eng
Содержание
Предисловие к переводу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Сведения об авторах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Благодарности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Глава 1. Системы CDMA третьего поколения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.2.
Основы систем CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.2.1.
Основы широкополосного спектра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.2.1.1.
Скачки частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.2.1.2.
Прямая последовательность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.2.2.
Влияние многолучевых каналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.2.3.
Приемник Rake . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.2.4.
Коллективный, многостанционный доступ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
1.2.4.1.
Помехи входящей линии — DL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
1.2.4.2.
Помехи исходящей линии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
1.2.4.3.
Гауссова аппроксимация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
1.2.5.
Расширяющие коды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
1.2.5.1.
m-последовательности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
1.2.5.2.
Последовательности Голда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
1.2.5.3.
Расширенные m-последовательности [102] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
1.2.6.
Оценивание канала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
1.2.6.1.
Оценивание с использованием контрольного канала . . . . . . . . . . . 59
1.2.6.2.
Оценивание исходящей линии UL с использованием
контрольных символов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
1.2.6.3.
Оценивание канала по контрольным символам с управлением
по решению . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
1.2.7.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
1.3.
Системы мобильной связи третьего поколения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
1.3.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
1.3.2.
UTRA — система наземного радиодоступа UMTS [59, 115, 117—124] . . . . . 67
1.3.2.1.
Характеристики UTRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
1.3.2.2.
Транспортные каналы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
1.3.2.3.
Физические каналы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
1.3.2.3.1.
Выделенные физические каналы . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
1.3.2.3.2.
Общие физические каналы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
1.3.2.3.2.1.
Общие физические каналы режима FDD 78
1.3.2.3.2.2.
Общие физические каналы в режиме
временного дуплекса TDD . . . . . . . . . . . 82
1.3.2.4.
Мультиплексирование и кодирование каналов в UTRA . . . . . . . . . 84
1.3.2.4.1.
Использование CRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
1.3.2.4.2.
Объединение последовательности транспортных
блоков — упорядочивание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
1.3.2.4.3.
Канальное кодирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
1.3.2.4.4.
Дополнение радиоцикла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
1.3.2.4.5.
Первое перемежение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
1.3.2.4.6.
Сегментация радиоцикла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
1.3.2.4.7.
Согласование скоростей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
1.3.2.4.8.
Индикация перерыва передачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
1.3.2.4.9.
Мультиплексирование транспортного канала . . . . . . . . 89
1.3.2.4.10.
Сегментация физического канала . . . . . . . . . . . . . . . . 89
1.3.2.4.11.
Второе перемежение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
1.3.2.4.12.
Вставка в физический канал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
1.3.2.4.13.
Вставка нескольких услуг с различными скоростями
в физические каналы UL в режиме FDD [115] . . . . . . . 90
1.3.2.4.14.
Вставка канала данных на скорости 4,1 кбит/с
в DPDCH (направление DL) в режиме FDD . . . . . . . . . 92
1.3.2.4.15.
Вставка нескольких каналов с разлиными скоростями
в физические каналы (направление UL) в режиме
TDD [115] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
1.3.2.5.
Переменная скорость и мультикодовая передача в UTRA . . . . . . . . 96
1.3.2.6.
Расширени и модуляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
1.3.2.6.1.
Ортогональные коды с переменным коэффициентом
расширения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
1.3.2.6.2.
Скремблирующие последовательности исходящей
линии UL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
1.3.2.6.3.
Скремблирующие последовательности входящей
линии DL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
1.3.2.6.4.
Модуляция и расширение сигналов исходящей
линии UL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
1.3.2.6.5.
Модуляция и расширение на входящей линии DL . . . . 103
1.3.2.7.
Произвольный доступ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
1.3.2.7.1.
Порядок произвольного физического доступа,
инициированный мобильной станцией . . . . . . . . . . . . 104
1.3.2.7.2.
Порядок доступа общиго пакетного канала . . . . . . . . . 105
1.3.2.8.
Управление мощностью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
1.3.2.8.1.
Управление мощностью в UTRA с обратной связью . . 106
1.3.2.8.2.
Управление мощностью в UTRA без обратной связи . . 107
1.3.2.9.
Идентификация сот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
1.3.2.9.1.
Идентификация сот в режиме FDD . . . . . . . . . . . . . . 107
1.3.2.9.2.
Идентификация соты в режиме TDD . . . . . . . . . . . . . 110
1.3.2.10.
Передача обслуживания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6
Оглавление
1.3.2.10.1.
Плавная или внутрисистемная передача
обслуживания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
1.3.2.10.2.
Жесткая или межсистемная передача обслуживания . 112
1.3.2.11.
Межсотовая временная синхронизация UTRA в режиме TDD . . . 114
1.3.3.
Система наземного радиодоступа cdma2000 [151—153] . . . . . . . . . . . . . . . 115
1.3.3.1.
Характеристики cdma2000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
1.3.3.2.
Физические каналы в cdma2000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
1.3.3.3.
Канальное кодирование и мультиплексирование . . . . . . . . . . . . . 121
1.3.3.4.
Расширения и модуляции сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
1.3.3.4.1.
Расширения и модуляции сигналов на DL . . . . . . . . . 124
1.3.3.4.2.
Расширение и модуляция на UL . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
1.3.3.5.
Произвольный доступ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
1.3.3.6.
Передача эстафеты обслуживания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
1.3.4.
Особенности улучшения показателей работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
1.3.4.1.
Методы разнесения передачи на входящих линиях . . . . . . . . . . . . 130
1.3.4.1.1.
Пространственно-временное разнесение
передаваемых закодированных блоков . . . . . . . . . . . . 130
1.3.4.1.2.
Разнесение передачи за счет переключения во времени 130
1.3.4.1.3.
Разнесение передачи с обратной связью . . . . . . . . . . . 131
1.3.4.2.
Адаптивные антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
1.3.4.3.
Многопользовательское детектирование и компенсация помех . . . 132
1.3.5.
Заключение по системам 3G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
1.4.
Итоги и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Глава 2. Высокоскоростной пакетный доступ в исходящем и входящем направлениях 134
2.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 134
2.2.
Высокоскоростной пакетный доступ во входящем направлении — DL . . . . . . . 135
2.2.1.
Физический уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
2.2.1.1.
Высокоскоростной входящий физический канал совместного
использования (HS-PDSCH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
2.2.1.2.
Высокоскоростной совместно используемый канал
управления (HS-SCCH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
2.2.1.3.
Высокоскоростной выделенный физический канал
управления (HS-DPCCH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
2.2.2.
Уровень управления доступом к среде передачи (MAC) . . . . . . . . . . . . . . 148
2.3.
Высокоскоростной пакетный доступ в исходящем направлении . . . . . . . . . . . . 149
2.3.1.
Физический слой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
2.3.1.1.
Расширенный выделенный физический канал данных
(E-DPDCH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
2.3.1.2.
Расширенный выделенный физический канал
управления (E-DPCCH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
2.3.1.3.
Расширенный выделенный канал индикации процедуры
НARQ (E-HICH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Оглавление 7
2.3.1.4.
Расширенный выделенный канал с абсолютным грантом
(E-AGSH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
2.3.1.5.
Расширенный выделенный канал с относительным грантом
(E-RGCH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
2.3.2.
Уровень МАС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
2.4.
Аспекты технической реализации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
2.4.1.
Алгоритм детектирования каналов HS-SCCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
2.4.1.1.
Алгоритм Витерби, основанный на разности метрик путей . . . . . . 166
2.4.1.2.
Алгоритм Ямамото-Ито . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
2.4.1.3.
Алгоритм минимальной разности метрик путей . . . . . . . . . . . . . . 167
2.4.1.4.
Алгоритм средней разности метрик путей . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
2.4.1.5.
Алгоритм частоты разностей метрик путей . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
2.4.1.6.
Алгоритм последней разности метрик путей . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
2.4.1.7.
Качественные показатели алгоритмов детектирования . . . . . . . . . 168
2.4.2.
Модуляция 16QAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
2.4.2.1.
Оценка амплитуды и фазы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
2.4.2.2.
Эквалайзер (корректор) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
2.4.3.
Время обработки результатов процедуры HARQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
2.4.4.
Пик-фактор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
Глава 3. Пакетные адаптивные беспроводные приемопередатчики HSDPA . . . . . . . 173
3.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
3.2.
Узкополосная пакетная адаптивная модуляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
3.3.
Широкополосная пакетная адаптивная модуляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
3.3.1.
Метрики качества канала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
3.4.
Широкополосные видео приемопередатчики BbB-AQAM . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
3.5.
Характеристики BbB-AQAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
3.6.
Показатели видео широкополосной BbB-AQAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
3.6.1.
Пороги переключения AQAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
3.6.2.
Показатели видеотелефонов с турбо кодированной AQAM . . . . . . . . . . . . 191
3.7.
Адаптивные видеоприемопередатчики CDMA с совместным детектированием
и последовательной передачей пакетов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
3.7.1
Многопользовательское детектирование в CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
3.7.2.
Режимы сигнализации и адаптации модема JD-ACDMA . . . . . . . . . . . . . 195
3.7.3.
Видеоприемопередатчик JD-ACDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
3.7.4.
