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_RMPtm ⁼ 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).