cdma2000 Physical Layer;

WCDMA Coding and Multiplexing;

WCDMA End-to-End Physical Layer;

WCDMA Spreading and Modulation.

В якості опорної технології, на основі якої були проведені дослідження, використовувався стандарт cdma2000. Даний вибір пов'язаний із найбільшим розвитком та впровадженням cdma2000 серед стандартів 3G. Так, з-поміж усіх абонентів, що користуються послугами третього покоління мобільного зв’язку домінуюча більшість використовує стандарт cdma2000 - їх чисельність становить 91% від загального числа абонентів (рис. 1).

Демонстраційний приклад моделі фізичного рівня сdma2000 - CDMA2000_phlayer подано на рис. 2. Модель описує роботу фізичного рівня бездротової системи зв’язку згідно специфікації CDMA2000 - використано радіоконфігурацію №3 фундаментального прямого каналу передавання даних 1x (рівень розширення 1) прямого зв'язку між базовою станцією і мобільною станцією. Повітряний інтерфейс CDMA2000 використовує технологію прямого розширення спектру. Це означає, що кодовані користувачем дані передаються в смузі пропускання 1.23 МГц (для випадку 1x), використовуючи послідовність псевдовипадкових одиниць (чіпів). Знаючи унікальний код, який присвоєно кожному активному абоненту, приймач може успішно виокремити бажаний сигнал із загального за допомогою кореляторів.

2.Постановка задачі для дослідження.

Система MATLAB містить імітаційні моделі фізичного рівня основних стандартів 3G. Але ці моделі розраховані лише на емуляцію роботи основних блоків базової та мобільної станції. Вони не є готовим інструментом для проектування, оскільки не враховують навколишній рельєф, густину забудови, розміщення передавальної та приймальної антен, активність абонентів та багато інших чинників, безпосередньо пов’язаних із початковим розрахунком будь-якої коміркової мережі. Вміле поєднання елементів програми та врахування додаткових фізичних законів поширення сигналу - факторів навколишнього середовища - дозволяє дослідити мобільну мережу у відповідності до всіх особливостей місцевості, обладнання, кліматичних умов. Значну увагу при моделюванні необхідно приділити взаємоінтеграції складових частин мережі та каналу зв’язку. Для оцінювання якості роботи системи при зміні характеру середовища передавання зручно використовувати значення імовірності появи бітових помилок (BER).

Метою даного моделювання вважається створення та дослідження математичної моделі, що здатна прогнозувати залежності зміни якості зв’язку в залежності від:

швидкості передачі інформації;

значень несучої частоти базових станцій;

відстані поширення між антенами базової станції та абонента;

потужності сторонніх джерел радіовипромінювання;

I/Q дисбалансу (лінійного розмиття контурів сузір’я модуляції);

фазового шуму та частотного/фазового зміщення;

швидкості руху абонентів;

особливостей рельєфу та забудови;

температурних та кліматичних умов.

Оскільки сучасні мобільні системи працюють із наперед обумовленою якістю зв’язку, то створений апарат надає можливість комплексного врахування всіх перелічених залежностей. Тобто, можливо, для прикладу, розрахувати максимальну відстань поширення сигналу (а з нею і максимальну зону покриття комірки) при заданих параметрах забудови, потужностях сторонніх електромагнітних полів і показниках температурних та погодних умов. Після цього можливо провести оцінку зменшення зони покриття в залежності від швидкості та характеру руху абонентів (наприклад, покриття комірками автомагістралей) та інших факторів.

3.Оцінка впливу умов поширення радіосигналу на якість зв’язку

Реальний розрахунок розповсюдження електромагнітного поля реалізується за допомогою двох моделей - „великої відстані” і „малої відстані”. Модель „малої відстані” відображає інтерференційну структуру електромагнітного поля, що виникає внаслідок взаємодії хвиль передавача. Теоретична сумарна величина електромагнітного поля в кожній точці простору визначається амплітудами і фазами декількох когерентних хвиль, які за рахунок багатократних віддзеркалень пройшли шлях різної довжини від передавача до даної точки прийому. Очевидно, що структура поля на малих відстанях є не монотонною і не стаціонарною. Збільшення або зменшення напруженості поля не пов'язане з відстанню до передавача, оскільки визначається випадковим станом радіоканалу (взаємним розташуванням і пересуванням приймача, передавача і перешкод) у кожен момент часу. В результаті можливі дуже сильні зміни величини електромагнітного поля на невеликих відстанях і на протязі коротких проміжків часу. Розрахунки згідно моделі „малої відстані” дозволяють визначити реальну структуру і статистичні характеристики сигналу в локальній області простору (точці прийому), що є складним завданням, оскільки сигнал передавача зазнає багатопроменевого розповсюдження радіохвиль навіть за умови, що абонент нерухомий.

