ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

В последние годы наблюдается тенденция роста мобильного трафика в области видео и данных[1]. Согласно исследованиям WWRP (Wireless World Research Forum) ожидается, что в 2015 году объем трафика по всему миру составит 23 экзабайта, это аналогично тому, что 6,3 миллиарда человек будут скачивать каждый день по одной цифровой книге [2].

Сегодня существует множество операторов использующих самые разные стандарты и технологии, для создания и реализации беспроводных сетей. И поэтому очень остро стоит вопрос о взаимодействии их между собой. Конечно же, существуют мультистандартные радиотерминалы, а так же различные композитные сети для обеспечения доступа к множественным услугам. Однако развитие средств и систем беспроводной связи происходит значительно быстрее процессов стандартизации.

1. Актуальность темы 

На данный момент существуют две наиболее значимые проблемы в современных телекоммуникациях[3]:

– значительный рост мобильного трафика, при ограниченном частотном ресурсе;

– фактическое отсутствие общепринятых стандартов;

Решение этих проблем требует дальнейшего развития систем связи с использованием радиоконфигурованих подсистем, главной особенностью которых является пригодность к обновлению, за счет программных средств. Это дает возможность гибкой адаптации к новым стандартам, в значительной степени снимая вопрос совместимости. Но еще требует и некоторых дополнительных аппаратных средств, которые смогут поддерживать  одновременную работу в нескольких стандартах, сохраняя при этом способность взаимодействия сразу с двумя и более операторами. Оптимальным решением выступает технология Software Defined Radio (SDR)[4, 5], которая стала особенно популярной и востребованной в последние годы [6]. Разработанная модель в первую очередь ориентируется на потребности пользователей, поэтому рассматривается только приемная часть устройства.

2. Постановка цели и задач исследования 

 Вышесказанное определяет актуальность цели данной работы - расширение области применения реконфигурируемых подсистем и повышение эффективности использования ресурсов гетерогенной сети за счет совершенствования структуры и алгоритмов мультистандартного приемника. Совершенствование достигается путем объединения между собой структур гетеродинного приемника и программно-определяемого радио в одном устройтсве. Такое устройство позволит сократить номенклатуру аппаратных средств, необходимых для реализации нескольких телекоммуникационных услуг, за счет использования интегрированного комплекта оборудования. 

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

А) Обосновать возможность работы приемника сразу с несколькими стандартами, для чего необходимо:

  1. Провести обзор существующих технологий и оценить перспективы их совместного применения. Решить, на какие стандарты может быть рассчитано устройство.
  2. Предложить концепцию mai-мультистандартного оборудования. Рассмотреть существующие типовые решения и их пригодность для использования в составе устройства.

Б) Предложить структуру и алгоритм работы mai-МСП на базе SDR. Определить требования которым должен удовлетворять приемник. Провести анализ реализуемости и работоспособности разработки.

Объект исследования: оборудование гетерогенной сети объединенных операторов связи.

Предмет исследования: структура и алгоритмы мультистандартного приемника.

3. Решение задач и результаты исследований 

Мобильная связь третьего поколения строится на основе пакетной передачи данных. Сети третьего поколения 3G работают на частотах дециметрового диапазона, как правило, в диапазоне около 2 ГГц. Из всех существующих вариантов, достойны внимания только два наиболее распространенных, а именно CDMA[7, 8] и UMTS[9]. CDMA (Code Division Multiple Access) - технология  радиосвязи, при которой каналы передачи имеют общую полосу частот, но разную кодовую модуляцию. UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) разработана для модернизации сетей GSM и получила широкое распространение не только в Европе, но и во многих других регионах мира. Остальные стандарты 3-го поколения не имеют перспектив развития и их рассмотрение не является целесообразным[10].

Для сетей 4G Международным Союзом Электросвязи утверждены только два стандарта, которые отвечают всем требованиям - это LTE Advanced [11, 12] и Mobile WiMAX 802.16e[13, 14]. LTE (Long Term Evolution) - проект разработан консорциумом 3GPP  усовершенствования технологий мобильной передачи данных CDMA, UMTS. WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) - телекоммуникационная технология, разработанная с целью предоставления универсальной беспроводной связи на больших расстояниях для широкого спектра устройств.

