Воропаева В.Я., Красикова А.С., Турупалов В.В., Шебанова Л.А. Исследование влияния свойств среды на логические каналы радиодоступа WCDMA для стандарта UMTS. Проведена оценка характеристик системы UMTS, использующая в качестве радиодоступа стандарт WCDMA, и выяснено влияние свойств среды на логические каналы (DTCH и DCCH).
В последние годы пользователи мобильных сетей нуждаются в высоких скоростях передачи данных. Одной из причин такой тенденции является Internet. Число интернет-пользователей возрастает в геометрической прогрессии на протяжении последних лет и эта тенденция, вероятно, продолжится в ближайшие годы. В связи с высоким проникновением мобильных телефонов в повседневную жизнь многих людей стало очевидно, что они могут быть очень удобным инструментом для доступа в Internet. Чтобы сделать это возможным, скорости не только необходимо было увеличить, но и обеспечить требуемое качество обслуживания (QoS) и в тоже время, сделать сотовую мобильную сеть конкурентоспособной по сравнению с другими мобильными технологиями. В результате этого был разработан стандарт мобильной связи 3-го поколения группой 3GPP, которая в Европе получила название универсальной мобильной телекоммуникационной системы (UMTS) [1].
В начале своего развития система UMTS заимствовала множество элементов и функциональных принципов у системы GSM, а новые и наиболее значимые решения были предложены в области радиодоступа. Концепция UMTS предусматривает усовершенствованную технологию доступа, а именно широкополосный радиодоступ. Для его реализации используется технология широкополосного многостанционного доступа с кодовым разделением (WCDMA). Технология WCDMA появилась в развитие метода CDMA, который, будучи признанной и проверенной технологией, продолжает использоваться в военных целях, а также в узкополосных сетях сотовой связи, особенно в США [2].
В отличии от GSM, в стандарте UMTS есть возможность высокоскоростной передачи данных в двух направлениях. Для этого были разработаны два радиоинтерфейса: от базовой станции к абоненту HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) и от абонента к базовой станции HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) [3].
Надежность мобильной связи и качество передачи информации зависят от нескольких факторов: типа местности, погодных условий, загрузки сети и электромагнитной обстановки. Абонент не может быть уверенным, что услуги будут предоставлены качественно в любом месте и в любое время. Кроме того, скорость и качество передачи данных, в случае использования в качестве радиодоступа радиоинтерфейса WCDMA, зависят от скорости передвижения абонента в сети [4].
Главной проблемой, требующая решения и постоянного внимания, является зависимость перечисленных факторов, воздействующих на мобильную связь, от качества предоставления услуг абоненту. Чтобы достичь высокого уровня качества функционирования мультимедийной сотовой сети необходимо осуществлять тщательное планирование сети и проводить оптимизацию основных параметров к новым условиям, которые возникают в процессе эксплуатации.
Для обеспечения высокого уровня качества предоставляемых услуг, операторы мобильных сетей проводят постоянного мониторинг параметров реальной системы, применяют методы математического и компьютерного моделирования [5].
Целью данной статьи является провести оценку характеристик системы UMTS, использующая в качестве радиодоступа стандарт WCDMA, и выяснить влияние свойств среды на логические каналы (DTCH и DCCH). DTCH – выделенный канал трафика для одной услуги, которая передается в нисходящем направлении. DCCH – выделенный канал управления, по которому передается информация о присутствии активного выделенного соединения. Для решения поставленной задачи будет использована имитационная модель предложенной в программном комплекте Matlab.
В системе WCDMA каналы разделяются на три уровня: логические каналы, транспортные каналы и физические каналы. Логические каналы представляют тип информации, подлежащей передаче, транспортные каналы показывают, как будут передаваться логические каналы, а физические каналы представляют «среды передачи», обеспечивающие радиоплатформу, которая фактически распространяет информацию. Существенную роль в процессе передачи играет среда распространения радиоволн, параметры которой могут изменятся под влиянием естественных и искусственных факторов. Данная имитационная модель позволяет максимально точно учитывать влияние каждого фактора и исследовать процесс функционирования реальной сети [2].
Модель состоит из семи подсистем, функции которых приведены в табл. 1.
