Аналитическая оценка распределения потерь относительно допустимого уровня беспроводных каналов связи стандарта LTE в условиях пригорода

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В последние годы значительно увеличивается количество пользователей и объемы передаваемой информации. Поэтому важную роль в каналах связи сейчас играет пропускная способность (ПС) и помехозащищенность. Одной из технологий, позволяющей решить вопрос повышения ПС и помехозащищенности является стандарт долгосрочной перспективы Long Term Evolution (LTE) и его улучшенная версия LTE-Advanced партнерского проекта 3GPP (3rd Generation Partnership Project). В основе данных стандартов лежит связка технологий пространственной обработки Multiple Input Multiple Output (MIMO) и ортогонального частотного мультиплексирования Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM).

Крайне важным вопросом в настоящий момент является обеспечение качественной связи не только в городе, но и в сельской местности и пригороде. В больших городах активно занимаются расширением инфраструктуры, оборудования и обеспечением хорошего покрытия. При этом в сельской местности качество каналов связи ожидает желать лучшего.

Важным этапом при анализе каналов связи стандарта LTE и LTE-Advanced с MIMO является компьютерное моделирование и анализ потерь на трассе распространения радиоволн. Проблеме замираний и потерь в последние годы посвящено ряд работ, так как именно потери в первую очередь влияют на скорость передачи и их оценка и моделирование необходимы для анализа текущего состояния MIMO канала.

Улучшение характеристик каналов связи на базе стандарта LTE достигается за счет многоэлементных антенн, как на передающей, так и на приемной стороне -- так называемые ЦСПИ с многими входами -- многими выходами (MIMO). MIMO -- метод пространственного кодирования сигнала, позволяющий увеличить полосу пропускания канала, в котором передача данных и прием данных осуществляются системами из нескольких антенн. Передающие и приёмные антенны разносят так, чтобы корреляция между соседними антеннами была слабой. Передача информации параллельно по нескольким каналам повышает пропускную способность, помехоустойчивость и надежность каналов связи. Технология MIMO позволяет уменьшить вероятность ошибок без снижения скорости передачи

Большинство научных и технических решений MIMO, представленных в стандарте LTE, также применяются и в LTE-Advanced, а именно: лучеформирование, пространственное мультиплексирование и пространственное разнесение. Назначение MIMO в стандарте LTE-Advanced -- это дальнейшее повышение ПС: пиковой, средней и пропускной способности на границе ячейки. Требования стандарта LTE в основном сфокусированы на повышении средних значений пропускной способности и параметров ПС на границе соты, уделено внимание скоростям, но не дана оценка влиянию потерь.

В стандарте LTE-Advanced реализовано объединение различных режимов MIMO: расширенное или усовершенствованное предварительное кодирование (прекодирование), многопользовательский и однопользовательский режимы (рис. 1).

Рис. 1

Основными режимами работы MIMO в LTE- Advanced (рис. 1) являются:

1) Co-MIMO: способствует повышению ПС пользователя на границе ячейки и включает методы совместной передачи -- приема сигналов несколькими близлежащими базовым станциям (БС), что позволяет уменьшить уровень межсотовой интерференции. К таким методам относится технология совместного многоточечного приема-передачи БС.

2) MU-MIMO (Многопользовательский MIMO): обеспечивает лучший компромисс между производительностью системы и ее сложностью. При MU-MIMO увеличивается гибкость Space-Division Multiple Access, что позволяет различным потокам достигать каждого пользователя, увеличивая при этом среднюю скорость передачи данных в ячейке. SU-MIMO и MU-MIMO еще называется одноместным MIMO (single site MIMO).

3) SU-MIMO (Однопользовательский MIMO): метод пространственного разнесения и мультиплексирования в сочетании с лучеформирова- нием. SU-MIMO вместе с большим количеством многоэлементных антенн позволяет существенно увеличить пиковые скорости передачи данных пользователей.

