Ключові фактори погіршення поширення сигналу
Журнал "ІКС" № 01-02 2010 стор. 82
Для технології LTE настає час вирішення практичних питань, зокрема тестування абонентських терміналів. радіосередовище і як при цьому доведеться відтворювати та які основні параметри потрібно при цьому враховувати?
Робота LTE-приймача залежить від різних факторів: конкретного частотного діапазону, багатопроменевих затримок, доплерівських зрушень частоти, реалізації технології множинного прийому/передачі (MIMO) тощо. Щоб під час тестування приймача охопити всі ці чинники, знадобилося б відтворити дуже багато складних умов. Проте радіоспецифікації LTE визначають скорочений специфічний набір умов для поширення сигналу, який має використовуватися при тестуванні.
Причини погіршення сигналу
У реальному середовищі такі об'єкти, як гори, будівлі та машини, відображають, заломлюють або не пропускають радіосигнали, що передаються. Ці об'єкти можуть розташовуватися на відстані від передавача – одні ближче, інші далі. Внаслідок цього безліч копій сигналу досягають антени приймача за час. У таких копій, що запізнюються, різні фазові співвідношення, які при прийомі дають як позитивний, так і негативний ефект. Незначні відхилення у фазових співвідношеннях викликають пішоходи та машини. Якщо абонентський термінал переміщається, зміна фази збільшується зі зростанням його швидкості.
Експерименти показують коливання рівня сигналу вище або нижче його номіналу; іноді він знижується до дуже низьких, майже нульових значень.
Під час руху передавача чи приймача проявляється інший ефект – доплерівський зсув частоти. Оскільки копії сигналу, що запізнюються,надходять на приймач з різних щодо вектора руху напрямків, частоти деяких з них зсуваються - одні вище, інші нижче за реальну частоту сигналу. Цей ефект викликає особливі складнощі в OFDM-системах, оскільки для усунення інтерференції внутрішніх піднесучих не можна використовувати простий зсув частоти.
У міру збільшення кількості шляхів поширення сигналу зростає і кількість накладень його копій із різними синхронізацією, амплітудою, частотою та фазою. В результаті сигнал стає стохастичним (недетермінованим) з релеївським розподілом. Як відомо, релеївський розподіл точно відображає коливання амплітуди та зміни частоти (називаються ще доплерівським розширенням), характерні для міської забудови. Саме такі умови багатопроменевого поширення сигналу використовують у специфікаціях вимог до роботи LTE-приймача.
Основні втрати в каналі, що залежать від поширення сигналу
Умови поширення характеризуються трьома факторами: профілем багатопроменевої затримки, доплерівським розширенням і, у разі застосування кількох антен, - набором корелюючих матриць, що задають співвідношення для передаючої та приймальної антен.
Профіль затримки визначає кількість шляхів поширення, саму затримку та ослаблення сигналу. Крім того, за цим профілем можна обчислити середньоквадратичне відхилення (розкид) затримки. Для технології LTE вибрано три профілю: для пішохода (табл. 1), мобільного користувача в автомобілі та для типової міської забудови (табл. 2).
Таблиця 1. Розширена модель пішохода (ЕРА)
| Затримка за рахунок відхилення від траси | Відповідна потужність у дБ |
| 0 | 0,0 |
| 30 | -1,0 |
| 70 | -2,0 |
| 90 | -3,0 |
| 110 | -8,0 |
| 190 | -17,2 |
| 410 | -20,8 |
Таблиця 2. Профілі затримки для технології LTE
| Модель | Кількість шляхів у каналі | Розкид затримки, нс | Максимальна затримка по траєкторії, нс |
| Розширена А-модель пішохода (ЕРА) | 7 | 45 | 410 |
| Розширена А-модель під час руху під час руху в автомобілі (EVA) | 9 | 367 | 2510 |
| Розширена модель для типової міської забудови (ETU) | 9 | 991 | 5000 |
Ще один параметр - максимальна величина доплерівського зсуву частоти. Для LTE-мереж зазвичай застосовуються три значення: 5 Гц, 70 Гц і 300 Гц – для низько-, середньо- та високошвидкісних об'єктів. При роботі в діапазоні 2 ГГц ці частоти відповідають наступним швидкостям руху користувача терміналу: 2,7 км/год, 38,4 км/год та 162 км/год. Вимоги до роботи приймача формуються з урахуванням комбінації цих зсувів доплерівських частоти з профілями затримки. І хоча існують три профілю та три доплерівські зсуви частоти, з можливих поєднань використовуються лише п'ять (табл. 3). Профіль пішохода як низькошвидкісного об'єкта визначено лише для частоти 5 Гц; профіль користувача в автомобілі – для 5 та 70 Гц, а типовий профіль для міста не включає частоту 5 Гц.
