В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Яков
Дмитрий
ЕвгенийВ системе беспроводной широкополосной связи Long Term Evolution (LTE) [1] для передачи служебной информации от мобильной к базовой станции предусмотрен физический канал управления PUCCH (Physical Uplink Control Channel) [2–4]. По каналу PUCCH мобильная станция сообщает данные о состоянии канала распространения радиоволн (РРВ), запрос на выделение частотно-временного ресурса и различные служебные команды. В зависимости от типа и количества требуемой для передачи информации канал PUCCH предусматривает 7 различных форматов: 1/1a/1b/2/2a/2b/3. Форматы отличаются друг от друга сигнально-кодовой конструкцией и расположением в частотно-временном ресурсе. Для коротких служебных команд (до 4 бит) используются форматы 1/1a/1b. Остальные форматы используются для передачи сразу нескольких команд в составе одного сообщения (до 15 бит). Только благодаря гарантированной передаче служебных команд по каналу PUCCH становится возможным обмен данными между абонентской и базовой станциями (БС). Для повышения помехозащищенности в сигнально-кодовой конструкции предусмотрено кодирование Рида-Маллера и прямое расширение спектра [5, 6] псевдослучайной комплексной последовательностью.
Энергетический выигрыш при обработке канала на приемной стороне зависит от используемого алгоритма эквалайзирования, декодирования и демодуляции. Важной задачей является максимальное использование потенциала помехоустойчивости, заложенного в сигнально-кодовую конструкцию канала PUCCH.
Цель данной работы заключается в определении помехоустойчивости канала к аддитивной помехе, в том числе и системной, обусловленной одновременной работой нескольких пользователей в одном частотно-временном ресурсе. В статье определено максимальное количество пользовательских каналов управления в едином частотно-временном ресурсе, а также рассчитан уровень аддитивной помехи, при котором возможен одновременный прием каналов управления от нескольких пользователей. Новизна работы заключается в учете различной скорости кода помехоустойчивого кодирования и расположения нескольких абонентов в общем ЧВР при расчете помехоустойчивости.
Выбор формата PUCCH зависит от типа служебной команды, которую нужно сообщить базовой станции. Биты сообщения кодируются, скремблируются и модулируются BPSK/QPSK. В качестве помехоустойчивого кодирования используется код Рида-Маллера [2], который также служит для выравнивания скорости потока бит, т.е. независимо от количества бит на входе кодер формирует кодовый вектор из 20 бит. К символам модуляции применяется прямое расширение спектра комплексной последовательностью, а в PUCCH 2a/2b последний символ с выхода квадратурного модулятора участвует в генерировании опорного сигнала. В частотном домене канал PUCCH всегда располагается на краях используемой полосы частот. Для передачи PUCCH каждому абоненту требуется 14 SC-FDMA символов в одном подкадре по 12 поднесущих в каждом символе (2 ресурсных блока), из которых от 2 до 6 символов отводится для опорного сигнала. Для наглядного представления на рис. 1 изображено частотно-временное размещение PUCCH 2/2a/2b в подкадре.
Для достижения высокой помехоустойчивости каналу PUCCH отводится избыточное количество частотно-временного ресурса по сравнению с другими физическими каналами. Например, чтобы передать сообщение из 10 бит, используется 168 ресурсных элементов (14 символов, по 12 поднесущих в каждом символе).
В канале PUCCH 2 передается только сообщение CSI (Channel State Information – информация о состоянии канала) – объединение различных типов служебных данных, к которым относятся: состояние канала РРВ, запрос на использование частотно-временного ресурса, тип кодирующей матрицы и т.д. В PUCCH 2a/2b передаются 2 сообщения: CSI и HARQ – запрос на повторную передачу данных. Пусть а– битовое сообщение CSI размером A = [4, 13], а h – битовое сообщение HARQ размером H = [1, 2]. Биты a1…aa поступают на вход кодера Рида-Маллера, формируя кодовое слово {b1…b20}. В конец кодового слова {b1…b20} дописываются биты h. Преобразованное кодовое слово {b1…b20+H} скремблируется со специальной псевдослучайной последовательностью {p1…p20+H}, образуя последовательность бит {c1…c20+H}, которая поступает на BPSK/QPSK-модулятор. На выходе модулятора формируются Z1…Z10 символы QPSK для PUCCH 2 и дополнительно Z11 символ BPSK для PUCCH 2a или Z11 символ QPSK для PUCCH 2b. В первом слоте подкадра передаются символы Z1…Z5, во втором слоте Z6…Z10, а Z11 записывается во второй опорный символ обоих слотов. Каждый символ Z1…Z10 расширяется комплексной последовательностью длиной 12 элементов и передается на 12 поднесущих SC-FDMA символа. Таким образом, из 14 SC-FDMA символов подкадра под передачу информации отводятся 10.
Оставшиеся 4 символа используются для передачи опорного сигнала, под который отводятся 2-й и 6-й символы каждого слота в подкадре. В качестве опорного сигнала используется базовая комплексная ru,v(1...12) с циклическим фазовым сдвигом al. Циклический фазовый сдвиг индивидуален для каждого SC-FDMA символа каждой АС. Получившиеся спектральные отсчеты поступают на блок ОБПФ, на выходе которого формируется сигнал во временном домене и добавляется циклический префикс. Схема формирования PUCCH 2/2a/2b приведена на рис. 2.
