Efektywno odbiornika RAKE w interfejsie radiowym WCDMA/FDD systemu UMTS

Transkrypt

1 Samodziena Pracownia Radiokomunikacji Morskiej w Gdasku (P-8) Efektywno odbiornika RAKE w interfejsie radiowym WCDMA/FDD systemu UMTS Etap 2: Wersja robocza rozprawy doktorskiej Praca nr 831 Gdask, grudzie 2

2 Efektywno odbiornika RAKE w interfejsie radiowym WCDMA/FDD systemu UMTS Etap 2: Wersja robocza rozprawy doktorskiej Praca nr 831 Słowa kuczowe: system UMTS; interfejs radiowy WCDMA/FDD; odbiornika RAKE; dynamiczne sterowania moc; estymacja odpowiedzi impusowej kanału; Kierownik pracy: mgr in. Rafał Niski Kierownik Zakładu: mgr in. Rafał Niski Copyright by Instytut Łcznoci, Gdask 2

3 Spis treci 1. Wprowadzenie Załoenia i charakterystyki systemu UMTS Ewoucja systemów II generacji i oczekiwane właciwoci systemu III generacji Architektura systemu UMTS rodowiska pracy systemu UMTS Charakterystyka interfejsu radiowego WCDMA Pojemno interfejsu radiowego WCDMA/FDD Ce i główna teza pracy Właciwoci szerokopasmowego kanału radiokomunikacyjnego Fizyczne właciwoci kanału szerokopasmowego Fuktuacje wonozmienne Fuktuacje szybkozmienne Efekt Doppera Charakterystyki i parametry kanału szerokopasmowego Symuacyjny mode kanału radiokomunikacyjnego Standaryzowane profie rodowisk propagacyjnych w systemie UMTS Przykładowe charakterystyki rodowisk propagacyjnych Interfejs radiowy WCDMA/FDD Rodzaje kanałów w systemie UMTS w trybie FDD Struktura ramek czasowych w trybie FDD Formowanie kanałów transportowych w interfejsie radiowym WCDMA/FDD Ortogonaizacja i rozpraszanie widma sygnałów Ortogonaizacja i rozpraszanie widma sygnałów w łczu w gór Ortogonaizacja i rozpraszanie widma sygnałów w łczu w dół Moduacja i detekcja sygnałów QPSK Dynamiczne sterowanie moc Reaizacja dynamicznego sterowania moc w pti zamknitej.... Wieodrogowy odbiór czasowy Warunki odbioru wieodrogowego Zasada pracy odbiornika RAKE Budowa odbiornika RAKE w interfejsie radiowym WCDMA/FDD Estymacja odpowiedzi impusowej kanału w odbiorniku RAKE Agorytmy estymacji odpowiedzi impusowej kanału Reguły wyboru składowych sygnałów uytecznych Odbiór adaptacyjny

4 . Wyniki bada symuacyjnych Symuacyjny mode interfejsu radiowego WCDMA/FDD a Załoenia i warunki bada symuacyjnych Mode toru nadawczo-odbiorczego w łczu w gór i w dół Optymaizacja wzmocnienia kanałów fizycznych w łczu w gór Ocena jakoci odbioru w zaenoci od zastosowanej reguły dynamicznego sterowania moc Efektywno dynamicznego sterowania moc Nowy mechanizm dynamicznego sterowania moc Porównanie mechanizmów dynamicznego sterowania moc Adaptacyjne agorytmy dynamicznego sterowania moc Wpływ długoci cigu piotowego na jako odbioru w łczu w gór i w dół Ocena jakoci agorytmów estymacji odpowiedzi impusowej kanału Ocena jakoci agorytmów estymacji odpowiedzi impusowej kanału w łczu w gór Ocena jakoci agorytmów estymacji odpowiedzi impusowej kanału w łczu w dół. 1.. Wpływ reguł wyboru składowych sygnału uytecznego na jako odbioru Podsumowanie i wnioski Bibiografia...18 Załcznik A...1

5 1. Wprowadzenie Dynamiczny rozwój systemów radiokomunikacji komórkowej, obserwowany od ponad 2 at, doprowadził u progu 21 r. do opracowania specyfikacji systemów trzeciej generacji, których impementacja i budowa infrastruktury niedawno si rozpoczła. Wysiłek z tym zwizany został ju podjty w Posce i system jest obecnie w fazie testów. Jak podaj agencje prasowe, w cigu najbiszych trzech at kada z poskich sieci komórkowych bdzie wydawała na inwestycje ok. 1 md zł rocznie, przy czym wiksza cz z tej kwoty bdzie przeznaczona na budow infrastruktury sieci 3G. W trakcie wdraania nowego systemu, który bdzie rozłoony w czasie kiku ub kikunastu at, obecnie pracujce systemy II generacji, wprowadzone do ekspoatacji na pocztku at 9-tych, bd daej uytkowane, przechodzc przez koejne etapy unowoczeniania i zwikszania potencjanych moiwoci dostarczania usług, take nowych usług. Jednym z podstawowych załoe systemu III generacji pn. UMTS, obok reaizacji szerokiego wacharza usług o rónej jakoci, przepływnoci, dopuszczanych opónieniach i przy rónych trybach transmisji, w tym take usług szerokopasmowych o przepływnociach przekraczajcych 2Mb/s, jest gobany zasig systemu. W zaenoci od dostpnoci ub braku infrastruktury teekomunikacyjnej na danym obszarze, transmisja bdzie reaizowana poprzez naziemn sie stacji bazowych ub przez łcza sateitarne. Ogromna rónorodno warunków i rodowisk pracy systemu UMTS spowodowała wprowadzenie do uytkowania w systemie rónych kas komórek, poczwszy od pikokomórek obejmujcych swoim zasigiem wntrza budynków, poprzez mikro- i makrokomórki pokrywajce tereny miast i obszary pozamiejskie, a do hiperkomórek o pokryciu sateitarnym. Praca w tak zrónicowanych rodowiskach bdzie wymagała od terminai ruchomych moiwoci rozpoznawania i dostrajania si do okanej infrastruktury systemowej oraz warunków propagacyjnych. W obecnej fazie wdraania i testowania systemu UMTS due znaczenie praktyczne ma prawidłowo zaprojektowany i działajcy odbiornik, który mona uwaa za jeden z najwaniejszych eementów systemu. Zestandaryzowane przez organizacj 3GPP rozwizania w zakresie formowania i przetwarzania sygnałów w pewnym stopniu ogranicza moiwo rozbudowy i modyfikacji odbiorników. Jednak wci istnieje moiwo modyfikacji niektórych parametrów odbiornika oraz warunków operacyjnych pracy interfejsu radiowego WCDMA/FDD, co moe pozwoi na popraw efektywnoci odbiornika. Wobec tego moiwo adaptacji do rónych warunków rodowiskowych moe pozwoi na zwikszenie jakoci transmisji, a tym samym na zwikszenie pojemnoci systemu. W zwizku z powyszym podjta w pracy tematyka jest aktuana i ma due uzasadnienie praktyczne. Niniejsza rozprawa doktorska składa si z piciu rozdziałów, podsumowania, jednego załcznika i bibiografii. W rozdziae 1 przedstawiono załoenia i charakterystyki systemu UMTS oraz jego architektur i rodowiska pracy. W ostatnim punkcie przedstawiono ce i główne tezy pracy. Rozdział 2 zawiera charakterystyk zjawisk wystpujcych w szerokopasmowym kanae radiokomunikacyjnym, definicje parametrów kanału, wanych z punktu widzenia impementacji równowanego, donopasmowego modeu kanału. W rozdziae podano równie warunki transmisji szerokopasmowej, istotne z punktu widzenia reaizacji odbioru zbiorczego czasowego z uyciem odbiornika RAKE. Ponadto zdefiniowano rodowiska propagacyjne, zaecane przez ITU-R do anaizy matematycznej i bada symuacyjnych interfejsu radiowego systemu UMTS oraz przedstawiono ich przykładowe charakterystyki.

