автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Пути повышения эффективности сотовых систем радиосвязи стандарта GSM



? щ

/ Оп // о

На правах рукописи

Государственный комитет России по связи и информатизации Поволжская Государственная академия телекоммуникаций и информатики

Кирюшин Геннадий Васильевич

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЦИФРОВЫХ СОТОВЫХ СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ СТАНДАРТА С8М

Специальность 05.12.13. — Системы и устройства радиотехники и связи

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Самара 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.......................................................................................................................4

ГЛАВА 1. Субоптимальные алгоритмы СДД, аналитический расчет помехоустойчивости и сравнительная эффективность СДД и РДД в многолучевых радиоканалах с МСИ при использовании линейных блоковых и сверточных кодов......................................................................................................24

1.1. Модели сигналов и алгоритмы СДД................................................................24

1.2. Вероятность ошибки на бит при СДД и РДД.................................................28

1.3. Энергетический выигрыш СДД над РДД........................................................37

Коды Хэмминга.........................................................................................................41

Коды максимальной длины...................................................................................42

Код Голея................................................................................................................44

Коды Рида-Маллера...............................................................................................45

Двоичные линейные блоковые коды с наибольшим числом информационных символов к при фиксированных значениях длины кода п и минимального

расстояния d............................................................................................................47

Выводы к главе 1....................................................................................................51

Глава 2. Моделирование передачи дискретных сообщений по многолучевым стохастическим каналам с использованием сверточного кода и перемежением символов по стандарту GSM....................................................................................53

2.1. Компьютерная модель системы связи..........................................................53

2.1.1. Компьютерная оболочка модели системы связи...................................65

2.1.2. Алгоритм работы канала..........................................................................66

2.1.3. Алгоритм работы демодулятора..............................................................67

2.1.4. Алгоритм работы декодера......................................................................69

2.1.5. Результаты статистического моделирования.........................................73

2.2. Вопросы реализации двухэтапного алгоритма СДД...................................82

ФРАГМЕНТ ПРОГРАММЫ РЕКУРРЕНТНОГО ВЫЧИТАНИЯ ПОСЛЕДЕЙСТВИЙ ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ СИГНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

ИЗ ОТСЧЁТОВ АНАЛИЗИРУЕМОГО СИГНАЛА...........................................90

ФРАГМЕНТ ПРОГРАММЫ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ВЫЧИСЛЕНИЯ

ОТСЧЁТОВ ОПОРНОГО СИГНАЛА..................................................................94

Выводы к главе 2....................................................................................................97

3. АНАЛИЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛНОВОГО ПОЛЯ СИГНАЛА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ СВЯЗИ..............99

3.1. Особенности условий распространения радиоволн и методы расчета напряженности поля в диапазоне УВЧ................................................................99

3.2. Методы моделирования структуры волнового поля сигнала при проектировании ССС на уровне макросот, микросот и пикосот....................107

3.3. Вероятностные модели поля сигнала в зоне обслуживания ССС........... 113

3.4. Вероятностный метод определения границ зоны обслуживания ССС... 122

3.5. Методы определения статистических характеристик волнового поля в зоне обслуживания ССС......................................................................................127

3.6. Результаты экспериментального исследования распределений уровня напряженности поля сигнала в зоне обслуживания ССС стандарта GSM... 132

3.7. Основные положения рабочего проекта развития ССС ЗАО "СМАРТС" в

г. Самаре и Самарской области..........................................................................140

Выводы к главе 3..................................................................................................152

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ БЕЗОПАСНОСТИ СИСТЕМ СОТОВОЙ СВЯЗИ ПО ФАКТОРУ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ...................155

4.1. Методы анализа параметров безопасности ССС общего пользования... 155

4.2. Результаты исследования параметров безопасности по фактору ЭМИ оборудования базовых станций ССС стандарта GSM.....................................159

4.3. Результаты исследования параметров безопасности по фактору ЭМИ мобильного оборудования ССС общего пользования.....................................168

4.4. Результаты исследования параметров безопасности по фактору ЭМИ радиорелейного оборудования ССС общего пользования..............................179

4.5. Результаты исследования параметров безопасности по фактору ЭМИ

компьютерного оборудования ССС общего пользования...............................189

Выводы к главе 4..................................................................................................195