Заметим, что требования к LTE-Advanced намного выше, чем к LTE, но и возможностей в стандарте LTE-Advanced больше. Реализация LTE-Advanced наиболее перспективна, так как в ней есть целых три режима планирования сети. Исходя из представленных данных, следует, что стандарт LTE уже достигает скоростей передачи данных, близких к пределу Шеннона, следовательно, основные усилия проектировщиков сети должны быть сосредоточены на улучшении соотношения сигнал/интерференция + шум, что снизит потери и обеспечит в конечном итоге максимально возможные скорости передачи данных в большей части соты.

Стандарт LTE Advanced, позволяющий, помимо прочего, объединить разные несущие, значительно повышает пропускную способность сети в целом. А на конечных устройствах пользователя демонстрирует высокие скорости передачи данных и стабильность передачи благодаря работе на двух несущих одновременно. В каналах связи стандарта LTE и LTE-Advanced с MIMO преимущественно отсутствует прямая видимость между БС и абонентским терминалом. Вследствие этого, принимаемый сигнал представляет сумму отдельных волн, переотраженных от большого числа отражателей и рассеивателей, расположенных случайным образом в среде передачи. Это в значительной мере ухудшает показатели по скорости, так как здесь появляется проблема замираний и потерь при распространении радиоволн. На сегодняшний день эта проблема в является достаточно актуальной и ее исследует целый ряд ученых.

Решение задачи по снижению потерь в городе уделяется большое внимание. Это происходит потому что в городской застройке больше застройка, и количество подвижных абонентских терминалов также выше. При этом нельзя забывать, что в пригороде, а особенно на трассе или магистали намного больше скорость передвижения абонентских терминалов и меньше объектов для переотражения, за счет которых увеличивается скорость передачи в каналах MIMO. Условия для качественного канала связи в сельской местности значительно хуже, и поэтому появляются высокие потери.

Обобщая математические модели для описания каналов можно выделить детерминированные, структурно-детерминированные и стохастические модели. Подавляющее большинство реальных волновых каналов, передающих информацию, являются стохастическими, т.е. представляют собой среды со случайными неоднородностями. К стохастическим моделям каналов относятся те модели, которые описывают каналы связи, где предполагается, что форма передаваемого сигнала изменяется случайным образом. Существует ряд стохастических моделей для цифровых систем передачи информации -- это двухлучевая модель, экспоненциальная модель, модель Salesh-Valenzuela, модель Джейкса и лучевая модель радиоканала (ЛМРК).

Для описания простейших радиоканалов с интерференционными замираниями используется двухлучевая модель. Данная модель справедлива на гектометровых волнах в пределах зоны эффективного распространения земной волны (наличие однократно и двукратно отраженных лучей) и имеет место только для SISO каналов. Без сомнений простота двухлучевой модели это достоинство, но при этом важным недостатком является невозможность применения ее к MIMO системам.

Экспоненциальная модель представляет собой дальнейшую модификацию двухлучевой модели, когда увеличивается число каналов и средняя мощность в канале уменьшается по экспоненциальному закону. Экспоненциальная модель больше подходит для моделирования каналов в помещениях. Ограничением экспоненциальной модели является то, что она отлично подходит для каналов закрытого типа, но не применима для открытого пространства и больших расстояний.

Для моделирования ЦСПИ стандарта LTE и LTE-Advanced с MIMO на практике часто используется модель Джейкса. Модель Джейкса широко применима для описания нестационарных рэлеевских затуханий с П-образным спектром мощности. Каждый элемент матрицы MIMO канала самостоятельно подчиняется модели, т.е. с помощью нескольких колец рассеяния, теоретически, можно получить независимые и одинаково распределенные, изменяющиеся во времени MIMO каналы, что дает возможность анализировать ЦСПИ стандарта LTE и LTE-Advanced. Модель Джейкса получена в результате сложения плоских волн при их взаимодействии с различными рассеивателями в окружающем пространстве вокруг антенны абонентского терминала. Согласно модели Джейкса все лучи, возникшие в результате рассеяния, представляют плоские волны, имеющие равномерный азимутальный спектр мощности, что не всегда выполняется в реальных условиях. Мобильные абонентские терминалы в реальных условиях могут иметь различное положение и удаление от БС. Поэтому модель Джейкса можно рассматривать только как теоретическую базу, т.к. на практике в реальной среде она имеет большие погрешности.

