементных антенных панелей,

сдостаточно малым расстоянием между элементами каждой панели, но значительным пространственным разносом между панелями. Схема MIMO будет работать достаточно хорошо, хотя выигрыш от формирования диаграммы направленности станет немного хуже.

Как показывают результаты имитационного моделирования, в первом варианте выигрыш в энергетическом потенциале линии связи сравним с характеристиками системы с формированием диаграммы направленности, но с учетом коэффициентов усиления при разнесенном приеме, даваемых дополнительно MIMO. Для достижения наиболее экономичного результата переоснащение станций может быть выполнено уже сегодня, при этом будут использоваться уже существующие стандартные 4-элементные антенные панели, которые в дальнейшем не потребуется заменять. Объединение технологий «beamforming + MIMO» может быть осуществлено простой загрузкой программного обеспечения на базовой станции (базовые станции должны поддерживать соответствующие схемы).

53

Второй вариант обещает даже лучшие рабочие характеристики. В зависимости от конкретных условий, можно ожидать, что сверх выигрыша, даваемого формированием диаграммы направленности, увеличение пропускной способности может достигать до 30%.

Качественное сравнение рабочих характеристик

Первый показатель: Зона обслуживания.

Следует отметить, что при использовании MIMO или адаптивных антенных систем не может осуществляться пересылка обычных ресурсов обмена сигналами, и поэтому зона обслуживания соты ограничивается. В случае MIMO применяется две приемопередающие антенны. В случае применения антенной решетки, применяется специальная широковещательная диаграмма, обеспечиваемая 4 передатчиками и 4 антенными элементами.

Для конкретного набора параметров энергетического потенциала линии связи (выбраны максимально ограниченные ресурсы восходящей линии связи, нисходящей линии связи и средств обмена сигналами) обеспечивается следующий коэффициент усиления системы (таблица 1.4). Коэффициент усиления системы определяется как разность уровня мощности передатчика и порогового уровня приёмника.

Табл. 1.4. Коэффициент усиления системы

Технология формирования диаграммы направленности обеспечивает увеличение энергетического потенциала линии на 5 дБ по сравнению с MIMO. Это соответствует теоретическому выигрышу в отношении зоны обслуживания, превышающему 100%.

Второй показатель: Пропускная способность (или эффективность использования спектра).

При сравнении рабочих характеристик различных радиосистем в отношении пропускной способности было выполнено моделирование при максимальной зоне обслуживания соты у каждой системы. Сравнение показывает, что технология «beamforming» дает более высокие результаты, чем MIMO. Для типичной системы эффективность использования спектра в каждом секторе при схеме повторного использования частоты 1/3 представлена в таблице 1.5.

54

Табл.1.5. Эффективность использования спектра

Теоретически, в некоторых случаях использования пико-сот возможно достижение более высоких рабочих характеристик.

Выводы

Использование механизмов, позволяющих управлять диаграммой направленности, может обеспечить увеличение качества связи в зоне обслуживания на 90% (как для нисходящих линий связи, так и для восходящих линий связи). Кроме того, для сетей, использующих MIMO без формирования диаграммы направленности, потребуется увеличение количества станций от 40% до 80%. Данный подход считается наилучшим методом построения полной макросотовой сети, у которой рабочие характеристики стабильны во всех условиях (городских, пригородных, при прямой видимости) и которая требует минимального количества станций (самый низкий уровень капитальных затрат). Возможности уменьшения уровня интерференции при формировании диаграммы направленности, применение средств подавления помех – это естественный путь развития, направленный на достижение ещё большей эффективности использования спектра. Кроме того, рабочие характеристики системы связи при формировании диаграммы направленности не зависят от поставщиков абонентского оборудования, поскольку не требуется дополнительная обработка сигналов, и адаптация абонентского оборудования минимальна.

MIMO обеспечивает более высокую пропускную способность в микросотовых системах (внутренние системы или условия с плотной застройкой). Это достигается за счет дополнительного усложнения абонентского оборудования. В условиях прямой видимости между базовой станцией и абонентом данная схема работает значительно хуже, чем традиционная.

Объединение двух подходов может устранить имеющиеся недостатки и позволит получить оптимальное решение для любых условий. Можно показать, что такое решение может быть обеспечено с помощью одной общей антенной системы.