Для максимальної адаптації створеної моделі до умов місцевості необхідно розглянути наступні варіанти:

передмістя та сільська місцевість;

територія в межах міста.

населення, та, в основному, - високі швидкості руху (більше 100 км/год), забезпечується умова прямої видимості між передаючою та приймаючою антенами, існує незначна кількість перешкод, спричинених рельєфом місцевості.

В цьому випадку на вході приймача присутня одна явно виражена основна копія сигналу і невелика кількість додаткових копій, амплітуди яких суттєво менші амплітуди основної копії. Вважається, що фаза основної копії сигналу постійна, а амплітуда не зазнає швидких завмирань, її величина визначається середнім значенням потужності у відповідності з моделлю „великої відстані”. В цьому випадку розподіл ймовірностей амплітуди прийнятого сигналу описується законом Райса:

Територія в межах міста передбачає велику густину населення, невисокі швидкості руху (до 50 км/год), відсутність прямої видимості та велику кількість перешкод, зумовлених великою густиною забудови.

Для даної території при моделюванні необхідно врахувати дифузійне розсіювання сигналу, внаслідок чого не існує виділеного променя з особливими характеристиками поширення між передавачем та приймачем. В результаті, амплітуди копій сигналу, що поступають на вхід приймача, приблизно одинакові.

В цьому випадку розподіл ймовірностей амплітуди сумарного прийнятого сигналу описується законом Релея:

Дані моделі допоможуть з оцінкою таких форм погіршення якості радіозв’язку, як наявність перешкод, ефект Доплера, шуми та стан атмосфери, залишаючи без уваги втрати сигналу у вільному просторі.

Для оцінки втрат у вільному просторі доцільно використати модель каналу Free Space Path Loss із бібліотеки RF Impairments MATLAB. В даній бібліотеці міститься шість видів каналів зв’язку, які необхідні при моделюванні температурних та погодних умов, I/Q дисбалансу, фазового шуму та частотного/фазового зміщення. Блок Free Space Path Loss симулює втрату сигналу в залежності від відстані між передавачем і приймачем, а також зменшує амплітуду вхідного сигналу. В основі роботи даного блоку лежить модель „великої відстані”. Основою розрахунку дальності радіозв'язку по моделі „великої відстані” є формула для розповсюдження радіохвиль у вільному просторі з відповідними поправочними коефіцієнтами. Відповідно до неї, потужність сигналу в точці прийому на заданій відстані від передавача рівна:

4.Дослідження впливу умов поширення радіосигналу на якість зв’язку за допомогою імітаційної моделі

На основі попереднього планування необхідно створити модель каналу зв’язку та узгодити її із блоками бібліотеки RF Impairments. Для створення каналу необхідно спроектувати власну S- функцію (код підпрограми MATLAB), прикріплену до відповідного блоку в Simulink. ЇЇ структура базується на основі поданої теорії та виразів (1-3) і дозволяє здійснювати розрахунок до зазначених варіантів покриття території.

Покажемо розрахунок для варіанту покриття території в межах міста. Початкові параметри цієї моделі задані нижче:

швидкість передавання в розмовному каналі – 9.6 Кбіт/с;

середня відстань між базовою станцією і абонентом – 2 км;

несуча частота базової станції: 2000МГц;

швидкість руху абонентів: 36 км/год;

температура: 20 град. Цельсія;

відношення потужності корисного сигналу до сторонніх завад: 10дБ.

На основі проведених розрахунків побудовані засоби для отримання залежностей оцінок якості зв’язку, приклад результатів розрахунків наведений нижче:

Нижче наведені результати розрахунки для варіанту покриття передмістя та сільська місцевість. Базові параметри цієї моделі задані нижче:

швидкість передавання в розмовному каналі – 9.6 Кбіт/с;

відстань між базовою станцією і абонентом – 6 км;

несуча частота базової станції: 450 МГц;

швидкість руху абонентів: 70 км/год;

температура: 20 град. Цельсія;

відношення потужності корисного сигналу до сторонніх завад: 7дБ.

