МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ ПЕРЕДАВАННЯ МУЛЬТИМЕДІЙНОЇ ІНФОРМАЦІЇ У СИСТЕМІ МОБІЛЬНОГО ЗВ’ЯЗКУ ТРЕТЬОГО ПОКОЛІННЯ ЗАСОБАМИ ІМІТАЦІЙНОЇ МОДЕЛІ MATLAB

 

Лазебний А.В., Попович О.Ю.

 

Источник: Проблеми інформатизації та управління, 3(27)’2009, стр. 104-109

 

Розглянуто структуру імітаційної моделі MATLAB лінії зв’язку між базовою станцією та абонентом для системи мобільного зв’язку третього покоління. Проаналізовано особливості застосування зазначеної моделі. Отримано результати моделювання процесу передавання мультимедійної інформації для різних умов розповсюдження сигналу в радіоканалі з урахуванням мобільності абонента

Вступ

Зростання попиту на інформаційні послуги, що базуються на передаванні мультимедійної інформації спонукали міжнародний телекомунікаційний союз (ITU) до розробки сімейства стандартів для системи мобільного зв’язку третього покоління 3G (3rd Generation). У результаті спільної роботи вчених та виробників телекомунікаційного обладнання було створено стандарт Універсальної системи мобільного зв’язку UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). У цій системі застосовано метод багатостанційного доступу з кодовим розділенням каналів – широкосмуговий CDMA (WCDMA).

Однією з корисних властивостей розро- бленого стандарту є можливість інтегрувати нову систему з уже існуючими мережами другого покоління, що може забезпечити мо- жливість швидкого й успішного її впрова- дження. З метою забезпечити більш ефектив- не використання частотних ресурсів у системі 3G передбачено можливість роздільно пере- давати сигнальні потоки різного типу: мов- ний, цифрові дані, відео тощо.

UMTS походить від існуючого стандар- ту GSM, але надає можливість широкосмуго- вого транспортування інформації, використо- вуючи протоколи високошвидкісного при- ймання пакетних даних HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) та високошвидкісно- го пакетного передавання даних HSUPA (High Speed Uplink Packet Access).

На відміну від GSM, абонентський термінал мережі UMTS має можливість одночасно приймати сигнали від кількох базових станцій без розриву з’єднання (м’який хендовер). Дану процедуру було застосовано для поліпшення якості при- йому у випадку багатопроменевого по- ширення радіохвиль.

Надійність стільникового зв’язку та якість передавання інформації залежать від низки об’єктивних факторів, серед яких характеристика місцевості (пересі- ченість, забудова), погодні умови, заван- таженість мережі та електромагнітна об- становка. Абонент не може бути впевне- ним, що зв'язок буде надано якісно та в будь-яке місце і час. Крім того, швидкість та якість передавання даних у разі вико- ристання технології WCDMA залежить від швидкості пересування абонента в межах мережі [1].

Проблемою, що потребує вирішення та постійної уваги є залежність від зазна- чених факторів, через що не завжди мож- на забезпечити високий рівень якості пе- редавання інформації. Щоб досягти висо- кого рівня якості функціонування муль- тимедійної стільникової мережі необхідно здійснити ретельне планування мережі та здійснювати її адаптацію до нових умов, що виникають у процесі експлуатації. З метою забезпечити високий рівень якості послуг мобільного зв’язку, крім постійно- го моніторингу параметрів реальної системи, провідні оператори активно засто- совують методи математичного та комп’ютерного моделювання [2].

Метою даної статті є розглянути особливості імітаційної моделі запропо- нованої у програмному комплексі Matlab для оцінки характеристик системи мобі- льного зв’язку третього покоління, побу- дованої за стандартом наземного радіодо- ступу UMTS – UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access) та з’ясувати вплив власти- востей середовища і характеристик мобі- льного приймача на якість прийнятих по- відомлень в разі використання обладнан- ня 3G WCDMA. Основний акцент зробле- но на оцінку якості передавання мульти- медійної інформації.