Показатели видео приемопередатчиков JD-ACDMA . . . . . . . . . . . . . . . . 200
3.8.
Видео приемопередатчики OFDM с адаптивными поддиапазонами . . . . . . . . . 204
3.9.
Итоги и заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
Глава 4. Интеллектуальные антенные решетки и формирование луча . . . . . . . . . . 210
4.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
4.2.
Формирование луча . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
4.2.1.
Параметры антенной решетки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
4.2.2.
Потенциальные преимущества применения антенных решеток
в мобильной связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
8
Оглавление
4.2.2.1.
Многолучевая передача [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
4.2.2.2.
Адаптивные лучи [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
4.2.2.3
Управление положением нулей диаграммы направленности
[6, 295] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
4.2.2.4
Схемы разнесения [6, 296] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
4.2.2.5.
Снижение разброса задержек и замираний при многолучевом
распространении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
4.2.2.6.
Подавление внутриканальных помех . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
4.2.2.7.
Повышение пропускной способности и спектральная
эффективность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
4.2.2.8.
Повышение эффективности передачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
4.2.2.9.
Сокращение эстафетной передачи обслуживания . . . . . . . . . . . . . 222
4.2.3.
Модель сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
4.2.4.
Пример формирования луча . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
4.2.5.
Аналоговое формирование луча . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
4.2.6.
Цифровое формирование луча . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
4.2.7.
Формирование диаграммы направленности с разнесением элементов . . . 228
4.2.8.
Формирователь диаграммы направленности с разнесением лучей . . . . . . 229
4.3.
Адаптивное формирование луча . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
4.3.1.
Фиксированные лучи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
4.3.2.
Методы с использованием временных опорных сигналов . . . . . . . . . . . . . 234
4.3.2.1.
Метод наименьших средних квадратов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
4.3.2.2.
Алгоритм нормированных наименьших средних квадратов . . . . . . 239
4.3.2.3.
Обращение матрицы отсчетов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
4.3.2.4.
Рекурсивный алгоритм наименьших квадратов . . . . . . . . . . . . . . . 248
4.3.3.
Методы с использованием пространственных опорных сигналов . . . . . . . 249
4.3.3.1.
Калибровка антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
4.3.4.
Слепая адаптация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
4.3.4.1.
Алгоритм постоянных модулей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
4.3.5.
Применение адаптивных решеток во входящем направлении . . . . . . . . . . 255
4.3.6.
Оценка качественных показателей адаптивного формирования луча . . . . 257
4.3.6.1.
Двухэлементная адаптивная антенна, использующая обращение
матрицы отсчетов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
4.3.6.2.
Двухэлементная адаптивная антенна с использованием метода
обычных наименьших средних квадратов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
4.3.6.3.
Двухэлементная адаптивная антенна с использованием
алгоритма нормированных наименьших средних квадратов . . . . . 263
4.3.6.4.
Качественные показатели трехэлементной адаптивной
антенной решетки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
4.3.6.5.
Анализ сложности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
4.4.
Итоги и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
Глава 5. Адаптивные антенные решетки в сетях сотовой связи FDMA/TDMA . . . . . . . 283
5.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 283
5.2.
Моделирование адаптивных антенных решеток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
5.2.1.
Алгебраическая манипуляция с оптимальным формированием луча . . . . . 285
5.2.2.
Использование функций плотности вероятности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
5.2.3.
Формирование луча методом обращения матрицы отсчетов . . . . . . . . . . . 288
5.3.
Методы распределения каналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
5.3.1.
Обзор методов распределения каналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
5.3.1.1.
Фиксированное распределение каналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
5.3.1.1.1.
Заимствование каналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
5.3.1.1.2.
Гибкое распределение каналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
5.3.1.2.
Динамическое распределение каналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
5.3.1.2.1.
Алгоритмы DCA с централизованным управлением . . . 299
5.3.1.2.2.
Распределенные алгоритмы DCA . . . . . . . . . . . . . . . . 300
5.3.1.2.3.
Локально распределенные алгоритмы DCA . . . . . . . . . 301
5.3.1.3
Гибридное распределение каналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
5.3.1.4.
Влияние процедур передачи обслуживания . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
5.3.1.5.
Влияние управления мощностью передачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
5.3.2.
Моделирование алгоритмов распределения каналов . . . . . . . . . . . . . . . . 305
5.3.2.1.
Имитатор мобильной радиосети «Netsim» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
5.3.2.1.1.
Модель физического слоя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
5.3.2.1.2.
Модель теневого замирания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
5.3.3.
Обзор алгоритмов распределения каналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
5.3.3.1.
Алгоритм фиксированного распределения каналов . . . . . . . . . . . . 311
5.3.3.2.
Распределенные алгоритмы динамического распределения
каналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
5.3.3.3.
Локально распределенные алгоритмы динамического
распределения каналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
5.3.3.4.
Параметры качества работы алгоритмов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
5.3.3.5.
Модель неоднородного трафика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
5.3.4.
Качественные показатели DCA без адаптивных антенных решеток . . . . . 316
5.4.
Использование адаптивных антенных решеток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
5.5.
Среды с многолучевым распространением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
5.6.
Результаты моделирования качественных показателей сети . . . . . . . . . . . . . . . 327
5.6.1.
Параметры, используемые при моделировании системы . . . . . . . . . . . . . 328
5.6.2.
Результаты исследования работы неперекрывающейся сети . . . . . . . . . . . 341
5.6.2.1.
Результаты исследования работы по каналу прямой видимости . . . 341
5.6.2.2.
Результаты исследования работы по многолучевому каналу . . . . . 348
5.6.2.3.
Работа по каналу с многолучевым распространением
с использованием управления мощностью . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
5.6.2.4.
Передача по многолучевому каналу, в котором используются
управление мощностью и адаптивная модуляция . . . . . . . . . . . . . 361
5.6.2.5.
Алгоритм управления мощностью и адаптивной модуляции . . . . . 363
5.6.2.6.
Качественные показатели динамического распределения каналов с
использованием управления мощностью и AQAM . . . . . . . . . . . . 367
5.6.2.7.
Обобщение исследования работы неперекрывающейся сети . . . . . 375
5.6.3.
Результаты исследования качества работы перекрывающейся сети . . . . . . 376
5.6.3.1.
Результаты исследования качества работы по каналу прямой видимо-
сти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
5.6.3.2.
Результаты исследования качества работы по многолучевому каналу
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
5.6.3.3.
Качество работы по многолучевому каналу при использовании управ-
ления мощностью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
5.6.3.4.
Качество работы сети на основе AQAM при использовании управле-
ния мощностью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
5.7.
Обобщение и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
Глава 6. Адаптивная модуляция, адаптивные антенные решетки и сетевые принципы
высокоскоростного доступа HSDPA с частотным дуплексом FDD . . . . . . . . . . . . . . . 405
6.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 405
6.2.
Доступ с кодовым разделением каналов и прямым расширением спектра . . . . . 407
6.3.
Наземный радиодоступ UMTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
6.3.1.
Расширение спектра и модуляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
6.3.2.
Общий контрольный канал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
6.3.3.
Управление мощностью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
6.3.3.1.
Управление мощностью в исходящем направлении UL . . . . . . . . . 417
6.3.3.2.
Управление мощностью во входящем направлении DL . . . . . . . . . 419
6.3.4.
Мягкая передача обслуживания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
6.3.5.
Расчет отношения сигнала к помехе плюс шум . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
6.3.5.1.
Передача от базовой станции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
6.3.5.2.
Исходящая линия UL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
6.3.6.
Многопользовательское детектирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
6.4.
Результаты моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
6.4.1.
Параметры моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
6.4.2.
Влияние управления мощностью на проведение мягкой передачи . . . . . . 429
6.4.2.1.
Фиксированные пороги уровня мощности без замираний . . . . . . . 430
6.4.2.2.
Фиксированные пороги уровня мощности при замираниях 0,5 Гц 434
6.4.2.3.
Фиксированные пороги принимаемой мощности контрольного
сигнала при замираниях с частотой 1 Гц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
6.4.2.4.
Основные итоги и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
6.4.2.5.
Относительные уровни порогов контрольных сигналов
без замираний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
6.4.2.6.
Относительные уровни порогов контрольных сигналов
с замираниями частотой 0,5 Гц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
6.4.2.7.
Относительные уровни порогов контрольных сигналов
с замираниями частотой 1 Гц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
6.4.2.8
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
6.4.3.
Результаты моделирования мягкой передачи обслуживания,
основанного на отношении Ec/Io . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
6.4.3.1.
Фиксированные пороги Ec/Io без замираний . . . . . . . . . . . . . . . . 446
6.4.3.2.
Фиксированные пороги Ec/Io при замираниях с частотой 0,5 Гц . 450
6.4.3.3.
Фиксированные пороги Ec/Io при замираниях с частотой 1,0 Гц . 451
6.4.3.4.
Итоги . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
6.4.3.5.
Относительные пороги Ec/Io без замираний . . . . . . . . . . . . . . . . 453
6.4.3.6.
Относительные пороги Ec/Io при замираниях с частотой 0,5 Гц . . 455
6.4.3.7.
Относительные пороги Ec/Io при замираниях с частотой 1,0 Гц . . 458
6.4.3.8.
