КЛЮЧЕВЫЕ ФАКТОРЫ УХУДШЕНИЯ РАСПРСТРАНЕНИЯ СИГНВЛА. ТЕСТИРОВАНИЕ LTE ПРИЕМНИКА
Рэнди БЕКЕР
Журнал "ИКС" № 01-02 2010 стр. 82
http://ikstelecom.com/topics/thematic/dce/3101038.html
Для технологии LTE настает время решения практических вопросов, в частности вопросов тестирования абонентских терминалов. радиосреду и как при этом придется воссоздавать и какие основные параметры нужно при этом учитывать?
Работа LTE-приемника зависит от разных факторов: конкретного частотного диапазона, многолучевых задержек, доплеровских сдвигов частоты, реализации технологии множественного приема/передачи (MIMO) и т.д. Чтобы при тестировании приемника охватить все эти факторы, понадобилось бы воссоздать огромное количество сложных условий. Однако радиоспецификации LTE определяют сокращенный специфический набор условий распространения сигнала, который должен использоваться при тестировании.
Причины ухудшения сигнала
В реальной среде такие объекты, как горы, здания и машины, отражают, преломляют или не пропускают передаваемые радиосигналы. Эти объекты могут располагаться на различном расстоянии от передатчика – одни ближе, другие дальше. Вследствие этого множество копий сигнала достигают антенны приемника за разное время. У таких запаздывающих копий разные фазовые соотношения, которые при приеме дают как положительный, так и отрицательный эффект. Незначительные отклонения в фазовых соотношениях вызывают пешеходы и машины. Если абонентский терминал перемещается, то изменение фазы увеличивается с ростом его скорости.
Эксперименты показывают колебания уровня принимаемого сигнала выше или ниже его номинала; иногда он снижается до очень низких, почти нулевых значений.
При движении передатчика или приемника проявляется другой эффект – доплеровский сдвиг частоты. Так как запаздывающие копии сигнала поступают на приемник с разных относительно вектора движения направлений, частоты некоторых из них сдвигаются – одни выше, другие ниже реальной частоты сигнала. Этот эффект вызывает особые сложности в OFDM-системах, поскольку для устранения интерференции внутренних поднесущих нельзя использовать простой сдвиг частоты.
По мере увеличения количества путей распространения сигнала растет и число наложений его копий с разными синхронизацией, амплитудой, частотой и фазой. В результате сигнал становится стохастическим (недетерминированным) с рэлеевским распределением. Как известно, рэлеевское распределение точно отражает колебания амплитуды и изменения частоты (называемые еще доплеровским расширением), характерные для городской застройки. Именно такие условия многолучевого распространения сигнала используются в спецификациях требований к работе LTE-приемника.
Основные потери в канале, зависящие от распространения сигнала
Условия распространения характеризуются тремя факторами: профилем многолучевой задержки, доплеровским расширением и, в случае применения нескольких антенн, – набором коррелирующих матриц, задающих соотношения для передающей и приемной антенн.
Профиль задержки определяет количество путей распространения, саму задержку и ослабление сигнала. Кроме того, по этому профилю можно вычислить среднеквадратичное отклонение (разброс) задержки. Для технологии LTE выбраны три профиля: для пешехода (табл. 1), мобильного пользователя в автомобиле и для типовой городской застройки (табл. 2).
Таблица 1. Расширенная А модель пешехода (ЕРА)
| Задержка за счет отклонения от трассы | Соответсвующая мощность в дБ |
| 0 | 0,0 |
| 30 | -1,0 |
| 70 | -2,0 |
| 90 | -3,0 |
| 110 | -8,0 |
| 190 | -17,2 |
| 410 | -20,8 |
Таблица 2. Профили задержеки для технлогии LTE
| Модель | Количество путей в канале | Разброс задержки, нс | Максимальная задержка по траектории, нс |
| Расширенная А-модель пешехода (ЕРА) | 7 | 45 | 410 |
| Расширенная А-модель при движении при движении в автомобиле (EVA) | 9 | 367 | 2510 |
| Расширенная модель для типовой городской застройки (ETU) | 9 | 991 | 5000 |
Еще один параметр – максимальная величина доплеровского сдвига частоты. Для LTE-сетей обычно применяются три значения: 5 Гц, 70 Гц и 300 Гц – для низко-, средне- и высокоскоростных объектов. При работе в диапазоне 2 ГГц эти частоты соответствуют следующим скоростям движения пользователя терминала: 2,7 км/ч, 38,4 км/ч и 162 км/ч. Требования к работе приемника формируются с учетом комбинации этих доплеровских сдвигов частоты с профилями задержки. И хотя существуют три профиля и три доплеровских сдвига частоты, из возможных сочетаний используются лишь пять (табл. 3). Профиль пешехода как низкоскоростного объекта определен только для частоты 5 Гц; профиль пользователя в автомобиле – для 5 и 70 Гц, а типовой профиль для города не включает частоту 5 Гц.