6 W rozdziae 3 wyjaniono metody przetwarzania sygnałów w interfejsie radiowym WCDMA/FDD da obu kierunków transmisji. W szczegónoci przedstawiono procesy kodowania i dekodowania kanałowego, rozpraszania i skupiania widma sygnałów, skrambowania i deskrambowania zespoonego, metody moduacji i detekcji sygnałów oraz mechanizm dynamicznego sterowania moc. Rozdział został powicony odbiorowi wieodrogowemu RAKE z odbiorem zbiorczym czasowym i zawiera opis warunków odbioru zbiorczego w interfejsie radiowym WCDMA/FDD oraz anaiz metod estymacji odpowiedzi impusowej kanału. Ponadto przedstawiono rozwizanie apikacyjne adaptacyjnego odbiornika RAKE uywanego do symuacyjnych bada jakoci transmisji w rónych warunkach operacyjnych. W rozdziae przedstawiono, opracowany przez autora, symuacyjny mode systemu UMTS w trybie FDD oraz okreono warunki bada symuacyjnych. Nastpnie przedstawiono i skomentowano wyniki przeprowadzonych bada symuacyjnych, których ceem było okreenie efektywnoci dynamicznego sterowania moc oraz estymacji odpowiedzi impusowej kanału, a take ich wpływ na jako transmisji w standaryzowanych rodowiskach propagacyjnych, da reprezentatywnych usług transmisji sygnałów mowy z szybkoci 12,2 kb/s oraz transmisji danych z szybkociami kb/s i 1 kb/s. Ponadto w rozdziae zaprezentowano nowy mechanizm dynamicznego sterowania moc, sposób jego reaizacji oraz wpływ na jako transmisji i pojemno interfejsu radiowego WCDMA/FDD. Podsumowanie do niniejszej rozprawy zawiera wnioski i spostrzeenia dotyczce uzyskanych wyników. Na kocu pracy w załczniku zamieszczono tabee wartoci parametrów stosowanych podczas symuacji. Ostatni cz pracy stanowi spis iteratury zawierajcy 18 pozycji.

7 2. Załoenia i charakterystyki systemu UMTS 2.1. Ewoucja systemów II generacji i oczekiwane właciwoci systemu III generacji Pierwsze systemy teefonii komórkowej powstały kikadziesit at temu i s znane dzi powszechnie jako systemy teefonii komórkowej pierwszej generacji, które były oparte na technice anaogowej. Do najbardziej znanych i rozpowszechnionych systemów tej generacji nae: AMPS (ang. Anaog Mobie Phone System) oraz NMT (ang. Nordic Mobie Teephony). Były one daekie od doskonałoci, gdy cechowały je m.in.: dokucziwy wpływ zaników, mała odporno na zakłócenia, łatwo podsłuchu rozmów, niezadowaajca szybko transmisji danych oraz brak roamingu midzynarodowego. Pomimo istotnych wad, pierwsze systemy komórkowe zapocztkowały wzrost zapotrzebowania na usługi teekomunikacyjne w nich wiadczone. Konsekwencj tego było powstanie znacznie epszych jakociowo systemów drugiej generacji, do których naey m.in. system GSM (ang. Goba System for Mobie Communications). Dziki zastosowaniu techniki cyfrowej w systemach drugiej generacji usunito mankamenty wystpujce w systemach komórkowych pierwszej generacji. System GSM zapewnia znacznie epsz jako połcze, tanie i niewiekie terminae o małym poborze mocy, wysoki stopie poufnoci, obsług w warunkach midzynarodowego przemieszczania si terminai oraz wiee nowych i rónorodnych usług wzorowanych na sieci ISDN. Umoiwiło to ekspansj teefonii komórkowej na masow ska i stworzyło podwainy pod rozwój usług transmisji danych. Systemy 2G skupiały si głównie na usłudze transmisji sygnału mowy, ae zapewniały równie usługi transmisji danych, które z załoenia jednak były do ograniczone i okazały si niewystarczajce. Aby zaspokoi oczekiwania uytkowników, dotyczce usług szybkiej transmisji danych w rodowisku radiowym, wprowadzono w systemach GSM nowoczesne techniki transmisji danych reaizowane przez podsystemy GPRS (ang. Genera Packet Radio Services) oraz HSCSD (ang. High Speed Circuit Switched Data), które s traktowane jako rozszerzenie potencjanych moiwoci systemu GSM do tzw. Systemu GSM 2+. Obydwa podsystemy zapewniaj wiksz przepływno danych, niezbdn przy korzystaniu przez abonentów ruchomych z wikszoci usług oferowanych współczenie przez sie Internet, tzn. e-mai, e-commerce, faks przez IP, VoIP, piki tekstowe, usługi LAN/Intranet. Nie s one jednak wystarczajce do korzystania w pełni z zasobów WWW (ang. Word Wide Web), sesji wideokonferencyjnych, czy te do przesyłania pików graficznych ub obrazów ruchomych w czasie rzeczywistym. Ostatnio wprowadzonym etapem usprawniania systemu GSM jest nowy podsystemu transmisji danych EDGE (ang. Enhanced Data Rates for GSM Evoution), który umoiwia transmisj z szybkoci sigajc 38 kb/s. Szybko rozwoju systemów teefonii komórkowej drugiej generacji znacznie przekroczyła wczeniejsze załoenia. Oczekiwania uytkowników dotyczce usług wymagajcych szybkiej transmisji danych i szerokiego pasma kanału stworzyły konieczno powstania systemu, który zapewniłby niezawodny dostp do Internetu i usług mutimedianych oraz przesyłania obrazów, przy jednoczesnej gobanej dostpnoci do tych usług. Stopniowe wyczerpywanie si potencjanych moiwoci dostarczania usług ze wzgdu na ograniczon pojemno systemów 2G oraz spodziewany daszy gwałtowny wzrost iczby abonentów w skai gobanej wymagały stworzenia nowego, gobanego systemu radiokomunikacji ruchomej o znacznie wikszej pojemnoci i przepływnoci dostpnej da uytkowników, da którego przyjto nazw UMTS (ang. Universa Mobie Teecommunication System) [21,31,32,3,8,13]. Zapewnia on dostp radiowy do gobanej infrastruktury teekomunikacyjnej w dowonym miejscu na Ziemi oraz w dowonym czasie za 7

