Технические науки. Электротехника и радиоэлектроника

Павлова Т. А.

Алматинский университет энергетики и святи, Казахстан

Обзор методов расчета помехоустойчивости в системе LTE: показатели качества приема радиосигналов.

Введение

Развитие технологий мобильных устройств и стремительный рост Интернет вызывают все возрастающую потребность в увеличении емкости и пропускной способности мобильных сетей. [1].

Технологии OFDM [3] и MIMO, применяемых в LTE, позволяют существенно улучшить помехоустойчивость системы [2-5]. PSK/16QAM/64QAM, применяемые в LTE, могут комбинироваться с помехоустойчивым кодированием с различными скоростями. На каждой несущей OFDM-системы используется QAM.

Оценку современного состояния помехоустойчивости систем связи MIMO-OFDM можно дать, анализируя преимущества и недостатки этой системы.

Преимущества:

¾ Использование QAM уменьшает энергетические затраты при обмене мощности сигналов на полосу частот.

¾ При увеличении числа позиций QAM увеличивается пропускная способность канала связи в пропорции log₂64:log₂16:log₂4 = 6:4:2 [6].

¾ Для увеличения емкости в технологии MIMO-OFDM используются каналы шириной 40 МГц, что повышает пропускную способность на коротких и средних расстояниях.

Недостатки:

¾ Одним из основных требований к каналу с QAM является его линейность, причем требования ужесточаются с увеличением кратности манипуляции.

¾ При увеличении числа позиций QAM снижается помехоустойчивость [6].

¾ Применяемые в системе LTE виды модуляции требуют обеспечения когерентности приема. Формат QAM имеет прерывистый фазовый переход, что тоже приводит к некогерентности на приеме.

При проектировании системы связи ставится задача не превышать имеющийся заданный уровень вероятности ошибки на бит. Уровень ошибки может быть превышен, когда система связи MIMO-OFDM работает в условиях сильной флуктуации фаз передаваемого сигнала из-за интерференции или задержки подлучей в канале при переотражении сигнала от рассеивающих объемов (вплоть до полной потери связи в канале). 

1 Показатели качества приема радиосигналов

251670016Основные и дополнительные показатели качества в цифровых каналах связи были освещены в работе [7]. При рассмотрении функционирования технологии MIMO-OFDM, необходимо учитывать, что прием сигнала может быть когерентным и некогерентным [8].

Будем считать, что все искажения в канале MIMO-OFDM строго детерминированы и случайным является только гауссовский аддитивный шум (из центральной предельной теоремы теории вероятности [9]), который вначале полагаем белым, со спекальной плотностью N₀.

При использовании канального помехоустойчивого кодирования вероятность ошибки уменьшается, но вместе с этим падает и скорость передачи данных. Аналогичная зависимость наблюдается и при выборе уровня модуляции. Кроме того, для оценки переданной информации необходимо знание частотной характеристики пространственного канала. Чтобы решить эту проблему используются служебные пилотные символы, что также уменьшает скорость передачи данных.

Для систем с множественными несущими эффективность использования полосы частот зависит от разнесения несущих (и типа модуляции). В этом случае компромисс – это насколько разнесены несущие (что приводит к повышению эффективности использования полосы частот) без возникновения неприемлемых ACI.

Сдвиг рабочей точки для M-QAM при М = 16, 64 и 256 вдоль линии 1 будет происходить неодновременно. Из рисунка 1.1 видно, что 16-ричная QAM с теоретической спектральной эффективностью 4 бит / с / Гц требует более низкого значения Eb/N₀, чем QAM-64, при том же значении РВ. С увеличением М соотношение Eb/N₀ увеличивается. Из графика 1.1 видно, что при том же значении Eb/N₀ эффективность использования полосы частот для схемы QAM-256 равна 8 бит/с/Гц, в отличие от 4 бит/с/Гц и 6 бит/с/Гц для схем QAM-16 и QAM-64 соответственно. При М = 4 QAM совпадает с ОФМ-4, однако при М > 8 эффективность квадратурной амплитудной модуляции выше.

Для реального канала LTE производительность следует понизить, что бы учесть увеличение полосы пропускания, требуемое для создания реализуемых фильтров. Очевидно, что R/W растет с увеличением М.