Для високошвидкісних поїздів прийнято додатковий профіль затримки. У ньому враховуються і швидкість поїзда, і відстані між базовими станціями, які перебувають у певному віддаленні залізниці. В результаті вийшов доплерівський зсув із профілем прямокутної хвилі.
Доплерівське розширення. Методи, якими специфікуються умови поширення сигналу, для мереж LTE та UMTS суттєво різняться. У мережах UMTS профілі затримки задано для різних швидкостей користувача з терміналом. Це означає, що у кожному частотному діапазоні термінал необхідно тестувати з різними наборами доплерівських частот. На зорі розвитку UMTS, коли для цієї технології було визначено лише один частотний діапазон, така методика перевірки відповідності вимогам не викликала проблем.
Однак для технології LTE сьогодні визначено вже 25 частотних діапазонів (23 – 3GPP та два – ETSI), що створює величезний обсяг тестових конфігурацій. Щоб зменшити його, було вирішено закріпити значення доплерівських частот для профілів EPA, EVA, ETU і HST (High Speed Train) і застосовувати їх для мереж LTE всіх частотних діапазонів. В результаті ефективна швидкість користувача з терміналом стала функцією тестової частоти, а для високошвидкісного поїзда змінною стала відстань між базовими станціями. Цей підхід не такий суворий, як у випадку з фіксованим набором швидкостей для UMTS, проте очікується, що закріплення доплерівських частот забезпечить достатній набір тестів, і виграш за рахунок їх значного спрощення.
Наприклад, коливання амплітуди сигналу протягом однієї секунди для шляху з релеєвським завмиранням при доплерівському розширенні в 10 Гц (5,4 км/год, діапазон 2 ГГц) в основному не переходять межі в 10 дБ, хоча видно і глибші завмирання (мал. 1).
Проблеми, які викликають прийому релеевские завмирання, наочно ілюструє констеляційна діаграма сигналу з модуляцією QPSK (рис. 2), хоча він є ні LTE-сигналом з модуляцією кількох несучих OFDMA, ні широкосмуговим сигналом з SC-FDMA-модуляцией.Діаграма однозначно показує необхідність належних перевірок приймача за умов поширення. Видно, що траєкторія ансамблю змінюється і амплітудою, і фазою, як і очікувалося для релеївського завмирання. Важливо, що з більш глибоких завмирання ансамбль наближається до вихідного і доплерівське розширення змушує траєкторію переміщатися з одного квадранта до іншого.
У разі поширення сигналу, визначених технології LTE, може бути задіяно до дев'яти шляхів, що створює набагато складнішу ситуацію, ніж представлена на рис. 1 та 2.
Кореляція антен. Третя складова умов поширення – матриці антенних співвідношень. Радіосистеми з двома передаючими та двома приймаючими антенами мають чотири канали поширення. Отже, для правильної емуляції каналу знадобиться чотири окремі емулятори замирань.
При тестуванні LTE-приймачів необхідно відтворювати умови багатопроменевого розповсюдження, головними складовими яких є багатопроменеві профілі затримки, доплерівське розширення та для багатоантенних систем – набір корелюючих матриць для антен приймача та передавача (при цьому потрібно кілька емуляторів завмирань). Це складне завдання ускладнюється тим, що з технології LTE визначено 25 діапазонів частот. Щоб полегшити тягар виконання безлічі складних тестів для всіх можливих умов, у специфікаціях LTE прийнято елегантне практичне рішення, яке забезпечує досконалу перевірку роботи приймача.