Для дальнейшей разработки структуры необходимо конкретизировать диапазон частот, используемый каждым стандартом. А именно, указать спектры частот для передачи данных от абонента к базовой станции (Uplink) и от базовой станции к абоненту (Downlink). Однако поскольку в данной работе разрабатывается только модель приемника, то можно ограничиться спектром частот только канала Downlink. Итоговые данные приведены в таблице 1.

Таблица 1. - Основные характеристики стандартов UMTS,CDMA,LTE та WiMAX

Название технологии
Поколение (3 или 4)
Спектр частот для передачи данных. Тольки Downlink, МГц

 
Мин. ширина одного канала, МГц
Максимальная скорость передачіиданных (в теории)
Uplink, Мбит/с
Downlink, Мбит/с
UMTS
(W-CDMA)
3G
1958-2025
5

27
73,5
CDMA
3G
824-848
1,25

1,8
3,1
LTE
4G
2500-2540
20

172,8
326,4
WiMAX
4G
2600-2640
20

20

20

Проанализировав вышеприведенную таблицу, можно сделать вывод, что все выбранные нами технологии имеют предпосылки для объединения в рамках одного устройства, за счет переноса спектров в компактную область без их перекрытия. Такому подходу способствует наличие достаточно быстродействующих АЦП, способных обрабатывать суммарный групповой сигнал.

Реализация мультистандартности (объединение нескольких технологий в рамках одного устройства) может быть осуществлено ​​за счет использования двух принципов по которым работают мультистандартные терминалы:

  1. Переключение между несколькими технологиями.
  2. Параллельная работа нескольких технологий.

Обе вариации существенно отличаются друг от друга. Но когда мы говорим «мультистандартне оборудование», имеем в виду именно переключение между несколькими технологиями. Что бы избежать путаницы, введем отдельный термин для второй вариации - mai-мультистандартность (лат. multiple activa iunctio - множественные активные соединения), который предусматривает возможность параллельной работы нескольких технологий. Разработанный приемник будет работать по принципу mai-мультистандартности.

На данный момент существует не так много образцов мультистандартного оборудования:

  • система WiFi-Style, поддерживающая стандарты WiFi / CDMA / WiMAX / GSM[15];
  • мультистандартное мобильное WiFi-устройство для LTE TDD разработанное фирмой Huawei[15];
  • планшет компании «Ростелеком» поддерживающий стандарты CDMA / GSM / UMTS / HSPA[15;

    • Но все вышеприведенные устройства имеют один и тот же недостаток. А именно, они не могут одновременно получать данные сразу от нескольких операторов. Для того, чтобы решить эту проблему, в данной работе разработана структура mai-мультистандартного приемника (далее mai-МСП), поддерживающего множественные активные соединения. Иными словами пользователь будет иметь возможность получать данные от нескольких операторов мобильной связи одновременно. В качестве базовой технологии предлагается использовать SDR, что позволяет предложить модель mai-МСП с использованием 3 каналов (см. рис.1).

    Структурна схема mai-МСП 1-го рівня

    Рисунок 1 – Структурная схема mai-МСП 1-го уровня

    Хотя определены 4 наиболее перспективных стандарта, используется только три канала. Это связано с частотными диапазонами LTE и WiMAX, которые достаточно близки между собой, поэтому первый канал будет обрабатывать совместный сигнал. Второй канал предназначен для обработки сигналов из сетей, основанных на стандарте UMTS. И третий, для  базирующихся на технологии CDMA.

    В отличие от стандартного SDR-приемника[16, 17], частоты каждого из каналов фиксированы в определенном диапазоне. Так, как предполагается, что устройство работает только со строго определенным набором стандартов, перенастройка частоты нам не нужна[18].
       В структуре устройства присутствуют два АЦП, один из которых обрабатывает суммарные сигналы I, а второй Q, из всех трех каналов[19,20]. Это необходимо для поддержания заданных параметров скорости обработки сигналов. Демодуляция и последующая цифровая обработка осуществляется специализированными контроллерами с использованием выбранных программных средств[21, 22].