64-QAM обеспечивает высокую спектральную эффективность, т. е. более высокую пропускную способность радиоканала при заданной полосе занимаемых частот, в то время как 16-QAM обеспечивает большую устойчивость к ошибкам, возникающим при передаче сигналов. При использовании 64-QAM и с помощью иерархической модуляции можно обеспечить третий (высший) уровень устойчивости против ошибок для части MSC [10].

251676160251673088В OFDM при минимальном уровне модуляции (BPSK) и отсутствии кодера (скорость кода Rc=1) максимальная ПС, достигаемая при нулевой ошибке передачи пакета (больших ОСШ), совпадает с эффективной шириной полосы W_data, используемой для передачи только данных. С увеличением уровня модуляции максимальная ПС возрастает пропорционально битовой загрузке символа и составляет k_bW_data.

Пропускная способность MIMO-системы теоретически может быть увеличена (при заданной полосе частот и излучаемой мощности) пропорционально числу используемых антенн по сравнению с обычной системой с одной передающей и одной приемной антеннами [11 - 13].

Отношение сигнал/шум (ОСШ) в собственных подканалах определяется сингулярными числами матрицы H. В наиболее характерном для городских условий многолучевом канале с релеевскими замираниями сигналов эти числа являются случайными и могут значительно отличаться друг от друга. Поэтому вероятность битовой ошибки будет также различной для разных подканалов и энергетически более слабые подканалы будут вносить основной вклад в вероятность битовой ошибки всей MIMO-системы.

Для уменьшения вероятности битовой ошибки в современных системах связи используется различные способы:

¾ кодирование информации;

¾ адаптивная регулировка мощности передатчика [14];

¾ адаптивная модуляция и кодирование [15];

¾ уменьшение скорости передачи в энергетически слабых подканалах [16];

¾ уменьшение вероятности битовой ошибки в MIMO-системе, при отключении части собственных подканалов с наименьшими ОСШ [17];

¾ увеличение пропускной способности MIMO-системы, при использовании только части подканалов с наибольшими значениями ОСШ [18];

¾ расширение частотного диапазона до 40 МГц дают более, чем в два раза полезную пропускную способность (рисунок 1.2), добавив к этому 2х2 MIMO можно создать мощные системы с высокой скоростью передачи 100 Мбит/с (рисунок 1.3).

¾ уменьшение служебной информации обратной связи для временной корреляции каналов. Предложенный алгоритм обеспечивает локальное уточнение CSI, обеспечивая более высокое разрешение CSI в передатчике, несмотря на использование фиксированного размера кода. Кроме того, обратная связь может быть осуществляться нечасто, чтобы понизить среднюю скорость обратной связи [19]. 

Производительность и пропускная способность — одно из требований LTE заключается в обеспечении пиковой пропускной способности нисходящего канала не менее 100 Мбит/с. Технология предусматривает поддержку скорости обмена данными более 300 Мбит/с, однако на конгрессе MWC 2010 Ericsson уже продемонстрировал следующий этап развития LTE — с теоретически возможной пиковой пропускной способностью до 1,2 Гбит/с. В LTE доступны 29 схем MCS, выбирается та, которая в данных условиях распространения радиоволн обеспечивает максимальную пропускную способность [20].

Т а б ли ц а 1.1

Стандарт	пропускная способность
	биты	байты
LTE (2x2 MIMO)	173 000 / 56 000 Кбит/c	21 625 / 7250 КБ/c
LTE (4x4 MIMO)	326 000 / 86 000 Кбит/c	40 750 / 10 750 КБ/c

Заключение

На основании данного исследования, сделан вывод о том, что LTE будет обеспечивать максимальные уровни пропускной способности: более чем 150 Мбит/с в нисходящем канале и 40 Мбит/с в восходящем канале на 10 МГц. Кроме того, в нисходящем канале минимум средней пропускной способности составляет около 30 Мбит/с, что представляет собой значительное повышение производительности сотовых систем. LTE более чем в 6 раз превосходит по производительности текущие системы HSDPA / HSUPA.