8 porednictwem segmentu naziemnego ub sateitarnego, zarówno da uytkowników ruchomych jak i stacjonarnych, korzystajcych z sieci pubicznych, korporacyjnych oraz prywatnych. Spełnienie wymaga dotyczcych nowych usług powoduje konieczno impementacji technik zapewniajcych wysok wydajno widmow systemu III generacji, jak równie du jego pojemno. Zapewnia to interfejs radiowy przyjty da systemu UMTS, który jest oparty na szerokopasmowym bezporednim rozpraszaniu widma sygnałów - WCDMA (ang. Wideband Code Division Mutipe Access). Uytkownicy systemu III generacji bd miei szeroki wybór pomidzy wieoma typami i modeami terminai oraz rodzajami usług, z których bd korzysta. Moiwe bdzie posiadanie jednego ub wikszej iczby terminai oraz uzyskanie rónych usług od kiku operatorów. W panach znajduj si trzy rodzaje terminai: termina podstawowy, termina notatnikowy oraz termina audiowizuany. Przewiduje si, e terminae systemu UMTS bd miały moiwo programowej adaptacji do rónych rodzajów interfejsów radiowych i usług. W zaenoci od szybkoci przemieszczania si, rodzaju usługi i połczenia (sateitarne/naziemne), termina bdzie funkcjonowa w odpowiednim trybie, zapewniajc optymane parametry transmisji oraz minimane zuycie energii. Zastosowanie w systemie rónych rozwiza interfejsów i zwizanych z nimi rónych metod dostpu do jego zasobów umoiwi współprac pomidzy zintegrowanymi w nim systemami łcznoci komórkowej. Oczywicie fundamentan ro zapewnia bdzie dostp radiowy pomidzy terminaem uytkownika i stacj bazow systemu. Wiee takich stacji bazowych bdzie podłczonych do wspónego da danego obszaru urzdzenia sterujcego sieci, spełniajcego ro podobn do sterownika stacji bazowych systemu GSM. Wszystkie te urzdzenia bd z koei w odrónieniu od systemu GSM połczone z sieci szkieetow. Dostp radiowy ma mie charakter otwarty, tzn. umoiwi połczenia da rónego typu terminai, zgodnie ze standardami stosowanymi w Europie, Azji czy Ameryce. System UMTS umoiwi korzystanie z usług, które wymagaj duej przepływnoci binarnej do 2 Mbit/s (ang. High Bit Rate Services). Jednake tak dua przepływno bdzie dostpna jedynie okanie, natomiast przy pokryciu gobanym osigane bd szybkoci transmisji do 1 kb/s. W systemie bdzie równie moiwe korzystanie z usług o zmiennej przepływnoci binarnej (ang. Variabe Bit Rate Services) ju od 1,2 kb/s z gstym rastrem. Uytkownik bdzie miał zapewniony ten sam zestaw usług podstawowych, stały adres (numer) oraz tak sam jako połczenia niezaenie od tego, gdzie aktuanie si znajduje. Jako transmitowanego dwiku (sygnałów mowy) bdzie epsza, od zapewnianej przez systemy drugiej generacji. Podstawowa usługa teefonii umoiwi transmisj dwiku z przepływnoci do 32 kbit/s, a dodatkowe usługi transmisji wysokiej jakoci nawet do 9 kbit/s. Ponadto przewiduje si usług informujc o połoeniu geograficznym terminaa z dokładnoci do kikudziesiciu metrów. System UMTS bdzie posiadał wieostopniow ochron kryptograficzn dostpu do zasobów systemowych i przesyłanych wiadomoci. Dostp do usług systemu UMTS bdzie moiwy po sprawdzeniu tosamoci uytkownika za pomoc modułu identyfikacyjnego. Stopie zabezpieczenia przed niepowołanym uyciem ub przechwyceniem informacji wysyłanych/odbieranych przez abonenta bdzie, przy najniszym stopniu ochrony, odpowiadał zabezpieczeniom znanym w systemie GSM. Konieczno wysokiego stopnia zabezpieczenia wynika m.in. z umoiwienia przeprowadzania za pomoc systemu operacji bankowych, w których jest niezbdna autoryzacja abonenta i zachowanie tajemnicy przesyłanych danych. System bdzie wic dostarczał okreone usługi w sposób jak najbardziej efektywny i zarazem bdzie ograniczał naduycia. 8

9 System UMTS bdzie funkcjonował w trudnym da projektantów kanae radiowym, przy bardzo zrónicowanych warunkach, tj. zmiennej w duym zakresie mobinoci stacji ruchomych, w rodowiskach propagacyjnych o bardzo odmiennych charakterystykach i przy zmiennych w duych granicach wymaganych szybkociach transmisji, dopuszczanych opónieniach i jakoci transmisji, w zaenoci od rodzaju usług. Zatem zaprojektowanie i zaimpementowanie bezprzewodowego łcza pomidzy terminaami, znajdujcymi si w dowonym miejscu na Ziemi, które bdzie zapewniało du szybko transmisji oraz wysok jako usług jest zadaniem trudnym, wymagajcym stworzenia modei symuacyjnych zarówno nadajnika, odbiornika jak i kanału radiowego oraz przeprowadzenia rozegłych bada Architektura systemu UMTS System UMTS składa si z pewnej iczby eementów ogicznych sieci, o zdefiniowanych funkcjach. Eementy sieci mog by grupowane w oparciu o podobne funkcje ub na podstawie przynaenoci do okreonej podsieci. Z punktu widzenia funkcjonanoci, architektur systemu UMTS tworz: wyposaenie uytkownika (ang. User Equipment UE), sie dostpu radiowego (ang. UMTS Terrestria Radio Access Network UTRAN), sie szkieetowa (ang. Core Network - CN). Z punktu widzenia specyfikacji i standaryzacji, zarówno UE jak i UTRAN zawieraj całkowicie nowe protokoły komunikacyjne o hierarchicznej strukturze warstwowej, zaprojektowane pod ktem potrzeb interfejsu szerokopasmowego WCDMA. Z koei, sie szkieetowa CN stanowi adaptacj sieci stałej uytkowanej przez system GSM. W połczeniu otrzymujemy gobany system, oparty na szerokopasmowym interfejsie radiowym, wykorzystujcy sie szkieetow, co przypiesza i ułatwia jego wprowadzenie i umoiwia roaming midzynarodowy. Ogón architektur systemu z wyszczegónionymi eementami i interfejsami sieciowymi przedstawia rys.1. [8,18]. Wyposaenie uytkownika składa si z dwóch boków funkcjonanych: boku radiowego ME (ang. Mobie Equipment) przeznaczonego do transmisji radiowej poprzez interfejs radiowy Uu, karty USIM (ang. UMTS Subscriber Identity Modue), bdcej odpowiednikiem karty SIM stosowanej w GSM. Przechowuje ona informacje niezbdne do reaizacji procedur uwierzyteniania, autoryzacji dostpu do rónych usług i kryptograficznej ochrony informacji przesyłanych w kanae radiowym. Podsystem UTRAN mona podziei na dwa boki funkcjonane: stacja bazowa Node B, która przetwarza dane przepływajce pomidzy interfejsami Iub i Uu, a take uczestniczy w zarzdzaniu zasobami radiowymi i dokonywaniu pomiarów zwizanych z jakoci transmisji, sterownik stacji bazowej RNC (ang. Radio Network Controer), który zarzdza stacjami bazowymi, jest punktem dostpu do usługi da wszystkich usług UTRAN dostarczanych przez CN, np. zarzdzania połczeniami do UE. 9