Опис імітаційної моделі

У системах мобільного зв’язку про- цес передавання сигналів пов’язаний з обробкою та перетворенням цих сигналів кількома функціональними блоками на передавальній та приймальній стороні. Істотну роль у процесі передавання віді- грає також середовище розповсюдження радіохвиль, параметри якого можуть змі- нюватись під впливом природних та шту- чних факторів. Імітаційна модель за до- помогою якої можна досліджувати процес функціонування реальної мережі має мак- симально точно враховувати вплив кож- ного чинника, що існує у реальній мережі. Застосування такої моделі дозволить про- гнозувати як надійність та якість зв’язку, так і якість надання інформаційних по- слуг.

Об’єктом дослідження, результати якого наведено у даній статті є модель системи модуляції з розширенням спект- ру у виділеному фізичному каналі DPCH WCDMA на ліні від базової станції до абонента. Зокрема досліджено модель «WCDMA Spreading and Modulation – 3GPP WCDMA FDD (Rel 99) DownLink DPCH», що відноситься до класу моделей для імітування фізичних процесів у реа- льних системах. Модель розроблено від- повідно до стандарту UTRA. Спрощену структурну схему даної моделі наведено на рис. 1.

Модель містить окремі модулі, ко- жен з яких є моделлю блоку, функціона- льного вузла або середовища розповсю- дження. Для кожного модуля залежно від призначення передбачено можливість змінювати параметри або алгоритм обро- бки сигнального потоку. У разі необхід- ності проаналізувати можливість застосу- вання інших способів модуляції, фільтру- вання або кодування інформаційних по- токів (відмінних від тих, що передбачено чинним стандартом) набір моделей окре- мих процесів можна доповнити відповід- ними моделями власної розробки.

Базова модель каналу передавання сис- теми мобільного зв’язку третього покоління містить такі складові:модель формувача тес- тового сигналу DPCH, що є генератором ви- падкової сигнальної послідовності з біноміа- льним розподілом Бернуллі;


- модель блоку QPSK-модулятора;
- модель блоку розширення спект- ру шляхом використання ортогонального OVSF-коду зі змінним коефіцієнтом;
- модель блоку скремблювання із застосуванням комплексної послідовності Голда (у якому відбувається множення розширеного канальними кодами тесто- вого сигналу на сигнал скремблювального коду);
- модель блоку фільтрування сиг- налу на виході передавача базової станції з АЧХ у вигляді кореня квадратного від припіднятого косинусу з коефіцієнтом згладжування ?=0,22;
- модель середовища розповсю- дження з адитивним Гаусовим шумом (AWGN) та можливістю імітації умов ба- гатопроменевого розповсюдження з Реле- євським розподілом завмирань;
- модель блоку вхідного фільтру абонентського приймача з АЧХ оберне- ною до вихідного фільтра передавача ба- зової станції для попереднього віднов- лення амплітуди модульованого сигналу;
- модель Rake-приймача, яка ком- пенсує вплив багатопроменевого поши- рення сигналів у каналі передавання, здійснює дешифрування та відновлення початкового спектру прийнятого сигналу;
- модель блоку демодулятора QPSK сигналів;
- вимірювач частоти появи бітових помилок прийнятих даних у порівнянні з переданими даними.
Рис.1

Вибір умов функціонування абонентської лінії та налаштування імітаційної моделі

У стандарті [3] зазначені вимоги до параметрів приймача абонентського тер- міналу та структура тестового сигналу стандарту UMTS, а також параметри фі- зичного каналу WCDMA на лінії «вниз», за яких можна буде забезпечити гаранто- вану якість зв’язку.

Виходячи із вимог стандарту, осно- вним інтегральним параметром для оці- нювання якості реалізації аналогової час- тини приймача та функціонування каналу зв’язку в цілому є імовірність приймання помилкового біта інформації – Bit Error Ratio (BER).

Для з’ясування особливостей вико- ристання імітаційної моделі і дослідження функціонування абонентської лінії систе- ми мобільного зв’язку третього покоління розглянуто процес передавання інформа- ції сигналу із відповідними бітовими швидкостями:
- мова, 12,2 кбіт/с;
- дані (доступ до сторінок в мережі Інтернет), 64 кбіт/с;
- дані мультимедіа (якісний пото- ковий звук), 144 кбіт/с;
- високоякісний потоковий звук, передавання відеофайлів невеликого об’єму, або потокове відео з низькою роз- дільною здатністю, 384 кбіт/с. В ході комп’ютерного моделювання зроблено припущення, що цифрова час- тина приймача і канал поширення сигна- лу є ідеальними, і процеси аналого- цифрового перетворення не є джерелом помилок.