OFDM технологии LTE-Advanced предоставляет простые средства для увеличения пропускной способности: добавлением дополнительных поднесущих. В связи с использованием смежных полос спектра агрегации зарезервированных для IMT-Advanced, пропускная способность также может быть фрагментирована. Одна из основных проблем вызванная расширением полосы пропускания, это повышение сложности процесса декодирования.

Литература:

1. H. Holma, A. Toskala, LTE for UMTS-OFDMA and SC-FDMA based radio access. Chichester, U.K.: John Wiley & Sons, 2009. 450 p.

2. IEEE P802.16e. Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems. February 2006.

3. N. Costa, S.Haykin, Multiple-Input Multiple-Output Channel Models: Theory and Practice. Chichester. U.K.: John Wiley & Sons, 2010, 229p.

4. K. Fazel, S.Kaiser, Multi-Carrier and Spread Spectrum Systems. Chichester, U.K.: John Wiley & Sons, 2003. 300p.

5. Тихвинский В.О., Терентьев С.В., Юрчук А.Б., Сети мобильной связи LTE: технологии и архитектура. М.: Эко-Трендз, 2010. - 284 с.

6. Л.Н.Кацнельсон. Система цифрового радиовещания DRM. Учебное пособие – С.Пб.: МРФСИ С-ПГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, 2009.

7. Павлова Т.А. Разработка рекомендаций к применению модуляции в радиометке при использовании технологии zigbee: дополнительные показатели качества. 8 международная научно-практическая конференция «nauka: teoria i praktyka – 2012». - Praha, 2012. - Vol.12. - С. 56-59.

8. Теория электрической связи. Под ред. Д.Д. Кловского. - М.: “Радио и связь“, 1999.

9. Shannon C.E. A Mathematical Theory of Communication. BSTJ, vol. 27, 1948, pp. 379 – 423, 623-657.

10. Space-Time Processing for MIMO Communications. Editors A.B. Gershman and N.D. Sidoropoulos. Wiley&Sons,2005. 370 p.

11. Paylraj A., Nabar R. and Gore D. Introduction to Space-Time Wireless Communications. Cambridge University Press, 2003.

12. Ермолаев В.Т., Мальцев А.А., Флаксман А.Г. и др. Применение адаптивных антенных решеток для повышения скорости передачи информации в беспроводных компьютерных сетях // Труды (шестой) научной конференции по радиофизике, посвященной 100-летию со дня рождения М.Т. Греховой. 7 мая 2002 г. / Ред. А.В. Якимов. Нижний Новгород: ТАЛАМ, 2002. С. 22–28.

13. Garg V.K. IS-95 CDMA and CDMA2000: Cellular/PCS systems implementaion. Prentice-Hall, Inc., 2000.

14. Мальцев А.А., Пудеев А.В., Рубцов А.Е. Метод адаптивного распределения бит и мощности по поднесущим в OFDM-системах радиосвязи // Известия вузов. Радиофизика. 2006. Т. 49, № 2. С. 174–184

15. Беван Д.Д.Н., Ермолаев В.Т., Маврычев Е.А., Флаксман А.Г. Сравнительная эффективность сотовых систем связи, использующих адаптивную модуляцию и кодирование или управление мощностью // Изв. вузов. Радиофизика. 2001. Т.44, № 12. С. 1050–1061.

16. Ермолаев В.Т., Маврычев Е.А., Флаксман А.Г. Уменьшение вероятности битовой ошибки при параллельной передаче информации в MIMO системе // Изв. вузов. Радиофизика. 2003. Т.46, № 3. С. 251–260

17. В.Т. Ермолаев, А.Г. Флаксман, Д.Н. Лысяков. Увеличение пропускной способности MIMO-системы радиосвязи с параллельной передачей данных по собственным подканалам - Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2010, 3(1), с. 79–86.

18. T. Inoue, R. W. Heath. Geodetic for limited the response the Multiuser MIMO systems in temporarily correlates the Forecast of Canala : IEEE Radio and Wireless Symposium, Сан-Диего, Калифорния, январь, 2009, pp 167 - 170.

19. В.Б. Крейнделин, Л.А. Варукина, Е.Н. Воронков Технологии беспроводных сетей передачи данных – М.: МТУСИ, 2011.

20. Феер К. Беспроводная цифровая связь – М.: Радио и связь, 2000.