Для высокоскоростных поездов принят дополнительный профиль задержки. В нем учитываются и скорость поезда, и расстояния между базовыми станциями, находящимися на определенном удалении от железной дороги. В результате получился доплеровский сдвиг с профилем прямоугольной волны.
Доплеровское расширение. Методы, которыми специфицируются условия распространения сигнала, для сетей LTE и UMTS существенно различаются. В сетях UMTS профили задержки заданы для разных скоростей пользователя с терминалом. Это означает, что в каждом частотном диапазоне терминал необходимо тестировать с разными наборами доплеровских частот. На заре развития UMTS, когда для этой технологии был определен лишь один частотный диапазон, такая методика проверки соответствия требованиям не вызывала проблем.
Однако для технологии LTE сегодня определены уже 25 частотных диапазонов (23 – 3GPP и два – ETSI), что создает гигантский объем тестовых конфигураций. Чтобы его уменьшить, было решено закрепить значения доплеровских частот для профилей EPA, EVA, ETU и HST (High Speed Train) и применять их для сетей LTE всех частотных диапазонов. В результате эффективная скорость пользователя с терминалом стала функцией тестовой частоты, а для высокоскоростного поезда переменным стало и расстояние между базовыми станциями. Этот подход не столь строг, как в случае c фиксированным набором скоростей для UMTS, тем не менее ожидается, что закрепление доплеровских частот обеспечит и достаточный набор тестов, и выигрыш за счет их значительного упрощения.
Например, колебания амплитуды сигнала в течение одной секунды для пути с рэлеевским замиранием при доплеровском расширении в 10 Гц (5,4 км/ч, диапазон 2 ГГц) в основном не переходят границы в 10 дБ, хотя видны и более глубокие замирания (рис. 1).
Проблемы, которые вызывают при приеме рэлеевские замирания, наглядно иллюстрирует констелляционная диаграмма сигнала с модуляцией QPSK (рис. 2), хотя он не является ни LTE-сигналом с модуляцией нескольких несущих OFDMA, ни широкополосным сигналом с SC-FDMA-модуляцией. Диаграмма однозначно показывает необходимость надлежащих проверок приемника при различных условиях распространения. Видно, что траектория ансамбля меняется и по амплитуде, и по фазе, как и ожидалось для рэлеевского замирания. Важно отметить, что при более глубоких замираниях ансамбль приближается к исходному и доплеровское расширение заставляет траекторию перемещаться из одного квадранта в другой.
В условиях распространения сигнала, определенных для технологии LTE, может быть задействовано вплоть до девяти путей, что создает намного более сложную ситуацию, чем представлена на рис. 1 и 2.
Корреляция антенн. Третья составляющая условий распространения – матрицы антенных соотношений. Радиосистемы с двумя передающими и двумя принимающими антеннами имеют четыре канала распространения. Следовательно, для правильной эмуляции канала потребуется четыре отдельных эмулятора замираний.
Выводы
При тестировании LTE-приемников необходимо воссоздавать условия многолучевого распространения, главными составляющими которых являются многолучевые профили задержки, доплеровское расширение и для многоантенных систем – набор коррелирующих матриц для антенн приемника и передатчика (при этом требуется несколько эмуляторов замираний). Эта непростая задача осложняется тем, что для технологии LTE определены 25 диапазонов частот. Чтобы облегчить бремя выполнения множества сложных тестов для всех возможных условий, в спецификациях LTE принято элегантное практическое решение, которое тем не менее обеспечивает доскональную проверку работы приемника.