Базовая станция принимает восходящий кадр, содержащий один или несколько каналов PUCCH от одного или нескольких абонентских устройств. После удаления циклического префикса и быстрого преобразования Фурье из частотно-временной сетки выделяются все ресурсные элементы PUCCH. По опорному сигналу оценивается канал РРВ и осуществляется процедура эквалайзирования. На вход демодулятора поступают оценки символов QPSK модуляции Z1…Z10, полученные в результате корреляционной обработки каждого эквалайзированного Rl SC-FDMA символа:
где Xl - результат корреляционной обработки символа l, а Rl - спектральные отсчеты символа l на выходе эквалайзера, а номер символа l = 1..14, l≠ 2,6,8,13. При условии точной синхронизации оценка символа модуляции Zl берется в точке интегрирования функции корреляции:
Над демодулированной битовой последовательностью осуществляются операции дескремблирования и декодирования Рида-Маллера. Принятое сообщение CSI формируется на выходе декодера. Для демодуляции сообщения HARQ PUCCH 2a/2b применяется совместная корреляционная обработка 6 и 13 символов, содержащих опорный сигнал:
Оценка символа модуляции Z11 также берется в точке интегрирования функции корреляции:
В HARQ отсутствует помехоустойчивое канальное кодирование Рида-Маллера, однако запись символа модуляции одновременно в два опорных символа обеспечивает двукратный энергетический выигрыш относительно CSI. Принятое сообщение h1… hH HARQ формируется на выходе дескремблера.
Если в ходе корреляционной обработки обнаружено наложение канала PUCCH от нескольких абонентских устройств в едином частотно-временном ресурсе, то происходит процедура разделения сигнала по индивидуальной ортогональной последовательности. Следствием наложения канала является системная помеха, которая приводит к снижению отношения сигнал/шум. Структурная схема, реализующая алгоритм обработки канала PUCCH 2/2a/2b, приведена на рис. 3.
Целью моделирования является расчет помехоустойчивости канала управления и определение максимального количества пользовательских каналов управления в общем ЧВР. В данной работе рассматривается обработка PUCCH 2/2a/2b для канала с аддитивным белым гауссовым шумом (АБГШ). Влияние многолучевого канала РРВ и процедура эквалайзирования не затрагиваются. Эффективность обработки канала PUCCH оценивается по зависимости вероятности битовой ошибки BER (BER – Bit error rate) сообщений CSI и HARQ от отношения сигнал/шум (ОСШ) в канале РРВ. Отношение сигнал/шум нормируется на 1 Вт – средняя мощность каждой поднесущей SC-FDMA символа. Алгоритм формирования PUCCH приведен на рис. 2, а алгоритм обработки приведен на рис. 3. Структурная схема модели изображена на рис. 4. Моделирование проводилось в платформе Matlab.
На вход канала с АБГШ поступает восходящий кадр LTE, содержащий только PUCCH одного абонента. Биты сообщений CSI и HARQ генерируются случайно. Конфигурация кадра LTE и PUCCH приведена в таблице. Для расчета каждой точки использовалась выборка из 104 кадров.
На рис. 5 изображена полученная в результате моделирования зависимость BER от ОСШ двух сообщений CSI (5 и 10 бит в сообщении). Также на рис. 5 приведена зависимость ошибки демодуляции кодового слова на входе декодера Рида-Маллера. Прямое расширение спектра обеспечивает системное усиление символов, приведенное к входу QPSK-демодулятора, 10,8 дБ относительно теоретической характеристики QPSK. Кодирование Рида-Маллера обеспечивает дополнительный выигрыш обработки CSI порядка 3,5 дБ и 6,8 дБ для скорости кода 1/2 и 1/4 соответственно. Сравнение проводилось при опорном уровне BER = 10-4.
На рис. 6 приведена зависимость BER от ОСШ сообщения HARQ. Из графика видно, что HARQ обладает большей помехоустойчивостью по сравнению с CSI. За счет прямого расширения спектра передачи сообщения в 4 SC-FDMA символах и корреляционной обработки удается получить системное усиление на входе квадратурного демодулятора 13,8 дБ, которое позволяет демодулировать данные при высоком уровне аддитивной помехи. Сравнение проводится относительно характеристики теоретической BPSK для HARQ 2a и QPSK для HARQ 2b при опорном уровне BER = 10-6.
На рис. 7 приведена зависимость вероятности битовой ошибки от отношения сигнал/шум сообщения CSI со скоростью кода ½ при передаче PUCCH нескольких АС в одном частотно-временном ресурсе. ОСШ определено относительно средней мощности суперпозиции сигналов всех АС.
При количестве АС, равном 3 и 6, помехоустойчивость канала ухудшается на 4,8 и 7,8 дБ соответственно. Стандартом LTE допускается расположение максимум 12 каналов PUCCH в общем ЧВР, однако помехоустойчивость канала ухудшается на 10,8 дБ и теряется энергетический выигрыш расширения спектра.
В статье рассмотрен алгоритм формирования и обработки канала PUCCH форматов 2/2a/2b. Получены зависимости вероятности битовой ошибки от отношения сигнал/шум в канале с АБГШ для сообщения CSI размером 5, 10 бит и сообщения HARQ размером 1, 2 бита. По результатам моделирования можно сделать вывод о высокой помехозащищенности канала PUCCH и высокой стойкости канала к АБГШ. При передаче PUCCH нескольких абонентских устройств в одном ЧВР ухудшается отношение сигнал/шум на входе демодулятора каждого канала. Допускается передача 12 каналов управления в общем ЧВР. Увеличение количества каналов управления ведет к наложению одинаковых ортогональных ПСП друг на друга и ложному детектированию сигнала.
Литература
Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #4, 2016
Посещений: 9007
Автор
| |||
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