10 Rys. 1. Ogóna architektura systemu UMTS Oznaczenia: UE - User Equipment, USIM - UMTS Subscriber Identity Modue, ME - Mobie Equipment, UTRAN - UMTS Terrestria Radio Access Network, RNC - Radio Network Controer, RNS - Radio Network Sub-system, CN - Core Network, MSC/VLR - Mobie Services Switching Center/Visitor Location Register, GMSC - Gateway MSC, HLR - Home Location Register, SGSN - Service GPRS Support Node, GGSN - Gateway GPRS Support Node, PSTN - Pubic Switched Teephone Network, PLMN - Pubic Land Mobie Network, Jak ju wspomniano sie szkieetowa CN stanowi adaptacj sieci stałej systemu GSM, w jej skład wchodz: HLR (ang. Home Location Register) - baza danych abonentów macierzystych, która przechowuje profie usługowe uytkowników zarejestrowanych w obszarze macierzystym. Profi usługowy uytkownika jest tworzony podczas wprowadzania nowego abonenta do systemu i utrzymywany w pamici tak długo jak długo abonent jest aktywny. Profi usługowy uytkownika zawiera m.in. numer terminaa sieci pubicznej, midzynarodowy numer IMSI uytkownika, tajny identyfikator uytkownika niezbdny w procesie uwierzyteniania i szyfracji, informacje o dozwoonych usługach podstawowych i dodatkowych, aktuane połoenie UE w ceu sprawnego kierowania połcze do niej przychodzcych (np. wywoła ub krótkich wiadomoci). MSC (ang. Mobie Services Switching Center) centraa radiokomunikacyjna, pełnica funkcj interfejsu pomidzy systemem komórkowym i sieciami PSTN ub ISDN. VLR (ang. Visitor Location Register) baza danych abonentów tymczasowych, która zawiera dane uytkowników przejciowo zarejestrowanych w obszarze pokrytym przez komórki podegłe okreonej centrai MSC. VLR ułatwia znaezienie abonenta z dokładnoci do obszaru przywoła i wspomaga centra MSC podczas nawizywania połczenia ze stacj ruchom. GMSC (ang. Gateway MSC) centraa radiokomunikacyjna pełnica ro interfejsu midzysieciowego pomidzy sieci komórkow i zewntrznymi sieciami z komutacj kanałów np. PSTN ub ISDN, w przypadku sprzonych ze sob kiku zespołów centra MSC. SGSN (ang. Serving GPRS Support Node) wzeł podsystemu GPRS słucy do transmisji informacji w trybie komutacji pakietów. 1

11 GGSN (ang. Gateway GPRS Support Node) wzeł midzysieciowy podsystemu GPRS, który ma zapewni interfejs z innymi sieciami (zwłaszcza Internetem) opartymi na technice komutacji pakietów. Jest równie odpowiedziany za dobór drogi do wzła SGSN obsługujcego podan stacj ruchom. Informacja ta jest zapisywana w bazie danych HLR, z któr wzeł GGSN współpracuje. Współpraca pomidzy poszczegónymi eementami sieci odbywa si przy uyciu kiku nowo opracowanych standardów interfejsów, które charakteryzuj si otwart architektur: interfejs Cu interfejs łczcy kart USIM i ME, interfejs Uu interfejs radiowy WCDMA, odpowiedziany za łczno uytkownika (UE) z podsystemem UTRAN. Jest to najwaniejszy interfejs w całym systemie. interfejs Iu interfejs łczcy podsystem UTRAN z sieci szkieetow CN, moe wykorzystywa zarówno technik komutacji kanałów jak i komutacji pakietów. interfejs Iur interfejs umoiwiajcy mikkie przełczanie połcze pomidzy sterownikami stacji bazowych RNC. interfejs Iub interfejs łczcy stacj bazow (Node B) ze sterownikiem stacji bazowych RNC rodowiska pracy systemu UMTS System UMTS ma zapewni uytkownikom moiwo komunikowania si z dowonego miejsca na Ziemi dziki wykorzystaniu segmentu naziemnego i/ub sateitarnego. W zaenoci od okanej infrastruktury na danym obszarze, transmisja bdzie reaizowana poprzez naziemn sie stacji bazowych ub przez łcza sateitarne. Jedyne ograniczenia bd wynikały z braku umów midzy operatorami ub ogranicze technoogicznych stosowanych terminai. System III generacji bdzie zatem funkcjonowa w rónych rodowiskach propagacyjnych. Segment naziemny systemu bdzie obejmowa swoim zasigiem rodowiska: wewntrz budynków, miejskie, wiejskie oraz górzyste. Natomiast segment sateitarny bdzie zapewnia dostp do usług na obszarach mórz i oceanów, a take pustyniach i obszarach górskich oraz na obszarach o słabo rozwinitej naziemnej infrastrukturze teekomunikacyjnej ub w ogóe jej nie posiadajcych. System UMTS bdzie si charakteryzował ogromn rónorodnoci warunków pracy ze wzgdu na okaizacj uytkowników na rónych obszarach. Aby zapewni abonentom dostp do usług bez wzgdu na ich aktuan okaizacj, stworzono kika kas komórek zorganizowanych w hierarchiczn struktur: pikokomórki o promieniu nie przekraczajcym 1 m, obejmujce swoim zasigiem wntrza budynków biurowych oraz obiekty handowe i komunikacyjne, bd obsługiwały głównie uytkowników pieszych ub przemieszczajcych si z nieduymi prdkociami, zapewniajc przy tym dostp do niema wszystkich usług; mikrokomórki o promieniu z zakresu 1 m do 1 km, pokrywajce tereny miejskie i charakteryzujce si wystpowaniem duych skupisk udnoci, bd zapewniały dostp do znacznego podzbioru usług głównie uytkownikom pieszym i przemieszczajcym si w pojazdach; 11

12 makrokomórki o promieniu z przedziału 1 km do 2 km, pokrywajce tereny wiejskie oraz tereny miejskie, na których wystpuj nieiczne skupiska udnoci, bd umoiwiały dostp jedynie do usług podstawowych; hiperkomórki o promieniu z zakresu od 3 km do 8 km, obsługiwane przez sateity niskoorbitowe (LEO Low Earth Orbit) i rednioorbitowe (MEO Medium Earth Orbit) oraz z zakresu od km do km, obsługiwane przez sateity geostacjonarne (GEO Geostationary Earth Orbit), bd zapewniały dostp do podstawowych usług uytkownikom znajdujcym si na obszarach mórz i oceanów oraz na obszarach nie wyposaonych w wystarczajco rozwinit naziemn infrastruktur teekomunikacyjn. Na rys. 2 ziustrowano hierarchi topoogiczn i systemow poszczegónych kas komórek. Rys. 2. Hierarchia topoogiczna i systemowa kas komórek systemu UMTS. W systemie UMTS do rozwizania probemu pokrycia obszaru o zmiennych właciwociach i uytkowania stacji ruchomych o rónym stopniu mobinoci, zastosowano koncepcj nakładajcych si komórek, które bd tworzy struktur parasoow. Oznacza to, e wiksze komórki (nadrzdne) bd pokrywały grup mniejszych komórek (podrzdnych), jak to pokazano na rys. 3. Takie hierarchiczne rozwizanie pozwoi na bardzo sprawn i eastyczn obsług zmiennego natenia ruchu radiokomunikacyjnego, a take rekonfiguracj połcze terminai z rónymi kasami komórek w zaenoci od biecego obcienia. Pozwoi to na ograniczenie ruchu przełczeniowego, a co za tym idzie na redukcj znacznego nakładu przetwarzania i zaangaowania cennych zasobów systemowych. 12

13 Rys. 3. Hierarchia struktur komórkowych w systemie UMTS 2.. Charakterystyka interfejsu radiowego WCDMA System III generacji jest oparty na innej koncepcji ni miało to miejsce w przypadku systemów II generacji [3,8]. Podstawow rónic jest nowa metoda wspónego uytkowania kanału przez wieu uytkowników, nazywana technik szerokopasmowego rozpraszania widma sygnałów (zwieokrotnienia kodowo-czasowego) WCDMA (Wideband Code Division Mutipe Access). Zgodnie z ustaeniami Europejskiego Komitetu Radiokomunikacji (ERC) z 3 czerwca 1997r. ERC/DEC/(97)7 da systemu UMTS w Europie przeznaczono pasma czstotiwoci od 19 do 22 MHz oraz od 211 do 22 MHz [2,3,8]. Podział tych pasm jest przedstawiony na rys.. Rys. 1.. Zagospodarowanie pasma czstotiwoci przedzieonego systemowi UMTS w Europie Oznaczenia: FDD - Frequency Division Dupex, TDD - Time Division Dupex, MSS - Mobie Sateite Communications, UL - Upink, DL - Downink 13