Итоги . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
6.4.4.
Обзор результатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
6.4.5.
Показатели адаптивных антенных решеток в обстановке с высокой
скоростью передачи данных пешеходом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
6.4.6.
Performance of Adaptive Antenna Arrays and Adaptive Modulation
in a High Data Rate Pedestrian Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470
6.5.
Итоги и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
Глава 7. Характеристики систем FDD/CDMA с hsdpa при использовании
слабо синхронизированных расширяющих кодов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 480
7.1.
Влияние слабо синхронизированных расширяющих кодов на качественные
показатели систем CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
7.1.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
7.1.2.
Слабо синхронизированные коды [427] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482
7.1.3.
Параметры системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
7.1.4.
Результаты моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
7.1.5.
Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500
7.2.
Влияние размера соты на качественные показатели системы UTRA . . . . . . . . . 501
7.2.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
7.2.2.
Модель и параметры системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
7.2.3.
Результаты моделирования и их сравнение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
7.2.3.1.
Качественные показатели сети при использовании адаптивных
антенных решеток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
7.2.3.2.
Качественные показатели сети при использовании адаптивных
антенных решеток и адаптивной модуляции . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
7.2.4.
Заключение и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
7.3.
Влияние порога SINR на качественные показатели систем CDMA . . . . . . . . . . 513
7.3.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
7.3.2.
Результаты моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
7.3.3.
Заключение и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516
7.4.
Характеристики сетевого уровня системы CDMA с несколькими несущими . . . 516
7.4.1.
Введение [440] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516
7.4.2.
Результаты моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
7.4.3.
Заключение и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521
Глава 8. Показатели сети типа HSDPA с TDD/CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522
8.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522
8.2.
Сравнение режимов дуплекса FDD и TDD в системе наземного
радиодоступа UMTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522
8.2.1.
Распределение спектров UTRA в режимах FDD и TDD . . . . . . . . . . . . . . 523
8.2.2.
Физические каналы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524
8.3.
Система UTRA с TDD/CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525
8.3.1.
Физический слой режима TDD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526
8.3.2.
Общий физический канал в режиме TDD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527
8.3.3.
Управление мощностью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528
8.3.4.
Опережение во времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528
8.4.
Сценарии помех в CDMA с TDD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 530
8.4.1.
Взаимные влияния между мобильными станциями МС . . . . . . . . . . . . . . 531
8.4.2.
Взаимные влияния между базовыми станциями БС . . . . . . . . . . . . . . . . . 531
8.5.
Результаты моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532
8.5.1.
Параметры моделирования [416] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533
8.5.2.
Показатели системы CDMA с TDD, оснащенной адаптивными
антенными решетками . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536
8.5.3.
Показатели использования в системе типа HSDPA с TDD адаптивных
антенных решеток и адаптивной модуляции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543
8.6.
Показатели использования в системе типа UTRA TDD/CDMA слабо
синхронизированных расширяющих кодов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547
8.6.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547
8.6.2.
Коды LS Codes в системе UTRA с TDD/CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548
8.6.3.
Системные параметры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550
8.6.4.
Результаты моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551
8.6.5.
Итоги и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555
Глава 9. Влияния управления мощностью и жесткой передачи обслуживания
на показатели системы UTRA С TDD/CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556
9.1.
Историческая ретроспектива систем передачи обслуживания . . . . . . . . . . . . . . 556
9.2.
Жесткая ЭПО в UTRA-подобных системах TDD/CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . 558
9.2.1.
Жесткая процедура ЭПО, использующая относительный уровень
контрольного сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559
9.2.2.
Результаты моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561
9.2.2.1.
Почти симметричные транспортные нагрузки UL/DL . . . . . . . . . 561
9.2.2.2.
Асимметричный трафик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564
9.3.
Управление мощностью в системах типа UTRA с TDD/CDMA . . . . . . . . . . . . . 571
9.3.1.
Управление мощностью с обратной связью в направлении DL
в системе UTRA с TDD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572
9.3.2.
Управление мощностью с обратной связью в исходящем направлении
системы UTRA с TDD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575
9.3.3.
Результаты моделирования управления мощностью с обратной связью . . 575
9.3.3.1.
Симметричные нагрузки трафика в направлениях UL/DL . . . . . . 576
9.3.3.2.
Асимметричный трафик с преобладанием в исходящем
направлении UL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579
9.3.3.3.
Асимметричные нагрузки с преобладанием трафика
в нисходящем направлении DL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582
9.3.4.
Управление мощностью без обратной связи в восходящем тракте UL
системы UTRA TDD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585
9.3.5.
Модель регулирования мощности при задержке на цикл . . . . . . . . . . . . . 586
9.3.5.1.
Симметричный трафик в направлениях UL/DL . . . . . . . . . . . . . . 592
9.3.5.2.
Асимметричные нагрузки трафика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595
9.4.
Итоги и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 598
Глава 10. Генетически модифицированные показатели сети UTRA/TDD . . . . . . 600
10.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600
10.2.
Генетически модифицированная система типа UTRA c TDD/CDMA . . . . . . . 601
10.3.
Результаты моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607
10.4.
Заключение и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 612
Глава 11. Выводы и дальнейшие исследования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613
11.1.
Краткие выводы относительно построения сети FDD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613
11.2.
Итоги сравнения сетей с частотным FDD и временным TDD дуплексом . . . . 620
11.3.
Дальнейшие исследования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627
11.3.1.
Модифицированные целевые функции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628
11.3.2.
Другие типы генетических алгоритмов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 629
Глоссарий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 631
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636
Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .664
ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРЕВОДУ
На протяжении многих лет стандарты мобильной связи второго поколения
(2G) были основными при построении систем сотовой связи. Предложенный
в 1991 году стандарт GSM (Global System for Mobile Communications) обеспе-
чивал более качественную передачу речи за счет предварительного преобразо-
вания ее в цифровую форму и стремительно распространился по всему миру.
Однако со временем набор услуг, которые могли предложить стандарты 2G
оказался недостаточным. Возросшая потребность в беспроводном доступе в
Интернет привела к дальнейшему развитию технологии 2G. Появилась техно-
логия 2.5G, примером которой является GPRS (General Packet Radio Services)
— стандартизованная технология пакетной передачи данных, позволяю-
щая использовать оконечное устройство мобильной связи для доступа в
Интернет. Позже была внедрена технология EDGE (Enhanced Data rates for
GSM Evolution), что позволило повысить скорость передачи данных до сотен
килобит в секунду.
Сети мобильной связи третьего поколения, благодаря высокой скорости
передачи данных, позволили осуществлять видеосвязь, реализовывать различ-
ные мультимедийные сервисы, а также предоставляют высокоскоростной дос-
туп к интернету, в любой точке, где есть 3G сеть. Главным отличием 3G от се-
тей второго поколения является индивидуализация, то есть, присвоение
каждому абоненту IP-адреса. Стандарт 3G был разработан Международным
союзом электросвязи (International Telecommunication Union, ITU) и носит на-
звание IMT 2000 (International Mobile Telecommunications 2000). Под этой аб-
бревиатурой объединены пять стандартов, используются только три основных
стандарта 3G: UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service),
CDMA2000 и WCDMA (Wide CDMA).
IMT-2000 обеспечивает высокую скорость передачи данных как внутри по-
мещений, так и на открытой местности; симметричную и асимметричную пе-
редачу данных; поддержку канальной и пакетной коммутации для обеспечения
таких сервисов, как Internet Protocol и Real Time Video; высокое качество го-
лоса, не уступающее качеству голоса при передаче по проводной линии; боль-
шую компактность спектра и более эффективное его использование; возмож-
ность глобального роуминга.
Книга английских авторов в систематизированном виде излагает все
основные аспекты сотовой связи третьего поколения: история, принципы по-
строения и технические проблемы, характеристики основных стандартов IMT
2000, направления их модернизации и перспективы развития. Рассмотрены
усовершенствованные методы адаптивной модуляции и кодирования, которые
позволили обеспечить скорости передачи до 14 Мбит/с в спецификациях
HSDPA и HSUPA. Исследованы возможности улучшения качественных пока-
зателей обслуживания за счет использования на базовых станциях сотовой
сети адаптивных антенных решеток в сочетании с управлением мощностью.
Представлены результаты исследования пропускной способности сети, полу-
ченные для различных условий распространения, проанализированы преиму-
щества, обеспечиваемые за счет применения методов адаптивного формирова-
ния луча и адаптивной модуляции.
Книга может быть интересна и полезна инженерно-техническим работни-
кам, профессионально занимающимся сотовой связью, аспирантам, учащимся
высших и средних специальных учебных заведений, специализирующимся в
области связи, а также всем тем, кто интересуется современными телекомму-
никационными технологиями или новыми предложениями, появляющимися
на рынке услуг.
