TRANSCOMP XIV INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT

Transkrypt

1 TRANSCOMP XIV INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT Małgorzata GÓRSKA 1 Sylwester GRZYWACZ 2 UMTS, SSDS, sieć heterogeniczna, zakłócenia wąskopasowe, interferencje iędzykoórkowe MOśLIWOŚCI POPRAWY JAKOŚCI TRANSMISJI W SYSTEMIE UMTS W referacie oówiono etody poprawy jakości transisji w systeie UMTS poprzez redukcję zakłóceń wąskopasowych oraz iędzykoórkowych. RozwaŜania ają istotne znaczenie w związku z rozpatrywany wykorzystanie UMTS w sieci heterogenicznej jako jednego ze znaczących systeów w globalny systeie poszukiwania uŝytkowników dróg publicznych wg ustalonych cech. POSSIBILITIES OF IMPROVING BROADCAST QUALITY IN UMTS SYSTEM This report discusses the ethods of iproving broadcast quality in UMTS syste by reduction of narrowband and intercellular interferences. These considerations have iportant eaning in connection with the use of UMTS in heterogeneous networks as one of significant syste in global syste of searching for public roads users according to established features. 1. WSTĘP Syste UMTS jest jedny z systeów 3G, które są następcai obecnie rozpowszechnionych systeów koórkowych 2G i 2.5G (np. GSM, GSM-EDGE). UMTS został zaprojektowany od początku zarówno do transisji głosu, jak i danych pakietowych. W Politechnice Radoskiej podejuje się prace studyjne nad globalny krajowy systee poszukiwania pojazdów drogowych o określonych cechach, poruszających się po drogach. Do obiegu inforacji w raach rozwaŝanego projektu oprócz sieci opartych na warstwie fizycznej np. IEEE wraz z rozszerzeniai, względnie IEEE , planuje się równieŝ wykorzystanie systeu UMTS. W artykule zostaną przedstawione etody eliinacji zakłóceń wąskopasowych, a takŝe iędzykoórkowych ających znaczny wpływ na jakość transisji w systeie UMTS w zaleŝności od wybranych paraetrów systeu, istotnych w planowanej do opracowania aplikacji. 1 Technical University of Rado, Faculty of Transport and Electrical Engineering, POLAND; Rado ; Malczewskiego 29. Phone: , E-ail: algorzata.gorska@pr.rado.pl 2 Technical University of Rado, Faculty of Transport and Electrical Engineering, POLAND; Rado ; Malczewskiego 29. Phone: , E-ail: s.grzywacz@pr.rado.pl

2 980 Małgorzata GÓRSKA, Sylwester GRZYWACZ 2. ZNACZENIE UMTS W SIECI HETEROGENICZNEJ Przyjując, Ŝe sieć heterogeniczna jest cztero pozioowa, wówczas pozio 2 celowo jest tworzyć na bazie bezprzewodowych sieci szerokopasowych, które powinny działać na duŝy obszarze w charakterze zarówno sieci dostępowych dla uŝytkowników ogących się do nich bezpośrednio podłączyć, jak i sieci szkieletowych dla sieci poziou 3. W systeie UMTS przewiduje się transisję z szybkościai do 2 Mbit/s. Roziar koórki waha się w zaleŝności od jej typu: od kilkunastu etrów w przypadku pikokoórki do kilkunastu kiloetrów w przypadku akrokoórki. Wpływ na rzeczywistą aksyalną prędkość transisji ają oczywiście zarówno warunki radiowe, jak i szybkość przeieszczania się uŝytkownika, jednak średnią szybkość transisji dla uŝytkownika poruszającego się z prędkością pieszego szacuje się na pozioie 384 kbit/s. Do chwili obecnej zastosowany interfejse radiowy jest głównie WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) [2]. Połączenie wielu sieci, jakie planuje się w opracowywanej aplikacji, opartych na róŝnych standardach w jedną heterogeniczną sieć rodzi wiele probleów, jedny z nich jest obilność uŝytkowników. Do podstawowych wyagań i oczekiwań uŝytkowników ruchoych naleŝy [10]: zagwarantowanie oŝliwości przeieszczania się zarówno w skali ikro jak i akro; zapewnienie jednoznacznej identyfikacji danego uŝytkownika, bez względu na iejsce jego przyłączenia do sieci; zagwarantowanie nienaruszalności połączenia; zapewnienie wiarygodności połączenia; zapewnienie kopatybilności z róŝnyi architekturai i stosai protokołów; proponowane rozwiązania uszą zapewniać pełną obilność obu uŝytkowników. Zwróćy uwagę, Ŝe UMTS spełnia w pełni wyienione wyagania w przeciwieństwie do innych technik, w których probley te znajdują się obecnie na etapie ich rozwiązywania. Ze względu na planowane pokrycie (początkowo tereny iejskie, z czase pokrycie zbliŝone do obecnych systeów 2G), dość wysoką dostępną przepływność binarną i zapewniane gwarancje połączenia (wsparcie dla QoS), syste UMTS znakoicie nadaje się do uzupełnienia sieci heterogenicznej i zapewnienia jej uŝytkowniko dostępu do sieci na duŝy obszarze równieŝ ta, gdzie nie funkcjonują inne sieci [4]. Syste UMTS wprowadza wiele usprawnień i dodatkowych echanizów,.in. HSDPA (High Speed Downlink Packet Access), uoŝliwiający transisję do uŝytkownika z prędkościai aksyalnyi do 14,4 Mbit/s, zwiększoną odporność na zakłócenia interferencyjne, iękkie przełączanie MS poiędzy koórkai, wykorzystanie anten inteligentnych oraz efektywne sterownie ocą nadajników MS. Niektóre z wyienionych ulepszeń zwiększają pojeność w koórkach inne natoiast zniejszają ją stwarzając alternatywne zalety systeowe.