14 Sposób wykorzystania pasma jest zwizany z przyjtymi w systemie dwoma rodzajami dupeksu, a mianowicie z podziałem czstotiwociowym FDD (ang. Frequency Division Dupex) i podziałem czasowym TDD (ang. Time Division Dupex). Poniewa w obu przypadkach stosuje si zasad szerokopasmowego zwieokrotnienia kodowego WCDMA, otrzymujemy odpowiednio dwa rodzaje interfejsów radiowych WCDMA/FDD oraz WCDMA/TDD. Podstawowe charakterystyki [] obu interfejsów s przedstawione w tabei 1. Pozostała cz wydzieonego pasma czstotiwociowego jest przydzieona segmentowi sateitarnemu systemu UMTS. Tabea 1. Charakterystyki interfejsu radiowego systemu UMTS. Metoda wieodostpu WCDMA/FDD WCDMA/TDD Metoda transmisji dupeksowej czstotiwociowa FDD czasowa TDD Zasig działania gobany okany do kikuset metrów Przydzieone pasma czstotiwociowe MHz upink MHz downink MHz MHz Odstp midzykanałowy,,2 MHz MHz ub 1,3 MHz Szybko cigu rozpraszajcego 3,8 Mchip/s 3,8 Mchip/s ub 1,28 Mchip/s Liczba ramek eementarnych w ramce podstawowej Czas trwania ramki podstawowej Czas trwania ramki eementarnej 1 1 ms (38 chipów) µs (2 chipów) Czas trwania chipu,2 µs Kodowanie kanałowe Sposoby zapewnienia rónych szybkoci transmisji kod spotowy (2,1,9) i (3,1,9) ub turbokod uytkowanie kiku rónych cigów ortogonanych oraz dobór długoci cigu ortogonanego uytkowanie rónej iczby ramek eementarnych w ramce podstawowej, kiku rónych cigów ortogonanych ub dobór długoci cigu ortogonanego Moduacja QPSK, 1 QAM QPSK, 8 PSK, 1 QAM Fitracja przedmoduacyjna Sterowanie moc Transmisja sygnałów mowy Transmisja danych fitr o charakterystyce pierwiastka z podniesionego kosinusa, α=,22 1 rozkazów/s pta zamknita w obu kierunkach 1/2 rozkazów/s pta otwarta upink 8 rozkazów/s pta zamknita downink koder ródłowy od,8 kb/s do 12,2 kb/s wiee szybkoci od 1,2 kb/s do 2,3 Mb/s z gstym rastrem wiee szybkoci od 1,2 kb/s do 2,87 Mb/s z gstym rastrem przy asymetrii uytkowania ramek osigajcej kracowo stosunek 2:13 W przypadku trybu FDD s potrzebne dwa pasma czstotiwoci do łcznoci w kierunku od stacji ruchomej do stacji bazowej łcze w gór (ang. upink) oraz w kierunku odwrotnym od stacji bazowej do stacji ruchomej łcze w dół (ang. downink). W przypadku pracy z podziałem czasowym TDD mamy to samo pasmo da łcza w gór i w dół, wic oba łcza s reaizowane przez rozdział czasowy, a kanały da rónych uytkowników zapewniaj 1

15 przydzieone im odrbne cigi pseudoprzypadkowe. Praca w trybie TDD pozwaa na bardziej efektywne zagospodarowanie dostpnych pasm czstotiwoci, z moiwoci zastosowania bardzo sinej asymetrii nate strumieni w kierunkach od i do stacji bazowej. Z koei mniejsza odporno na zakłócenia oraz konieczno dokładnej synchronizacji (wymagane małe opónienia propagacyjne), decyduj, i tryb TDD jest przewidywany do stosowania wybiórczo na niewiekich obszarach tzw. "hot spots" o duym chwiowym nateniu ruchu (pikokomórki), natomiast tryb FDD bdzie stosowany gobanie. Inna zasadnicza rónica pomidzy metodami transmisji FDD i TDD ujawnia si w przypadku transmisji mutimedianych, w których z istoty rzeczy natenie strumienia odbieranego przez uytkownika (downink) jest przecitnie 1 razy wiksze ni w kierunku odwrotnym (upink). W tym ceu jest przewidziany dodatkowy fragment pasma od 21 do 22 MHz da transmisji w trybie TDD, jak to pokazano na rys Pojemno interfejsu radiowego WCDMA/FDD Pojemno interfejsu radiowego WCDMA/FDD da danego rodzaju usługi jest zwyke obiczana na podstawie wzoru wyznaczajcego jako odbioru [39,,,83], okreon poprzez niezbdn warto stosunku energii E przypadajcej na pojedynczy sygnał eementarny, do gstoci mocy N t interferencji i szumu na wejciu odbiornika. Pomijajc wpływ szumu ciepnego w kanae, którego gsto mocy jest znacznie mniejsza ni gsto mocy interferencji wspónokanałowych, pojemno interfejsu radiowego, wyraona przez iczb M uytkowników wspónie korzystajcych z danej usługi, moe by w uproszczeniu opisana zaenoci: G M E b N t n gdzie: G jest zyskiem przetwarzania okreonej usługi, wynikajcym z operacji rozpraszana widma sygnałów, ( E b N t ) n jest nominan warto stosunku energii przypadajcej na pojedynczy sygnał eementarny, do gstoci mocy interferencji i szumu na wejciu odbiornika, która spełnia wymagania jakociowe transmisji da okreonej usługi. Jak widzimy pojemno interfejsu radiowego jest uzaeniona od zysku przetwarzania G i wymaganej jakoci reprezentowanej przez nominan warto stosunku ( E b N t ) n da okreonego rodzaju usługi. Oznacza to, e pojemno bdzie tym wiksza, im wikszy bdzie zysk przetwarzania oraz im mniejsza bdzie wymagana, nominana warto ( E b N t ) n da tej usługi. Wzór (1) jest ogónie słuszny da obu moiwych kierunków transmisji sygnałów, tzn. w łczu w dół i w gór, ecz nie uwzgdnia niektórych istotnych praktycznie czynników. Przede wszystkim naey uwzgdni fakt, e system UMTS nie jest systemem wyizoowanym. W kadej komórce wykorzystywane bdzie to samo pasmo kanału, co w porównaniu z systemami II generacji spowoduje znaczny wzrost pojemnoci systemu. Jednake pod uwag naey wzi fakt wzrostu interferencji wspónokanałowych pochodzcych od stacji ruchomych i stacji bazowych z ssiednich komórek. W przypadku miejskiego rodowiska propagacji, w piercieniu bezporednio otaczajcym dan komórk powstaje 3% mocy interferencji do niej wnoszonych. Pozostałe komórki wnosz b (1) 1

