Популярное

Мифы о звукоизоляции



Как построить дом из пеноблоков



Как построить лестницы на садовом участке



Подбираем краску для ремонта



Каркасные дома из дерева


Главная » Исследование возможностей

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОРРЕЛИРОВАННОСТИ ЗАМИРАНИЙ СИГНАЛА, ВЫЗВАННЫХ МНОГОЛУЧЕВЫМ РАСПРОСТРАНЕНИЕМ ВОЛН, ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК КАНАЛА СВЯЗИ.

Бизяев А.Е. (blexa@usa.net)

Московский физико-технический институт.

Многолучевое распространение волн является одним из факторов, приводящих к ухудшению технических характеристик систем сухопутной подвижной связи с множественным доступом. Так, в системах связи с узкополосными сигналами, амплитуда принимаемого полезного сигнала подвержена флуктуациям, что приводит к необходимости иметь определенный энергетических запас, такой чтобы вероятность снижения отношения сигнал/помеха на входе приемника ниже определенного, характерного для системы порога, не превышала некоторой заданной величины [1,2,4].

Одной из основных физических моделей селективных замираний является следующая: принимаемый сигнал является суперпозицией нескольких сигналов, приходящих на вход приемника по различным трассам распространения [1,2,3]

где Ai и Ati - коэффициент затухания и время задержки сигнала для i -ой трассы распространения, s0(t) - передаваемый сигнал. Т.е. принимаемый сигнал является сверткой передаваемого сигнала и импульсной характеристики канала связи. Коэффициенты Ai, в простейшем случае, считаются независящими от времени, а в

более общем случае Ai (t) рассматривается как случайный процесс.

При характерной для случая использования узкополосных сигналов длине информационного бита 8=5мкс в реальных условиях Ат << 8, и лучи не могут быть разрешены по времени прихода.

В предположении, что количество трасс достаточно велико, sz будет являться случайным процессом с релеевским распределением [1]. Как указывается в [1,2] пространственная картина поля в реальных условиях является квазипериодической , причем среднее значение периода составляет величину



порядка где 2- длина волны принимаемого сигнала. Таким образом, при

движении приемника в этом поле с постоянной скоростью, амплитуда принимаемого радиосигнала будет являться квазипериодическим , со средним периодом порядка 5мс при частоте несущей 900МГц и скорости 100км/ч, случайным процессом с релеевским распределением, причем, т.к. сигналы, приходящие на вход приемника не разрешаются по времени прихода, невозможно определить импульсную характеристику канала связи.

Одним из эффективных методов борьбы с селективными замираниями является разнесенный прием [1,2]. Наземные системы подвижной связи, как правило, являются радиально-зоновыми: вся зона покрытия системы разбита на отдельные зоны, каждая из которых обслуживается своей базовой станцией (BS). Использование разнесенного приема на BS, в принципе, не должно вызывать серьезных технических затруднений, в то время как его использование на подвижной станции (MS) является затруднительным вследствие ее конструктивных особенностей. Таким образом, можно считать, что в направлении MS - BS канал менее подвержен влиянию селективных замираний, чем в противоположном направлении. Поэтому далее рассматривается только канал BS - MS .

Приемник подвижной станции может осуществлять непрерывное наблюдение за процессом sz (t), получая при этом некоторую дополнительную информацию о канале связи: обработка наблюдаемого процесса экстраполирующим фильтром позволит получить оценку амплитуды принимаемого сигнала в будущие моменты времени. Имея такую оценку, можно попытаться перераспределить ресурс системы между различными абонентами таким образом, чтобы отношение сигнал/помеха на входе каждого приемника было максимальным. Например, в случае системы с временным разделением каналов, на основе этой информации временные слоты, принадлежащие разным абонентам, могут быть переставлены так, чтобы оценка была максимальной для каждой станции при условии отсутствия конфликтов.

Целью исследования, рассматриваемого в данной статье, была оценка возможного энергетического выигрыша от использования данного подхода на реальных процессах sz (t).