Вимірювання імовірності виникнен- ня помилкового біта інформації під час передавання сигналу радіоканалом здійс- нено віртуальним пристроєм для детекту- вання помилок (BER). На один із його входів надходить тестовий сигнал, який пройшов каналом зв’язку та аналоговою частиною приймача, а на інший – опор- ний сигнал виділеного фізичного каналу DPCH безпосередньо з виходу генерато- ра.

Під час моделювання з використан- ням моделі «WCDMA Spreading and Modulation – 3GPP WCDMA FDD (Rel 99) DownLink DPCH» можна змінювати такі параметри моделі:
- умови поширення сигналів (вибір кількості променів, що одночасно надхо- дять на абонентський приймач);
- відношення сигнал/шум у каналі передавання (С/Ш), дБ;
- кількість кореляторів, що акти- вуються у RAKE-приймачі (в залежності від характеристик прийнятого сигналу);
- відносну затримку прийнятих си- гналів, нс;
- швидкість пересування мобільної абонентської станції, км/год.

Для спрощення досліджень, які не- обхідно здійснювати під час планування та контролю функціонування мережі у моделі передбачено кілька (сім) уніфіко- ваних умов функціонування абонентської лінії зв’язку. Ці умови охарактеризовано певним набором параметрів (Профілями):

1. Абонентський термінал нерухо- мий, в каналі діє білий адитивний гаусів шум (Профіль 1), багатопроменевість по- ширення радіохвиль відсутня.
2. Абонентський термінал рухається зі швидкістю пішохода, на приймач над- ходять один прямий та один відбитий си- гнал малої потужності з незначною за- тримкою (Профіль 2).
3. Абонентський термінал рухається зі швидкістю пішохода, на приймач над- ходять один прямий та два потужних від- битих сигнали з різною затримкою (Про- філь 3).
4. Абонентський термінал рухаєть- ся, на приймач надходять один прямий та три відбитих сигнали з різною затримкою та різної потужності (Профіль 4).
5. Абонентський термінал рухається зі швидкістю пішохода, на приймач над- ходять один прямий та один відбитий си- гнал великої потужності з незначною за- тримкою (Профіль 5).
6. Абонентський термінал рухається з середньою швидкістю автомобіля у міс- ті, на приймач надходять один прямий та один відбитий сигнал малої потужності з незначною затримкою (Профіль 6).
7. Абонентський термінал рухається з граничною для системи зв’язку швидкі- стю, на приймач надходять один прямий та три відбитих сигнали з різною затрим- кою та різної потужності (Профіль 7). Параметри моделі для зазначених умов (профілів) наведено в табл. 2.
Табл.2

Результати моделювання

Описану вище модель було викори- стано з метою визначити імовірність по- яви помилкового біта прийнятого сигналу як функції відношення сигнал/шум в ка- налі зв’язку для різних профілів поши- рення радіохвиль за умови передавання різних типів мультимедійної інформації. Обраний діапазон зміни відношення сиг- нал/шум знаходиться у межах 0...20 дБ. Мінімальне значення цього діапазону обумовлює ситуацію, за якої зв'язок не- можливий, а максимальне – за якої якість зв’язку є відповідною рівню суб’єктивної оцінки «відмінно».

За результатами моделювання побу- довано графіки залежностей імовірності появи помилкового біта (BER) як функції відношення сигнал/шум (С/Ш) в каналі передавання інформації (рис. 2–5).

Рис.2
Рис.3-4
Рис.5
Характерною ознакою отриманих графіків є подібність функціональної за- лежності для відповідних профілів поши- рення повідомлень.

Розглянемо детально рис. 3, оскіль- ки він ілюструє випадок з найменшою швидкістю передавання даних.

З графіків видно, що профіль 1 є ілюстрацією ідеального випадку поши- рення сигналів повідомлень, коли багато- променеве поширення відсутнє, тому ну- льова імовірність помилкового біта є ви- правданою.