    Первичный и вторичный перенос спектра, подавление негативных компонент, формирования сигналов I и Q, а так же их объединения и аналогово-цифровое преобразование производится с помощью аппаратных средств. Двойной перенос спектра, в итоге позволяет уменьшить частоту квантования и таким образом снизить требования к быстродействию АЦП.

    Первичный перенос спектра производится с помощью гетеродинов и перемножителя[23]. Так же стоит учесть, что перед переносом сигнала нужно отсеять шумы и зеркальный канал, для этой цели используется преселектор. Вторичный перенос спектра будет осуществляется аналогично первичному. Формирование сигналов I и Q происходит одновременно с процессами вторичного переноса спектра, для чего задействованы гетеродины и фазовращатели. Объединения сигналов I и Q различных каналов осуществляют сумматоры. Обработка каждого из потоков параллельно проводится двумя АЦП. Дальнейшая обработка сигналов реализуется программными средствами, для чего предусмотрен блок обработки.

    Приемник удовлетворяет нескольким важным условиям. Во-первых, его структура организована таким образом, что он может поддерживать множественные активные соединения. Во-вторых, так как устройство работает с 4-мя различными стандартами, учтена полоса канала необходимая для каждого из них. В данном случае минимальный размер полосы канала - 40 МГц. Он необходим для наиболее «затратных» стандартов LTE и WiMAX. Эта полоса сигнала так же удовлетворяет с запасом требованиям стандартов UMTS и CDMA200. В-третьих, необходимо,чтобы спектры сигналов не перекрываюли друг друга, как при приеме, так и при переносе в нижние частоты, что демонстрируется в следующем примере.

    Так как в каждом из трех каналов происходят одинаковые преобразования сигнала, для примера рассмотрим только канал II. Сигнал от сети UMTS поступает на преселектор (на схеме обозначены ПФ2), где ослабляются все принятые сигналы в этой полосе, кроме необходимых нам.

    Как видно из рисунка 2 структура преобразования сигнала состоит из двух ступеней. Во время первой происходит существенное снижение частоты. Это необходимо для работы второго преобразования, в ходе которого сигналы переносятся в область нулевой полосы частот. Рассмотрим алгоритм более детально. Сигналы от сетей UMTS, CDMA и совместный сигнал LTE / WiMAX поступают на преселекторы (на схеме обозначены как ПФ1, 2,3). Там все принимаемые сигналы ослабляются, кроме необходимых нам.

    Розташування сигналів з 4 мереж в частотному діапазоні до обробки в приймачі

    Рисунок 2 – Расположение сигналов с 4 сетей в частотном диапазоне до обработки в приемнике

    Далее происходит перенос сигнала с гигагерцевого диапазона в мегагерцовой с помощью соответствующих смесителей и гетеродинов (1,2,3). ПФ1, ПФ2, ПФ2 обеспечивают подавление зеркального канала, возникающего после первого переноса спектра. Рассмотрим более подробно преобразования с понижением частоты. Входыми являются сигналы: радиочастотный (RF) и сигнал гетеродина (LO). На выходе формируется сигнал промежуточной частоты (IF). Выходной сигнал содержит как суммарные, так и разностные компоненты входных сигналов. Математически выходной сигнал можно описать на уровне гармонических компонент (1) - (3):

    Формула 1

    Используя тригонометрические уравнения, можно привести уравнение (3) к виду, содержащему сумму и разность частот:

    Формула 4

    Таким образом выход содержит суммарные и разностные компоненты входных сигналов. Дополнительная фильтрация на входе и выходе необходима для ослабления нежелательных компонентов сигнала, чтобы получить необходимые характеристики. Для выбранных нами частот (см. табл. 1) с учетом фильтрации, получим частоты сигналов на выходов первых преобразователей (см. табл. 2, рис. 2).

