Адаптивный метод РЧ DSP для повышения спектральной эффективности беспроводных сетей

По мере того как нехватка частотного спектра становится более ощутимой, необходимость его бережного использования растет. В этих условиях необходимо поддержать высокий уровень спектральной эффективности во всем частотном диапазоне, выделенном для наземных беспроводных служб. В статье рассматривается метод цифровой обработки РЧ-сигналов (РЧ DSP), эффективно применяемый в непредсказуемой помеховой обстановке.

Построение корпоративной сети передачи данных

Частотный диапазон определяет все

Бурный рост беспроводных служб передачи данных снова преобразует индустрию, привыкшую к переменам. За быстрым увеличением трафика в 2000- е гг., связанным, главным образом, с добавлением голосовых услуг, последовало еще большее увеличение трафика, вызванное появлением рынка смартфонов.
Успех операторов беспроводной связи в настоящее время в большей мере стал определяться стратегией расширения спектра. Дискуссии на эту тему, как правило, ведутся вокруг освоения новых полос частот для наземных беспроводных служб, но следует обратить внимание на то, что вопрос не только в расширении существующего диапазона частот, но и в максимальном увеличении спектральной эффективности. Чтобы соответствовать растущей потребности в службах данных, операторы должны повысить способность сети работать в заданном диапазоне частот, а также максимально увеличить ее пропускную способность на единицу площади покрытия (спектральная эффективность зоны, как правило, измеряется в единицах Кбит/с/Гц/км2).
Беспроводные радиоинтерфейсы 3G и 4G значительно увеличили спектральную эффективность сетей до такой степени, что в идеальном случае пропускная способность канала в технологии LTE превышает 80%. Однако даже у тщательно разработанных схем модуляции характеристики ухудшаются из-за помех. Многие пользователи мобильных сервисов не понаслышке знают о той большой разнице, которая существует между реальными и идеальными параметрами связи. Во многих случаях эта разница обусловлена наличием помех.
Помехи возникают, например, в следующих случаях:
- при внутриканальных передачах данных в приграничных областях;
- генерация гармоник неисправными РЧ-усилителями или беспроводными усилителями, работающими на низких частотах;
- возникновение пассивной интермодуляции из-за нелинейных материалов в ближней зоне антенны;
- генерация гармоник неисправными двунаправленными беспроводными усилителями;
- работа ретрансляторов с недостаточной изолированной внутренней опорной частотой или усилителей мощности с плохими характеристиками;
- работа электронного оборудования в ближней зоне системы сбора данных;
- наличие соседнего канала восходящей линии связи конкурирующей компании;
- возникновение интермодуляционных составляющих из-за перекрестных помех приемопередатчиков и т.д.
В результате этих помех ухудшается спектральная эффективность канала.

Управление помехами

Хотя технологии радиодоступа за последние 10 лет существенно усовершенствовались, основные методы подавления помех остались теми же, что и в 1950-х гг.: при ухудшении связи (о чем часто первыми сообщают пользователи) группа технических специалистов выезжает на место, чтобы определить источник помех путем триангуляции и, если это возможно, отключить его. Этот очень трудоемкий и медленный процесс, в течение которого пользователи продолжают испытывать неудобства из-за плохой связи. На то, чтобы полностью устранить помехи, зачастую требуется несколько месяцев, если не больше. Хуже то, что менее серьезные проблемы часто не поддаются анализу, что приводит к ухудшению совокупной спектральной эффективности сети. Примечательно, что помехи, приводящие к увеличению шума в ненагруженной сети всего на 3 дБ, могут привести к снижению спектральной эффективности зоны на 25%.
К счастью, успехи в области цифровой обработки РЧ-сигнала (РЧ DSP) позволяют реализовать более устойчивую к помехам беспроводную связь. Мониторинг РЧ-сигнала на наличие спектральных искажений, несовместимых с ожидаемым сигналом, а также настройка канала в реальном времени для компенсации обнаруженных помех позволяют свести к минимуму эти искажения. На рисунке 1 показан типовой узел интеграции для внешнего блока РЧ DSP. Из рисунка видно, что РЧ DSP можно рассматривать как дополнение к собственно радиотракту Rx, что позволяет настраивать связь в соответствии с текущим состоянием среды.

Рис. 1. «Умный» РЧ-тракт

Принцип метода РЧ DSP

Поскольку источники помех могут быть произвольными, у них разные спектральные характеристики. Однако если известна основная спектральная характеристика радиосвязи, отклонения от ожидаемой спектральной плотности мощности являются помехами, которые обнаруживаются с помощью статистических методов. Таким образом, адаптивная система состоит из двух подсистем — блока обнаружения, который выполняет требуемый статистический анализ в реальном времени, и блока обработки сигнала, который изменяет АЧХ системы на основе расчетов первого блока.
Упрощенная структурная схема двухканального РЧ DSP показана на рисунке 2. Радиочастотный сигнал оцифровывается с помощью АЦП, динамический диапазон которого позволяет обрабатывать малые сигналы (в случае, когда помехи отсутствуют), а также помехи большой амплитуды. Алгоритмы обнаружения непрерывно используются для контроля характеристик входного РЧ-сигнала на наличие помехи. При ее обнаружении система регулирует АЧХ таким образом, чтобы обеспечить оптимальное отношение сигнал/шум на выходе, исходя из предположения, что на ее входе присутствует мгновенный сигнал помехи и шума. Этот оптимизированный цифровой вариант входного сигнала преобразуется в аналоговую форму и отправляется на приемопередатчик. Данный процесс, включая фильтрацию внутри и вне полосы пропускания, отведенной радиоинтерфейсу приемника, по сути, формирует частотный диапазон до демодуляции.