Таблица
1 – Функции подсистем имитационной модели в MatLab
| Подсистема | Функция |
| WCDMA DL Tx Channel Coding Scheme | Транспортный канал кодирования и мультиплексирования |
| WCDMA Tx Physical Channel Mapping | Физический канал отображения |
| WCDMA BS Tx Antenna | Модуляция и распространение |
| WCDMA Channel Model | Модель канала |
| WCDMA UE Rx Antenna | Прием и демодуляция |
| WCDMA Rx Physical Channel Demapping | Физический канал выделения |
| WCDMA DL Tx Channel Decoding Scheme | Транспортный канал декодирования и демультиплексирования |
Для исследования функционирования абонентской линии в направлении «вниз» системы мобильной связи третьего поколения рассмотрен процесс передачи информации сигнала со следующими скоростями:
– речь, 12,2 кбит/с;
– передача данных, 64 кбит/с;
– передача мультимедийных данных, 144 кбит/с;
– высококачественный потоковый звук или потоковое видео с низким расширение, 384 кбит/с.
Измерение вероятности появления ошибочного бита в логических каналах DTCH и DCCH осуществляется прибором для детектирования ошибок (BER). На один из его входов подается сигнал, который прошел канал связи, на другой – сигнал с выхода генератора.
Для данной модели определено шесть профилей, которые отвечают за различные условия функционирования абонентской линии связи:
Профиль 1 – абонент не движется, на приемник поступает один прямой сигнал, многолучевое распространение отсутствует.
Профиль 2 – абонент движется со скорость 3 км/ч (скорость пешехода), на приемник поступают один прямой и один отраженный сигналы (–10 дБ) с малой задержкой (976 нс).
Профиль 3 – абонент движется со скоростью 120 км/ч, на приемник поступают один прямой и три отраженных сигнала с разной мощностью (–3 дБ, –6 дБ, –9 дБ) и разной задержкой (260 нс, 521 нс, 781 нс).
Профиль 4 – абонент движется со скоростью 3 км/ч, на приемник поступают один прямой и один отраженный сигналы с большой мощностью (0 дБ) и малой задержкой (976 нс).
Профиль 5 – абонент движется со скоростью 50 км/ч, на приемник поступают один прямой и один отраженный сигналы –10 дБ) с малой задержкой (976 нс).
Профиль 6 – абонент движется со скорость 250 км/ч, на приемник поступают один прямой и три отраженных сигнала с разной мощностью (–3 дБ, –6 дБ, –9 дБ) и разной задержкой (260 нс, 521 нс, 781 нс).
Данная имитационная модель была использована для определения зависимости вероятности появления ошибочного бита в логических каналах от отношения сигнал/шум в канале связи для различных профилей и скоростей передачи. В табл. 2 приведены полученные значения.
Таблица 2 – Зависимость появления ошибочного бита в DTCH и DCCH от соотношения сигнал/шум
| С/Ш, дБ | 12,2 кбит/с | 64 кбит/с | 144 кбит/с | 384 кбит/с | ||||
| DTCH | DCCH | DTCH | DCCH | DTCH | DCCH | DTCH | DCCH | |
| Профиль 1 | ||||||||
| –10 | 0 | 0 | 0,0207 | 0 | 0,4094 | 0,41 | 0,4922 | 0,51 |
| –6 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0,0012 | 0 | 0,4144 | 0,36 |
| –2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0,002 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 6 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 10 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 20 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Профиль 2 | ||||||||
| –10 | 0,502 | 0,52 | 0,4863 | 0,47 | 0,4972 | 0,49 | 0,5023 | 0,41 |
| –6 | 0,3781 | 0,55 | 0,5023 | 0,47 | 0,4983 | 0,49 | 0,5033 | 0,5 |
| –2 | 0,2234 | 0,42 | 0,4859 | 0,51 | 0,5028 | 0,57 | 0,5048 | 0,55 |
| 0 | 0,1465 | 0,35 | 0,4754 | 0,38 | 0,505 | 0,54 | 0,4927 | 0,57 |
| 6 | 0 | 0 | 0,2277 | 0,19 | 0,3613 | 0,55 | 0,3551 | 0,53 |
| 10 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0,1321 | 0 | 0,2134 | 0,37 |
| 20 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Профиль 3 | ||||||||
| –10 | 0 | 0 | 0,0047 | 0 | 0,2958 | 0,42 | 0,4931 | 0,5 |
| –6 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0,001 | 0 | 0,3856 | 0,38 |
| –2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0,0343 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0,0026 | 0 |