Введем следующие дополнительные ограничения, касающиеся условий, в которых находится подвижная станция и способа разделения каналов в системе связи:

подвижная станция расположена на движущемся объекте, причем скорость движения объекта составляет 20-100км/ч (движущийся автомобиль);

в системе связи используется временное разделение каналов, т.е. информация, передаваемая в некотором частотном канале, имеет кадровую структуру, а каждый кадр состоит, в свою очередь, из некоторого количества временных слотов (в современных системах 4-16), в которых передаются информация отдельным абонентам. Т.е. канал связи для каждого абонента представляет собой совокупность определенных временных слотов.

процесс sz (t) стационарен и коррелирован.

радиомаяк

Коммуникационный порт


Микропроцессор


ФЦП

Flash-

ФНЧ

->

memory

Файлы отсчетов

Параметры: период дискретизации

<-

В экспериментах использовалась измерительная установка, изображенная на Рис.1. В качестве радиомаяка использовался передатчик контрольного канала системы D-AMPS (диапазон 800-900МГц). Приемник имел следующие технические характеристики: ширина полосы пропускания фильтра основной селекции - 14кГц, реальная чувствительность при отношении сигнал/шум 12дБ на выходе звукового тракта - 0.4мкВ, динамический диапазон 1-ого порядка (по блокированию) - 96дБ. Калибровочная кривая для логарифмического детектора изображена на Рис.2. Для интерполяции использовалась функция вида

dBUm = K + KJUuut + K3 eKUout

in 12 out 3



где dBUin - амплитуда сигнала на входе приемника в дБ относительно 0.2мкВ, Uout -постоянное напряжение на выходе логарифмического детектора, а K1 -K4-

коэффициенты. Вид

О

и

о

И

С

Калибровочная кривая (860-910МГц)


0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4

напряжение на выходе измерителя, В

интерполирующей функции

выбирался исходя из особенностей амплитудной характеристики

логарифмического детектора:

наличие протяженного линейного участка и области насыщения (Рис.2). Значения коэффициентов, обеспечивающие минимальное

среднеквадратическое отклонение калибровочной кривой от измеренных значений, находились численными методами. В соответствии с Рис.2, установка имеет удовлетворительную линейность в динамическом диапазоне 50-55дБ. В устройстве был применен 10-битный АЦП с опорным напряжением 5В, что обеспечивает разрешающую способность по входу АЦП около 5мВ и, следовательно, разрешающую способность измерительной установки порядка 0.15дБ по уровню принимаемого сигнала. Объем использованной flash-memory - 512К. Допустимый диапазон периодов дискретизации 0.2мс-50мс (устанавливается с PC).

Измерения проводились на автомобиле, движущемся в условиях города со скоростью 40-80км/ч, при периоде дискретизации А =0.5мс и частоте среза ФНЧ около 800Гц. При этом, так как размер временного слота в системе GSM также составляет около 0.5мс, можно считать, что значение одного отсчета процесса соответствует значению амплитуды принимаемого сигнала во время приема сигнала, соответствующего одному временному слоту, причем амплитуду принимаемого сигнала при этом можно считать постоянной на этом интервале времени. Антенна радиоприемного устройства находилась в салоне автомобиля. Привязки определенных файлов измерений к конкретному месту и времени проведения этих измерений не производилось. Суммарный объем обработанной информации

составил около 2.5-106 отсчетов.

Далее под процессом s2 (t) понимается процесс на выходе логарифмического детектора, т. е. это относительная амплитуда сигнала, выраженная в дБ.



Среднеквадратическое отклонение для процесса s2 (t) во всех измерениях было равно 5.5-7дБ, что совпадает со значениями, указанными в [4]. В качестве экстраполирующего фильтра использовался оптимальный по критерию минимума среднеквадратической ошибки экстраполирующий фильтр [5]. Задача нахождения оптимальных коэффициентов такого фильтра сводится к решению теплицевой системы уравнений:

1 Rs [0] + a 2 Rs [1]+.. .+GkRs [K -1] = Rs [1],

...... (3)