Рис. 2. Упрощенная блок-схема РЧ DSP

РЧ DSP в действии

Пример приложения с адаптивным блоком РЧ DSP приведен на рисунке  3. Из него видно три единичных GSM-посылки, которые поступили в соседний восходящий канал стандарта UMTS. Так часто случается на международных границах при передаче сигналов станциями мобильной связи. В данном случае оператор должен предусмотреть методы подавления помех при создании UMTS-сетей, спектр которых прежде использовался GSM-сетями.

Рис. 3. Обнаружение и ослабление единичных GSM-посылок со скачкообразной перестройкой частоты

Обнаружение помех от GSM-сетей адаптивным методом РЧ DSP является одной из наиболее сложных задач, т.к. из-за гибридной структуры TDMA/FDMA радиоинтерфейса сигнал становится в высокой степени динамичным как в частотной, так и во временной области. Сигнал GSM необходимо обнаружить и ослабить за время, которое короче его продолжительности в 577 мкс. Следует также уменьшить мощность этого сигнала в полосе модуляции 200 кГц и, как правило, одновременно обнаружить несколько источников, работающих на разных частотах. В рассматриваемом примере каждый из трех независимых сигнала ослаблен примерно на 20 дБ. Этот результат достигается с помощью одного метода РЧ DSP. При этом не требуется синхронизация с мешающей GSM-сетью.
В данном примере выигрыш в спектральной эффективности оценить проще всего, сравнив энергетический потенциал канала мешающей станции мобильной GSM-связи и канала с помехами. Как видно из рисунка 4, в смешанной городской среде сети UMTS и GSM, работающие в одной полосе частот, должны находиться на расстоянии 23 км, чтобы GSM-сигналы, попавшие с узел сети UMTS, были ниже уровня теплового шума. Дополнительный запас в 20 дБ, обеспечиваемый методом РЧ DSP, позволяет сетям находиться всего лишь в 6 км друг от друга при тех же ограничениях. Возможность размещать сети UMTS в такой близости от сетей GSM в тех местностях, где этот спектр в ином случае был бы незадействован, свидетельствует о громадном увеличении спектральной эффективности — в данном случае на 50%.
Метод РЧ DSP также используются для повышения селективности соседних каналов (ССК). В изображенном на рисунке 5 случае режекторный фильтр с высокой чувствительностью настроен таким образом, чтобы обеспечить дополнительную развязку по GSM-каналам, работающих с очень малыми сдвигами частоты относительно несущих частот UMTS. Поскольку эти фильтры настраиваются программно, их частоты и полосы пропускания задаются таким образом, чтобы соответствовать частотам каналов и огибающим модулированного сигнала, соответственно, GSM-сигналов соседнего канала. Таким образом оптимизируется ССК для данного конкретного приложения.

Рис. 4. Спектральная эффективность увеличивается при использовании РЧ DSP в сценарии попадания GSM-сигналов в канал UMTS. При этом допустимое расстояние между станциями уменьшается на 75%

Рис. 5. Ослабление GSM-помех в соседнем канале с помощью РЧ DSP позволяет GSM-станции работать при меньшем отклонении частоты от UMTS

Данный метод позволяет использовать спектр сети GSM в сетях UMTS, сведя к минимуму воздействие на оставшиеся сети 2G. Эффективность фильтрации с помощью РЧ DSP такова, что значение коэффициента ACIR (Adjacent Channel Interference Ratio — отношение требуемой мощности канала к мощности помех от соседних каналов) сопоставимо с тем случаем, когда ближайший соседний канал совсем незадействован. Это обстоятельство позволяет UMTS-сети работать в присутствии GSM-сигналов с малым отклонением частоты, которые не влияют на ее пропускную способность. Очевидно, что использование радиоканалов, которые в ином случае были бы недоступны, — еще одно явное свидетельство повышения спектральной эффективности за счет использования РЧ DSP для управления спектром.

Управление  частотным диапазоном

Данные о настройке АЧХ РЧ DSP в зависимости от обнаруженной помехи можно сохранить, создав репозиторий информации о помеховой обстановке. Эти данные можно загрузить и затем обработать, чтобы предоставить службе эксплуатации дополнительные сведения о РЧ-среде, в которой работает сеть. Кроме того, эти данные можно использовать для совершенствования традиционных методов отслеживания помех.
На рисунке 6 приведен пример таких данных. На спектрограмме время возникновения помехи отображается в зависимости от частоты, а шкала мощности источника помех находится справа. Эта спектрограмма позволяет наглядно увидеть помеховую обстановку за некоторый интервал времени. Кроме того, спектрограмма четко показывает преимущества адаптации радиосигнала к изменяющемуся состоянию канала. Осведомленность о состоянии РЧ-канала всей сети позволяет обеспечить спектр высокого качества.

Рис. 6. На спектрограмме помех, созданной на основе данных от адаптивной системы РЧ DSP, видно, как изменяется мощность и частота мешающих сигналов

Литература

1. Sean Cordone. Self-adaptive RF digital signal processing enables wireless network spectral efficiency//www.eetimes.com.

Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.