    Таблица 2. – Частоты стандартов UMTS, CDMA, LTE и WiMAX после первого переноса спектра

    Технология

     Частоти сигналів

    Первичный перенос спектра

    Вторичный перенос спектра
    Первичная частота, МГц
    Частота Гетеродина, МГц
    Итоговая частота, МГц
    Вторичная частота, МГц
    Частота Гетеродина, МГц
    Итоговая частотаа, МГц
    CDMA
    824

    637

    187
    187

    274

    -87
    848

    637

    211
    211

    274

    -63
    UMTS
    1985

    1700

    285
    285

    338

    -53
    2025

    1700

    325
    325

    338

    -13
    LTE
    2500

    2090

    410
    410

    400

    10
    2540

    2090

    450
    450

    400

    50
    WiMAX
    2600

    2040

    560
    560

    500

    60
    2640

    2040

    600
    600

    500

    100



    Розташування всіх сигналів в частотному діапазоні після першого переносу в мегагерцовий діапазон

    Рисунок 3 - Расположение всех сигналов в частотном диапазоне после первого переноса в мегагерцовый диапазон

    После ФПЧ (1,2,3) сигнал во второй раз переносится в область низких частот. Расчеты осуществляются по тем же формулам, что и в первый раз. Сам процесс осуществляется с помощью умножителей (4,5,6,7,8,9), фазовращателей (1,2,3) и гетеродинов (4,5,6). Синфазный сигнал формируется с помощью умножителей (5,7,9) и гетеродинов (4,5,6). Фазовращатели (1,2,3) и умножители (4,6,8) формируют квадратурный сигнал. На следующем этапе сигналы I из всех трех каналов суммируются и подаются на АЦП1, так же создается и суммарный сигнал Q и подается на АЦП2.

    Для второго преобразования влияние разности фаз является существенным, поэтому в дальнейших расчетах учтем фазовый сдвиг на девяносто градусов. Таким образом формула 4 распадается на две формулы:

    Формула 5

    Как видно из результата, зеркальные компоненты спектра можно подавить путем добавления составляющей I к составляющей Q сдвинутой относительно первой на девяносто градусов. Эту процедуру можно реализовать путем использования фильтра Гилберта в Q составляющих, предлагается осуществить это программными средствами.

    Дальнейшую обработку выделенного сигнала, фильтрацию и демодуляцию также предлагается выполнять программно, применяя для этого предполагаемые программные средства. Результаты расчетов спектров по вышеприведенным правилам приведены в таблице 2 и на рисунке 4.

    Рисунок 4 - Сигнали після перенесення в область роботи АЦП

    Рисунок 4 – Сигналы после перенесения в область работы АЦП

     (Анимация: 3 кадра, задержка между кадрами 1 с, количество циклов повторения — 50, размер 50 Кбайт, создана при помощи Gif Animator )

    Обоснована возможность реализовать объединение различных технологий в едином устройстве. Наиболее узким местом в проекте является АЦП. Но благодаря выбранной структуре и алгоритмам, удалось свести спектр всех сигналов к ширине в 200МГц, с которой могут работать современные АЦП[24]. На основе полученных данных выбран конкретный тип устройства (AD 9467-200) со следующими параметрами:

    1) Розрядность - 16 бит.

    2) MPLS - 200 МГц.

    В дальнейшем, при необходимости, можно реализовать возможность динамического управления спектром. Это позволит радиосистеме адаптироваться к внешним условиям, что повысит эффективность использования радиочастотных сигналов. Сама модель mai-МСП в этом случае будет относиться уже к когнитивному радио (Cognitive Radio, CR) [3, 25]


    Выводы

    1. Проведен обзор существующих технологий и выбраны стандарты с которыми работает устройство.
    2. Предложенная концепция mai-мультистандартного оборудования.
    3. Разработана структура и базовый алгоритм mai-МСП на базе SDR.
    4. Определены требования к разработанному приемнику и подтверждена возможность их выполнения.
    5. Приведен пример реализации для конкретного случая.

    Магистерская работа посвящена актуальной научной задаче - расширению области применения реконфигурируемых подсистем и повышения эффективности использования ресурсов гетерогенной сети за счет совершенствования структуры и алгоритмов мультистандартную приемника

    Дальнейшие исследования направлены на следующие аспекты:

    1. Декомпозицию программной и аппаратной части разработанного устройства.
    2. Исследование разработанного mai-мультистандартного приемника методами имитационного моделирования.
    3. Разработку рекомендаций по использованию устройства в телекоммуникациях.
    4. Оценку новых научных результатов, полученных в ходе исследования.

