В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Последние годы ознаменовались очень динамичным развитием сетей сотовой связи на технологиях семейства IMT (International Mobile Telecommunications). Парадоксально то, что само по себе развитие технологий направлено на резкое повышение их эффективности на рынке услуг, но одновременно приводит к усложнению проблем по ЭМС в силу их значительной специфики. В этой связи по мере развития этих технологий должны совершенствоваться и методы оценки условий их электромагнитной совместимости между собой и с другими РЭС, которые в своей основе должны учитывать специфические особенности каждой технологии. Важными становятся такие вопросы, как: насколько расширяется круг задач по ЭМС для новых радиотехнологий; существует ли специфика оценки условий ЭМС, требующая новых подходов к решению этих задач, и какие особенности необходимо учитывать для достоверной оценки условий ЭМС на этапе их внедрения.
Эта проблема условно показана на рис. 1 и имеет следующую логику: рост потребительского трафика → появление новых технологий → рост потребностей в радиочастотном спектре и его гармонизированное использование.
Отмеченные факторы расширяют круг задач по электромагнитной совместимости, а особенности и специфика новых радиоинтерфейсов – меняют подходы к ЭМС. Так, использование радиочастот по принципу технологической нейтральности требует определения некоторого обобщенного критерия по ЭМС. В зарубежной практике в качестве такого критерия в проекте WAPECS предложено использовать краевую маску блока BEM, которая является "регуляторной" спектральной маской в блоке спектра, выделенном оператору [1, 2]. Рефарминг радиочастотного спектра требует разработки условий совместного функционирования сетей нескольких стандартов в смежных полосах частот в пределах одного диапазона. Также необходимо учитывать и варианты комбинированного использования несущих частот DC/DB (Dual Carrier/Dual Band) при агрегировании в UMTS.
Повышение эффективного использования радиочастотного спектра в обозначенной логической цепочке – самое очевидное и главное условие, открывающее возможность для внедрения новых радиотехнологий при ограниченном радиочастотном ресурсе. Одновременно это является и требованием по нерасточительному использованию ограниченного национального ресурса, реальный путь реализации которого – максимальное снижение вводимых ограничений по ЭМС до объективных и разумных значений, исключающее "лишние запасы" за счет применения эффективных методик оценки.
Точность и достоверность этих оценок имеют и другую, не менее важную сторону – они влияют на эффективность инвестиций, вложенных операторами в коммерческие сети IMT. На рис. 2 показаны возможные последствия неточной оценки условий ЭМС для оператора. За основу взяты соображения о том, что снижение скорости передачи данных в сети из-за ограничений по ЭМС приводит к более длительному возврату инвестиций, т.е. к увеличению периода окупаемости сети. Методология приведенных оценок изложена в [3, 4].
Рис. 2 иллюстрирует, как замедляется темп возврата вложенных оператором инвестиций в строительство сетей IMT при введении ограничений на мощность PБС базовых станций UMTS (левый график) и ширину Δf разрешенного канала LTE (правый график). Графики отражают, какой процент планируемого периода возврата инвестиций (параметр η) будет реально выполнен при введении этих ограничений. Этот анализ наглядно показывает – чтобы эффективно использовать радиочастотный спектр как в технологическом, так и в коммерческом плане, необходима жесткая оптимизация ограничений по ЭМС под девизом: "ни одного лишнего децибела на ограничения".
В сравнении с технологиями предыдущих поколений новым радиотехнологиям IMT присущи характерные особенности, среди которых можно выделить три основных фактора, влияющих на оценку ЭМС (рис. 3).
Во-первых, системы IMT имеют принципиально новые радиоинтерфейсы с новыми методами радиодоступа, новыми способами пространственной передачи данных и сложной гетерогенной структурой радиосети. Во-вторых, этим радиоинтерфейсам присуще динамическое изменение параметров в виде адаптивного выбора режимов передачи, порядка модуляции и канального кодирования, динамической регулировки мощности, динамического планирования ресурсов, самоконфигурации и оптимизации радиосети. В-третьих, в радиосетях с новыми радиоинтерфейсами использование радиочастотного спектра имеет характерные особенности (применение объединенного спектра за счет агрегации его фрагментов из разных полос и диапазонов, многоплановость частотного ресурса, идентифицированного для систем IMT, каждой из идентифицированных полос радиочастот присущи свои особые условия ЭМС). Базовые особенности радиоинтерфейсов UMTS и LTE описаны подробно в [2, 5]. Основные из них приведены в табл. 1 для UMTS.
Наряду с базовыми отличиями радиоинтерфейсам UMTS более поздних модификаций (UMTS/HSPA/HSPA+) присущи и другие особенности, которые рассматриваются ниже.
С точки зрения ЭМС главная особенность новой технологии LTE/LTE-A состоит в использовании каналов с различной масштабируемой шириной и широком применении способов пространственной передачи данных посредством мультиантенных систем MIMO. К другим особенностям этой технологии, которые могут существенно влиять на ЭМС, можно отнести следующее:
Отдельно следует выделить характерные особенности применения технологии MIMO в сетях LTE.