1 Rs [K -1] + a 2 Rs [K - 2]+...+ kRs [0] = Rs [K ],

где a = ( 1aK ) - вектор коэффициентов фильтра, K - порядок фильтра, Rs (т) -корреляционная функция процесса. Для решения системы использовался алгоритм Левинсона [5,6]. Порядок экстраполирующего фильтра и временной интервал, на котором вычислялась корреляционная функция процесса являлись параметрами. На основании найденных коэффициентов процесс экстраполировался вперед на At =50-100мс (примерно соответствует размеру временного окна, в котором происходит перемежение в GSM, т.е. информация, передаваемая в этом окне, может быть декодирована только тогда, когда она принята целиком). Считалось, что абонент

должен использовать либо в = общего количества временных слотов

(соответствует полноскоростному речевому кодеку в системе GSM), либо в = общего количества временных слотов (соответствует полускоростному кодеку в системе GSM), т.е., в данных условиях, отсчетов, где N = Aj/A .




Рис.3. Зависимость энергетического выигрыша от параметров экстраполирующего фильтра. Скорость автомобиля 35км/ч.

>

>

<

т

100 1 103 а т / а

. R (т)

Рис.4. Зависимость энергетического выигрыша от параметров экстраполирующего фильтра. Скорость автомобиля 80км/ч.

Для оценки эффективности рассматриваемого метода использовался следующий подход. На основе процесса s2 (t) строились два процесса: t) и x2 (t). Первый из них строился следующим образом. Из экстраполированных отсчетов случайным образом выбирались [N отсчетов, которые заменялись затем на соответствующие отсчеты процесса s 2 (t). Для второго процесса выбирались [N отсчетов с максимальными значениями, которые затем также заменялись на



соответствующие отсчеты s 2 (t). Для каждого из этих двух процессов вычислялись математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение (М^о^, А^о^). Первый процесс соответствует случаю, когда рассматриваемый метод не используется, а второй - случаю, когда он используется. Энергетический выигрыш А2- А1 был равен 1.5-2.5дБ при наилучшем выборе параметров экстраполирующего фильтра. Размер временного окна, на котором вычислялась корреляционная функция процесса sj (t), при котором обеспечивается наибольший энергетический выигрыш составил 0.25-1.0, а порядок экстраполирующего фильтра -50-200 (Рис.3, Рис.4). На графиках использованы следующие обозначения: K -порядок экстраполирующего фильтра, ATR(T) / A - количество отсчетов,

использованное для вычисления корреляционной функции процесса, где A - период дискретизации, а ATR(T) - размер временного окна, на котором вычислялась

корреляционная функция процесса sj (t). При увеличении ATr(t) энергетический

выигрыш сначала растет, а затем уменьшается. Это объясняется тем, что реальный процесс s j (t) не является стационарным, и его корреляционная функция изменяется с течением времени. При этом можно выбрать некоторое значение ATR(T), зависящее

от скорости движения автомобиля, при котором обеспечивается наибольший энергетический выигрыш. Порядок экстраполирующего фильтра ограничивается условием K << ATr(t) / A. До тех пор, пока это условие выполняется,

энергетический выигрыш при увеличении порядка фильтра растет, а затем падает.

ATr(t) / A

Наибольшая эффективность достигается при-= 20 - 30 .

Таким образом, результаты исследования, рассмотренного в данной статье, показывают принципиальную возможность получения энергетического выигрыша в канале Базовая станция - Подвижная станция в радиальной системе подвижной связи при связи с движущейся станцией в условиях многолучевого распространения волн за счет учета коррелированности пространственной картины поля, причем этот выигрыш в реальных условиях составляет величину порядка 2дБ.



Литература.

[1]. Связь с подвижными объектами в диапазоне СВЧ. / Под редакцией У.К.Джейкса Москва Связь , 1979г

[2] . William C.Y. Lee, Mobile Communications Design Fundamentals)) Second Edition John Wiley & Sons, Inc.

[3]. Ramjee Prasad, CDMA for Wireless Personal Communications) Artech House, Boston-London, 1996.

[4]. М. А. Быховский Частотное планирование сотовых сетей подвижной радиосвязи. Электросвязь,Ш, 1993.

[5]. И.С.Гоноровский, М.П.Демин Радиотехнические цепи и сигналы. Радио и связь,1994г.

[6]. Р. Блейхут Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов. Москва

Мир , 1989г.



© 2017 РубинГудс.
Копирование запрещено.