5.Розрахунок покриття мережі 3G (cdma1x) на прикладі міста Львова

Розглянемо отримані результати детальніше. Маючи усі необхідні характеристики поширення радіосигналів, отримуємо можливість відійти від класичної схеми покриття географічної території комірками однакових розмірів у формі гексагональних сот. На основі описаних моделей моделі із високим рівнем точності адаптуємо розмір комірок в мережі стільникового зв’язку у відповідності до рівня забудови місцевості, сторонніх завад, швидкості руху абонентів та інших параметрів.

Нижче для порівняння подано приклад покриття на основі класичної схеми та запропонованої в роботі (рис. 4). У якості вихідних параметрів для розрахунків використовуються статистичні дані, чи дані, отримані внаслідок наближеної оцінки.

Як можна побачити з рис.4, розміри комірок 3G системи суттєво змінюються в залежності від рівня розглянутих вище параметрів та характеристик. Переважна більшість операторів мобільного зв’язку витрачає значну кількість коштів та часу для визначення точних даних безпосереднім зняттям показників на місцевості. Але влітку 2007 року МТС стала першою компанією серед операторів мобільного зв’язку України, що почала використовувати подібні програмні рішення. Тому можна передбачити, що питання, які розглянуті в даній роботі вже найближчим часом набудуть значної актуальності.

Висновки

1. Проведений аналіз показує, що системи зв’язку стандарту CDMA мають ряд суттєвих переваг порівняно з іншими широковживаними стандартами коміркового зв’язку.

2. Програмний комплекс MATLAB надає широкі можливості при проектуванні мереж коміркового зв’язку та має суттєві переваги над іншими математичними програмами, містить фрагменти та модулі, необхідні для ефективного моделювання галузі телекомунікацій.

3. Адаптація програмних пакетів MATLAB до встановлених цілей дозволила отримати зручний апарат для досліджень характеристик мережі, що необхідні при проектуванні нової мережі чи модернізації та виявленні недоліків діючих мереж мобільного зв’язку.

4. На основі оболонки MATLAB запропонована модель CDMA-каналу.

5. Проведено дослідження CDMA-радіоканалу на основі запропонованої моделі і розроблена методика проектування CDMA-мереж.

6. На основі розробленої моделі та методики покриття радіомереж CDMA планується проведення дослідження найбільш актуальних проблем технології CDMA - розробка методики розрахунку покриття території України системами зв’язку на базі стандартів CDMA; проектування покриття міста Львову на основі електронних карт для надточного розрахунку;проведення досліджень імітаційних моделей CDMA за допомогою програми MATLAB та їх розширення для конкретних завдань; дослідження параметрів радіоканалу з метою підвищення якості надаваних послуг систем стандарту CDMA та, в деяких випадках, зменшення необхідної кількості базових станцій.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов – СПБ:.Питер, 2003. – 604с.

2. Климаш М.М.,Пелішок В.О., Михайленич П.М. Технології мобільного зв’язку. – Львів, 2007. – 615с.

3. Невдяев Л.М. Мобильная связь 3-го поколения, Москва, 2000. – 208с.

4. Lee J., Miller L. E. CDMA Systems Engineering Handbook, 1998. – 1228с.

5. Климаш М.М., Пелішок В.О., Михайленич П.М., Щур. О.В.Радіомережі коміркового зв’язку стандартів CDMA. – Львів: Вид. УАД, 2007. – 238 с.

6. Климаш М.М., Ящишин Є.М. Радіомережі коміркового зв’язку: Навчальний посіб. – Львів: Вид. УАД, 2005. – 352 с.

7. Веселовский Кшиштоф. Системы подвижной радиосвязи – М.: Горячая линия – Телеком, 2006. – 536с.

8. Tachikawa K. W-CDMA Mobile Communications System, 2002. – 418с.

9. Yang S.C. 3G CDMA2000 Wireless System Engineering, 2004. – 280с.

10. Климаш М.М., Синюгін О. Моделювання і дослідження радіотрафіка в системах з кодовим розділенням каналів - Вісник НУ “Львівська політехніка”, Радіоелектроніка та телекомунікації. – Львів, 2003. – №477. –– С.123-127.