Сорокин В.Н.,
старший научный сотрудник,
кандидат технических наук
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Лайош Ханцо (Lajos Hanzo) (http://www-mobile.ecs.soton.
ac.uk) FREng, почетный член Института инженеров по
электротехнике и электронике (FIEEE1), FIET, доктор наук
(DSc), получил диплом по специальности «Электроника» в
1976 г., а докторскую степень — в 1983 г. На протяжении 31
года работы в области телекоммуникаций Л.Ханцо занимал
различные научные и педагогические должности в Венгрии,
Германии и Великобритании. С 1986 г. он работает в Школе
электроники и компьютерных наук при Саутгемптонском
Университете (Великобритания), где заведует кафедрой те-
лекоммуникаций. Является соавтором 15 книг по мобильной радиосвязи об-
щим тиражом более 10 000 экземпляров, опубликовал более 700 научных ста-
тей, был председателем технических программных комитетов различных
конференций IEEE, выступал в качестве основного докладчика и был отмечен
множеством наград. В настоящее время Л.Ханцо руководит исследовательской
группой, которая работает над рядом научных проектов в области беспровод-
ной мультимедийной связи, финансируемых промышленными структурами,
Научным советом по инженерным и физическим наукам (EPSRC2, Великоб-
ритания), Европейской программой IST3 и Виртуальным центром мастерства
(VCE4) в области мобильной связи (Великобритания). Он активно пропаган-
дирует сотрудничество промышленных и научных структур и подготовил ряд
учебных курсов, ориентированных на потребности промышленности и бизне-
са. Кроме того, Л.Ханцо является почетным лектором и управляющим двух
обществ IEEE — Телекоммуникационного общества (ComSoc5) и Общества
технологий связи на транспорте (VTS6). Более детальную информацию о по-
следних исследованиях и соответствующих публикациях Л.Ханцо можно най-
ти на сайте http://www-mobile.ecs.soton.ac.uk.
Джонатан Блох (Jonathan Blogh) в 1997 г. получил дип-
лом магистра с отличием по специальности «Информацион-
ная техника» в Саутгемптонском университете (Великобри-
тания). В том же году он стал лауреатом Премии Общества
инженеров-электриков (IEE7) памяти Лорда Ллойда Килгер-
рана за интерес к вопросам разработки систем мобильной
радиосвязи. С 1997 по 2000 гг. Д.Блох учился в аспирантуре,
1FIEEE — Fellow of the Institute of Electrical and Electronics Engineers
2EPSRC — Engineering and Physical Sciences Research Council
3IST (Information Society Technologies) — Технологии информационного общества. —
Прим. пер.
4VCE — Virtual Centre of Excellence
5ComSoc — Communications Society
6VTS — Vehicular Technology Society
7IEE — Institution of Electrical Engineers. — Прим. пер.
и в 2001 г. в Саутгемптонском университете (Великобритания) получил уче-
ную степень доктора философии (PhD) со специализацией в области мобиль-
ной связи. Сейчас в сферу его научных интересов входят различные аспекты
построения сотовых сетей мобильной связи третьего поколения с частотным
(FDD1) и временным (TDD2) разделением направлений передачи и приема.
После непродолжительного периода работы инженером-программистом в
компании Radioscape (Лондон, Великобритания), в настоящее время Д.Блох
занимает должность старшего научного сотрудника в компании Anritsu (Вели-
кобритания).
Сон Ни (Song Ni) в 1999 г. получил диплом бакалавра по
специальности «Обнаружение информации и контрольно-из-
мерительная аппаратура» в Шанхайском университете Цзяо-
Тун (Jiaotong). Затем он работал инженером-программистом в
компании Winbond Electronics (Shanghai) Ltd., где занимался
исследованиями и разработкой средств связи. В 2001 г. С.Ни
начал работать над диссертацией, посвященной интеллектуа-
льным беспроводным сетям. Эта работа проводилась в Саут-
гемптонском университете и финансировалась в рамках про-
екта IST SCOUT. Результатом четырехлетних исследований стали разработка
платформы системы моделирования сетевого уровня системы UTRA с TDD в
сетях UMTS на основе WCDMA и анализ различных методов улучшения про-
пускной способности систем UTRA. В настоящее время доктор Сон Ни рабо-
тает системным инженером в компании Panasonic Mobile Communication (Ве-
ликобритания).
1FDD — Frequency Division Duplexing
2TDD — Time Division Duplexing
ДРУГИЕ ИЗДАНИЯ WILEY И IEEE PRESS
ПО ДАННОЙ ТЕМАТИКЕ1
• R. Steele, L. Hanzo (Ed): Mobile Radio Communications: Second and Third Generation
Cellular and WATM Systems, JohnWiley and IEEE Press, 2nd edition,
1999, ISBN 07 273-1406-8, 1064 pages.
• L. Hanzo, T.H. Liew, B.L. Yeap: Turbo Coding, Turbo Equalisation and Space-
Time Coding, John Wiley and IEEE Press, 2002, 751 pages.
• L. Hanzo, C.H. Wong, M.S. Yee: Adaptive Wireless Transceivers: Turbo-Coded,
Turbo-Equalised and Space-Time Coded TDMA, CDMA and OFDM Systems,
John Wiley and IEEE Press, 2002, 737 pages.
• L. Hanzo, L-L. Yang, E-L. Kuan, K. Yen: Single- and Multi-Carrier CDMA:
Multi-User Detection, Space-Time Spreading, Synchronization, Networking and
Standards, John Wiley and IEEE Press, June 2003, 1060 pages.
• L. Hanzo, M. Mьnster, T. Keller, B-J. Choi, OFDM and MC-CDMA for Broadband
Multi-User Communications, WLANs and Broadcasting, John-Wiley and
IEEE Press,2003, 978 pages.
• L. Hanzo, S-X. Ng, T. Keller andW.T.Webb, Quadrature Amplitude Modulation:
From Basics to Adaptive Trellis-Coded, Turbo-Equalised and Space-Time Coded
OFDM, CDMA and MC-CDMA Systems, JohnWiley and IEEE Press, 2004,
1105 pages.
• L. Hanzo, T. Keller: An OFDM and MC-CDMA Primer, John Wiley and IEEE
Press,2006, 430 pages.
• L. Hanzo, F.C.A. Somerville, J.P.Woodard: Voice and Audio Compression
for Wireless Communications, John Wiley and IEEE Press, 2nd edition, 2007,
858 pages.
• L. Hanzo, P.J. Cherriman, J. Streit: Video Compression and Communications:
H.261, H.263, H.264, MPEG4 and HSDPA-Style Adaptive Turbo-Transceivers,
John Wiley and IEEE Press, 2nd edition, 2007, 680 pages.
1Развернутое содержание и примеры глав перечисленных книг можно най-
ти на сайте http://www-mobile.ecs.soton.ac.uk
ПРЕДИСЛОВИЕ
Обзор состояния вопроса
Сегодня беспроводная связь демонстрирует взрывоподобный рост. Высокий
спрос на услуги беспроводной связи выдвигает повышенные требования к
пропускной способности систем. Проще всего было бы выделить для этих
услуг более широкую полосу частот, но электромагнитный спектр, будучи
ограниченным ресурсом, начинает стремительно исчерпываться [1]. Более
того, в ряде европейских стран, например, в Германии и Англии, частотные
полосы для работы систем беспроводной связи 3-го поколения (3G) стали
предметом торгов и были проданы по очень высокой цене. Поэтому на пер-
вый план выходит задача эффективного использования имеющегося частотно-
го ресурса [1, 2].
Методы цифровой передачи, используемые в сетях мобильной радиосвязи
2-го поколения (2G), в свое время позволили повысить пропускную способ-
ность и качество передачи речи по сравнению с аналоговыми системами пер-
вого поколения. Однако возникла необходимость в более эффективных мето-
дах, позволяющих множеству абонентов совместно использовать доступный
частотный ресурс. Классические методы обеспечения множественного доступа
абонентов — это организация многостанционного доступа с частотным, вре-
менным, поляризационным, кодовым или пространственным разделением ка-
налов [3]. При использовании многостанционного доступа с частотным разде-
лением (FDMA1) [4, 5] доступный частотный спектр делится на частотные
полосы, каждая из которых используется определенным абонентом. В систе-
мах многостанционного доступа с временным разделением каналов (TDMA2)
[4, 5] каждому абоненту выделяется определенный период — канальный ин-
тервал, в течение которого он может вести передачу. Передатчик должен обес-
печивать хранение данных, подлежащих передаче, и передавать их с пропор-
ционально увеличенной скоростью в течение «своего» канального интервала,
представляющего часть цикла TDMA. При использовании многостанционного
доступа с кодовым разделением каналов (CDMA3) [4, 5] каждому абоненту вы-
деляется уникальный код. С помощью этого кода спектр сигнала данных рас-
ширяется на всю полосу частот, совместно используемую всеми абонентами.
Для обнаружения переданных данных должен использоваться тот же уникаль-
ный код, часто называемый сигнатурной (идентифицирующей) последователь-
ностью.
Возрастающий спрос на системы мобильной связи, эффективно использу-
ющие спектр, заставил разработчиков искать новые технические решения.