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................197

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................................199

Приложение 1 Приложение 2 Приложение 3 Приложение 4

Введение

Прогресс современной техники связи обусловлен использованием новых телекоммуникационных технологий: персональных и сетевых, в том числе предназначенных для систем сотовой связи (ССС). В России с 1993 г. успешно развивается федеральная сеть общеевропейского цифрового стандарта GSM, основанного на технологии с временным доступом абонентов в канал связи -TDMA. Наряду с этим, достаточно широкое применение находят стандарты NMT, DAMPS, IS и другие, использующие технологии FDMA и CDMA, что приводит к росту конкуренции как между операторами связи, так и между производителями оборудования [67; 68]. Поэтому на первый план выходят вопросы, связанные с обеспечением:

- возможности предоставить потребителю стандартные по качеству услуги связи при их минимальной себестоимости [70];

- максимальной безопасности ССС для окружающей среды (пользователей связью, производственного персонала, населения и т.д.) по фактору электромагнитного излучения (ЭМИ) [31].

Каждый стандарт имеет в этом плане свои резервы [63, 64, 65], которые необходимо реализовать в кратчайшие сроки - поскольку от этого зависят конкурентоспособность и продолжительность жизни ССС разных стандартов. Стандарт GSM за рубежом и в России рассматривается как один из ведущих и наиболее перспективных для вхождения в мировую сеть ССС третьего поколения FPLMTS в составе европейской службы универсальной подвижной связи UMTS. В то же время возможности технологии TDMA еще далеко не исчерпаны; нуждаются в совершенствовании (особенно применительно к условиям России) методы проектирования и прогнозирования эффективности сетей GSM. Особую важность и практическую значимость приобретает обеспечение безопасности оборудования ССС по фактору ЭМИ.

В диссертационной работе исследованы два пути повышения эффективности ССС на основе стандарта GSM. Первый из них является

перспективным и предполагает применение в рамках технологии TDMA процедуры совмещения операций демодуляции и декодирования (СДД) на основе алгоритма Кловского-Николаева (АКН) при использовании различных способов кодирования передаваемых сообщений. Второй путь базируется на решении актуальных научных задач, связанных с учетом влияния инфраструктуры крупного города на эффективность работы ССС, а также с анализом их экологической безопасности по фактору ЭМИ. Указанные исследования имеют тесную взаимосвязь и общую направленность - поскольку и применение СДД вместо РДД (раздельная демодуляция и декодирование), и совершенствование методов проектирования ССС ведут к снижению уровней ЭМИ в окружающей среде, обеспечивая тем самым улучшение экологических характеристик оборудования ССС.

Проблемы разработки алгоритмов СДД для стохастических многолучевых каналов с перемежением кодовых символов на передаче в литературе освещены очень скупо. Исследования их эффективности в цифровых мобильных сотовых системах радиосвязи в стандарте GSM и его модификаций (технология TDMA) безусловно актуальная задача теории и техники связи.

Исследования диссертации в плане обработки сигналов в радиоканале основываются на работах К. Хелстрома [113], Р.Кеннеди [41], JI.M. Финка [110], В.С.Мельникова [79], Т. Кайлата [37], В.И.Тихонова [107], Д.Д. Кловского [55, 56], М. Диторо [33], М.С. Ярлыкова [117], Н.Е. Кириллова [42], Н.П. Хворостенко [112], Ю.Г. Сосулина [105], Ю.С. Шинакова [108], А.П.Трифонова [108], А.И. Фалько [103], И.А. Цикина [75], Б.И.Николаева [84], В.Г. Карташевского [40], С.М. Широкова [115], Ю.В. Алышева [5].

В области кодирования и декодирования применительно к многолучевым радиоканалам (каналам с памятью) в диссертации использованы результаты работ Дж. Возенкрафта [14], И. Джекобса [14], У. Питерсона [94], Э. Уэлдона [94], Л.М. Финка [110], Г. Д. Форни [123-126] Ф. Мак Вильямса [76], Н. Слоена [76], Дж. Кларка [53], Дж. Кейна [53], В.И. Коржика [69], Э.Л. Блоха [13],

В.В. Зяблова [13], Р. Блейхута [12], А. Витерби [19], Д. Омуры [19],

A.И. Туркина [109].