Учитывая описанные особенности новых технологий, можно заключить, что сегодня необходим поиск новых, более эффективных подходов к оценке ЭМС. На рис. 4 приведено сравнение традиционных подходов оценки ЭМС и новых подходов, основанных на статистических методах.
Традиционные подходы носят детерминированный характер, трудоемки и ориентированы в основном на расчет норм частотно-территориального разноса (ЧТР). В силу детерминированности они предполагают, как правило, "дуальные" сценарии и не могут максимально учесть быстро изменяемые условия взаимного влияния радиоэлектронных средств. Это приводит к оценке условий ЭМС с некоторым запасом. Как показывает практика, этот запас бывает очень существенным. Кроме того, такие методы не пригодны вообще для некоторых режимов функционирования перспективных радиоинтерфейсов (к примеру, для режимов Beam-forming, скоординированной многоточечной передачи при MIMO (CoMP), а также для режимов когнитивного радио).
Альтернативой таким подходам являются статистические методы, основанные на статистическом моделировании. Их главные преимущества:
Классическое уравнение ЭМС устанавливает взаимосвязь энергетических, частотных и пространственных параметров РЭС-рецептора и РЭС-источника радиопомех, при которых обеспечивается требуемое качество функционирования радиоэлектронного средства. Применительно к рассматриваемой задаче уравнение ЭМС можно представить в следующем виде:
где Pc,k, P∑,k – мощности полезного и суммарного помехового сигналов на входе приемника k-го РЭС-рецептора помех соответственно, и qk – его защитное отношение.
При этом для простоты рассуждений внутренние шумы приемника не учитываются, т.е.
С учетом (2) приведенное выше уравнение ЭМС (1) примет вид [2, 5]:
Для выполнения данного условия при расчете норм ЧТР определяются требуемые значения параметра Δf (частотный разнос) и параметра d (территориальный разнос).
В рамках обсуждаемого вопроса особенность имеет такой параметр, как мощность излучения Pi i-го источника помех, в качестве которого рассматривается передатчик базовых станций (BS) систем UMTS и LTE (далее Pi = PBS,i). Покажем сложный характер уравнения ЭМС для систем IMT на примере UMTS. Как отмечается в [5], мощность базовой станции UMTS имеет динамический характер и зависит от целого ряда параметров. А именно, значение суммарной мощности излучения BS UMTS, требуемой для поддержания N пользовательских каналов, должна удовлетворять следующему требованию
Напомним, что приведенное соотношение (4) определяет минимально необходимую мощность базовой станции UMTS с учетом энергетического запаса, который требуется для компенсации помех от соседних ячеек и компенсации потерь, возникающих из-за нарушения ортогональности кодов в реальных условиях нисходящих пользовательских каналов (параметр α). Такж е необхдимая мощность зависит от требуемого отношения сигнал/шум на входе приемника абонентского терминала (q) каждого пользователя, выигрыша по энергетике (Gp) за счет расширения спектра сигнала и от потерь L(d) на трассе между передатчиком BS и пользовательским приемником, т.е. от удаленности пользователей от этой базовой станции. В выражении (4) использованы и другие параметры: PN – мощность шума в приемнике АТ; GBS – коэффициент усиления антенны BS в направлении на абонентский терминал; gPC – коэффициент динамической регулировки мощности и vj – коэффициент активности j-го абонента.
Особо следует подчеркнуть, что в UMTS, как в системе с кодовым разделением каналов, требуемые уровни сигнала для пользовательских каналов, создаваемые суммарной мощностью базовой станции РBSi, одновременно являются и внутрисистемными помехами на входе приемника каждого пользователя. Это, в свою очередь, вынуждает иметь в ресурсе радиоканала запас по энергетике, равный росту уровня внутрисистемных помех.
С учетом описанных выше особенностей запишем уравнение ЭМС (3) в окончательной форме:
Как видно, такое уравнение ЭМС для системы UMTS имеет довольно сложный характер с ярко выраженной взаимной зависимостью параметров радиоинтерфейса. Так, на мощность помехи со стороны базовой станции UMTS, оказывающей воздействие на приемник k-го РЭС, влияет целый ряд описанных выше параметров сети UMTS. В реальных условиях многие из этих параметров носят случайный характер или являются просто переменными. Чаще всего к таким параметрам относят:
Учитывая случайный характер перечисленных параметров, уравнение (5) можно представить в следующем виде:
где все параметры с чертой сверху есть случайные величины с соответствующим распределением T [X(a)], a – некоторый параметр распределения. Например,
Здесь уместно сделать акцент на двух важных обстоятельствах. Первое, в силу случайного характера параметров помехи, создаваемой базовыми станциями сети UMTS, достоверная оценка ее воздействия на РЭС будет статистической. Второе, в ряде рекомендаций ITU-R степень воздействия радиопомех определяется вероятностным критерием. В качестве такого критерия чаще выступает вероятность их недопустимого воздействия на РЭС pпомех в заданном интервале времени (% времени, когда отношение сигнал/помеха qk на входе приемника РЭС ниже допустимого). Данный критерий для типичных условий в сетях связи определяется интегралом вероятностей [2, 5]:
где q0k – значение защитного отношения в приемнике РЭС-рецептора помех, заданное по условиям оценки ЭМС, а аргументом интеграла вероятностей F{ }является выражение (6).