Пространственная обработка сигналов в пределах соты позволяет использо-
вать оптимальные лучи на приеме и передаче, улучшая характеристики систе-
мы в части достигаемой пропускной способности и качества обслуживания
1FDMA — Frequency Division Multiple Access
2TDMA — Time Division Multiple Access
3CDMA — Code Division Multiple Access
(QoS1). Такой подход, обычно называемый многостанционным доступом с
пространственным разделением (SDMA2) [3, 6], позволяет множеству абонен-
тов в пределах одной соты использовать одинаковые частоты и временные ин-
тервалы за счет свойств пространственной избирательности, обеспечиваемых
адаптивными антеннами [7]. С другой стороны, если полезный сигнал и поме-
хи занимают один и тот же частотный диапазон или временной интервал, то
для отделения сигнала от помех нельзя использовать «временную фильтра-
цию». Но, как правило, источники полезного и мешающих сигналов террито-
риально разнесены, что позволяет использовать для отделения сигнала от по-
мех «пространственно избирательный фильтр» в приемнике [8—10]. Поэтому,
если два абонента, использующие одну и ту же полосу частот, находятся на
достаточно большом расстоянии друг от друга, то взаимные влияния между
ними будут пренебрежимо малыми. Чем больше сот формируется на опреде-
ленной территории (за счет использования сот малого размера), тем чаще бу-
дет иметь место повторное использование частот и, соответственно, выше бу-
дет плотность передаваемого трафика в расчете на единицу площади
обслуживаемой территории.
Расстояние между сотами, использующими одни и те же частоты, должно
быть достаточно большим для того, чтобы внутрисотовые помехи не превышали
максимально допустимых пределов [3]. Поэтому число сот в пределах опреде-
ленной географической области ограничивается уровнем передаваемой мощно-
сти базовых станций. Для повышения емкости системы используют секториаль-
ные пучки лучей с углом сектора 120° на различных несущих частотах [11].
Каждый из пучков может обслуживать такое же число абонентов, как и в случае
обычной соты с всенаправленным излучением, при этом отношение сигнал-по-
меха (SIR3) может быть повышено за счет направленности антенны. В пределе
такой подход предполагает независимо регулируемые лучи с высоким усилени-
ем, способные отслеживать отдельных абонентов, перемещающихся в сети [3].
Другой метод повышения спектральной эффективности представляет адап-
тивная квадратурная амплитудная модуляция (AQAM4) в сочетании с режимом
высокоскоростного пакетного доступа во входящем направлении (HSDPA5)
[12,13]. Идея адаптивной модуляции состоит в выборе одного из нескольких
режимов модуляции исходя из качества радиоканала в текущий момент време-
ни [12, 13]. Так, если канал демонстрирует высокое отношение сигнала к сум-
ме помехи и шума (SINR6), то можно применить режим модуляции высокого
порядка, извлекая пользу из временно высокой пропускной способности ка-
нала. Если же мгновенное значение отношения SINR в канале низкое, то при-
менение модуляции высокого порядка привело бы к недопустимому высокому
коэффициенту ошибок по кадрам (FER7) и поэтому следует использовать бо-
лее надежный режим модуляции с более низкой пропускной способностью.
1QoS — Quality of Service
2SDMA — Space Division Multiple Access
3SIR — Signal-to-Interference Ratio
4AQAM — Adaptive Quadrature Amplitude Modulation
5HSDPA — High Speed Downlink Packet Access
6SINR — Signal to Interference plus Noise Ratio
7FER — Frame Error Ratio
Таким образом, адаптивная модуляция не только борется с последствиями
плохого качества канала, но и пытается максмизировать пропускную способ-
ность, сохраняя при этом требуемый уровень коэффициента ошибок FER.
Управляя порогами переключения режимов работы модема, находят компро-
мисс между средним значением FER и пропускной способностью канала. По-
роги переключения режимов модема устанавливают значения SINR, при кото-
рых делается вывод о том, что мгновенное состояние канала требует
изменения текущего режима модуляции, т.е. необходимо применить другой
режим AQAM.
Переключение режимов AQAM в широкополосных системах HSDPA про-
иллюстрировано на рис. 1, где показаны варианты режимов модуляции, кото-
рые выбираются исходя из близкого к мгновенному значения SINR при сред-
них значениях отношения сигнал-шум (SNR1) в канале, равных 10 и 20 дБ. На
рисунке четко видно, что при низких уровнях псевдо-SNR выбираются режи-
мы модуляции низшего порядка. И наоборот, при высоких уровнях псев-
до-SNR выбираются режимы модуляции высшего порядка, что позволяет по-
высить пропускную способность. Этот рисунок также может служить
примером применения широкополосной модуляции AQAM в различных сре-
дах — в помещении и в открытом пространстве. В этом плане рис. 1а характе-
ризует неблагоприятную внешнюю среду с низким уровнем SINR и низким
средним качеством канала. В подобных условиях, как правило, используются
более надежные схемы модуляции, такие как двоичная фазовая манипуляция
(BPSK2) и четырехпозиционная квадратурная амплитудная модуляция (4QAM,
КАМ-4). Рис. 1б соответствует более благоприятной среде передачи внутри
помещения с высоким уровнем SINR и, соответственно, более высоким каче-
ством канала. Такие условия позволяют подобрать подходящий режим моду-
ляции высшего порядка, как показано на рис. 1б. Этот простой пример де-
монстрирует, что широкополосная модуляция AQAM с HSDPA может
использоваться для «бесшовной», почти мгновенной реконфигурации систе-
мы, например, при переходе из помещения в открытую среду распростране-
ния. Самый убедительный аргумент в пользу применения AQAM с HSDPA —
это то, что в системе с фиксированным режимом модуляции для сохранения
заданного коэффициента ошибок по битам (BER1) потребовалось бы повысить
требуемую мощность передачи в исходящем (UL2) или входящем (DL3) на-
правлениях, в результате чего все другие абоненты испытали бы повышение
уровня помех многостанционного доступа (MUI4). В результате все остальные
абоненты были бы вынуждены также повышать свои показатели мощности,
что могло бы вызвать нестабильность работы системы. Вместо этого система
AQAM просто регулирует используемый режим, чтобы наиболее рационально
использовать имеющиеся ресурсы.
В этой книге исследуются вопросы повышения пропускной способности
сети за счет применения адаптивных антенных решеток и методов адаптивной
модуляции с HSDPA в сетях сотовой связи на основе FDMA/TDMA и CDMA,
использующих как частотное (FDD5), так и временное (TDD6) разделение на-
правлений передачи и приема. Применение адаптивных антенн обладает мно-
жеством преимуществ, которые перечислены ниже.
Оснащение базовых станций антенными решетками позволяет реализовать про-
странственную фильтрацию (см. рис. 2) как в режиме передачи, так и в режиме
приема, для подавления помех совмещенного канала, возникающих в беспровод-
ных системах при передаче от абонента и к абоненту (в направлениях DL и UL)
[1, 2, 14, 15]. Когда передача ведется к абоненту (DL) с высоким усилением в за-
данном направлении, антенна базовой станции фокусирует излучаемую энергию,
формируя направленный луч с высоким усилением в той области, где, предполо-
жительно, находится мобильный приемник. Это, в свою очередь, означает, что
мобильные приемники, перемещающиеся в других направлениях (где направлен-
ный луч имеет меньшее усиление), получат меньше излучаемой энергии и, соот-
ветственно, испытают меньшие помехи. Внутриканальные помехи, создаваемые
базовой станцией в режиме передачи, могут быть еще более ослаблены за счет
формирования лучей с нулями диаграммы направленности в направлениях дру-
гих приемников [6, 16]. Эта схема преднамеренно ослабляет энергию, передавае-
мую в направлении приемников совмещенного канала, и поэтому требует пред-
варительной информации об их местоположении.
Применение антенных решеток с целью снижения внутриканальных по-
мех, возникающих на базовой станции в режиме приема, также широко осве-
щено в литературе [1, 2, 6, 16—18]. Этот метод не требует точной информации
об источниках внутриканальных помех, однако он должен располагать инфор-
мацией о полезном сигнале, в частности, о направлении его источника, об
опорном сигнале (например, канальной зондирующей последовательности)
или о сигнале, имеющем высокую степень корреляции с полезным сигналом.
Повышение пропускной способности и эффективность использования спектра
Под спектральной эффективностью беспроводной сети понимают объем тра-
фика, который может обработать заданная система, располагающая опреде-
ленным частотным ресурсом. Повышение спектральной эффективности харак-
теризуется ростом числа абонентов системы мобильной связи без ухудшения
ее качественных показателей. Пропускная способность канала определяется
максимальной скоростью передачи данных, которую может обеспечить канал
с заданной полосой частот. Повышение пропускной способности канала по-
зволяет обслужить больше абонентов с заданной скоростью передачи, что
означает улучшение эффективности использования спектра. Повышение ка-
чества обслуживания QoS, достигаемое за счет подавления помех совмещенно-
го канала и многолучевых замираний [18, 19] при использовании «умных» ан-
тенн, можно «обменять» на увеличение числа абонентов [2, 20].
Антенная решетка по своей природе является направленной структурой с вы-
соким усилением в том направлении, куда наведен луч. Это свойство может
быть использовано для расширения рабочего диапазона базовой станции (что
позволяет формировать соты большего размера) или для снижения переда-
ваемой мощности мобильных станций. Применение направленной антенны
позволяет базовой станции принимать более слабые сигналы по сравнению с
использованием всенаправленной антенны. Это означает, что мобильная стан-
ция может вести передачу с меньшей мощностью; в результате увеличивается
интервал между подзарядками аккумулятора или же может использоваться ак-
кумулятор меньшего размера, позволяющий уменьшить размеры и вес мо-
бильной станции, что важно для ручных мобильных аппаратов. Соответствую-
щее снижение мощности сигналов, передаваемых базовой станцией, позволяет
использовать более дешевые электронные компоненты с меньшей номиналь-
ной мощностью.
