Например, Бобцов

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА КАНАЛА СВЯЗИ. ТЕХНОЛОГИЯ WCDMA

12 Д. В. Крутин, М. А. Кисляков, С. Г. Мосин
УДК 621.376.9

Д. В. КРУТИН, М. А. КИСЛЯКОВ, С. Г. МОСИН
МЕТОДЫ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА КАНАЛА СВЯЗИ. ТЕХНОЛОГИЯ WCDMA

При функционировании систем сотовой связи, использующих кодовое разделение каналов, необходимо контролировать мощность абонентского терминала путем оценки отношения сигнал—шум (ОСШ). Предложены методы определения ОСШ с использованием технологии WCDMA.

Ключевые слова: WCDMA, кодовое разделение каналов, ОСШ.

Поскольку современное общество все больше нуждается в передаче больших объемов

информации, разработка и исследование алгоритмов приема и обработки сигналов в много-

канальных системах мобильной цифровой связи весьма актуальны. В наши дни основная на-

грузка по передаче информации приходится на системы связи третьего поколения, среди ко-

торых наибольшее распространение в Европе и России получила технология WCDMA.

WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) — одна из технологий многостан-

ционного доступа, которая использует кодовое разделение каналов и обеспечивает высокую

скорость передачи данных. В качестве основного типа модуляции используется QPSK (Quadra-

ture Phase Shift Keying). В таких системах для разделения сигналов применяют скремблирую-

щие коды, уникальные для каждого абонентского терминала. В качестве таких кодов исполь-

зуют коды Голда благодаря хорошим авто- и взаимокорреляционным свойствам [1, 2].

В системах связи с кодовым разделением каналов полоса частот используется одновре-

менно несколькими абонентами. Поэтому для каждого абонента сигналы других пользовате-

лей сети являются помехой, которая может ухудшить качество связи. В случае, когда базовая

станция (БС) одновременно работает с несколькими абонентскими терминалами (АТ), мощ-

ность сигнала от АТ, расположенных вблизи, значительно выше, чем у находящихся на зна-

чительном удалении. Таким образом, качество канала связи между БС и удаленным АТ резко

ухудшается при появлении АТ в ближней зоне. Поэтому возможность точного и быстрого

управления мощностью является одним из наиболее важных аспектов функционирования

систем связи стандарта WCDMA.

Для решения этой проблемы в технологии WCDMA применяется быстрое управление

мощностью по замкнутому контуру. Критерием оценки в этом случае является отношение

сигнал—шум (ОСШ).

В радиоинтерфейсе WCDMA используют фреймы длительностью 10 мс, состоящие из

15 слотов, в каждом из которых в специальных полях (TPC) передают команды управления

мощностью. На рис. 1, a представлена структура слота восходящего канала управления;

б — нисходящего [3].

а) Пилот

TFCI FBI TPC

Тслота = 2560 чипов, 10 бит

б) Инф. биты 1

TPC TFCI Инф. биты 2 Пилот

Рис. 1
Если измеренное ОСШ выше необходимого, то базовая станция посылает команду АТ понизить мощность, в противном случае — повысить. Такие измерения производятся 1500

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 8

Методы оценки качества канала связи. Технология WCDMA

13

раз в секунду (1,5 кГц) для каждого АТ, т.е. чаще, чем могут возникать изменения в канале связи. Таким образом, управление мощностью по замкнутому контуру позволяет предотвратить какой-либо ее дисбаланс для всех восходящих каналов, принимаемых БС. Иными словами, целью контроля мощности является достижение минимального уровня ОСШ, достаточного для обеспечения качественного приема сигнала.
Для регулировки мощности используются две вложенные петли управления (рис. 2). Внутренняя (быстрая) петля управления мощностью оценивает ОСШ восходящего канала и сравнивает полученное значение с целевым параметром. На основе результатов сравнения по нисходящему каналу передаются команды управления мощностью для АТ. Целевое значение ОСШ устанавливается внешней (медленной) петлей управления мощностью на основе измерений уровня блоковой ошибки BLER (Block Error Rate), проводимых с частотой 10—100 Гц [2].

Целевой BLER

Оценка
целевого ОСШ

Управление мощностью

Радиоканал

Приемник
Оценка Оценка ОСШ BLER

Внутренняя петля

Внешняя петля

Рис. 2

Для повышения скорости передачи в восходящем канале также применяется модуляция

более высокого порядка (4PAM), которая требует точной оценки мощности принимаемого

сигнала. Неточная оценка ОСШ негативно влияет на работу петли контроля мощности между

БС и АТ, что, в свою очередь, снижает возможности увеличения скорости передачи данных в

восходящем канале. В настоящей работе представлено несколько методов оценки ОСШ,

обеспечивающих достаточно высокую точность.

