автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование и разработка методов повышения эффективности использования радиоканала применительно к задачам мобильной связи

од

На правах рукописи

Василевский Владимир Львович

Исследование и разработка методов повышения эффективности использования радиоканала применительно к задачам мобильной связи

05.12.13 - Системы и устройства радиотехники и связи

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в ОАО "Радиофизика"

Научный руководитель: кандидат технических наук

с.н.с. Очков Д. С.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Гармаш В. Н.

кандидат технических наук, Рукунов В. Н.

Ведущая организация: ООО "Комплексные системы связи"

Защита состоится 19 мая 1998 г. в 15:30 на заседании диссертационного совета К 063.91.12 в Московском физико - техническом институте по адресу: 141700, Московская область, г.Долгопрудный, Институтский переулок, д. 9, аудитория 204 нк.

С диссертацией можно ознакомиться в научно - технической библиотеке МФТИ.

Автореферат разослан "_"_1998 г.

Ученый секретарь /у Л

диссертационного совета , Ар Лимонов Е. В.

Общая характеристика работы.

Актуальность темы.

К традиционным средствам персональной беспроводной связи относятся транкинговые и сотовые системы мобильной радиотелефонной связи, односторонние системы персонального радиовызова, и радиотелефонные удлинители. В последнее десятилетие с развитием технологии обработки сигналов и вычислительной техники появились новые типы систем персональной связи: двухсторонние системы персонального радиовызова, системы бесшнуровой телефонии, и высокоскоростные системы передачи данных для беспроводного подключения к компьютерным сетям.

Одной из важнейших характеристик систем персональной связи является общее количество радиоканалов, организованных в зоне обслуживания, т.е. нагруженность системы. Существуют два характерных крайних случая: деловой центр современного многоэтажного города с пиковым уровнем нагруженности до 104 Эрл/кв.км/этаж, где основной трудностью является обеспечение устойчивой работы большого числа каналов в условиях взаимных помех, и случай малонаселенной местности с нагруженностью менее 0.1 Эрл/кв.км, где существенным вопросом является увеличение радиуса действия системы при минимизации затрат на оборудование.

В мире имеет место исторически сложившееся и закрепленное многими международными и внутригосударственными законодательными актами приоритетное распределение частот и диапазонов между различными службами, не учитывающее бурный рост, переживаемый в последние десятилетия средствами массовой персональной беспроводной связи. В этих условиях возможность повышения числа абонентов систем путем расширения занимаемого диапазона частот ограничена. Дополнительной проблемой является то обстоятельство, что частотные планы диапазонов УКВ и ДМВ различных государств имеют существенные отличия.

В настоящее время для решения проблемы высокой нагруженности предлагается способ экстенсивного решения проблемы "тесноты эфира" -системы бесшнуровой телефонии, переход к пикосотовой структуре с целью многократного повторного использования частот. Такой подход требует высоких технических и проектных затрат на создание инфраструктуры и может быть экономически оправдан только в мегаполисах, характеризующихся высокой плотностью населения.

Для обеспечения связи в глобальном масштабе в малонаселенных местностях реализуются проекты космических систем на основе низколетящих спутников. Существенным недостатком орбитальных систем связи является низкие достижимые уровни телефонной нагруженности порядка 1СГ4 Эрл/кв.км при себестоимости на уровне 105 долл./Эрл/год, что не позволяет рассматривать их как системы персональной связи массового пользования.

Возможности экстенсивного развития радиоинтерфейсов персональных систем связи ограничены всвязи с "теснотой эфира" и высокими затратами на создание и поддержку инфраструктуры. В этих условиях становится актуальным вопрос исследования методов повышения спектральной эффективности использования канала связи. В работе рассматриваются следующие подходы к решению данной проблемы:

а) применение различных видов сверхширокополосных сигналов,

б) схема организации динамического разделения в канале,

в) применение современной элементной базы DSP и вычислительно --емких алгоритмов сжатия информации, кодирования/декодирования и модуляции.

Цель работы.