Уменьшение числа процедур передачи обслуживания
Когда объем трафика в соте превышает ее пропускную способность, часто
прибегают к разделению соты на несколько новых сот [2], каждая из которых
имеет свою базовую станцию и свою выделенную полосу частот. Уменьшение
размеров сот ведет к росту числа процедур эстафетной передачи обслужива-
ния — хэндовера. Повышение пропускной способности соты за счет использо-
вания антенных решеток [1] фактически позволяет уменьшить число требуе-
мых процедур передачи обслуживания. Поскольку каждый антенный луч
отслеживает определенную мобильную станцию [2], то никакой передачи об-
служивания не требуется, за исключением случая, когда различные лучи, ис-
пользующие одну и ту же частоту, пересекаются друг с другом.
Предотвращение ошибок передачи
При низком мгновенном качестве канала в обычных приемопередатчиках с
фиксированным режимом работы, как правило, имеют место пакеты ошибок
передачи. Адаптивные приемопередатчики обходят эту проблему, уменьшая
число передаваемых бит на символ или даже временной приостановки переда-
чи. Связанные с этим потери пропускной способности могут быть компенси-
рованы за счет передачи большего числа бит на символ в периоды относитель-
но высокого качества канала. Это полезное свойство проявляется также в
повышении качества обслуживания, которое в данной книге оценивается по
параметрам достижимого качества видеосигнала.
Однако реальные сценарии распространения оказываются намного слож-
нее, чем это показано на рис. 2. В частности, как полезный сигнал, так и ис-
точники помех испытывают влияние многолучевого распространения, в резу-
льтате которого на антенную решетку приемника базовой станции поступает
большое количество входящих сигналов от абонентов. Рост числа принятых
входящих сигналов приводит к исчерпыванию ограниченных степеней свобо-
ды антенной решетки на базовой станции, что делает подавление источников
помех менее эффективным. Решение данной проблемы заключается в увели-
чении числа антенных элементов адаптивной решетки, используемой на базо-
вой станции, хотя при этом появляется побочный эффект — повышение стои-
мости и сложности решетки. В макросотовой системе можно пренебречь
составляющими многолучевого распространения, поступающими на базовую
станцию от источников помех, поскольку большинство рассеивающих элемен-
тов находится вблизи мобильной станции [21]. В микросотовой системе рассе-
ивающие элементы находятся как в области низко расположенной базовой
станции, так и вблизи мобильных станций, и поэтому многолучевое распро-
странение с
На протяжении многих лет стандарты мобильной связи второго поколения
(2G) были основными при построении систем сотовой связи. Предложенный
в 1991 году стандарт GSM (Global System for Mobile Communications) обеспе-
чивал более качественную передачу речи за счет предварительного преобразо-
вания ее в цифровую форму и стремительно распространился по всему миру.
Однако со временем набор услуг, которые могли предложить стандарты 2G
оказался недостаточным. Возросшая потребность в беспроводном доступе в
Интернет привела к дальнейшему развитию технологии 2G. Появилась техно-
логия 2.5G, примером которой является GPRS (General Packet Radio Services)
— стандартизованная технология пакетной передачи данных, позволяю-
щая использовать оконечное устройство мобильной связи для доступа в
Интернет. Позже была внедрена технология EDGE (Enhanced Data rates for
GSM Evolution), что позволило повысить скорость передачи данных до сотен
килобит в секунду.
Сети мобильной связи третьего поколения, благодаря высокой скорости
передачи данных, позволили осуществлять видеосвязь, реализовывать различ-
ные мультимедийные сервисы, а также предоставляют высокоскоростной дос-
туп к интернету, в любой точке, где есть 3G сеть. Главным отличием 3G от се-
тей второго поколения является индивидуализация, то есть, присвоение
каждому абоненту IP-адреса. Стандарт 3G был разработан Международным
союзом электросвязи (International Telecommunication Union, ITU) и носит на-
звание IMT 2000 (International Mobile Telecommunications 2000). Под этой аб-
бревиатурой объединены пять стандартов, используются только три основных
стандарта 3G: UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service),
CDMA2000 и WCDMA (Wide CDMA).
IMT-2000 обеспечивает высокую скорость передачи данных как внутри по-
мещений, так и на открытой местности; симметричную и асимметричную пе-
редачу данных; поддержку канальной и пакетной коммутации для обеспечения
таких сервисов, как Internet Protocol и Real Time Video; высокое качество го-
лоса, не уступающее качеству голоса при передаче по проводной линии; боль-
шую компактность спектра и более эффективное его использование; возмож-
ность глобального роуминга.
Книга английских авторов в систематизированном виде излагает все
основные аспекты сотовой связи третьего поколения: история, принципы по-
строения и технические проблемы, характеристики основных стандартов IMT
2000, направления их модернизации и перспективы развития. Рассмотрены
усовершенствованные методы адаптивной модуляции и кодирования, которые
позволили обеспечить скорости передачи до 14 Мбит/с в спецификациях
HSDPA и HSUPA. Исследованы возможности улучшения качественных пока-
зателей обслуживания за счет использования на базовых станциях сотовой
сети адаптивных антенных решеток в сочетании с управлением мощностью.
Представлены результаты исследования пропускной способности сети, полу-
ченные для различных условий распространения, проанализированы преиму-
щества, обеспечиваемые за счет применения методов адаптивного формирова-
ния луча и адаптивной модуляции.
Книга может быть интересна и полезна инженерно-техническим работни-
кам, профессионально занимающимся сотовой связью, аспирантам, учащимся
высших и средних специальных учебных заведений, специализирующимся в
области связи, а также всем тем, кто интересуется современными телекомму-
никационными технологиями или новыми предложениями, появляющимися
на рынке услуг.
Сорокин В.Н.,
старший научный сотрудник,
кандидат технических наук
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Лайош Ханцо (Lajos Hanzo) (http://www-mobile.ecs.soton.
ac.uk) FREng, почетный член Института инженеров по
электротехнике и электронике (FIEEE1), FIET, доктор наук
(DSc), получил диплом по специальности «Электроника» в
1976 г., а докторскую степень — в 1983 г. На протяжении 31
года работы в области телекоммуникаций Л.Ханцо занимал
различные научные и педагогические должности в Венгрии,
Германии и Великобритании. С 1986 г. он работает в Школе
электроники и компьютерных наук при Саутгемптонском
Университете (Великобритания), где заведует кафедрой те-
лекоммуникаций. Является соавтором 15 книг по мобильной радиосвязи об-
щим тиражом более 10 000 экземпляров, опубликовал более 700 научных ста-
тей, был председателем технических программных комитетов различных
конференций IEEE, выступал в качестве основного докладчика и был отмечен
множеством наград. В настоящее время Л.Ханцо руководит исследовательской
группой, которая работает над рядом научных проектов в области беспровод-
ной мультимедийной связи, финансируемых промышленными структурами,
Научным советом по инженерным и физическим наукам (EPSRC2, Великоб-
ритания), Европейской программой IST3 и Виртуальным центром мастерства
(VCE4) в области мобильной связи (Великобритания). Он активно пропаган-
дирует сотрудничество промышленных и научных структур и подготовил ряд
учебных курсов, ориентированных на потребности промышленности и бизне-
са. Кроме того, Л.Ханцо является почетным лектором и управляющим двух
обществ IEEE — Телекоммуникационного общества (ComSoc5) и Общества
технологий связи на транспорте (VTS6). Более детальную информацию о по-
следних исследованиях и соответствующих публикациях Л.Ханцо можно най-
ти на сайте http://www-mobile.ecs.soton.ac.uk.
Джонатан Блох (Jonathan Blogh) в 1997 г. получил дип-
лом магистра с отличием по специальности «Информацион-
ная техника» в Саутгемптонском университете (Великобри-
тания). В том же году он стал лауреатом Премии Общества
инженеров-электриков (IEE7) памяти Лорда Ллойда Килгер-
рана за интерес к вопросам разработки систем мобильной
радиосвязи. С 1997 по 2000 гг. Д.Блох учился в аспирантуре,
1FIEEE — Fellow of the Institute of Electrical and Electronics Engineers
2EPSRC — Engineering and Physical Sciences Research Council
3IST (Information Society Technologies) — Технологии информационного общества. —
Прим. пер.
4VCE — Virtual Centre of Excellence
5ComSoc — Communications Society
6VTS — Vehicular Technology Society
7IEE — Institution of Electrical Engineers. — Прим. пер.
и в 2001 г. в Саутгемптонском университете (Великобритания) получил уче-
ную степень доктора философии (PhD) со специализацией в области мобиль-
ной связи. Сейчас в сферу его научных интересов входят различные аспекты
построения сотовых сетей мобильной связи третьего поколения с частотным
(FDD1) и временным (TDD2) разделением направлений передачи и приема.