    При написании данного реферата магистерская работа была еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2013 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

    Перечень ссылок

    1. Гепко И.А., Олейник В.Ф., Чайка Ю.Д., Бондаренко А.В., Современные беспроводные сети: состояние и перспективы развития [Электронный ресурс] / Современные беспроводные сети, - Режим доступа: источник.
    2. Tafazolli, R.,  Technologies for the Wireless Future, volume 2, Wireless World Research Forum, (WWRF), John Wiley & Sons, Chichester, England, 2006.
    3. Friedrich K. Jondral, Software-defined radio: basics and evolution to cognitive radio, EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, Karlsruhe , Germany, August 2005, pp. 275-283.
    4. SDR forum [Электронный ресурс]. – Режим доступа: источник.
    5. Tuttlebee W., Software Defined Radio – Enabling technologies / Walter Tuttlebee. – John Wiley & Sons, 2002. – pp 428 .
    6. Reconfigurable Radio Systems (RRS): SDR Reference Architecture for Mobile Device //ETSI TR 102 680 V1.1.1 (2009-03).
    7. Diakoumis Gerakoulis, Evaggelos Geraniotis, CDMA: Access and Switching: For Terrestrial and Satellite Networks (Hardcover) Diakoumis Gerakoulis, Evaggelos Geraniotis 2001.
    8. Kiseon Kim, Insoo Koo, СDMA systems capacity engineering — Germany, August 2005, pp. 375-383. 
    9. Кааранен Х. Сети UMTS. Архитектура, мобильность, сервисы ⁄ Х. Кааранен, А. Ахтиайнен, Л. Лаитинен, С. Найян, В. Ниеми. – М.: Техносфера, 2008 – 468 с.
    10. Алексеев В., Можайков Д., Высокоскоростные сети мобильной связи поколения 3G. Часть 2. Технологии сетей мобильной связи HSPA. // Алексеев В., Можайков Д. - М.: «Сов. радио», 2011. Выпуск 2. С. 5–12.
    11. Moray Rumney, LTE and the Evolution to 4G Wireless: Design and Measurement Challenges. – Agilent Technologies, р 557 .
    12. Farooq Khan, LTE for 4G Mobile Broadband: Air Interface Technologies and Performance. – Cambridge University Press, р 492 .
    13. Коржов В., Беспроводные технологии передачи данных - стандарт радиодоступа WiMAX [Электронный ресурс] / Журнал "Computerworld", - Режим доступа: источник.
    14. Васильев В.Г., Технология фиксированного широкополосного беспроводного доступа WiMAX [Электронный ресурс], - Режим доступа: источник.
    15. Хабрахабр – самое крупное в Рунете сообщество людей, занятых в индустрии высоких технологий [Электронный ресурс]— Режим доступа: источник .
    16. Mitola J., “The software radio architecture,” IEEE Communications Magazine, pp. 26–38, May 1995.
    17. Kenington P. B., RF and Baseband Techniques for Software Defined Radio / P. B. Kenington // Artech House,2005— 352 pp.
    18. Сиверс А.П., Проектирование радиоприемных устройств.  /  Сиверс П.А. — М.: «Сов. радио», 1976. — 487 c.
    19. Windisch M. , Fettweis Blind G. , I/Q-imbalance parameter estimation and compensation in low-IF receivers [Электронный ресурс]. – Режим доступа: источник.
    20. I/Q Signal Mismatch Theory [Электронный ресурс]. – Режим доступа: источник.
    21. Лайонс Р., Цифровая обработка сигналов / Р Лайонс – М.: Бином-пресс, 2000 – 300 с.
    22.  Лайонс Р., Цифровая обработка сигналов / Ричард Лайонс. – М.: Бином, 2006 – 656 с
    23. Поляков В. Т., Радиолюбителям о технике прямого преобразования / В. Т. Поляков — М.: Патриот, 1990 — 264 с.
    24. Богданович Б. М., Радиоприемные устройства с большим динамическим диапазоном / Б. М. Богданович — М.: Радио и связь, 1984 — 176 с.
    25. Sinisa Tasic, HF SDR (Software Defined Radio) receivers [Электронный ресурс] / Tasic Sinisa — Режим доступа: источник.