В отличие от модели Джейкса, в основе ЛМРК лежит процедура сложения плоских волн, приходящих из разных направлений по отношению к абонентскому терминалу. Абонентский терминал может взаимодействовать с различными рассеивателями на различном расстоянии в окружающем пространстве. Так как в ЛМРК азимутальный спектр мощности неравномерный, ее доплеровский спектр будет иметь не классическую U-образную форму, а вид характерный расположению рассеивателей в окружающем пространстве.

Импульсная характеристика ЦСПИ стандарта LTE и LTE-Advanced на базе MIMO систем при использовании ЛМРК рассчитывается по формуле (1):

Новизна предложенного подхода по сравнению с известными работами (например [3--4]) заключается в том, что модель ЛМРК применена для статистической оценки потерь на трассе распространения каналов связи стандарта LTE и LTE-Advanced.

Опишем проведенные опыты, результаты которых приведены на рис. 3-5. Для моделирования использовался стандарт 3GPP TR 25.996, где для работы выбрана ЛМРК. Для проведения расчетов, построения зависимостей и получения численных результатов выбраны следующие исходные данные каналов связи стандарта LTE и LTE-Advanced: расстояние между БС и абонентским терминалом 315 м; рабочая частота 2х109 Гц; высота подвеса антенны БС 32 м; высота подвеса антенны абонентского терминала 1.5 м. Моделирование проводилось с учетом распространения радиоволн в условиях пригорода для различной скорости движения абонентского терминала. Основываясь на теорию анализа MIMO каналов связи стандарта LTE и LTE- Advanced, с помощью ЛМРК были получены зависимости потерь на трассе распространения от конфигурации антенных элементов на передающей и приемной стороне систем связи. Полученные зависимости были получены для трех скоростей движения абонентского терминала: скорость движения человека 5 км/ч, скорость движения транспортного средства в городе 60 км/ч и скорости движения транспортного средства на трассе 150 км/ч.

Полученные данные по результатам моделирования потерь при различной конфигурации антенной системы на передающей и приемной стороне MIMO канала и учетом скорости движения абонентского терминала показывают, что в условиях пригорода наименьшие потери достигаются при количестве антенных элементов 2х2 и скорости движенияабонента 60 км/ч. Полученные данные по значениям потерь для сельской местности хорошо коррелируют с результатами. Анализируя их совместно с данными проведенного моделирования, можно прийти к выводу, что при скорости абонента в 5 км/ч и количестве антенных элементов на передатчике и приемнике 6х6 потери достигают пикового значения по отношению к максимально допустимому в 137 дБ.

Для того чтобы разработчикам правильно построить каналы связи в сельской местности необходимо знать при каких конфигурациях антенных элементов на передающей и приемной стороне MIMO системы достигаются минимальные и максимальные потери на трассе.

В результате проведенного анализа сделан вывод, что для описания каналов связи MIMO наиболее адекватной моделью реальной среды является ЛМРК. На основе ЛМРК был смоделирован канал связи LTE на базе MIMO систем имитирующий условия распространения в пригороде и получены значения потерь на трассе.

Новизна предложенной методики по сравнению с известными работами заключается в подходе, который оценивает потери в каналах связи стандарта LTE и LTE- Advanced не исключая скорость движения абонентского терминала. Результаты проведенных исследований и математическое моделирование представляет интерес для разработчиков систем передачи информации и разработчиков абонентских устройств.

Размещено на Allbest.ru