Разработка рекомендаций по построению спектрально-эффективного радиоинтерфейса для системы персональной радиосвязи.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1. Исследования спектральной эффективности сверхширокополосных радиосигналов с скачкообразным изменением частоты и с прямым расширением спектра применительно к задаче мобильной связи.

2. Разработки концепции, принципа построения и функционирования протокола канального уровня с динамическим разделением радиоканала между пользователями.

3. Разработки алгоритмов низкоскоростного речевого кодека для использования в системе с динамическим разделением, схем экстраполяции кадров и помехозащищающего кодирования для данного кодека.

4. Построения макета процессора протокола (Р1_Р) цифровой системы связи для экспериментальной проверки предложенных технических решений.

Метод исследования.

В данной работе принято решение отказаться от интегральной оптимизации характеристик радиоинтерфейса системы связи и оптимизировать различные факторы по-отдельности ввиду следующих обстоятельств:

■ Сложность адекватного учета всех факторов.

■ Отсутствие в настоящее время эффективной объективной методики оценки качества синтеза речевой информации при цифровых вокодерных преобразованиях.

■ Сложность универсального решения задачи распространения радиоволн в различных условиях с необходимой точностью.

■ Трудность прогнозирования перспектив развития средств связи, вычислительной техники и элементной базы.

В первом приближении оптимизация системы связи проводится по пяти основным критериям: коэф-т эффективности использования полосы частот,

энергетическая эффективность, информационный КПД, коэф. повторного использования каналов и обратная общая спектральная эффективность.

При оценке влияния мешающих факторов на канал связи с сигнально-кодовыми конструкциями различных классов используется математический аппарат теории вероятности, теории информации и теории помехоустойчивости.

Для расчета влияния явления селективных замираний используется лучевая модель распространения радиоволн. Показано, что ограничение рассмотрения двумя лучами не влияет на общность результатов применительно к целям данной задачи.

Для расчета динамического распределения каналов связи используются данные и соотношения, характерные для статистической структуры исходной и кодированной речевой и неречевой информации.

Справедливость аналитических оценок проверена путем численного моделирования на ПЭВМ и экспериментов на макете канального процессора системы.

Обоснованность научных положений и достоверность результатов.

Справедливость полученных выводов проверена путем сравнения результатов с теоретическими в предельных и аналитически простых случаях. Результаты работы по речевому- кодеку, статистическому уплотнению, канальной модуляции и кодированию проверены экспериментально.

Научная новизна работы.

1. Предложена новая концепция динамического разделения канала связи между пользователями для применения в системах цифровой радиотелефонии.

2. Разработан и реализован на DSP в виде прототипа кодека новый алгоритм речевого кодирования с адаптивной скоростью сжатия. Также предложены алгоритмы помехоустойчивого кодирования и экстраполяции информации для данного речепреобразующего кодека.

3. Произведено исследование спектральной эффективности сверхширокополосных сигналов с медленными скачками частоты и с прямым расширением спектра применительно к задаче организации мобильной радиосвязи. Обоснован вывод, что по совокупности характеристик для применения в системе мобильной связи предпочтительны сигналы с скачкообразным изменением частоты.

Практическая значимость.

Получены результаты и рекомендации, показывающие возможность создания радиоинтерфейса для систем персональной мобильной связи, в 2-5 раз превосходящего по нагруженное™ современные системы GSM и IS-95 при равных эфирных затратах. Для развертывания радиоинтерфейса не требуется пересмотра существующих частотных планов, и возможно сосуществование новой системы с уже развернутыми в настоящее время традиционными системами.

Внедрение.

Данная работа представляет собой часть исследовательской и инженерной программы модернизации систем беспроводной связи, проводимой в течение последних 3-х лет рядом негосударственных организаций. Результаты диссертационной работы послужили материалом для двух проводимых в настоящее время научных работ, целью которых является более глубокое исследование и конкретизация ряда положений.

В ходе данной работы был создана аппаратная часть и программное обеспечение многоцелевого цифрового канального процессора для применения в беспроводных телекоммуникационных системах. В настоящее время устройство серийно выпускается на предприятии "ООО Комплексные Системы Связи" для применения в составе комплекса аппаратуры для пейджинговой связи.