16 odpowiednio mniejsz moc interferencji, co jest przedstawione na rys.. Na tej podstawie wzór (1) naey zmodyfikowa o współczynnik frakcji interferencji ζ [29] bdcy stosunkiem mocy interferencji zewntrznych do mocy interferencji własnych. Rys.. Procent mocy interferencji wnoszonych przez ssiednie komórki do danej komórki, której moc interferencji własnych jest jednostkowa (1%). Naey tu jednak wspomnie, e sygnały nadawane przez stacj bazow do wszystkich aktywnych stacji ruchomych (w łczu w dół), w przedziae czasu, gdy kanał mona uzna za stacjonarny, mog zachowywa w pewnym stopniu swój synchroniczny charakter i ortogonano w odbiornikach [33,38]. Dziki temu, jak pokazano w [29], mona osign wiksz pojemno, ni w przypadku transmisji w łczu w gór, w którym sygnały nadawane przez wiee stacji ruchomych docieraj do stacji bazowej całkowicie asynchronicznie i s pozbawione własnoci ortogonanych. Podczas anaizy pojemnoci łcza w dół czsto uwzgdnia si współczynnik ortogonanoci α, który wpływa na zmniejszenie wpływu interferencji własnych komórki w tym kierunku transmisji. Jego warto zaey od rodowiska propagacyjnego i moe by wyznaczony wg przybionej metody opisanej w [11,7], na podstawie rozkładów wzgdnej mocy redniej odpowiedzi impusowej w poszczegónych rodowiskach propagacyjnych. Wartoci te zamieszczono w tabei 2. Jak pokazano w [29] ortogonano transmisji zapewnia wiksz pojemno interfejsu radiowego ni jej brak. Tabea 2. Przybione rednie wartoci współczynnika ortogonanoci da standaryzowanych rodowisk propagacyjnych. rodowisko propagacyjne redni współczynnik ortogonanoci α Wewntrzbudynkowe IO A,2 Wewntrzbudynkowe IO B,8 Miejskie OIP A,89 Miejskie OIP B,1 Uytkowników w pojazdach V A,9 Uytkowników w pojazdach V B,7 Wzrost interferencji wspónokanałowych powoduje ograniczenie pojemnoci systemu, czego naeało si spodziewa. W stacjach bazowych s stosowane ju od dawna anteny wieosektorowe, które zmniejszaj moc interferencji zewntrznych i zwikszaj pojemno systemu zaenie do iczby sektorów. Wpływ ioci sektorów na pojemno systemu obrazuje współczynnik G, o który naey zmodyfikowa wzór (1) [29]. Zastosowanie anteny S 1

17 sektorowej spowoduje, zatem zmniejszenie mocy interferencji odbieranych w stacji bazowej, w przybieniu tye razy, ie wynosi iczba zastosowanych w komórce sektorów. Oczywicie, ze wzgdu na nieideano charakterystyk promieniowania anten sektorowych oraz ze wzgdu na to, e w praktyce zachodz one w pewnym stopniu wzajemnie na siebie, zysk sektoryzacji jest mniejszy o kikanacie procent od iczby sektorów [1]. W typowym przypadku, gdy w stacji bazowej zostan zastosowane anteny 3-sektorowe, wówczas G = 2,, co oznacza, e pojemno systemu wzronie ok. 2,-krotnie. s Koejnym wanym czynnikiem wpływajcym na pojemno systemu s straty wynikajce z niedokładnoci dynamicznego sterowania moc. Wpływ ten zostaje uwzgdniony poprzez wprowadzenie do wzoru (1) współczynnika efektywnoci dynamicznego sterowania moc d [29]. PC Ponadto w omawianym wzorze (1) nie uwzgdniono rzeczywistego czasu wykorzystania zasobów radiowych podczas reaizacji danej usługi tzw. współczynnika aktywnoci ródła sygnałów da reaizowanej usługi. Szczegóne znaczenie ma on da przypadku transmisji sygnałów mowy, gdy przykładowo uytkownik miczy w pewnym przedziae czasu, to wówczas nie ma potrzeby przesyłania sygnału tła i jest moiwa zdecydowana redukcja mocy sygnału emitowanego przez termina ruchomy. Redukcja taka wpływa na zmniejszenie mocy interferencji wprowadzanych do kanału przez poszczegónych uytkowników systemu i przyczynia si do wzrostu pojemnoci. Wzrost ten jest odwrotnie proporcjonany do tzw. współczynnika aktywnoci uytkownika v (ang. user activity factor), a w szczegónoci da transmisji sygnałów mowy współczynnika aktywnoci rozmównej (ang. voice activity factor), który wynosi v =, 7. W systemie UMTS parametr ten moe by zwizany z usług dowonego rodzaju, pod warunkiem, e transmisja sygnałów bdzie odbywa si w sposób niecigły oraz bdzie moiwe okreenie redniego stosunku czasu transmisji sygnałów do czasu przerwy. Po uwzgdnieniu omawianych czynników wzór (1) przyjmuje posta da przypadku łcza w gór: GSd M = v PC oraz da łcza w dół: gdzie: GSd M = v PC E G ζ UL b (2) 1 N t E n, UL G α + ζ DL b (3) N t n, DL G S zysk wynikajcy z sektoryzacji, d PC efektywno dynamicznego sterowania moc, v współczynnik aktywnoci uytkownika da danej usługi, ζ UL i ζ DL współczynnik frakcji interferencji da łcza w gór i w dół, α współczynnik ortogonanoci sygnałów w łczu w dół, G zysk przetwarzania okreonej usługi, 17

18 ( E b N t ) n, UL i ( E b N t ) n, DL nominane wartoci stosunku ( E b N t ), które spełniaj wymagania jakociowe transmisji da okreonej usługi odpowiednio w łczu w dół i w gór. Naey tu podkrei, e powysze wyraenia zostały wyznaczone przy załoeniu, e sygnały poszczegónych uytkowników docieraj do stacji bazowej z tak sam moc redni, co w praktyce nie jest spełnione ze wzgdu na ograniczon efektywno sterowania moc. Jak ju wspomniano interferencje zewntrzne, pochodzce od uytkowników pracujcych w ssiednich oraz daszych komórkach, maj bardzo duy wpływ na jako transmisji w kanae oraz na pojemno interfejsu WCDMA/FDD. W anaizie da uproszczenia moc interferencji zewntrznych została odniesiona do mocy interferencji własnych i wyraona za pomoc współczynnika frakcji interferencji ζ. Współczynnik ten jest czasami zastpowany współczynnikiem efektywnoci wieokrotnego wykorzystania pasma F e = 1 ( 1+ζ ) (ang. frequency reuse efficiency), który wyraa stosunek mocy interferencji własnych do sumy mocy interferencji własnych i zewntrznych, odpowiednio w łczu w gór ub w dół [33]. Wpływ interferencji zewntrznych na jako transmisji w istotny sposób zaey od rozpatrywanego kierunku transmisji i jest zupełnie inny w łczu w gór i w dół. W przypadku transmisji w łczu w gór interferencje odbierane przez stacj bazow pochodz od stacji ruchomych, których chwiowa iczba oraz połoenie, na obszarze danej komórki oraz komórek ssiednich, uegaj dynamicznym zmianom w czasie. Jednak mona wykaza [,,], e jeei stacje ruchome s równomiernie rozłoone na rozpatrywanym obszarze, a promienie komórek s jednakowe, to warto współczynnika ζ jest stała i w przypadku mikrokomórek wynosi ζ UL =, 33 ( F e =, 7 ). W rodowiskach miejskich tłumienie sygnału wzrasta z czwart potg odegłoci, datego znaczcy wpływ na moc interferencji bd miały stacje ruchome znajdujce si w dwóch najbiszych piercieniach komórek otaczajcych rozwaan komórk, a wpływ interferencji z komórek znajdujcych si w bardziej oddaonych piercieniach jest praktycznie pomijany. W przypadku rodowisk wewntrzbudynkowych oraz uytkowników w pojazdach, tłumienie w funkcji odegłoci jest mniejsze ni w rodowisku miejskim, przez co uzyskiwane wartoci współczynnika ζ UL s nieco wiksze. Opisywane w iteraturze metody anaityczne, pozwaajce na oszacowanie wartoci ζ UL, s skompikowane i obarczone znacznymi błdami, ze wzgdu na wyideaizowane kształty anaizowanych modei struktur komórkowych. Datego zaeca si [3,8] przyjmowanie do obicze wartoci ζ UL =, ( F e =, ), wyznaczonej na drodze symuacyjnej. W przypadku transmisji w łczu w dół interferencje zewntrzne, pochodz od stacji bazowych ssiadujcych ze stacj macierzyst, s odbierane przez stacje ruchome, których połoenie w komórce uega dynamicznym zmianom. W zwizku z tym, stacje ruchome znajdujce si na granicy danej komórki, bd naraone na wikszy poziom mocy tych interferencji. Metoda anaityczna opisana w [28,] pozwaa na okreenie wartoci współczynnika ζ DL w funkcji odegłoci stacji ruchomej od stacji bazowej, unormowanej wzgdem promienia komórki, da wszystkich typów rodowisk propagacyjnych. Na jej podstawie mona stwierdzi, e wpływ interferencji zewntrznych jest znikomy w przypadku stacji ruchomych znajdujcych si w pobiu macierzystej stacji bazowej, natomiast szybko ronie w miar ich zbiania si do granicy komórki. Oznacza to, e pojemno łcza w dół jest znacznie mniejsza w obszarze granicznym komórki, aniei w pobiu macierzystej stacji bazowej. W anaizie pojemnoci łcza w dół bierze si wic pod uwag wartoci rednie pojemnoci, uzyskiwane na całym UL 18