В большинстве случаев оценку отношения сигнал—шум удобно проводить на основе

специальных последовательностей символов пилот-канала, применяемых для фазовой и час-

тотной подстройки. В зависимости от формата в слоте может передаваться от трех до восьми

символов [3]. Поскольку сигнал управления передается в квадратурной составляющей, то по-

следовательность извлеченных символов определяется следующим выражением:

∑si

=

1 SF

SF
[Im(Sn )c256,k,n ] ,
n=1

(1)

где Sn — демодулированные символы, SF (Spreading Factor) — коэффициент расширения

спектра, а c256,k,n — последовательность, используемая для расширения спектра [4]. Далее

вычисляются значения параметров RSCP и ISCP:

∑RSCPi

=

1 N

N
(sn pn )2
n=1

,

(2)

∑ISCPi

=

1 N

⎛ ⎜⎜⎝

N n=1

sn

pn

⎞2 ⎟⎟⎠

,

(3)

где N — число символов пилот-канала в одном фрейме; pn — детерминированная последова-

тельность пилотных символов, определенная в работе [3].

Тогда ОСШ определяется по формуле:

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 8

14 Д. В. Крутин, М. А. Кисляков, С. Г. Мосин

ОСШi

=

RSCPi RSCPi − ISCPi

.

(4)

Для обеспечения большей точности оценки также можно проводить усреднение ОСШ

на нескольких фреймах, тогда итоговое значение вычисляется по формуле

где A — окно усреднения.

∑ОСШ

=

1 A

A
ОСШi
i=1

,

(5)

Проведенные исследования показали, что при частоте расчета 100 Гц погрешность

оценки ОСШ не превышает 1 дБ, в то же время при использовании усреднения на нескольких

фреймах точность значительно увеличивается. Однако в отдельных случаях данный подход

не может применяться. Например, в канале случайного доступа (Random Access Channel,

RACH) при установлении сеанса связи между АТ и БС необходима достаточно быстрая оцен-

ка параметров сигнала. Ниже приведен алгоритм расчета ОСШ, используемый при детекти-

ровании преамбулы в канале RACH.

На первом шаге вычисляется общая мощность принятого сигнала:

∑RTWP

=

1 N

⎛ ⎝⎜⎜

N n=1

In2

+

Qn2

⎞ ⎟⎟⎠

,

(6)

где In , Qn — синфазная и квадратурная составляющие сигнала, N — окно корреляции. Сигнал на выходе корреляционного детектора, используемого для детектирования пре-

амбул, определяется как

∑zi

=

1 N

⎛ ⎜⎝⎜

N n=1

Si

pi*+n

⎞ ⎠⎟⎟

,

(7)

где pi — эталонный сигнал нормированной амплитуды. При наличии преамбулы в слоте доступа на выходе детектора фиксируется ярко выра-

женный корреляционный отклик. Энергию полезного сигнала и мощность шума можно опре-

делить по выражениям:

ei = max ( zi ) ,

(8)

ni = RTWP − ei . В этом случае ОСШ определяется по формуле:

(9)

ОСШ

=

ei ni

.

(10)

Данный метод также позволяет с высокой точностью определять ОСШ в широком диа-

пазоне значений. При интервале оценки в 500 мкс погрешность не превышает 1,5 дБ.

Основным достоинством представленных методов оценки ОСШ по сравнению с анало-

гичными решениями является высокая точность оценки и экономия ресурсов при практиче-

ской реализации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Tanner R., Woodard J. WCDMA – Requirements and Practical Design. NY: JohnWiley&Sons Ltd, 2004. 447 p.
2. Holma H., Toskala A. WCDMA for UMTS. Radio Access for Third Generation Mobile Communications. NY: JohnWiley&Sons Ltd, 2004. 481 p.
3. 3GPP TS 25.211. Physical channels and mapping of transport channels onto physical channels (FDD). 2010.
4. 3GPP TS 25.213. Spreading and modulation (FDD). 2010.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 8

Проектирование беспроводных сенсорных сетей

15

Денис Викторович Крутин Максим Андреевич Кисляков Сергей Геннадьевич Мосин

Сведения об авторах — Владимирский государственный университет им. А. Г. и Н. Г. Столето-
вых, кафедра вычислительной техники; инженер; E-mail: krutin.denis@gmail.com — Владимирский государственный университет им. А. Г. и Н. Г. Столетовых, кафедра вычислительной техники; младший научный сотрудник; E-mail: kislyakov.maxim@gmail.com — канд. техн. наук, доцент; Владимирский государственный университет им. А. Г. и Н. Г. Столетовых, кафедра вычислительной техники; E-mail: smosin@vlsu.ru

Рекомендована ВлГУ

Поступила в редакцию 17.04.12 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 8