Результаты использования отражены в акте о внедрении.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XXXIX Научной конференции МФТИ 1996г., XI. Научной конференции МФТИ 1997г., Научном семинаре каф. радиотехники МФТИ, ряде научных семинаров кафедры МФТИ в ОАО "Радиофизика", Международном симпозиуме "Мобильные системы - 1998", г. Москва 1998г.

Публикации,

По результатам выполненных исследований опубликованы две печатных работы и получено свидетельство официальной регистрации.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, и двух приложений. Объем диссертационной работы составляет страниц. Библиография включает в себя 77 наименований.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Для применения в мобильной радиосвязи, в качестве канальных видов модуляции преимущество имеют узкополосные сигналы с медленными перескоками частоты при применении частотного и временного разделения с синхронным доступом.

2. Предлагается схема организации канала радиотелефонной связи, использующая множественный доступ с динамическим временным разделением и адаптивный низкоскоростной речевой кодек.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели работы, кратко изложено содержание и полученные основные результаты, перечислены положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ литературы и других источников по исследуемой проблеме.

1. Проанализированы демографические данные территории России. Показано, что:

а) Средняя плотность населения по стране не превышает 40 чел/кв.км, причем 70% населения сосредоточено на территориях с плотностью менее 50 чел/кв.км.

б) 55 % населения России проживает в малых городах с численностью населения менее 100 тыс. человек, где отсутствует развитая инфраструктура связи.

в) Плотность периферийного населения в регионах распределена в виде концентрического кольца вокруг областного центра. Среднее расстояние между областными центрами и периферийными городами составляет примерно 161 км.

На основании анализа, сделан вывод о том, что возможной областью применения для новых систем связи в России может являться охват небольших населенных пунктов и/или значительных территорий с низкой плотностью населения. В данных условиях, наиболее логичной схемой построения системы связи является радиально - зоновый принцип, т.е. покрытие местности сетью из одного мощного многоканального центрального узла и нескольких периферийных сот с малым количеством каналов. Существенными требованиями к системе связи является возможность организации макросот большого диаметра, не уступающих по данному параметру аналоговым системам типа AMPS или NMT-450, и самодостаточность, позволяющая организовать радиорелейные каналы инфраструктуры сети средствами радиоинтерфейса самой системы.

2. Рассмотрены и проанализированы рекомендации по организации перспективных сетей персональной связи Голубой Книги МККР. На основании приведенных данных о телефонной и нетелефонной нагрузке в условиях делового центра современного мегаполиса, а также соотношения средней и пиковой нагрузок, сделаны следующие выводы:

а) Более 90% траффика будет составлять передача речевой информации. В этих условиях, перспективная система связи должна быть оптимизирована, главным образом, для задач радиотелефонии.

б) система должна иметь возможность построения микросотовой организации.

в) Существенным требованием является устойчивость системы к кратковременным пиковым нагрузкам (Hot Spot Capacity).

3. Рассмотрены требования потенциальных провайдеров и потребителей услуг перспективной системы связи по набору предоставляемых системой возможностей.

4. Исходя из всех вышеперечисленных требований и соображений технической реализуемости, сформулированы базовые технические требования к перспективной системе связи для России.

5. На основании имеющихся данных и требований, проводится оценка потенциальных возможностей и ограничений на примере наиболее совершенных современных систем мобильной радиосвязи стандартов GSM и CDMA IS-95. Показано, что, несмотря на разные принципы построения, обеим системам свойственен ряд ограничений, лимитирующих их эффективность при применении в условиях невысоких плотностей населения, характерных для большей части территории России.

Во второй главе производится оценка эффективности различных методов построения канала связи применительно к задачам мобильной радиотелефонии.

В первом приближении оценка эффективности системы связи проводится по пяти критериям:

у- коэф-т использования полосы частот,

(3- коэф-т использования мощности сигнала,

Г) - информационный КПД,

Q- обратная общая спектральная эффективность.

Kf - коэф-т повторного использования частоты.