Решение проблемы реализации и анализа эффективности СДД в стохастических каналах с МСИ способствует повышению эффективности оборудования ССС стандарта GSM. Настоящее исследование базируется на работах Д. Д. Кловского конца 50-х - начала 60-х годов [24, 57, 58, 59, 61] которые, по существу, легли в основу стандарта GSM. В этих работах впервые были изложены идеи и принципы построения адаптивных скоростных последовательных систем передачи дискретных сообщений (временное уплотнение канала при наличии многих источников сообщений) по многолучевым стохастическим радиоканалам с МСИ при периодическом зондировании канала и оптимальном поэлементном когерентном приёме с нулевой задержкой решения. Для упрощения реализации приемника Д.Д. Кловский предложил использовать обратную связь по решению (ОСР) о символах,^ переданных до анализируемого. В конце 60-х годов предложен алгоритм Кловского-Николаева (АКН) для субоптимального когерентного поэлементного приёма дискретных сообщений в каналах с МСИ при произвольной задержке решения, использующий периодическое зондирование канала и ОСР [56, 65, 84, 93, 132]. Несколько позже Г.Д. Форни [122] предложил использовать алгоритм Витерби для приёма дискретных сообщений в каналах с МСИ [119]. В конце 80-х годов С.А. Белоус, Д.Д. Кловский и

B.Г. Карташевский [11] предложили обобщение АКН для СДД в каналах с МСИ и отсутствием перемежения символов на передаче при использовании свёрточных кодов и обработке сигнала на информационных тактовых интервалах. Известны также публикации об использовании алгоритма Витерби для СДД при сверточном кодировании и отсутствии перемежения символов на передаче. Это, прежде всего, работы Г.Д. Форни [123, 124, 125, 126], Дж. Хагенауера и П. Хоэра [127, 128, 131], А. Вена, С. Вена, Ф. Ванга [137].

В то же время теория помехоустойчивости последовательных систем

передачи дискретных сообщений в каналах с МСИ (в частности, многолучевых радиоканалах) при СДД для случая перемежения символов, а также и для случая отсутствия перемежения символов на передаче в настоящее время разработана недостаточно. Выполненное в диссертационной работе исследование путей реализации и эффективности СДД в стохастических каналах с МСИ как при наличии, так и при отсутствии перемежения символов на передаче при использовании блоковых и свёрточных кодов является очередным шагом в решении актуальной научной проблемы, имеющем важное прикладное значение.

Методы проектирования сетей GSM базируются на рекомендациях GSM 03.30, в которых расчет напряженности поля сигнала в пределах зоны обслуживания ведется с использованием модели М. Хаты [130]. Известны также публикации А. Акеямы [118], У. Ли [72], У. Джейкса [99], У. Окумуры [136], Н.И. Бардина и Н.Д. Дымовича [9], Д.М. Ликонцева [73] и других исследователей, в которых рассматриваются особенности распространения радиоволн диапазонов ОВЧ и УВЧ в условиях крупного города. В России за последние годы принят ряд новых государственных нормативных документов, регламентирующих проведение электромагнитной экспертизы излучающих объектов (в том числе ССС). К их числу относятся ГН 2.1.8./2.2.4.019-94 [20]; СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96 [116], МУК 4.3.046-96 [87]; МУК 4.3.043-96 [89]; СанПиН 2.2.2.542-96 [22] Госкомсанэпиднадзора России; ГОСТ Р 50829-95 [29] Госкомстандарта России и др. Технической стороне обеспечения экологической безопасности радиосредств различного назначения, в том числе ССС, посвящены работы О.Н. Маслова [77, 78], А.Л. Бузова, В.А. Романова [7], Ю.М. Сподобаева, В.П. Кубанова [89], Ю.И. Кольчугина [66].

Однако в литературе практически нет сведений, подтверждающих соответствие реальных характеристик ЭМИ, создаваемых ССС разных стандартов, их расчетным значениям. Нуждается в постоянном обновлении и нормативная база для экспертизы ССС по фактору ЭМИ. Не решена проблема

разработки и реализации системы обеспечения безопасности по фактору ЭМИ комплекса технических средств ССС как единого целого: от стационарного и мобильного оборудования до радиорелейной аппаратуры и ЭВМ. Изложенное позволяет считать тематику диссертационной работы в данной части также весьма актуальной, представляющей как теоретический, так и практический интерес.