Найгірші результати отримано для профілів 2, 5 та 6, що відповідають випа- дкам, коли на рухомий або нерухомий приймач надходить один прямий та один відбитий сигнал, в Rake-приймачі засто- совано 2 корелятори.

Найкращі результати отримано для профілів 3, 4 та 7, імовірність появи по- милкового біта для яких є дуже малою (графіки для цих профілів не потрапили у діапазон BER, за якого має місце погір- шення якості зв’язку).

З [4] відомо, що ефективність робо- ти Rake-приймача підвищується зі збіль- шенням кількості застосованих корелято- рів, адже додаткові корелятори краще розділяють багатопроменеві сигнальні компоненти для подальшого їх комбіну- вання. Зазвичай у приймачі мобільного телефону використовують 3-4 корелятори. Тому більш цікавими є результати для профілів 3, 4 та 7.

Відповідно до концепції забезпе- чення якості послуг (QoS) стандарту UMTS [5], імовірність появи помилкового біта не має перевищувати 10-3…10-7. Як- що проаналізувати отримані розрахункові графіки, можна зробити висновок, що ця вимога виконується для будь-яких відно- шень сигнал/шум тільки у випадку пере- давання мови для профілів 1, 3, 4 та 7 (відсутність багатопроменевого поши- рення, на приймач надходять один пря- мий та два або три відбитих сигнали).

У роботі [6] за результатами точ- них формульних обчислень побудовано графік залежності ймовірностей появи прийнятого помилкового біта від відно- шення сигнал/шум (SNR) для модуляції QPSK у випадку, коли мобільний термі- нал є нерухомим, пунктирна крива на рис. 2. Як видно з графіків теоретичні розрахунки повністю співпадають із ре- зультатами, отриманими шляхом моде- лювання з використанням моделі Matlab, а отже можна зробити припущення, що дану модель доцільно застосовувати для дослідження властивостей системи мобі- льного зв’язку 3G, побудованих за стан- дартом UTRA. Для остаточної оцінки са- мої моделі слід порівняти результати мо- делювання з результатами натурних вимі- рювань

Висновки

Модель дозволяє зробити оцінку якості функціонування системи 3G на лі- нії від базової станції до абонента шляхом визначення імовірності надходження по- милкового інформаційного біта інформа- ції для різноманітних параметрів, що ха- рактеризують функціонування реального каналу зв’язку.

Для зручності користування модел- лю під час планування мережі мобільного зв’язку передбачено уніфіковані набори параметрів (профілі), що відображають найбільш характерні умови функціону- вання радіочастотного каналу.

Результати, отримані за допомогою розглянутої моделі співпадають з результатами отриманими іншими дослідниками функціонування системи мобільного зв’язку третього покоління.

Недоліком моделі можна вважати те, що вона не надає можливості досліди- ти ситуацію, коли в мережі є не один, а декілька абонентів, а отже присутні зава- ди від обладнання цих абонентів. Також, модель не можна застосувати для дослі- дження випадку, коли в мережі внаслідок перевантаження ліній зв’язку можуть утворюватись черги абонентів, які очіку- ють доступу, що особливо важливо у разі передавання мультимедійної інформаці.

Література


1. Тихвинский В.О., Терентьев С.В. Управление и качество услуг в сетях GPRS/UMTS. – М.: Эко-Трендз, 2007. – 400 с.
2. Гуреев А.В., Кустов В.А. Компь- ютерное моделирование беспроводных сетей и проблемы их электромагнитной совместимости / Электронный журнал "Исследовано в России", 2002. – С. 1505– 1518.
3. 3GPP TS 25.101 V5.2.0 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Networks; UE Radio Transmission and Reception (FDD) (Release 5), May 2002. – 72 p.
4. Архипкин В.Я., Мешковский К. А. Сравнительная помехозащищенность сис- тем связи с широкополосными и узкопо- лосными сигналами // Информация и Ко- смос. – 2004. – №3. – С. 25–29.
5. 3GPP TS 23.107 V4.4.0 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; Quality of Service (QoS) concept and architecture (Release 7), March 2002. – 39 p.
6. Скляр Б. Цифровая связь. Теоре- тические основы и практическое приме- нение, 2-е издание.: Пер. с англ. ? М.: Ви- льямс, 2003. – 1104 c.