Управление мощностью в каналах

КОМПЕНСАЦИЯ ЗАМИРАНИЙ И ИСКАЖЕНИЙ СИГНАЛОВ НА ТРАССЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

Особенности условий функционирования, характерные для мобильной радиосвязи, как отмечалось выше (см. гл. 3) приводят к появлению нескольких факторов, существенно усложняющих прием сигналов:

• затухание сигналов при распространении;

• замирания огибающей, вызванные многолучевостью рас­пространения;

• искажение спектра и формы сигнала при селективных замираниях;

• межсимвольная интерференция.

Простейшим способом, позволяющим в какой-то степени скомпенсировать влияние указанных факторов, является введе­ние запаса по мощности, гарантирующего поддержание требуе­мого превышения полезного сигнала над шумом на входе прием­ника с учетом затуханий и замираний на трассе распространения

Понятно, что этот путь борьбы с канальными искажениями малоперспективен. Возможная глубина замирания сигнала со­ставляющая порядка 40 дБ, потребует введения эквивалентного запаса по мощности. При этом возникнут серьезные проблемы быстрый разряд аккумуляторов МС, сильные соканальные поме­хи (или необходимость резкого увеличения размерности класте­ров), усиление вредного воздействия электромагнитного излуче­ния на организм человека. Таким образом, актуальны поиски аль­тернативных методов надежной передачи данных, не связанные с чрезмерным увеличением мощности излучения и снижением эффективности повторного использования каналов. Краткому их обсуждению посвящен дальнейший материал раздела.

Управление мощностью в каналах

Обмен сигналами между БС и МС должен в идеале осуще­ствляться на минимальном уровне мощности, обеспечивающем требуемое качество связи. При этом сводятся к минимуму помехи другим абонентам и базовым станциям, снижается энергопотребление (а значит, и требуемая частота подзаряда аккумуляторов) МС, уменьшается риск вредного экологического влияния радио­излучения.

Различие расстояний и условий распространения на трас­сах между БС и различными МС делает весьма желательной раздельную регулировку мощности сигналов, адресованных раз­личным МС и передаваемых последними. Подобные процедуры управления мощностью (power control) реализованы в цифровых системах второго поколения с временным разделением (GSM, D-AMPS) и, с наибольшей полнотой, в системах с кодовым раз­делением стандарта IS-95. Являются они и неотъемлемой компо­нентой стандартов третьего поколения (см. гл. 12).

В системе GSM подвижная станция измеряет и периодиче­ски передает на базовую станцию уровень сигнала БС "своей" ячейки и до 16 смежных ячеек, а также код качества принимае­мых сигналов, зависящий от частоты битовых ошибок. По этой информации БС оценивает качество связи и передает на каждую мобильную станцию необходимые команды для изменения уров­ня излучаемой мощности. Управление мощностью происходит с периодом 4,6 мс и позволяет частично компенсировать быстрые замирания.

В системах стандарта D-AMPS измерение уровня сигнала и частоты битовых ошибок производится по команде с БС и ис­пользуется для обеспечения процедуры передачи управления.

Наиболее тщательная регулировка мощности излучаемых сигналов необходима при кодовом разделении каналов, посколь­ку в соответствующих системах уровень взаимных помех непо­средственно определяет абонентскую емкость (см. § 5.3). Рас­смотрим более подробно алгоритм регулировки мощности в сото­вой системе подвижной радиосвязи стандарта IS-95.

Регулировка мощности излучения МС (обратный канал) на­чинается с момента включения мобильного аппарата. Стандартом IS-95 определено, что МС сначала проводит исследование доступа - ряд передач прогрессивно более высокой мощности (см. § 11.4.4). МС передает первое сообщение с относительно низкой мощностью и затем ожидает ответ от БС. Если по прошествии не­которого времени МС не получает ответа от БС, то повторяет за­прос доступа с несколько большей мощностью. Процесс повторя­ется до тех пор, пока МС не получит ответ от БС. Шаг увеличения мощности определяется параметром системы PWR^STEP.