Научные результаты, связанные с разработкой СДД для сотовых цифровых систем радиосвязи в стандарте GSM внедрены в АО «МОБИКОМ», г. Самара. Организационно-технические решения и выводы, изложенные в диссертации, апробированы и внедрены при разработке концепции развития ССС ЗАО "Средневолжская Межрегиональная Ассоциация радиотелекоммуникационных систем" (ЗАО "СМАРТС"), которая в настоящее время успешно реализуется в Поволжском регионе России. Кратко рассмотрим основные принципы и положения данной концепции [43].

Этапы развития ССС отражены на рис. В.1. Аналоговые системы указанных на левой части рисунка стандартов и типов: NMT; AMPS; TACS и др. принадлежат первому поколению ССС - они наглядно показали преимущества сотовых систем по сравнению с радиальными (имеющими одну центральную станцию для группы мобильных средств) [67]. Цифровые системы европейского стандарта GSM, американского DAMPS, японского JDC, в совокупности с системами беспроводного радиодоступа к АТС стандарта DECT и спутниковой связи LMSS, принадлежат ко второму поколению ССС, которые и в настоящее время, и на ближайшую перспективу - безусловные лидеры на мировом рынке услуг связи [29]. Перспективные ССС третьего поколения FPLMTS, как это видно из рис. В. 1, включают их в свой состав -наряду с ССС,

TACS

Рис.В.1. Этапы развития ССС

использующими кодовое CDMA и кодово-временное CTDMA разделение каналов с шумоподобными сигналами [17, 39].

Усилия европейских стран по созданию службы универсальной подвижной связи UMTS, как части FPLMTS, иллюстрирует рис. В.2. Как видно из рис. В.2, центральное место здесь занимают системы GSM и DECT (которая является развитием систем бесшнурового телефона CT), совместимые друг с другом. К ним добавляются цифровые сети с интеграцией служб ISDN, включающие телефонную сеть общего пользования PSTN и сети пакетной передачи данных PDN и др., а также сеть персональной связи PCN и европейская система передачи радиосообщений ERMEC. Создание UMTS подразумевает объединение функциональных возможностей всех имеющихся систем с предоставлением пользователю комплекса стандартизированных услуг подвижной связи: телефонии, передачи данных и факса, службы коротких сообщений и т.д. Концепция UMTS реализуется на принципах построения интеллектуальных сетей [15, 18]; разработка всех технических решений по UMTS завершается в 1998 году [30].

Стандарт GSM постоянно "укрепляет" свои позиции на мировом рынке услуг ССС за счет совместимости со стандартами DCS-1800 и PCS-1900, объединения сетей GSM и DECT, взаимодействия с системами спутниковой подвижной радиосвязи Iridium, Globalstar, Inmarsat-P. Сегодня он в наибольшей степени приближен к требованиям UMTS и FPLMTS, хотя уже прогнозируется проблема дефицита емкости ССС в густонаселенных районах [68, 91]. Предполагаются следующие способы увеличения емкости сетей стандарта GSM на ближайшее время:

- уменьшение размеров сот с переходом на микросотовую структуру, как наиболее простое, но, по-видимому, достаточно дорогое технико-экономическое решение;

Рис.В.2. Концепция развития ССС при создании UMTS

- внедрение полу скоростных речевых каналов, что связано с применением в абонентских терминалах устройств преобразования аналоговых сигналов в цифровые на тактовых частотах в два раза ниже существующих (число каналов без увеличения полосы частот возрастает почти вдвое, внедрение полускоростных каналов планируется в текущем году);

- использование расширенного диапазона выделенных радиочастот E-GSM с дополнительной полосой 2x10 МГц к уже имеющемуся диапазону 2 х 25 МГц (если дополнительные частоты не используются другими радиосредствами);

- применение шестисекторных сот взамен трехсекторных (для более эффективных схем повторного использования радиочастот) путем использования направленных антенн БС; применение адаптивных антенных решеток;

- совместное развитие и интеграция сетей GSM и DCS-1800 при совмещении

t

их диапазонов частот, использование двухдиапазонных абонентских терминалов, обеспечении функций общего управления и "эстафетной передачи" (handover): при 50% объедин