19 obszarze komórki, datego w obiczeniach przyjmuje si najczciej warto ζ DL =, [3], tzn. identyczn jak w łczu w gór. W systemie komórkowym wykorzystujcym technik DS-CDMA wanym czynnikiem wpływajcym na chwiow pojemno systemu jest tzw. współczynnik obcienia systemu η (ang. ce oading), który umoiwia monitorowanie poziomu interferencji w komórce [3,3]: η = M M max gdzie: M iczba aktywnych uytkowników w komórce, reaizujcych dan usług, M max maksymana iczba aktywnych uytkowników, reaizujcych dan usług. Poniewa panowana pojemno systemu nie moe by równa pojemnoci maksymanej, gdy wówczas system pracowałby na granicy bokowania, to panowany współczynnik obcienia powinien wynosi -7%, przy czym jest on róny da obu kierunków transmisji. Taka warto współczynnika zmniejsza ryzyko bokowania oraz pozwaa na utrzymanie załoonego zasigu w rozsdnych granicach. Przyjty margines bezpieczestwa mówicy o mocy interferencji generowanych w danej komórce, pozwaa na dokonywanie obicze oraz monitorowanie poziomu interferencji własnych komórki oraz interferencji wnoszonych przez komórki ssiednie. Współczynnik obcienia systemu przyjmuje posta da przypadku łcza w gór [29,3]: j= 1 ( E N ) M v j b t n, UL, j η UL = ( 1+ ζ UL ) d G () oraz da łcza w dół: PC, j j= 1 j ( E N ) M v j b t n, DL, j η DL = ( 1 α + ζ DL ) d G () PC, j gdzie: M iczba reaizowanych w danej chwii usług dowonego rodzaju, v j współczynnik aktywnoci uytkownika reaizujcego PC j j j t usług, d, efektywno sterowania moc w odniesieniu do połczenia, w ramach którego jest reaizowana j ta usługa, G j zysk przetwarzania j tej usługi, ( E b N t ) i ( E ) n, UL, j b N t nominane wartoci stosunku ( E ) n, DL, j b N t wymagania jakociowe transmisji da j tej usługi w łczu w dół i w gór. (), które spełniaj Wyznaczony w ten sposób współczynnik obcienia systemu moe posłuy do wyznaczenia redniej pojemnoci systemu oraz panowania wzgdnego przyrostu interferencji w systemie oraz do racjonanego zapanowania podziału dostpnych zasobów da rónych rodzajów usług. Okreenie rzeczywistej pojemnoci systemu, w którym jest reaizowanych wiee usług o rónych szybkociach transmisji i o rónych jakociach, wymaga znajomoci statystycznej reacji pomidzy ioci uytkowników reaizujcych poszczegóne usługi [37,3]. Na tej podstawie jest moiwa do wyznaczenia całkowita pojemno interfejsu radiowego WCDMA/FDD, która przyjmuje posta da przypadku łcza w gór [29,3]: 19

20 M ηul = 1+ ζ UL U j= 1 v β j d j PC, j G S ( E N ) b G t n, UL, j j (7) oraz da łcza w dół: η DL M = 1 α + ζ DL U j= 1 v β j d j PC, j G S ( E N ) b G t n, DL, j j (8) gdzie: U całkowita io typów reaizowanych usług, przy czym β j = M j M prawdopodobiestwo reaizacji j tej usługi, warunki normaizacyjne M j oznacza iczb uytkowników reaizujcych M = U M j j= 1 U oraz β j = 1. j= 1 j t usług i s spełnione Warto tu jeszcze podkrei, e pojemno interfejsu radiowego WCDMA/FDD, niezaenie od rozpatrywanego kierunku transmisji, bdzie zaeała od rodzaju usług oraz rónych charakterystyk rodowiskowych, do których zaicza si charakterystyki statyczne, okreone przez profie propagacyjne oraz charakterystyki dynamiczne, zwizane z poruszaniem si stacji ruchomych z rónymi prdkociami [29]. Zaenoci te bd odzwierciedały si poprzez zmiany wartoci poszczegónych współczynników bdcych składnikami wzoru na pojemno, które zostały przedstawione w tabei 3. Tabea 3. Zaeno niektórych składników wzoru na pojemno od rónych czynników. Parametr rodowisko propagacyjne Zaeno od Rodzaj usługi d PC TAK NIE α TAK NIE ( E b N t ) n TAK TAK v NIE TAK G NIE TAK 2.. Ce i główna teza pracy W obecnej fazie wdraania i testowania systemu UMTS, w rónych iczcych si orodkach badawczych na wiecie, s prowadzone prace w zakresie impementacji nowych technik oraz metod przetwarzania sygnałów w interfejsie radiowym WCDMA/FDD. Budowa tego interfejsu, daje due i rónorodne moiwoci w zakresie wykorzystania zasobów radiowych, jednak jego impementacja oraz metody jego praktycznego wykorzystania wymagaj wieu anaiz i bada, które pozwo, nie tyko na właciwy wybór technik i metod z 2

21 uwzgdnieniem aspektów praktycznych, ae równie umoiwi stworzenie podstaw do daszych bada, majcych na ceu ich uepszenie i rozwój. Złoono interfejsu WCDMA/FDD dotyczy nie tyko ogromnej złoonoci metod formowania i przetwarzania sygnałów, w tym m.in. odbioru wieodrogowego RAKE, dynamicznego sterowania moc, estymacji odpowiedzi impusowej kanału oraz innych technik przetwarzania sygnałów, które mog by w nim zastosowane, ae przede wszystkim wie si z efektywnoci wykorzystania zasobów radiowych w praktyce, w rzeczywistych warunkach działania systemu. Właciwe i efektywne wykorzystanie tych zasobów bdzie moiwe wyłcznie przy wiadomym i racjonanym zastosowaniu rozmaitych nowych technik zwikszania pojemnoci oraz podnoszenia jakoci transmisji i wykorzystaniu eastycznoci operacyjnej systemu. Specyfika pracy interfejsu WCDMA/FDD pokazuje, e efektywno pracy odbiornika, który mona uwaa za jeden z najwaniejszych eementów systemu, cie zaey od jakoci szacowania odpowiedzi impusowej kanału i metod dynamicznego sterowania moc. Datego w obecnej fazie wdraania i testowania systemu UMTS due znaczenie praktyczne ma prawidłowo zaprojektowany i działajcy odbiornik, a jego moiwo adaptacji do rónych warunków rodowiskowych pozwoi na zwikszenie jakoci transmisji, a tym samym zapewni wzrost pojemnoci systemu. Konieczne jest zatem zbadanie jego efektywnoci w rónorodnych warunkach. Ceem pracy jest przeprowadzenie anaizy i bada symuacyjnych majcych na ceu optymaizacj odbioru wieodrogowego w oparciu o odbiornik RAKE w interfejsie radiowym WCDMA/FDD da obu kierunków transmisji w łczu w dół i w gór, przy uwzgdnieniu odmiennych sposobów formowania i przetwarzania sygnałów w obu łczach, rónych rodowisk propagacyjnych i prdkoci poruszania si terminai ruchomych oraz reaizacji usług o rónych przepływnociach i jakoci. Główna teza pracy dotyczy wykazania, e poprzez odpowiedni dobór parametrów odbiornika RAKE, w zaenoci od rodowiska propagacyjnego i rodzaju reaizowanej usługi, przy akceptowanym nakładzie przetwarzania, istnieje moiwo poprawy jakoci odbioru w obu kierunkach przesyłania sygnałów, a tym samym zwikszenie pojemnoci interfejsu radiowego WCDMA/FDD. 21