Для дальнейшей регулировки мощности передачи МС ис­пользует уровень сигнала, полученного от БС (мощность пилот-сигнала в канале синхронизации).

Рассмотрим закон, по которому должна производиться та­кая регулировка. Пусть Р_ТВ и Р_ТМ - мощность сигналов, излучае­мых БС и МС, Р_ТВ и Р_ТМ - мощность сигналов, принимаемых БС и МС соответственно. Считая в первом приближении затухание сигналов в прямом и обратном каналах одинаковым и равным L_р,

можно записать: (6-1)

Если учесть различие мощностей принимаемых сигналов, то выражение (5.2) для отношения сигнал-шум, приходящееся на од­ну информационную посылку в обратном канале, примет вид [6]: (6.2)

где P_RBj- мощность сигналов, принимаемых БС от (К-1) сторон­них абонентов соты; N_о- мощность фонового шума; R_t- ско­рость передачи информации, W_c - ширина спектра сигнала. Учи­тывая, что отношение W_cIR_t равно коэффициенту расширения спектра сигнала B, последнее выражение можно представить как

Для поддержания одинаковой достоверности приема дан­ной БС сигналов всех обслуживаемых МС регулировка мощности, излучаемой каждой из них, должна быть направлена на выравни­вание мощностей всех сигналов на входе приемника БС: p_RBj = p_RB = с, где С - некоторая константа. При этом выраже­ние (6.3) совпадает с (5.2): (6.4)

а закон регулировки мощности сигналов, передаваемых МС, на основании (6.1) дается равенством (6.5)

которое при постоянстве мощности сигналов, излучаемых БС, равносильно соотношению P_RM Ptm ⁼ const, или в децибелах (6.6)

Значение константы С_о естественно (с точки зрения энерго­затрат) поддерживать минимальным, обеспечивающим необхо­димое качество приема сигналов (т.е. заданное отношение сиг­нал-шум). Вместе с тем, как следует из (6.4), N_о должна быть малой по сравнению с суммарной мощностью внутрисистемной помехи, поскольку в противном случае имело бы место недоис­пользование ресурса абонентской емкости системы: число або­нентов К можно было бы заметно увеличить за счет повышения мощности МС. Таким образом,

где /» 1. Представим мощность фонового шума в виде [20]:

где K - постоянная Больцмана, K_ш и Т_ш- соответственно коэффи­циент шума и шумовая температура приемника БС. Объединяя два последних выражения, получим: (6.7)

Подставим численные значения / = 10, к = 1,38-10 ^-23 Дж/К, K_ш= 3, Т_о = 290 К, F = 1,2288 МГц, К = 30. Мощность пилот-сигнала, по которому и производится измерение уровня излуче­ния, составляет обычно 20% от всей мощности, передаваемой БС. Примем последнюю равной 50 Вт. Тогда Р_ТВ = 10 Вт. При том получим:

Выражая мощности в децибелах относительно милливатта, получим закон грубой регулировки мощности сигналов, излучаемых МС: (6.8)

Учитывая, что расчет уровня удержания величины

не может быть произведен достаточно точно, необходима дополнительная подстройка. Исходная мощность передачи МС в децибелах определяется выражением:

Prm,дб = - Р_ТМ,ДБ -73 + NOM _ PWR + INIT __ PWR.

Два дополнительных параметра NOM__PWR и INIT_PWR используются оператором системы для более точной подстройки. Значения этих двух параметров регулирования, а также значение параметра PWR__STEP передаются базовой станцией в составе сообщения доступа.