Очевидна целесообразность применения технологии адаптивных антенных систем в каждой устанавливаемой базовой станции WiMAX на этапе разворачивания сети. Добавление функциональности MIMO должно обеспечиваться на том

55

этапе, когда появится доступное абонентское оборудование, когда понадобится высокая ёмкость сети, и когда будут внедряться концепция развертывания базовых станций с поддержкой микро- и пико-сот.

Для обеспечения совместного использования формирования диаграммы направленности и MIMO базовые станции должны иметь возможность соответствующей модернизации путем простой загрузки программного обеспечения. Модернизация такого типа должна закладываться для защиты первоначальных капиталовложений, поскольку невозможно предсказать, какие идеи будут использоваться в будущих усовершенствованных алгоритмах.

1.2.8 Стандарт IEEE 802.11g и PBCC

Стандарт IEEE 802.11g является логическим развитием IEEE 802.11b и предполагает передачу данных в том же частотном диапазоне. Кроме того, стандарт IEEE 802.11g полностью совместим с IEEE 802.11b, то есть любое устройство IEEE 802.11g должно поддерживать работу с устройствами IEEE 802.11b. В то же время, по способу кодирования IEEE 802.11g является, так сказать, гибридным, заимствуя все лучшее из стандартов IEEE 802.11b и IEEE 802.11a. Максимальная скорость передачи в стандарте IEEE 802.11g составляет 54 Мбит/с (как и в стандарте IEEE 802.11a), поэтому на сегодняшний день это наиболее перспективный стандарт беспроводной связи [10, 11].

При разработке стандарта IEEE 802.11g рассматривались две несколько конкурирующие технологии: метод ортогонального частотного разделения OFDM, заимствованный из стандарта IEEE 802.11a и предложенный к рассмотрению компанией Intersil, и метод двоичного пакетного свёрточного кодирования PBCC, опционально реализованный в стандарте IEEE 802.11b и предложенный компанией Texas Instruments. В результате стандарт IEEE 802.11g содержит компромиссное решение: в качестве базовых применяются технологии OFDM и CCK, а опционально предусмотрено использование технологии PBCC. О технологиях CCK и OFDM мы уже рассказывали, поэтому знакомство со стандартом IEEE 802.11g начнем с рассмотрения технологии PBCC.

Как уже отмечалось, технология двоичного пакетного свёрточного кодирования опционально используется и в стандарте IEEE 802.11b на скоростях 5,5 Мбит/с и 11 Мбит/с. В основе метода PBCC лежит так называемое свёрточное кодирование со скоростью 1/2. В любом свёрточном кодере используются запоминающие ячейки (регистры) и логические элементы XOR. Рассмотрим принцип работы свёрточного кодера на простейшем примере кодера, состоящего всего из двух запоминающих ячеек (рис. 1.21).

56

Рис. 1.21. Простейший кодер на три состояния

Пусть на вход такого кодера поступает со скоростью k бит/с последовательность битов 01011100 (левый бит считается первым). В результате логических преобразований входной последовательности с помощью операций XOR каждому входному биту ставятся в соответствие два выходных бита – Y0 и Y1. Выписывая таблицу временных состояний кодера, найдем формируемые последовательности битов – Y0 и Y1 (таблица 1.6). При этом предполагается, что в начальный момент, то есть когда на вход кодера поступает первый бит входной последовательности, значения запоминающих ячеек равны 0.

Табл. 1.6. Временная диаграмма состояний свёрточного кодера

Отметим одну важную особенность принципа формирования выходных битов: значение каждого формируемого дибита зависит не только от входящего информационного бита, но и от двух предыдущих битов, значения которых хранятся в двух запоминающих ячейках. Таким образом, значение выходного дибита зависит от трёх состояний – значения входного бита, значения первой запоминающей ячейки и значения второй запоминающей ячейки. Такие кодеры получили название свёрточных кодеров на три состояния (K = 3) с выходной скоростью 1/2.

57

Главным достоинством свёрточных кодеров является помехоустойчивость формируемой ими последовательности. Дело в том, что при избыточности кодирования (вспомним, что каждому информационному биту ставится в соответствие дибит, то есть избыточность кода равна 2) даже в случае возникновения ошибок приёма (к примеру, вместо дибита 11 ошибочно принят дибит 10) исходная последовательность битов может быть безошибочно восстановлена. Для восстановления исходной последовательности битов на стороне приёмника применяется декодер Витерби.