22 3. Właciwoci szerokopasmowego kanału radiokomunikacyjnego 3.1. Fizyczne właciwoci kanału szerokopasmowego W rzeczywistym rodowisku transmisyjnym systemów radiokomunikacji ruchomej fae radiowe napotykaj na swojej drodze wiee przeszkód. Majc na uwadze fakt, i zakres czstotiwociowy pracy systemu UMTS znajduje si w pamie 2GHz, mona stwierdzi, e fae radiowe rozchodz si wówczas praktycznie za porednictwem fai przyziemnej w zasigu horyzontu optycznego, napotykajc na swojej drodze wiee przeszkód, które powoduj: odbicia, w przypadku gdy faa eektromagnetyczna uderza w gładk powierzchni o wymiarze porównywanym z długoci fai sygnału nadanego; rozproszenia, w przypadku gdy faa uderza w powierzchnie niegładk o wymiarze porównywanym z długoci fai, a energia zostaje rozproszone we wszystkich kierunkach; ugicia, w przypadku gdy na drodze fai radiowej midzy nadajnikiem a odbiornikiem znajduje si przeszkoda w postaci zwartej powierzchni o wymiarze porównywanym z długoci fai, wywołujc utworzenie drugiej fai za zakłócajc przeszkod. Powoduje to, e sygnały radiowe docieraj od nadajnika do odbiornika wieoma drogami o rónej długoci przypadkowo zmiennej w czasie, a zatem równie z rónym i zmiennym w czasie opónieniem. Znaczcy wpływ ma tutaj ukształtowanie terenu, jego zabudowa oraz ich zmiennoci wskutek przemieszczania si terminai ub innych obiektów ruchomych znajdujcych si pomidzy nadajnikiem i odbiornikiem. Da systemów działajcych na zewntrz budynków przeszkodami mog by: naturane ukształtowanie powierzchni terenu, zabudowa oraz poruszajce si samochody, natomiast da systemów działajcych wewntrz budynków: cianki działowe, stropy, futryny okien i drzwi oraz rónego rodzaju urzdzenia i mebe. Ponadto na terenie gsto zabudowanym jak i wewntrz budynków na ogół ma miejsce sytuacja, w której nie istnieje adna bezporednia droga (ang. Line-Of-Sight), po której sygnał moe dotrze do odbiornika. W takim przypadku sygnał dociera do odbiornika tyko na skutek odbi od powierzchni ziemi, otaczajcych budynków i przeszkód. Na skutek odbi sygnału od rónego rodzaju przeszkód wystpuje zjawisko przypadkowego nakładania si na siebie fa radiowych docierajcych do odbiornika rónymi drogami i w szczegónoci powstawanie fa stojcych. Powoduje to zmienno obwiedni sygnału odbieranego, która w zaenoci od zmian fazy, czstotiwoci oraz ampitudy odbieranych sygnałów moe powodowa powstawanie zaników, pomimo faktu, e sygnał nadawany ma stał ampitud i czstotiwo. Objawia si to pojawianiem zaokrgonych maksimów oraz ostro opadajcych minimów w obwiedni sygnału odbieranego [9]. Fuktuacje takie, nazywane zanikami szybkimi, nakładaj si na wonozmienne fuktuacje redniej ampitudy sygnału odbieranego, nazywane zanikami powonymi, które s spowodowane powonymi zmianami tłumienia sygnału, zwizanymi ze zmianami odegłoci pomidzy odbiornikiem i nadajnikiem, co zostało pokazane na rys.. 22

23 Rys.. Nakładanie si fuktuacji szybkozmiennych na wonozmienne. Sygnał odbierany w dowonej chwii czasu składa si, wic z wieu repik sygnału nadawanego o przypadkowo zmiennej w czasie ampitudzie, fazie i kcie nadejcia. Repiki sygnału pochodzce z rónych dróg s sumowane wektorowo w odbiorniku powodujc zaniki. W przypadku, gdy prdko odbiornika wzgdem nadajnika wynosi, tzn. odbiornik nie porusza si, odbierany sygnał moe wykazywa obecno zaników ze wzgdu na ruch przeszkód na drodze od nadajnika do odbiornika. Naey tu doda, e poruszanie si terminai powoduje dodatkowo zmiany fazy chwiowej sygnału odbieranego, na skutek przesunicia czstotiwoci sygnału odbieranego, wynikajcego z wystpowania efektu Doppera, którego wpływ jest tym wikszy, im wiksze s prdkoci poruszania si terminai. W efekcie propagacji wieodrogowej oraz przemieszczania si terminai ub innych obiektów ruchomych znajdujcych si pomidzy nadajnikiem i odbiornikiem, mona zaobserwowa nastpujce zjawiska: gwałtowne zmian mocy sygnału odbieranego na krótkim odcinku drogi ub w niewiekich odstpach czasu (zaniki), przypadkowe pasoytnicze moduacje czstotiwoci spowodowane przez róne przesunicia Doppera da rónych dróg propagacji, rozrzut mocy sygnału odbieranego w czasie, spowodowany przez róne przypadkowo zmienne w czasie opónienia. Obecno obiektów powodujcych rozpraszanie, odbicia i ugicia w kanae radiowym powoduje, e warunki propagacyjne cige si zmieniaj, co wywołuje niestacjonarno charakterystyk kanału i powoduje degradacj jakoci transmisji przesyłanych w systemie UMTS sygnałów. Zmienne tłumienia, opónienia i zniekształcenia towarzyszce przesyłaniu sygnałów przez kanał radiowy, powoduj, e sygnały te podegaj znacznym fuktuacjom, przy czym charakter tych fuktuacji zaey od prdkoci poruszania si terminaa oraz czstotiwoci nonej. W zwizku z tym sygnał odbierany musi by traktowany jako osowo zmienny i niestacjonarny, a jego charakterystyki bd zaeały od czasu, prdkoci poruszania si odbiornika wzgdem nadajnika oraz ich wzajemnego usytuowania. Pomimo przypadkowo zmiennych w czasie fazy i ampitudy odbieranych repik sygnału, powodujcych pogorszenie jakoci odbieranego sygnału, istniej moiwo sprawnego im przeciwdziałania, za pomoc odbioru zbiorczego czasowego RAKE Fuktuacje wonozmienne Fuktuacje wonozmienne wystpuj zarówno w odbiorniku ruchomym jak i nieruchomym. Powstaj one na skutek zmian stanu rodowiska propagacyjnego, w szczegónoci zmian 23