Для получения точных оценок вида (8) в ходе определения условий ЭМС для сетей UMTS наиболее приемлемым становится метод статистического моделирования, получивший название метода Монте-Карло. Метод Монте-Карло – это численный метод решения математических задач при помощи моделирования случайных чисел. Он позволяет моделировать любой процесс, на протекание которого влияют случайные факторы [6]. Особенностью данного метода является простота структуры вычислительного алгоритма [2, 7–9]. Удобной на сегодняшний день инструментальной реализацией данного метода является программный продукт SEAMCAT (Spectrum Engineering Advanced Monte Carlo Analysis Tool), который был разработан и принят в рамках СЕРТ (European Conference of Postal and Telecommunication) [10].
Адаптивные антенны. Технология адаптивных антенн (Smart Antenna) получили в последние годы широкое распространение, они применяются и в системах IMT для разнесенных передачи и приема, формирования направленных пространственных лучей диаграммы направленности (Beamforming) и пространственного мультиплексирования (MIMO) [11]. В этой связи в SEAMCAT были предусмотрены опции, позволяющие встраивать модели адаптивных антенн в создаваемые сценарии и проводить статистические расчеты с ними. На рис. 5 приведен пример модели такой антенны для формирования направленного луча в приемнике Vr в сторону "своего" передатчика Wt [12]. Антенна имеет некоторое среднее значение коэффициента усиления Gmean. Благодаря своим свойствам в направлении на передатчик Wt антенна обеспечивает максимальное усиление с коэффициентом Gmax. Когда в приемнике идентифицирована помеха и направление на ее источник (передатчик It), коэффициент усиления антенны в этом направлении "загрубляется" на величину ослабления Att и имеет значение Gmean - Att. Следует обратить внимание на тот факт, что подобные антенны способны идентифицировать ограниченное количество источников помех, как правило, наиболее мощных помех, поэтому в направлении неидентифицированных It дополнительного их подавления не происходит.
Для моделей Smart Antenna в SEAMCAT используются следующие параметры [12]:
Кроме того, при формировании сценария в SEAMAT антенна приемника Vr задается как всенаправленная с коэффициентом усиления Mean Gain. При этом ее азимут задается постоянным параметром, равным нулю (Constant = 0). Во время моделирования вычисляются уровни полезного и помехового сигналов со средним коэффициентом усиления приемной антенны Mean Gain. Далее осуществляется их корректировка с учетом свойств Smart Antenna, которые моделируются в соответствии со следующим алгоритмом:
Когнитивные системы. Когнитивные системы являются другим перспективным направлением. Исследование этих систем в SEAMCAT имеет ряд особенностей, которые обусловлены, главным образом, необходимостью распознавания (идентификации) радиочастотного спектра, пригодного для функционирования системы. Для такого распознавания задается параметр – порог обнаружения, с помощью которого определяется присутствие или отсутствие излучений передающих устройств в идентифицируемой части спектра. Если не обнаруживается излучение, превышающее значение этого порога, то так называемому "устройству белого пространства" WSD (White Space Device) можно работать на передачу, в противном случае – не излучать.
Новым в SEAMCAT для когнитивных систем является дополнительный тип сигнала обнаружения sRSS (sensing Received Signal Strength), который передается в сценарии передатчиком Wt (система – потенциальный рецептор помех от когнитивных систем). Следует обратить внимание на одну важную специфическую особенность этого сигнала – он обнаруживается в устройстве обнаружения передатчика It когнитивной системы, поэтому элемент It в сценарии выступает также и как приемник-обнаружитель сигнала sRSS. Его полоса пропускания учитывается в процессе моделирования даже при несовпадении его рабочей частоты с частотой передатчика Wt.
Сценарий для моделирования когнитивных систем в SEAMCAT можно представить, как показано на рис. 6 [13].
Второй важной особенностью модели для когнитивных систем в SEAM-CAT является введение такого параметра, как вероятность ошибки или неудачи (Probability of failure). Само событие неудачи состоит в ложном выборе непригодного (non_available) частотного канала, т.е. когда отобранный якобы свободный канал используется на самом деле для приема в Victim Link (к примеру, для приема цифрового ТВ), но в то же время ошибочно становится пригодным (доступным) для передачи WSD.
И наконец, в сценариях с когнитивными системами в SEAMCAT реализуется процедура для решения известной проблемы скрытых узлов (Hidden Node). Эта проблема возникает из-за того, что обнаружитель WSD при определенном профиле трассы распространения радиоволн не видит излучений передатчика в радиолинии, являющейся потенциальным рецептором помех, в сканируемой части спектра [13].
Литература
Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #5, 2016
Посещений: 4960
Автор
| |||
В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