с г, KfN

Где с - скорость передачи данных по каналу, П - полоса частот, занимаемая одним каналом, q2 - отношение мощности сигнала к мощности шума в полосе канала, М - число пользователей, одновременно работающих в одном частотном канале, cch - предел пропускной способности канала при данном отношении сигнал/шум (по Шеннону).

Первые три критерия основаны на понятиях теории информации и могут быть использованы для оценки любой системы передачи информации независимо от принципа построения, четвертый критерий является специфическим для систем, построенных по сотовому принципу. Достоинством такого подхода является объективность и независимость от конкретных технических решений, примененных в том или ином стандарте. В то же время, все необходимые параметры, как правило, могут быть вычислены исходя из заявленых в том или ином виде характеристик систем связи.

На основании данной системы критериев, рассматриваются параметры стандартов сотовой связи GSM и IS-95. Показано, что характеристики этих стандартов имеют близкие значения. Справедливость полученных оценок косвенно подтверждается практикой эксплуатации вышеупомянутых систем.

Далее анализируются причины информационных потерь в различных системах. Показано, что заметную часть потерь в системе GSM с временным разделением каналов составляют защитные интервалы во временной и частотной области, и служебная информация, применяемые для обеспечения гарантированного взаимного неналожения и синхронизации сигналов от разноудаленных пользователей. В системе с кодовым разделением IS-95 емкость пространства кодов ограничена трудностью поддержания баланса мощностей в условиях радиоканалов с быстроизменяющимися параметрами.

Во второй части второй главы производятся теоретические исследования спектральной эффективности сверхширокополосных сигналов с медленным скачкообразным изменением частоты (вЯН) и с прямым расширением спектра (ОБ), в условиях синхронного и асинхронного доступа к каналу связи, когерентного и некогерентного приема.

Основные результаты исследований представлены в виде графиков на рис 1, 2, 3.

Рис 1. Зависимость спектральной эффективности от допустимой вероятности ошибок, при неограниченном синхронном доступе к каналу

Рис. 2. Зависимость спектральной эффективности от допустимой вероятности ошибок в канале связи с асинхронном доступом и кодовым разделением.

X

0.5

0.4 0.3 0.2 0.1

с микронный

М = 100

■ад = 10

N = 100, Ъ =

асинхронньш

£/#„ = 20<1В

М- 1

= =о

' М = 200

М = 100

ад = 10

Рис.3.2.4 10

10"

ю-

10"

Ю-1 0-5 Р

г

Рис. 3. Зависимость спектральной эффективности от допустимой вероятности ошибок в канале с медленными скачками частоты с временным и частотным разделением для случаев синхронного и асинхронного доступа.

По данному исследованию, оказывается возможным сделать следующие выводы:

1. При применении ортогональной системы сигналов, системы с частотным, временным и кодовым разделением имеют равную спектральную эффективность.

2. При применении системы сигналов с размерностью выше размерности пространства сигналов, при временном и частотном разделении спектральная эффективность уменьшается, а при кодовом - может быть увеличена примерно на 20%.

3. Реализация выигрыша в спектральной эффективности для системы сигналов с кодовым разделением возможна при точном соблюдении баланса мощностей сигналов: разбаланс на 1дБ уменьшает выигрыш в спектральной эффективности по порядку величины в 2 раза.

4. Во всех рассмотренных случаях, синхронный доступ к системе обеспечивает в 2 - 3 раза большую спектральную эффективность, чем асинхронный.

5. Для систем с кодовым разделением существенное значение имеет способ приема: при когерентном методе достижимая спектральная эффективность оказывается на 10% больше, чем при некогерентном.

В третьей части второй главы рассматривается вопрос устойчивости сверхширокополосных сигналов с скачкообразным изменением частоты и с прямым расширением спектра к явлению селективных замираний, типичному для распространения радиоволн диапазона ДМВ. Для оценки влияния замираний на вероятность ошибки бита построена лучевая математическая модель радиоканала. Типичные результаты моделирования представлены на рис 4. (В данном конкретном случае, приведен график для двухлучевого случая с отношением амплитуд лучей 1/2 и шириной спектра сигналов 1.6 МГц).