3 MOśLIWOŚCI POPRAWY JAKOŚCI TRANSMISJI W UMTS MOśLIWOŚCI ELIMINACJI ZAKŁÓCEŃ WĄSKOPASMOWYCH WYNIKAJĄCYCH Z WYKORZYSTANIA SYGNAŁÓW SSDS 3.1. MoŜliwości estyacji zakłóceń wąskopasowych Filtracja wstępna sygnału odebranego przed obliczenie funkcji korelacji skośnej powoduje w znaczny stopniu poprawienie jakości odbioru w systeie SSDS zakłócany przez sygnały wąskopasowe. W filtrze dopasowany do sygnału g(t) opisujący pojedynczy chip jest filtrowany sygnał odebrany r(t). Sygnał po filtrze jest próbkowany synchronicznie z ryte sygnału pseudolosowego. Próbki te podawane są na wejście cyfrowego liniowego filtru transwersalnego. Zadanie tego filtru jest estyacja zakłóceń wąskopasowych, które zostaną wytłuione. Sygnał wyjściowy jest noŝony przez ciąg pseudolosowy i następnie dekodowany. Przyjujey, Ŝe sygnał odebrany po przejściu przez filtr dopasowany do pojedynczego chipu i po spróbkowaniu a postać [7] : r j - sygnał odebrany s j - sygnał uŝyteczny i j - zakłócenie wąskopasowe n j - szu szerokopasowy r j = s j + i j + n j (1) Zadanie filtru transwersalnego jest estyacja składowej i j na podstawie sygnału odebranego, a następnie jej usunięcie z sygnału odebranego. Do estyacji zastosowano etodę predykcji liniowej. Jest to uzasadnione ty, Ŝe próbki zakłócenia wąskopasowego są skorelowane, a więc oŝliwe jest wykorzystanie do tego celu próbek sygnału odebranego zawierającego jako składową równieŝ próbki zakłócenia wąskopasowego. Natoiast próbki szuu szerokopasowego nie są skorelowane z załoŝenia, a próbki sygnału uŝytecznego są nie skorelowane w obrębie całego ciągu pseudolosowego. Stąd przyjujey, Ŝe estyata zakłócenia wąskopasowego w takcie j wyraŝa się wzore: j = l= 1 i a (2) lrj l - rząd predyktora zaś a l, l = 1,2, współczynniki predykcji, które naleŝy obliczyć. Jako kryteriu jakości estyacji przyjujey błąd średniokwadratowy poiędzy wartością próbki sygnału odebranego r j a estyatą zakłócenia wąskopasowego Zakładay tu, Ŝe znane są własności statystyczne ciągu próbek {r j } i Ŝe są one stacjonarne: i. j

