ВЛИЯНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ НА OFDM КАНАЛЫ СВЯЗИ СЕТИ ШИРОКОПОЛОСНОГО ДОСТУПА WiMAX

Богданов Е.Ю., Рыбаков В.К.
Самарский Государственный Технический Университет


Источник: http://www.networkspro.ru/pages_30/index.html
       В реальных системах помимо теплового шума и внутреннего шума приемника присутствует интерференция. Поэтому SNR оценивается как С/N+I, где С - мощность сигнала, N - мощность теплового шума, I - мощность сигнала интерференции. Влияние интерференции приводит к деградации уровня чувствительности приемника.
      Чем выше уровень интерференции, тем на большую величину сигнал на входе приемника RSSL должен превышать уровень чувствительности для поддержки соответствующей модуляции.
      Значение показателя SNR=С/N+I (обычно обозначается коротко как C/I) постоянно измеряется в процессе работы как на базовой станции, так и на каждом абонентском терминале WIMAX, с целью динамического назначения наиболее подходящей модуляции для каждого передаваемого пакета данных. Этот измеряемый показатель обозначается SINR (Signal to interference plus noise ratio) или CINR (Carrier to interference plus noise ratio).
      Экспериментально установлено, что если уровень интерференции находится ниже уровня теплового шума Receiver Noise Floor на величину в 6 dB, то эта интерференция не оказывает влияния на приемник системы. Более точно, при I = No - 6 dBm уровень снижения (деградации) уровня чувствительности приемника не превышает 1 dB. [1]
      Уровень теплового шума с учетом внутреннего шума приемника составляет N = 10log(kTo) + Nf = -136 dB (W/MHz). Поэтому уровень интерференции I в канале шириной 10 МГц, не приводящей к существенной деградации чувствительности приемника, равен