В протоколе IEEE 802.11b и IEEE 802.11g используются свёрточные кодеры, состоящие из шести запоминающих ячеек (K = 7) со скоростью кодирования 1/2. Схема такого кодера показана на рис. 1.22.

Рис. 1.22. Схема свёрточного кодера (K = 7); скорость кодирования равна 1/2

Дибит, формируемый в свёрточном кодере, используется в дальнейшем в качестве передаваемого символа, но предварительно этот дибит подвергается фазовой модуляции (рис. 1.23). Если скорость передачи составляет 11 Мбит/с, то применяется квадратурная фазовая модуляция QPSK. В данном случае каждому их четырёх возможных состояний дибита соответствует одна из четырёх возможных фаз. При этом в каждом символе кодируется по одному входному биту и скорость передачи битов соответствует скорости передачи символов.

Если же скорость передачи составляет 5,5 Мбит/с, то используется двоичная фазовая модуляция BPSK. При этом каждый бит Y0 и Y1, формируемый свёрточным кодером, последовательно подвергается фазовой модуляции. Поскольку каждому входному биту в данном случае соответствует два выходных символа, скорость передачи битов равна половине скорости передачи символов. Поэтому, и для скорости 5,5 Мбит/с, и для скорости 11 Мбит/с символьная скорость составляет 11 × 106 символов/с.

58

Рис. 1.23. Схема PBCC-модулятора

Как видно, технология PBCC достаточна проста. В отличие от технологий DSSS (коды Баркера, ССК-последовательности) здесь не используется технология уширения спектра за счёт применения шумоподобных последовательностей, однако, уширение спектра до стандартных 22 МГц предусмотрено и в данном случае. Для этого применяют вариации возможных сигнальных созвездий QPSK и BPSK.

Напомним, что сигнальные созвездия представляют собой геометрическое отображение возможных выходных состояний сигнала. Для QPSK-модуляции имеется четыре дискретных состояний сигнала: 00, 01, 10 и 11. Каждому из этих дибитов соответствует одна из четырёх возможных фаз несущего сигнала. Выбор одного из возможных состояний определяется комбинацией управляющих сигналов синфазного и квадратурного каналов dI и dQ, принимающих значения +1 и -1. Следовательно, каждому состоянию сигнала соответствует пара координат dI и dQ.

Отображая на IQ плоскости возможные значения dI и dQ и соответствующие им дибиты, получим так называемое сигнальное созвездие. Понятно, что расположение точек на сигнальном созвездии может быть различным, то есть комбинация управляющих сигналов dI=+1 и dQ=-1 может соответствовать дибиту 00, а может – и дибиту 10. Фактически это означает, что в первом случае дибиту 00 ставится в соответствие одно значение фазы несущего сигнала, а во втором – другое. Именно этот принцип реализован в методе PBCC для уширения спектра выходного сигнала. Используется по два сигнальных созвездия QPSK и BPSK (рис. 1.24 и 1.25).

59

Рис. 1.24. Сигнальные созвездия при модуляции QPSK

Выбор между конкретным типом используемого созвездия задаётся управляющим сигналом S, принимающим значение 0 или 1. Этот сигнал задаётся псевдослучайной последовательностью с периодом повторения 256 бит, которая формируется из 16-битной базовой последовательности 0011001110001011.

Для того чтобы из данной базовой 16-битной последовательности получить 256-битную, используют циклический сдвиг одновременно трёх первых символов. Так получают еще пятнадцать 16-битовых последовательностей, что в сумме дает одну 256-битную.

Как уже отмечалось, рассмотренный метод PBCC-кодирования опционально используется в протоколе IEEE 802.11b на скоростях 5,5 и 11 Мбит/с. Аналогично в протоколе IEEE 802.11g для скоростей передачи 5,5 и 11 Мбит/с этот способ тоже используется опционально. Вообще, учитывая совместимость протоколов IEEE 802.11b и IEEE 802.11g, технология кодирования и скорости, предусмотренные протоколом IEEE 802.11b, поддерживаются и в протоколе IEEE 802.11g.

60