4 982 Małgorzata GÓRSKA, Sylwester GRZYWACZ ε(*) E(*) ( ) 2 = E rj i j = E rj a l= 1 l r j l 2 ε (3) - błąd średniokwadratowy - operator uśredniania 0 Optyalny zbiór współczynników predykcji { } al otrzyujey poprzez inializację ε() względe {a l }. Warunkie konieczny istnienia iniu ε() jest to, aby pochodna spełniała warunek: σε σ ( ) a k = 0 Zate róŝniczkując równanie (3) otrzyujey: σ ( ) σa Stąd: E 2 rj σ dla k=1, 2,, (4) = 2E rj = alrj l alrj l alrj l rj k k l = 1 σak l = 1 l = 1 rjr j k al rj lrj k l = 1 = 0 = 0 (5) E (6) E { rjrj k} = al E{ rj lrj k} l = 1 (7) Z załoŝenia stacjonarności {r j } otrzyujey: Φ ( k) = a Φ( k l) l= 1 l dla k=1, 2,..., (8) ( k) = E{ } Φ - jest funkcją autokorelacji sygnału odebranego {r j }. r j r j k PowyŜsze równanie oŝey zapisać w postaci acierzowej:

5 MOśLIWOŚCI POPRAWY JAKOŚCI TRANSMISJI W UMTS 983 dt Φ = [ Φ( 1 ) Φ( 2)... Φ( ) ] T [ a a a ] T a = Φ = a (9) Równanie acierzowe: = a Φ nosi nazwę równania predykcyjnego Yule-Walkera. Szukany wektor a oŝey obliczyć z równania: 1 a = a Φ (10) co wyaga obliczenia acierzy odwrotnej do acierzy Toeplitza. Efektywny nuerycznie algoryte odwracania acierzy tego typu jest algoryt Levinsona-Durbina. PoniewaŜ funkcja autokorelacji Φ(k) w praktyce nie jest znana i oŝe się zieniać w czasie, zate konieczne jest znalezienie etody pozwalającej na bieŝące obliczanie współczynników predykcji a ; k=1,2,, na podstawie wartości próbek k sygnału odebranego {r j }. Z praktycznych względów przy ty nie uwzględnia się wszystkich próbek r j, lecz jedynie N ich ostatnich wartości. MoŜliwe są tu róŝne etody estyacji funkcji autokorelacji na podstawie bloku N próbek. PoniŜej przedstawiona jest skrótowo jedna z nich, często stosowana. Estyatą funkcji autokorelacji z N próbek jest zaleŝność: Φ N ( ) k = l= k 0 r l r l + k Estyata ta oŝe być podstawiona do wzoru dla k=0, 1,, (11) Φ = a i następnie wektor a oŝe być wyznaczony za poocą efektywnego obliczeniowo algorytu nuerycznego Levinsona-Durbina, odwracania acierzy Toeplitza. Mając obliczone współczynniki predykcji oŝey obliczyć estyatę zakłócenia wąskopasowego i i odjąć ją od j sygnału odebranego, który zawiera sygnał zakłócenia wąskopasowego i j.

6 984 Małgorzata GÓRSKA, Sylwester GRZYWACZ Rys.1. Polepszenie jakości transisji po zastosowaniu filtru tłuiącego zakłócenia Filtr usuwający zakłócenia wąskopasowe oprócz korzystnego działania (tłuienia zakłócenia) powoduje jednocześnie zniekształcenie sygnału uŝytecznego, gdyŝ działa on jak filtr zaporowy w paśie zajowany przez zakłócenie wąskopasowe. r ˆ j i j î j Rys.2. Układ usuwania zakłóceń wąskopasowych