I = -136 + 30 + 10 Log(10) - 6 = -102 dBm

      В канале шириной 5 МГц уровень интерференции, не приводящей к существенной деградации чувствительности приемника, равен -105 dBm.
      При превышении уровня мощности интерференции пороговых величин деградация уровня чувствительности увеличивается более чем на 1 dB и интерференция может влиять на работу системы. Степень негативного влияния зависит от типа сигнала интерференции (помехи). При оценке чувствительности приемника в качестве шума рассматривается Гауссовский или "белый" шум. Реальный сигнал помехи по своей структуре, естественно, может отличаться от белого шума и его влияние на работу системы может быть как сильнее, так и слабее влияния белого шума. Так например, узкополосная помеха может вообще не влиять на широкополосный OFDM сигнал. Точная теоретическая оценка влияния различных типов помех на работу приемника системы является достаточно сложной задачей. Более менее точно оценить взаимное влияние интерференции возможно для однотипного оборудования при анализе электромагнитной совместимости, что будет рассмотрено в следующих разделах. На практике для оценки возможности работы систем в условиях интерференции различного типа обычно оперируют граничными значения CINR. [1]
      WiMAX является системой с автоматической регулировкой мощности AТPC. На базовых станциях задается максимально возможный уровень входного сигнала RSSL. Для 5 ГГц систем с шириной канала 5 или 10 МГц данный уровень обычно устанавливается равным 65-70 dBm. При минимально достаточном уровне сигнала на входе приемника RSSL в 65-70 dBm (близком к уровню чувствительности с учетом fade margin) и при отношении сигнал/шум + интерференция С/N+I >= 21 + 6 = 27 dB на модуляции 64QAM3/4 достигается деградация уровня чувствительности приемника не выше 1 dB для BER = 10E-6. Таким образом, измеренное в процессе работы WiMAX значение CINR >= 27 dB при минимально достаточном уровне RSSL гарантирует, что интерференции находится ниже уровня теплового шума приемника на величину не менее 6 dB и независимо от типа сигнала интерференции практически не оказывает влияния на работу системы. При работе в условиях сильной интерференции или по другим причинам максимальный уровень входного сигнала на базовой станции может быть повышен до 65-60 dBm. В этом случае, при повышении уровня сигнала на входе приемника, требования к уровню CINR для поддержки модуляции 64QAM3/4 несколько снижаются вплоть до минимально необходимого уровня 21 dB.
      Тем самым, в условиях присутствия интерференции для поддержки, например, модуляции 64QAM3/4 совершенно недостаточно иметь уровень сигнала RSSL, превышающий уровень чувствительности приемника для 64QAM3/4 на величину fade margin. То есть, только по значению уровня сигнала RSSL при наличии интерференции невозможно определить какой тип модуляции может поддерживаться системой. Например, уровень входного сигнала RSSL может быть равным – 65 dBm, что в условиях отсутствия интерференции более чем достаточно для поддержки модуляции 64QAM3/4 при любой ширине канала. Однако при наличии интерференции реальное получаемый CINR может быть меньше величины 20 dB, что не позволяет поддерживать модуляцию 64QAM3/4 c уровнем ошибок BER=10E-6. [2] Если измеренное системой значение CINR превышает значение 21 dB, то это означает, что сигнал RSSL превышает уровень пороговой чувствительности для 64QAM3/4. Eсли измеренное системой значение CINR превышает значение 27dB, то по прежнему сигнал RSSL превышает уровень пороговой чувствительности для 64QAM3/4, но при этом уровень интерференции не превышает допустимого уровня и не влияет на приемник системы. [2]
      Таким образом, для поддержки системой WiMAX наивысшей символьной скорости на модуляции 64QAM3/4 необходимо и достаточно, чтобы отношение сигнал/шум + интерференция CINR превышала значение 21-27 dB на величину fade margin.
      Тем самым, объективным показателем возможности поддержки той или иной модуляции является измеряемое системой WiMAX отношение CINR. Именно по получаемому значению CINR система WiMAX устанавливает рабочую модуляцию сигнала, обеспечивающему устойчивую работу канала связи с уровнем битовой ошибки не выше BER=10E-6.
      Обычно базовую станцию WiMAX настраивают на работу в условиях отсутствия или низкого уровня интерференции, задавая максимальный уровень мощности входного сигнала близком к значению чувствительности Rx плюс fade margin в 1-3 dB, что для систем с шириной канала 10 МГц составляет порядка -70 dBm. Cистема WiMAX при отсутствии интерференции способна работать на модуляции 64QAM3/4 при CINR >= 21 dB. Запас по замираниям fade margin для CINR обычно выбирается 1 dB или для более стабильной работы 3 dB. Порог переключения на более низкую модуляцию, например, 64QAM2/3 также может составлять 1 dB. Верхний и нижний пороги переключения модуляций образуют так называемый гистерезис. Тем самым, система WiMAX может быть стандартно настроена таким образом, что при достижении CINR=24 dB включается модуляция 64QAM3/4, которая меняется на 64QAM2/3 при снижении уровня CINR ниже 20 dB. Если в процессе работы системы WiMAХ со стандартными настройками текущее измеряемое значение CINR равно 27 dB и выше, то это свидетельствует о том, что даже если интерференция и присутствует, то ее уровень не влияет на работу системы на модуляции 64QAM3/4. Если измеряемый уровень CINR менее 20 dB при RSSL = -70 dBm, то это свидетельствует о наличии сильной интерференции. В этом случае, если снизить уровень мощности интерференции невозможно или затруднительно, то на базовой станции может быть повышен максимальный уровень входного сигнала до 65 и даже 60 dBm. При этом требования к CINR для 64QAM3/4 снижаются до 21 dB и для устойчивой работы системы гистерезис поддержки модуляции 64QAM3/4 также должен быть соответствующим образом изменен.
      Важным отличием систем WiMAX от preWiMAX является способ измерения SNR, реализуемой системой в процессе ее работы. Система WiMAX измеряет SNR путем вычисления уровня CINR на основе подсчета количества принятых ошибочных бит для каждого пакета данных и на основе анализа полученного уровня CINR выбирает тип поддерживаемой модуляции. Системы preWiMAX вообще могут не проводить оценку SNR, а выбор типа модуляции проводить на основе анализа уровня входного сигнала RSSL (или некоторой абстрактной величины RSSI - Receive Strength Signal Indicator). Также может проводиться оценка уровня шума (интерференции) на основе измерения уровня мощности сигналов, не распознанных демодулятором приемника, и даваться весьма приблизительная оценка результирующего SNR. Тем самым для preWiMAX систем возможна ситуация, когда индикаторы показывает хороший уровень входного сигнала RSSI и SNR, но в радиоканале вследствие воздействия помех имеется высокий уровень ошибок. Такая ситуация в системах WiMAX принципиально невозможна. Система WiMAX всегда адекватно реагирует на высокий уровень интерференции путем понижения уровня модуляции на основе анализа получаемого значения CINR и не допускает увеличение ошибок в радиоканале свыше требуемой величины.
      При оценке дальности связи в условиях интерференции выражение (3) расчета мощности входного сигнала RSSL трансформируется в выражение расчета требуемого уровня SNR = С/N + I или С/I отношения сигнал/шум + интерференция. Следует отметить, что влияние интерференции любого типа на OFDM сигнал с небольшим количеством поднесущих, а также на сигнал с одной несущей, в общем случае, носит более деструктивный характер, чем на сигнал с большим количеством поднесущих. Это выражается в том, что уровень SNR, требуемый для работы, например, 64QAM3/4 в условиях сильной интерференции для сигнала с меньшим количеством поднесущих (preWIMAX) может быть значительно больше требуемого уровня SNR c большим количеством поднесущих (WiMAX). Это дает дополнительный запас по энергетике сигнала системам WiMAX при работе в условиях интерференции и увеличивает максимальную дальность связи.

Литература

  1. Васильев В. Г Технология широкополосного беспроводного доступа WiMAX стандарта IEEE 802.16 / Васильев В. Г// Киев -"UNIDATA" - 2007.

  2. Пролетарский А.В., Баскаков И.В., Федотов Р.А., Бобков А.В., Чирков Д.Н., Платонов В.А. Беспроводные сети Wi-Fi / Пролетарский А.В., Баскаков И.В., Федотов Р.А., Бобков А.В., Чирков Д.Н., Платонов В.А.// Москва - 2007.