После непродолжительного периода работы инженером-программистом в
компании Radioscape (Лондон, Великобритания), в настоящее время Д.Блох
занимает должность старшего научного сотрудника в компании Anritsu (Вели-
кобритания).
Сон Ни (Song Ni) в 1999 г. получил диплом бакалавра по
специальности «Обнаружение информации и контрольно-из-
мерительная аппаратура» в Шанхайском университете Цзяо-
Тун (Jiaotong). Затем он работал инженером-программистом в
компании Winbond Electronics (Shanghai) Ltd., где занимался
исследованиями и разработкой средств связи. В 2001 г. С.Ни
начал работать над диссертацией, посвященной интеллектуа-
льным беспроводным сетям. Эта работа проводилась в Саут-
гемптонском университете и финансировалась в рамках про-
екта IST SCOUT. Результатом четырехлетних исследований стали разработка
платформы системы моделирования сетевого уровня системы UTRA с TDD в
сетях UMTS на основе WCDMA и анализ различных методов улучшения про-
пускной способности систем UTRA. В настоящее время доктор Сон Ни рабо-
тает системным инженером в компании Panasonic Mobile Communication (Ве-
ликобритания).
1FDD — Frequency Division Duplexing
2TDD — Time Division Duplexing
ДРУГИЕ ИЗДАНИЯ WILEY И IEEE PRESS
ПО ДАННОЙ ТЕМАТИКЕ1
• R. Steele, L. Hanzo (Ed): Mobile Radio Communications: Second and Third Generation
Cellular and WATM Systems, JohnWiley and IEEE Press, 2nd edition,
1999, ISBN 07 273-1406-8, 1064 pages.
• L. Hanzo, T.H. Liew, B.L. Yeap: Turbo Coding, Turbo Equalisation and Space-
Time Coding, John Wiley and IEEE Press, 2002, 751 pages.
• L. Hanzo, C.H. Wong, M.S. Yee: Adaptive Wireless Transceivers: Turbo-Coded,
Turbo-Equalised and Space-Time Coded TDMA, CDMA and OFDM Systems,
John Wiley and IEEE Press, 2002, 737 pages.
• L. Hanzo, L-L. Yang, E-L. Kuan, K. Yen: Single- and Multi-Carrier CDMA:
Multi-User Detection, Space-Time Spreading, Synchronization, Networking and
Standards, John Wiley and IEEE Press, June 2003, 1060 pages.
• L. Hanzo, M. Mьnster, T. Keller, B-J. Choi, OFDM and MC-CDMA for Broadband
Multi-User Communications, WLANs and Broadcasting, John-Wiley and
IEEE Press,2003, 978 pages.
• L. Hanzo, S-X. Ng, T. Keller andW.T.Webb, Quadrature Amplitude Modulation:
From Basics to Adaptive Trellis-Coded, Turbo-Equalised and Space-Time Coded
OFDM, CDMA and MC-CDMA Systems, JohnWiley and IEEE Press, 2004,
1105 pages.
• L. Hanzo, T. Keller: An OFDM and MC-CDMA Primer, John Wiley and IEEE
Press,2006, 430 pages.
• L. Hanzo, F.C.A. Somerville, J.P.Woodard: Voice and Audio Compression
for Wireless Communications, John Wiley and IEEE Press, 2nd edition, 2007,
858 pages.
• L. Hanzo, P.J. Cherriman, J. Streit: Video Compression and Communications:
H.261, H.263, H.264, MPEG4 and HSDPA-Style Adaptive Turbo-Transceivers,
John Wiley and IEEE Press, 2nd edition, 2007, 680 pages.
1Развернутое содержание и примеры глав перечисленных книг можно най-
ти на сайте http://www-mobile.ecs.soton.ac.uk
ПРЕДИСЛОВИЕ
Обзор состояния вопроса
Сегодня беспроводная связь демонстрирует взрывоподобный рост. Высокий
спрос на услуги беспроводной связи выдвигает повышенные требования к
пропускной способности систем. Проще всего было бы выделить для этих
услуг более широкую полосу частот, но электромагнитный спектр, будучи
ограниченным ресурсом, начинает стремительно исчерпываться [1]. Более
того, в ряде европейских стран, например, в Германии и Англии, частотные
полосы для работы систем беспроводной связи 3-го поколения (3G) стали
предметом торгов и были проданы по очень высокой цене. Поэтому на пер-
вый план выходит задача эффективного использования имеющегося частотно-
го ресурса [1, 2].
Методы цифровой передачи, используемые в сетях мобильной радиосвязи
2-го поколения (2G), в свое время позволили повысить пропускную способ-
ность и качество передачи речи по сравнению с аналоговыми системами пер-
вого поколения. Однако возникла необходимость в более эффективных мето-
дах, позволяющих множеству абонентов совместно использовать доступный
частотный ресурс. Классические методы обеспечения множественного доступа
абонентов — это организация многостанционного доступа с частотным, вре-
менным, поляризационным, кодовым или пространственным разделением ка-
налов [3]. При использовании многостанционного доступа с частотным разде-
лением (FDMA1) [4, 5] доступный частотный спектр делится на частотные
полосы, каждая из которых используется определенным абонентом. В систе-
мах многостанционного доступа с временным разделением каналов (TDMA2)
[4, 5] каждому абоненту выделяется определенный период — канальный ин-
тервал, в течение которого он может вести передачу. Передатчик должен обес-
печивать хранение данных, подлежащих передаче, и передавать их с пропор-
ционально увеличенной скоростью в течение «своего» канального интервала,
представляющего часть цикла TDMA. При использовании многостанционного
доступа с кодовым разделением каналов (CDMA3) [4, 5] каждому абоненту вы-
деляется уникальный код. С помощью этого кода спектр сигнала данных рас-
ширяется на всю полосу частот, совместно используемую всеми абонентами.
Для обнаружения переданных данных должен использоваться тот же уникаль-
ный код, часто называемый сигнатурной (идентифицирующей) последователь-
ностью.
Возрастающий спрос на системы мобильной связи, эффективно использу-
ющие спектр, заставил разработчиков искать новые технические решения.
Пространственная обработка сигналов в пределах соты позволяет использо-
вать оптимальные лучи на приеме и передаче, улучшая характеристики систе-
мы в части достигаемой пропускной способности и качества обслуживания
1FDMA — Frequency Division Multiple Access
2TDMA — Time Division Multiple Access
3CDMA — Code Division Multiple Access
(QoS1). Такой подход, обычно называемый многостанционным доступом с
пространственным разделением (SDMA2) [3, 6], позволяет множеству абонен-
тов в пределах одной соты использовать одинаковые частоты и временные ин-
тервалы за счет свойств пространственной избирательности, обеспечиваемых
адаптивными антеннами [7]. С другой стороны, если полезный сигнал и поме-
хи занимают один и тот же частотный диапазон или временной интервал, то
для отделения сигнала от помех нельзя использовать «временную фильтра-
цию». Но, как правило, источники полезного и мешающих сигналов террито-
риально разнесены, что позволяет использовать для отделения сигнала от по-
мех «пространственно избирательный фильтр» в приемнике [8—10]. Поэтому,
если два абонента, использующие одну и ту же полосу частот, находятся на
достаточно большом расстоянии друг от друга, то взаимные влияния между
ними будут пренебрежимо малыми. Чем больше сот формируется на опреде-
ленной территории (за счет использования сот малого размера), тем чаще бу-
дет иметь место повторное использование частот и, соответственно, выше бу-
дет плотность передаваемого трафика в расчете на единицу площади
обслуживаемой территории.
Расстояние между сотами, использующими одни и те же частоты, должно
быть достаточно большим для того, чтобы внутрисотовые помехи не превышали
максимально допустимых пределов [3]. Поэтому число сот в пределах опреде-
ленной географической области ограничивается уровнем передаваемой мощно-
сти базовых станций. Для повышения емкости системы используют секториаль-
ные пучки лучей с углом сектора 120° на различных несущих частотах [11].
Каждый из пучков может обслуживать такое же число абонентов, как и в случае
обычной соты с всенаправленным излучением, при этом отношение сигнал-по-
меха (SIR3) может быть повышено за счет направленности антенны. В пределе
такой подход предполагает независимо регулируемые лучи с высоким усилени-
ем, способные отслеживать отдельных абонентов, перемещающихся в сети [3].
Другой метод повышения спектральной эффективности представляет адап-
тивная квадратурная амплитудная модуляция (AQAM4) в сочетании с режимом
высокоскоростного пакетного доступа во входящем направлении (HSDPA5)
[12,13]. Идея адаптивной модуляции состоит в выборе одного из нескольких
режимов модуляции исходя из качества радиоканала в текущий момент време-
ни [12, 13]. Так, если канал демонстрирует высокое отношение сигнала к сум-
ме помехи и шума (SINR6), то можно применить режим модуляции высокого
порядка, извлекая пользу из временно высокой пропускной способности ка-
нала. Если же мгновенное значение отношения SINR в канале низкое, то при-
менение модуляции высокого порядка привело бы к недопустимому высокому
коэффициенту ошибок по кадрам (FER7) и поэтому следует использовать бо-
лее надежный режим модуляции с более низкой пропускной способностью.
