ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ МНОГОЛУЧЕВОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ СИГНАЛОВ В СЕТЯХ WIMAX
Ерошкина Д.А., Чичикало Н.И.
Донецкий национальный технический университет
Источник: Інтегровані інтелектуальні робототехнічні комплекси (ІІРТК-2011). Четверта міжнародна науково-практична конференція 23-25 травня 2011 року, Київ, Україна. - К.: НАУ, 2011. - с.411-413
Одной из главных особенностей стандарта 802.16 WiMAX является то, что он обеспечивает высокоскоростные соединения на больших расстояниях даже при отсутствии прямой видимости объекта. Отражение сигнала дает возможность работать в условиях плотной городской застройки и при неблагоприятных погодных условиях, но при этом может иметь место явление многолучевой интерференции сигналов. Распространение таких сигналов является неоднородным, поскольку они отражаются разное количество раз, проходят разный по длине путь, поэтому ослабление сигнала также будет неодинаковым. В силу интерференции сигналов, приходящих в точку приема с различными амплитудами и фазами, возникает искажение пространственно-временной структуры полезного сигнала, в частности его дисперсия и замирания. Это сказывается на качестве, скорости и надежности передачи информации. Влияние интерференционных помех удобно учитывать в виде отношения мощности полезного сигнала к суммарной мощности интерференционных помех РС/РП.
Для нахождения величины затухания сигнала в определенной точке местности используется модель Окамура-Хата. Она учитывает экранирование и дифракцию сигнала, медленные замирания, появляющиеся в результате отражения радиосигнала от препятствий и многолучевое распространение сигналов, вызванное неоднородностями, находящимися в окрестности точки приема сигнала, результатом которого являются быстрые замирания.
Исходя из экспериментальных данных, полученных Окамурой, Хата предложил аналитическую модель эмпирических потерь распространения сигналов. Среднее затухание радиосигнала в городских условиях рассчитывается по формуле, дБ:
где f – частота радиосигнала, МГЦ;
ht – высота передающей антенны, м;
hr – высота приемной антенны, м;
d – расстояние между антеннами, м;
А(hr) – поправочный коэффициент для высоты антенны подвижного объекта, зависящий от типа местности.
Для небольших и средних населенных пунктов поправочный коэффициент определяется по формуле, дБ:
Для крупных городов коэффициент А(hr) находится по формуле, дБ:
Одним из методов борьбы с явлением многолучевой интерференции является использование технологии ортогонального частотного разделения каналов с мультиплексированием OFDM. Стандарт OFDM характеризуется сильным перекрытием спектров соседних поднесущих, что позволяет уменьшить значение частотного разноса и повысить плотность передачи цифровой информации. При частотном разделении каналов необходимо, чтобы ширина отдельного канала была, с одной стороны, достаточно узкой для минимизации искажения сигнала в пределах отдельного канала, а с другой — достаточно широкой для обеспечения требуемой скорости передачи.
При большом количестве ортогональных поднесущих в одном канале передачи увеличивается длительность информационного символа, передаваемого на каждой поднесущей, при сохранении общей скорости передачи данных. Это позволяет снизить межсимвольную интерференцию, которая возникает из-за многолучевого распространения радиосигнала, и приводит к увеличению коэффициента ошибок.
Еще одним методом борьбы с многолучевой интерференцией является формирование адаптивной диаграммы направленности антенны. В направлении источников помех в диаграмме направленности формируются нулевые составляющие, что позволяет практически полностью подавить интерференцию с нежелательных направлений. Данная концепция работает в обоих направлениях: от базовой станции к абоненту и от абонента к базовой станции. При этом сигналы, принимаемые от абонентов, могут использоваться для определения их местоположения, и эта информация применяется при формировании диаграммы направленности в нисходящем направлении.
Для борьбы с интерференцией часто применяется избыточное кодирование. Введение дополнительных битов в цикл передачи данных позволяет при приеме обнаруживать ошибки. При введении избыточных символов нужно увеличить скорость передачи, поскольку возникает необходимость передачи проверочных символов. Передача информационного трафика за счет этих символов снижается, а надежность доставки достигается при снижении скорости и увеличении длительности битовых посылок. Таким образом, влияние межсимвольной интерференции или кратковременной помехи снижается, поскольку пораженной может оказаться лишь часть времени битового символа.
При многолучевом распространении сигналов находят применение турбокодирование, сверточное и блочное кодирование, а также перемежение. В данных способах происходит смешивание между собой информационных блоков по определенному закону с последующей подачей их на модулятор. При этом, если имеются кратковременные проблемы из-за интерференции, произойдет потеря лишь части данных, а не всего блока. На практике чаще всего методы кодирования комбинируют.
Для уменьшения влияния на сигнал межсимвольной интерференции применяется адаптивное выравнивание. Его суть заключается в увеличении мощности принимаемых символов, что достигается при выравнивании времени задержки нескольких копий отраженных сигналов. Через равные промежутки времени из каждого символа производят несколько выборок, которые перемножаются с вычисленным коэффициентом, который вычисляется динамически при адаптации к данному потоку. Далее образуется выходной сигнал приемника путем суммирования выборок. Недостатком данного метода борьбы с интерференцией является необходимость значительных вычислительных затрат.
Также для борьбы с интерференцией сигналов используется разнесенный прием. Суть данного метода заключается в использовании нескольких антенн (обычно двух) , расположенных на расстоянии друг от друга, поэтому получатель имеет не одну, а сразу две копии сигнала, пришедшего разными путями. Это дает возможность собрать больше энергии сигналов, поскольку волны, принятые одной антенной, могут быть не приняты другой. Для организации принципа Multiple Input Multiple Output (MIMO) необходимо установить несколько антенн и на передающей, и на принимающей стороне.
Исследование рассмотренных выше методов показало, что они не могут полностью устранить или компенсировать многолучевую интерференцию, поскольку данное явление носит случайный характер, однако они позволяют значительно снизить ее влияние на достоверность передачи информации. Наиболее часто в сетях WiMAX применяется метод разнесенного приема MIMO, поскольку при установке равного количества антенн на приемной и передающей сторонах достигается максимальная скорость передачи информации.
Литература
- Сюваткин В. С., Есипенко В. И., Ковалев И. П., Сухоребров В. Г. WiMAX – технология беспроводной связи: теоретические основы, стандарты, применение/ В.С. Сюваткин, В.И. Есипенко, И.П. Ковалев, В.Г. Сухоребров – СПб.: БХВ – Петербург, 2005. – 368 с.
- Феер К. Беспроводная цифровая связь / К. Феер - М.: Радио и связь, 2000. - 520 с.
- Вишневский В. М., Портной С. Л., Шахнович И. В. Энциклопедия WiMAX. Путь 4G / В.М. Вишневский, С.Л. Портной, И.В. Шахнович - М.: Техносфера, 2009. - 472 с.