7 MOśLIWOŚCI POPRAWY JAKOŚCI TRANSMISJI W UMTS 985 W związku z ty filtracja yalna sygnału oczyszczonego z zakłócenia wąskopasowego powinna uwzględniać to zniekształcenie. Poprawę uzyskuje się wprowadzając zintegrowany filtr, zawierający w sobie filtr tłuiący zakłócenie wąskopasowe i filtr dopasowany do tego zakłócenia. Poprawienie jakości transisji wskutek zastosowania filtru tłuiącego zakłócenie wąskopasowe, ierzone zwiększenie stosunku sygnału do szuu w odniesieniu do odbiornika bez filtru jest znaczne. Przedstawia to rysunek 1. Uzyskany efekt ilustruje dobrze stosunek ocy sygnału uŝytecznego do ocy zakłócenia wąskopasowego, w odniesieniu do pojedynczego chipu, na wyjściu układu zniejszającego zakłócenia wąskopasowe do takiego saego stosunku, ale bez układu redukującego wyienione zakłócenia. Te ilorazy są obliczane w funkcji stosunku sygnału do szuu bez filtru tłuiącego zakłócenia wąskopasowe. Najlepsze efekty jak widać z rys 1 uzyskuje się dla ałych stosunków ocy sygnału do ocy zakłóceń ujenych w skali logaryticznej. 3.2 Metody redukcji interferencji iędzykoórkowych w systeie UMTS Przyjuje się, Ŝe koórki ają kształt heksagonalny o jednakowych paraetrach oraz są otoczone kilkoa pierścieniai względe rozwaŝanej koórki. Wszystki koórko przydzielono do pracy to sao podpaso (zwróciy uwagę, Ŝe jest to warunek iękkiego przełączania MS poiędzy koórkai)[3]. Z pewny przybliŝenie oŝna stwierdzić, Ŝe wartość współczynników określających interferencje z koórek z kolejnych pierścieni k 1, k 2, k 3, aleje z czwartą potęgą odległości poiędzy badaną koórką, a pierścienie koórek, od których pochodzi sygnał zakłóceń. W praktyce uwzględnia się wpływ do 4-tego pierścienia. W analizach, dla uproszczenia, oc interferencji pochodzących od uŝytkowników pracujących w koórkach sąsiednich jest zwykle odniesiona do ocy interferencji w koórce własnej i wyraŝana za poocą współczynnika frakcji interferencji q [8]: I s q = (12) I w I s oc interferencji wnoszonych przez sąsiednie koórki, I w oc interferencji własnych koórki. Stosunek pojeności interfejsu w przypadku występowania interferencji zewnętrznych Z do pojeności interfejsu w przypadku braku interferencji zewnętrznych W, czyli dla koórki wyizolowanej, oŝna wyrazić wzore: FRE = Z W 1 = 1+ q (13) Współczynnik FRE (Frequency Reuse Efficiency) nazywa się współczynnikie efektywności wielokrotnego wykorzystania pasa. Wyniki obliczeń FRE przedstawiono na rys.3.

8 986 Małgorzata GÓRSKA, Sylwester GRZYWACZ Interferencje własne koórki, jak równieŝ pochodzące od uŝytkowników z koórek sąsiednich, oŝna dodatkowo zredukować, jeŝeli zastosuje się anteny sektorowe lub inteligentne [1][9]. Transisja dookólna w koórce oŝe być wówczas zastąpiona transisją wiązek przez kilka anten kierunkowych. Wzrost pojeności systeu uzyskany w wyniku zastosowania takich anten opisuje współczynnik sektoryzacji s, który definiowany jest jako stosunek całkowitej ocy interferencji odbieranych z anteny o dookólnej charakterystyce do ocy interferencji odebranych z anteny kierunkowej. Uwzględniając współczynnik frakcji interferencji q oraz współczynnika sektoryzacji uzyskujey równanie [5] : G = + 1 E b q + N (1 ) 0 n ps v (14) Rys.3. ZaleŜność poiędzy pojenością koórki w przypadku występowania interferencji zewnętrznych, a pojenością w koórce wyizolowanej Analizując wykres (Rys.3) oŝna stwierdzić, Ŝe pojeność ulega znaczneu zniejszeniu w przypadku występowania interferencji. W sytuacji, gdy koórki systeu są równoiernie obciąŝone pod względe ruchu (q=0,55), co a zwykle iejsce w godzinach największego ruchu w środowiskach iejskich, jej rzeczywista pojeność oŝe zaleć nawet o 35%. Zjawisko występowania interferencji współkanałowych zniejsza pojeność całego systeu, jednak obniŝając ich oc w koórkach sąsiednich, oŝna wydatnie zwiększyć pojeność wybranej koórki. Ma to istotne znaczenie w realizowany projekcie. Na rysunku 4 przedstawiono wyniki obliczeń wpływu