1QoS — Quality of Service
2SDMA — Space Division Multiple Access
3SIR — Signal-to-Interference Ratio
4AQAM — Adaptive Quadrature Amplitude Modulation
5HSDPA — High Speed Downlink Packet Access
6SINR — Signal to Interference plus Noise Ratio
7FER — Frame Error Ratio
Таким образом, адаптивная модуляция не только борется с последствиями
плохого качества канала, но и пытается максмизировать пропускную способ-
ность, сохраняя при этом требуемый уровень коэффициента ошибок FER.
Управляя порогами переключения режимов работы модема, находят компро-
мисс между средним значением FER и пропускной способностью канала. По-
роги переключения режимов модема устанавливают значения SINR, при кото-
рых делается вывод о том, что мгновенное состояние канала требует
изменения текущего режима модуляции, т.е. необходимо применить другой
режим AQAM.
Переключение режимов AQAM в широкополосных системах HSDPA про-
иллюстрировано на рис. 1, где показаны варианты режимов модуляции, кото-
рые выбираются исходя из близкого к мгновенному значения SINR при сред-
них значениях отношения сигнал-шум (SNR1) в канале, равных 10 и 20 дБ. На
рисунке четко видно, что при низких уровнях псевдо-SNR выбираются режи-
мы модуляции низшего порядка. И наоборот, при высоких уровнях псев-
до-SNR выбираются режимы модуляции высшего порядка, что позволяет по-
высить пропускную способность. Этот рисунок также может служить
примером применения широкополосной модуляции AQAM в различных сре-
дах — в помещении и в открытом пространстве. В этом плане рис. 1а характе-
ризует неблагоприятную внешнюю среду с низким уровнем SINR и низким
средним качеством канала. В подобных условиях, как правило, используются
более надежные схемы модуляции, такие как двоичная фазовая манипуляция
(BPSK2) и четырехпозиционная квадратурная амплитудная модуляция (4QAM,
КАМ-4). Рис. 1б соответствует более благоприятной среде передачи внутри
помещения с высоким уровнем SINR и, соответственно, более высоким каче-
ством канала. Такие условия позволяют подобрать подходящий режим моду-
ляции высшего порядка, как показано на рис. 1б. Этот простой пример де-
монстрирует, что широкополосная модуляция AQAM с HSDPA может
использоваться для «бесшовной», почти мгновенной реконфигурации систе-
мы, например, при переходе из помещения в открытую среду распростране-
ния. Самый убедительный аргумент в пользу применения AQAM с HSDPA —
это то, что в системе с фиксированным режимом модуляции для сохранения
заданного коэффициента ошибок по битам (BER1) потребовалось бы повысить
требуемую мощность передачи в исходящем (UL2) или входящем (DL3) на-
правлениях, в результате чего все другие абоненты испытали бы повышение
уровня помех многостанционного доступа (MUI4). В результате все остальные
абоненты были бы вынуждены также повышать свои показатели мощности,
что могло бы вызвать нестабильность работы системы. Вместо этого система
AQAM просто регулирует используемый режим, чтобы наиболее рационально
использовать имеющиеся ресурсы.
В этой книге исследуются вопросы повышения пропускной способности
сети за счет применения адаптивных антенных решеток и методов адаптивной
модуляции с HSDPA в сетях сотовой связи на основе FDMA/TDMA и CDMA,
использующих как частотное (FDD5), так и временное (TDD6) разделение на-
правлений передачи и приема. Применение адаптивных антенн обладает мно-
жеством преимуществ, которые перечислены ниже.
Оснащение базовых станций антенными решетками позволяет реализовать про-
странственную фильтрацию (см. рис. 2) как в режиме передачи, так и в режиме
приема, для подавления помех совмещенного канала, возникающих в беспровод-
ных системах при передаче от абонента и к абоненту (в направлениях DL и UL)
[1, 2, 14, 15]. Когда передача ведется к абоненту (DL) с высоким усилением в за-
данном направлении, антенна базовой станции фокусирует излучаемую энергию,
формируя направленный луч с высоким усилением в той области, где, предполо-
жительно, находится мобильный приемник. Это, в свою очередь, означает, что
мобильные приемники, перемещающиеся в других направлениях (где направлен-
ный луч имеет меньшее усиление), получат меньше излучаемой энергии и, соот-
ветственно, испытают меньшие помехи. Внутриканальные помехи, создаваемые
базовой станцией в режиме передачи, могут быть еще более ослаблены за счет
формирования лучей с нулями диаграммы направленности в направлениях дру-
гих приемников [6, 16]. Эта схема преднамеренно ослабляет энергию, передавае-
мую в направлении приемников совмещенного канала, и поэтому требует пред-
варительной информации об их местоположении.
Применение антенных решеток с целью снижения внутриканальных по-
мех, возникающих на базовой станции в режиме приема, также широко осве-
щено в литературе [1, 2, 6, 16—18]. Этот метод не требует точной информации
об источниках внутриканальных помех, однако он должен располагать инфор-
мацией о полезном сигнале, в частности, о направлении его источника, об
опорном сигнале (например, канальной зондирующей последовательности)
или о сигнале, имеющем высокую степень корреляции с полезным сигналом.
Повышение пропускной способности и эффективность использования спектра
Под спектральной эффективностью беспроводной сети понимают объем тра-
фика, который может обработать заданная система, располагающая опреде-
ленным частотным ресурсом. Повышение спектральной эффективности харак-
теризуется ростом числа абонентов системы мобильной связи без ухудшения
ее качественных показателей. Пропускная способность канала определяется
максимальной скоростью передачи данных, которую может обеспечить канал
с заданной полосой частот. Повышение пропускной способности канала по-
зволяет обслужить больше абонентов с заданной скоростью передачи, что
означает улучшение эффективности использования спектра. Повышение ка-
чества обслуживания QoS, достигаемое за счет подавления помех совмещенно-
го канала и многолучевых замираний [18, 19] при использовании «умных» ан-
тенн, можно «обменять» на увеличение числа абонентов [2, 20].
Антенная решетка по своей природе является направленной структурой с вы-
соким усилением в том направлении, куда наведен луч. Это свойство может
быть использовано для расширения рабочего диапазона базовой станции (что
позволяет формировать соты большего размера) или для снижения переда-
ваемой мощности мобильных станций. Применение направленной антенны
позволяет базовой станции принимать более слабые сигналы по сравнению с
использованием всенаправленной антенны. Это означает, что мобильная стан-
ция может вести передачу с меньшей мощностью; в результате увеличивается
интервал между подзарядками аккумулятора или же может использоваться ак-
кумулятор меньшего размера, позволяющий уменьшить размеры и вес мо-
бильной станции, что важно для ручных мобильных аппаратов. Соответствую-
щее снижение мощности сигналов, передаваемых базовой станцией, позволяет
использовать более дешевые электронные компоненты с меньшей номиналь-
ной мощностью.
Уменьшение числа процедур передачи обслуживания
Когда объем трафика в соте превышает ее пропускную способность, часто
прибегают к разделению соты на несколько новых сот [2], каждая из которых
имеет свою базовую станцию и свою выделенную полосу частот. Уменьшение
размеров сот ведет к росту числа процедур эстафетной передачи обслужива-
ния — хэндовера. Повышение пропускной способности соты за счет использо-
вания антенных решеток [1] фактически позволяет уменьшить число требуе-
мых процедур передачи обслуживания. Поскольку каждый антенный луч
отслеживает определенную мобильную станцию [2], то никакой передачи об-
служивания не требуется, за исключением случая, когда различные лучи, ис-
пользующие одну и ту же частоту, пересекаются друг с другом.
Предотвращение ошибок передачи
При низком мгновенном качестве канала в обычных приемопередатчиках с
фиксированным режимом работы, как правило, имеют место пакеты ошибок
передачи. Адаптивные приемопередатчики обходят эту проблему, уменьшая
число передаваемых бит на символ или даже временной приостановки переда-
чи. Связанные с этим потери пропускной способности могут быть компенси-
рованы за счет передачи большего числа бит на символ в периоды относитель-
но высокого качества канала. Это полезное свойство проявляется также в
повышении качества обслуживания, которое в данной книге оценивается по
параметрам достижимого качества видеосигнала.
Однако реальные сценарии распространения оказываются намного слож-
нее, чем это показано на рис. 2. В частности, как полезный сигнал, так и ис-
точники помех испытывают влияние многолучевого распространения, в резу-
льтате которого на антенную решетку приемника базовой станции поступает
большое количество входящих сигналов от абонентов. Рост числа принятых
входящих сигналов приводит к исчерпыванию ограниченных степеней свобо-
ды антенной решетки на базовой станции, что делает подавление источников
помех менее эффективным. Решение данной проблемы заключается в увели-
чении числа антенных элементов адаптивной решетки, используемой на базо-
вой станции, хотя при этом появляется побочный эффект — повышение стои-
мости и сложности решетки. В макросотовой системе можно пренебречь
составляющими многолучевого распространения, поступающими на базовую
станцию от источников помех, поскольку большинство рассеивающих элемен-
тов находится вблизи мобильной станции [21]. В микросотовой системе рассе-
ивающие элементы находятся как в области низко расположенной базовой
станции, так и вблизи мобильных станций, и поэтому многолучевое распро-
странение с