при селективных замираниях от разности хода лучей.

По результатам моделирования сделаны следующие основные выводы: а) Для эффективной работы в условиях многолучевого распространения ширина спектра сигнала должна быть по порядку величины достаточной для разрешения по дальности расстояния, равного типичной разности хода лучей.

б) Энергетическая эффективность сигнала с прямым расширением спектра в условиях селективных замираний выше, чем у сигнала с скачкообразным изменением частоты при той же ширине спектра. Для реализации одной и той же энергетической эффективности сигнал с скачкообразным изменением частоты должен иметь в 2 - 2.5 раза большую ширину спектра, чем сигнал с прямым расширением спектра.

в) Для эффективной борьбы с селективными замираниями в условиях города, необходимо иметь ширину спектра сигнала порядка 30 МГц. Реализация оптимальной обработки подобного сигнала с прямым расширением спектра, на современном этапе развития элементной базы труднореализуема в условиях портативной аппаратуры. Несмотря на сравнительно меньшую энергетическую эффективность при равной ширине спектра, для построения радиоинтерфейса персональных систем связи перспективны узкополосные сигналы с скачкообразным изменением частоты, т.к. реализация портативного радиотракта для данных сигналов с большой эффективной шириной спектра не встречает затруднений.

г) система, использующая сверхширокополосные сигналы с скачкообразным изменением частоты, является более гибкой при планировании, т.к. не требует выделения непрерывных полос частот. Возможно сосуществование подобных систем в одном диапазоне с классическими узкополосными радиосистемами.

В четвертой части второй главы предлагается новая концепция динамического разделения канала связи между пользователями в условиях потоков информации с переменной скоростью и паузами, типичными для вокодерной телефонии. Рассмотрены ситуации с учетом и без учета коррелированности активности собеседников в диалоге. Для расчетов использовались экспериментальные статичтические данные речевой активности, полученные путем исследования работы оффисной микроАТС. Показано, что динамическое распределение канала способно обеспечить выигрыш в использовании емкости канала связи до 3-х раз, причем в случае учета коррелированности активности собеседников в диалоге

зависимость выигрыша от количества каналов растет существенно быстрее: в частности, двухкратный выигрыш в емкости может быть достигнут при 6 каналах (принимая допустимую вероятность потери пакета равной 1%). Общие результаты расчетов представлены в виде графиков на рис. 5.

при применении динамического разделения.

Рассмотрены возможности, достоинства и недостатки реализации различных методов динамического разделения для радиоканалов (ALOHA, DAMA, поллинг). Предложена схема динамического распределения на основе априорной оценки текущей активности абонентов и возможный способ построения алгоритма оценивания.

В третьей главе рассматриваются возможные варианты реализации некоторых элементов перспективной системы связи, удовлетворяющей требованиям, предъявляемым в гл.1 с использованием рекомендаций, предложенных в гл2. В первой части рассмотрена общая схема организации системы, построение радиоинтерфейсов, канальная модуляция, помехоустойчивое кодирование. Предложен низкоскоростной алгоритм сжатия звуковой информации с переменной скоростью и экстраполяцией

потерянных кадров для применения в радиотелефонных системах, а также возможный вариант реализации процессора протокола (PLP) перспективной системы связи на основе современных DSP типа ADSP -2181.

Во второй части третьей главы производится сравнительная оценка планирования системы связи с использованием предлагаемых технических решений, и систем GSM и IS-95 в условиях города и малонаселенной местности. Показано, что в условиях города рассматриваемой системе потребуется в 1.5 - 2 раза меньшее количество базовых станций, а в условиях малонаселенной местности радиус действия БС может быть сделан в 2 - 3 раза большим, чем в системах GSM и IS-95.

В четвертой главе описаны построенные автором две экспериментальные программно аппаратные платформы для отработки технических решений, связанных с реализацией канального процессора (PLP) для низко- и высокоскоростной системы радиотелефонной связи, и изложены достигнутые экспериментальные результаты.