9 MOśLIWOŚCI POPRAWY JAKOŚCI TRANSMISJI W UMTS 987 interferencji przenikających z sąsiednich koórek na aksyalną liczbę uŝytkowników w danej koórce dla trzech róŝnych współczynników interferencji przenikających. Rys.4 ZaleŜność aksyalnej liczby uŝytkowników w funkcji stosunku E b /N 0, dla trzech róŝnych współczynników zakłóceń przenikających z sąsiednich koórek Korzystając z zaleŝności (7) wyznaczono aksyalną liczbę uŝytkowników w zaleŝności od stosunku E b /N 0 dla trzech róŝnych współczynników zakłóceń -przedstawiono na rys 4. Największe wartości uzyskuje się przy q=0, czyli dla saotnej koórki lub gdy otaczające koórki wykorzystują inne podpasa częstotliwości, bez wpływu innych koórek. Oczywiście jest to przypadek tylko teoretyczny, nie występujący w rzeczywistości. Najniejsze wartości uzyskujey w systeie koórkowy znajdujący się w ieście gdzie obciąŝenie ruchu jest duŝo większe. Współczynnik sektoryzacji s pokazuje jaki wpływ na pojeność systeu UMTS a zastosowanie anten kierunkowych, co pozwala na zniejszenie obszaru, z którego są odbierane sygnały interferujące. Współczynnik sektoryzacji oŝna wyznaczyć ze stosunku 360 /α, gdzie α jest szerokością wiązki anteny. JednakŜe w sytuacji anten sektorowych obszary pokrycia przez wiązkę kaŝdej z anten zachodzą na siebie w około 15%, dlatego dla koórek o trzech sektorach s=(360 /120 )*0,85=2,55, natoiast w przypadku koórki sześciosektorowej s=(360 /60 )*0,85=5,1. JeŜeli zastosuje się anteny inteligentne nie a tego probleu, gdyŝ wiązki są kierowane bezpośrednio do terinala ruchoego. Jednak przy duŝej ilości abonentów lub w czasie szybkiej ziany połoŝenia ich terinali, oŝe się zdarzyć, iŝ obszary pokrycia przez wiązki będą na siebie zachodzić. Dodatkowo naleŝy wziąć pod uwagę rodzaj uŝytych anten inteligentnych oraz zastosowany sposób

10 988 Małgorzata GÓRSKA, Sylwester GRZYWACZ odbioru sygnałów. Współczynnik sektoryzacji dla anten inteligentnych naleŝy ponoŝyć przez współczynnik efektywności wykorzystania takiej anteny, który będzie wynosił 0,5[8]. 4. WNIOSKI Celowy jest tworzenie poziou drugiego na bazie bezprzewodowych sieci szerokopasowych, przyjując, Ŝe sieć heterogeniczna jest cztero pozioowa. Powinny one działać na duŝy obszarze w charakterze zarówno sieci dostępowych dla uŝytkowników ogących się do nich bezpośrednio podłączyć, jak i sieci szkieletowych dla sieci poziou 3. W opracowywanej aplikacji, istotnyi eleentai są wyagania uŝytkowników ruchoych sforułowane punkcie 2, które w obecnej chwili najlepiej spełnia syste UMTS. Poprawienie jakości transisji w skutek zastosowania filtru tłuiącego zakłócenie wąskopasowe, ierzone zwiększenie stosunku sygnału do szuu w odniesieniu do odbiornika bez filtru jest znaczne (punkt 3.1). Istotną zaletą UMTS jest równieŝ oŝliwość dynaicznego kształtowania pojeności w wybranych koórkach (punkt 3.2), iękkie przenoszenie oraz zweryfikowany syste identyfikacji uŝytkownika i ochrony przesyłania inforacji. Wadą rozpatrywanego systeu jest niezadowalająca przepływność binarna. W standardowych rozwiązania drugiego poziou będą doinować przede wszystki sieci oparte o technikę (WiMAX) i , (HiperLAN2). 5. BIBLIOGRAFIA [1] Balanis C. A., Ioannides P. I. : Introduction to Sart Antennas, Arizona State University, Morgan & Claypool Publishers 2007 [2] Braithwaite C., Scott M. : UMTS Network Planning and Developent, England, Elsevier 2004 [3] Chrzan M., Górska M. : MoŜliwości wykorzystania UMTS w bezprzewodowych sieciach heterogenicznych, Zakopane, Konferencja TRANSCOMP, 2009 [4] Gajewski P., Wszelak S., Technologie Bezprzewodowe Sieci Teleinforatycznych, Warszawa, Wydawnictwo Kounikacji i Łączności 2008 [5] Geerdes H. F. : UMTS Radio Network Planning: Mastering Cell Coupling for Capacity Optiization, Wiesbaden, Vieweg + Teubner, GWV Fachwerlage GbH 2008 [6] Hołubowicz W., Szwabe M. : Systey Radiowe z Rozpraszanie Wida CMDA, Poznań, Wydawnictwo Holko 1998 [7] Jackowski S., Telekounikacja cz.1., Rado, Wydawnictwo Politechnika Radoska 2003 [8] Pawelec J.J., : Radiokounikacja Wybrane Probley Kopatybilności, Rado, Wydawnictwo Politechnika Radoska 2002 [9] Rintaaki M. : Adaptive Power Control in CDMA Cellular Counicaton Systes, Helsinki University of Technology, Signal Processing Laboratory, Espoo 2005 [10] Wesołowski K. : Systey Radiokounikacji Ruchoej, Warszawa, Wydawnictwo Kounikacji i Łączności 2006