| 6 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 10 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 20 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Профиль 4 | ||||||||
| –10 | 0,3289 | 0,61 | 0,5008 | 0,58 | 0,5021 | 0,35 | 0,5009 | 0,48 |
| –6 | 0,2193 | 0,43 | 0,4426 | 0,47 | 0,4899 | 0,5 | 0,4987 | 0,51 |
| –2 | 0,126 | 0,3 | 0,25 | 0,47 | 0,3453 | 0,53 | 0,3836 | 0,54 |
| 0 | 0,0912 | 0,12 | 0,2477 | 0,39 | 0,2663 | 0,43 | 0,3132 | 0,48 |
| 6 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0,1528 | 0 | 0,2023 | 0,52 |
| 10 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0,0767 | 0 |
| 20 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Профиль 5 | ||||||||
| –10 | 0,1096 | 0,17 | 0,2988 | 0,46 | 0,4738 | 0,54 | 0,5006 | 0,44 |
| –6 | 0 | 0 | 0,0051 | 0,28 | 0,1609 | 0,21 | 0,4544 | 0,55 |
| –2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0,0014 | 0,04 | 0,2547 | 0,51 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0,1476 | 0,49 |
| 6 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 10 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 20 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Профиль 6 | ||||||||
| –10 | 0 | 0 | 0,0273 | 0 | 0,3068 | 0,3 | 0,4895 | 0,43 |
| –6 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0,004 | 0 | 0,3719 | 0,01 |
| –2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0,0304 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 6 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 10 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 20 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Рассмотрим рис. 1 и рис. 2, так как они иллюстрируют случай с наименьшей скоростью передачи данных.
Рисунок 1 – График зависимости появления ошибочного бита в канале DTCH от соотношения сигнал/шум для скорости 64 кбит/с
Рисунок 2 – График зависимости появления ошибочного бита в канале DСCH от соотношения сигнал/шум для скорости 64 кбит/с
Наилучшие результаты были получены для профилей 1, 3, 6, которые отображают случаи, когда абонент подвижный и неподвижный, на вход приемника поступают один прямой и три отраженных сигнала. Наихудшие результаты были получены для профилей 2, 4, 5, которые отображают случаи, когда абонент находится в движении, на вход приемника поступают один прямой и один отраженный сигналы.
Модель, предложенная в программном комплекте Matlab, позволяет сделать оценку качества функционирования UMTS на линии от базовой станции к абоненту.
Для удобства использования модели предусмотрен список профилей, которые отображают наиболее характерные условия функционирования радиочастотного канала.
Недостатком данной модели можно считать невозможность исследования случая, когда в сети присутствует несколько абонентов, которые создают помехи друг другу.
После анализа полученных результатов, можно сделать несколько выводов:
1. При увеличении скорости передачи данных в логических каналах WCDMA увеличивается вероятность появления ошибочного бита.
2. Эффективность работы приемника повышается с увеличением количества принимаемых корреляторов, так как дополнительные корреляторы лучше разделяют многолучевые сигнальные компоненты. Обычно в приемнике абонентского терминала используется 3–4 коррелятора.
1. Chevallier C. WCDMA (UMTS) Deployment Handbook. Planning and optimization ⁄ Christophe Chevallier – John Wiley & Sons LTD, England, 2006 – 390 p.
2. Кааранен Х. Сети UMTS. Архитектура, мобильность, сервисы ⁄ Х. Кааранен, А. Ахтиайнен, Л. Лаитинен, С. Найян, В. Ниеми. - М.: Техносфера, 2008 – 468 с.
3. Невдяев Л.М. Мобильная связь 3-го поколения ⁄ Л.М. Невдяев, под ред. Ю.М. Горностаева. – М.: Международный центр научной и технической информации, ООО «Мобильные коммуникации», 2000 – 208 с.
4. Шувалов В.П. Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие в 3 томах. Том 3. Мультисервисные сети ⁄ В.В. Величко, Е.А. Субботин, В.П. Шувалов, А.Ф. Ярославцев; под ред. профессора В.П. Шувалова. – М.: Горячая линия–Телеком, 2005 – 592 с.
5. Ипатов В.П. Системы мобильной связи: Учебное пособие для вузов ⁄ В.П. Ипатов, В.К. Орлов, И.М. Самойлов, В.Н. Смирнов, под. ред. В.П. Ипатова. – М.: Горячая линия–Телеком, 2003 – 272 с.