Приблизительно оценено качество звука предлагаемой схемы сжатия речевой информации, в сравнении с современными алгоритмами VSELP, G723, G728, GSM 6.10, QCELP. В качестве источника использовались записи мужской и женской дикторской речи на русском и английском языках, музыка и речь на фоне музыки. Предварительная субъективная оценка качества синтеза автором и его коллегами соответствует 3.5 - 3.9 баллов в зависимости от характера звуковой информации, что не уступает большинству стандартных алгоритмов.

Найдено, что экстраполяция вокодером до 5% потерянных кадров, или

наличие до 1% случайных ошибок битов в входном потоке информации

практически не влияет на качество синтеза. Границей достаточного для

коммерческого использования качества является непревышение 5%

ошибок или 10% экстраполируемых кадров. Превышение 10% ошибок и/или v

экстраполяция более 25% кадров приводит к резкому ухудшению разборчивости речи, что позволяет считать эти значения порогом

работоспособности. Исследован вопрос пригодности существующих аналоговых ЧМ-радиотрактов для приема и передачи GMSK - сигналов. Примененные квазиоптимальные схемы последетекторной демодуляции и методы построения эквалайзера канала позволяют обеспечить требуемые вероятности ошибок порядка 10~3 на скоростях до 19200 бит/с при защитном отношении 12 дБ. Большие скорости реализовать не удалось из-за сложных нелинейных искажений в аналоговом тракте.

Рассмотрены спектральные плотности мощности сигналов 2-х и 4-х уровневой модуляции GMSK на предмет соответствия требованиям ГОСТ 12252-86. Результаты непосредственных измерений и численного моделирования показывают, что, используя стандартный аналоговый узкополосный ЧМ- радиотракт, можно удовлетворить требования ГОСТ по внеполосным излучениям при скорости передачи не более 14400 бит/с.

Реализован действующий макет - прототип низкоскоростной дуплексной системы радиосвязи с динамическим разделением канала.

Основным результатом четвертой главы является практическое обоснование работоспособности предложенных решений построения канального протокола с динамическим разделением, алгоритма сжатия речевой информации, схем кодирования и модуляции, и возможности их практической реализации на основе современных DSP общего применения.

В заключении перечислены основные положения диссертационной работы. Дополнительно отмечено, что техническая реализация предлагаемых решений возможна на основе элементной базы распространенных современных DSP общего назначения.

Предметом дальнейших исследований автора является развитие технологии динамического распределения каналов и низкоскоростного кодирования звука в задачах радиотелефонии.

Приложение 1 содержит список иностранных терминов и сокращений, использованных в работе.

В приложении 2 приведен акт внедрения результатов диссертационной работы.

Основные результаты работы.

1. Сформулирован набор базовых требований к перспективной системе персональной радиосвязи.

2. Проведены теоретическое исследование и математическое моделирование спектральной эффективности сигналов с прямым расширением спектра и с скачкообразным изменением частоты при применении синхронных и асинхронных схем доступа к каналу, в условиях селективных замираний.

3. Разработана новая концепция динамического разделения канала и возможный метод ее реализации для применения в системах мобильной радиосвязи.

4. Разработаны и оформлены в виде программ для ПЭВМ модели, позволяющие исследовать влияние явления многолучевого распространения на сигналы с прямым расширением спектра и с скачкообразным изменением частоты.

5. Построены действующие макеты - прототипы речевого кодека и процессора канального протокола, использующие динамическое разделение и речевой кодек с переменной скоростью.

6. Проведены экспериментальные исследования положений работы по речевому кодированию и каналообразованию.

Публикации по теме диссертации.

1. Василевский В. Л. Динамическое управление каналами в системах персональной мобильной связи. Тезисы докладов XI. научной конференции МФТИ, Москва, 1997.

2. Василевский В. Л. Эффективность использования эфира в современных и перспективных системах сотовой связи. Тезисы докладов XXXIX научной конференции МФТИ, Москва, 1996.

3. Василевский В. Л. Комплекс программного обеспечения для эксплуатации радиостанций ОМЗОО. Свидетельство официальной регистрации № 960156 от 06.05.1996 РосАПО.