Процесс, описанный выше, получил название управление мощностью с открытой петлей (open-loop power control). Этот процесс регулирования осуществляется мобильной станцией и продолжается все время, пока идет обмен данными по каналу трафика. Процесс повторяется каждые 20 мс и используется для компенсации затухания и медленных замираний, практически одинаковых в прямом и обратном каналах. Необходимой точно­сти регулирования данный алгоритм не обеспечивает, так как прямой и обратный каналы разнесены по частоте на 45 МГц, что превышает полосу когерентности канала. Для более точной регулировки используется управление мощностью с замкнутой петлей (closed-loop power control). Ба­зовая станция постоянно оценивает качество соединения в об­ратном канале на основе анализа вероятности битовых ошибок. Если эта вероятность превышает программно заданный порог, то базовая станция дает команду мобильной станции на увеличение мощности. Если качество связи слишком хорошее, то базовая станция дает команду уменьшить мощность. Управление произ­водится с шагом ±0,5 дБ каждые 1,25 мс.

Поскольку управление мощностью при замкнутой петле призвано компенсировать быстрые замирания, то отклик МС на эти команды должен следовать очень быстро. По этой причине команды управления мощностью посылаются непосредственно по каналу трафика. Для уменьшения времени реакции биты управления мощностью не защищены от ошибок.

Управление мощностью при замкнутой петле имеет внут­реннюю (inner loop) и внешнюю (outer loop) петлю. Выше изложен алгоритм внутренней петли управления мощностью. При реаль­ной эксплуатации CDMA-системы требуется иметь возможность динамически менять порог. Это и называется внешней петлей управления мощностью (иначе - адаптивной регулировкой). Опираясь на измерение частоты ошибок в приемниках БС, центр коммутации подвижной связи определяет оптимальные пороговые отношения сигнал-шум для каждой из обслуживаемых МС. Это позволяет снизить вероятность работы МС с избыточной мощностью и тем самым повысить спектральную эффективность.

В принципе, стандарт IS-95 не включает описание этого процесса. Это позволяет каждому оператору вносить в алгоритм свои коррективы.

Во время перехода из одной соты в другую МС принимает команды управления мощностью сразу от нескольких БС, что мо­жет привести к конфликту. В такой ситуации МС действует сле­дующим образом: мощность излучаемого сигнала уменьшается, если хотя бы одна БС дает такую команду. Увеличение мощности происходит, только если все БС дают команду на увеличение мощности. Регулировка мощности с открытой петлей и с замкнутой пет­лей производятся параллельно. Общий диапазон регулировки мощ­ности сигналов, излучаемых МС, составляет 85 дБ с шагом ±0,5 дБ.

Регулировка мощности в прямом канале используется для уменьшения помех МС от БС соседних сотах. Процесс регулировки мощности в прямом канале реализу­ется на основе измерений и команд МС, т.е. по схеме с обратной связью. Каждая МС непрерывно определяет частоту появления ошибок при приеме. БС постепенно снижает мощность излучения до тех пор, пока МС не зарегистрирует превышение порога часто­ты ошибок и не пошлет запрос на увеличение мощности. Шаг из­менения мощности - 0,5 дБ в диапазоне ±6 дБ, период регули­ровки - 20 мс.

Разнесенный прием

Метод разнесенного приема (diversity reception) использует­ся для выделения информации из нескольких сигналов, переда­ваемых по независимо замирающим путям, называемым ветвями разнесения. Идея метода состоит в том, что сигналы, отличаю­щиеся (разнесенные) по какому-либо параметру, подвержены за­мираниям, корреляция между которыми тем меньше, чем суще­ственнее разнесение. Другими словами, неблагоприятная (сопро­вождающаяся подавлением суммарного сигнала) многолучевая интерференционная картина в одной из ветвей разнесения вовсе не означает, что условия приема в других ветвях столь же плохи. Вследствие этого комбинирование параллельных сигналов, поступающих по разным ветвям разнесения, позволит смягчить вредный эффект глубоких замираний.

Как видно, процедура разнесенного приема включает в се­бя решение двух отдельных задач:

• организация ветвей разнесения и разделение принимае­мых сигналов, разнесенных по какому-либо параметру;

• комбинирование разделенных сигналов с целью формирования результирующего сигнала с более высоким качеством (с меньшей глубиной замираний, с большей мощностью или большим отношением сигнал-шум).