Анализ пропускной способности систем сотовой связи, использующих координированную передачу сигналов базовыми станциями для подавления взаимных непреднамеренных помех тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Морозов Григорий Владимирович

АНАЛИЗ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ СИСТЕМ СОТОВОЙ СВЯЗИ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ КООРДИНИРОВАННУЮ ПЕРЕДАЧУ СИГНАЛОВ БАЗОВЫМИ СТАНЦИЯМИ ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ ВЗАИМНЫХ НЕПРЕДНАМЕРЕННЫХ ПОМЕХ

01.04.03 - радиофизика

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

3 МАР 2015

Нижний Новгород - 2015

005559913

005559913

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук профессор Мальцев A.A.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор Плужников А.Д. НГТУ им. P.E. Алексеева

кандидат технических наук Аверин И.М.

ОАО «Нижегородское НПО им. М.В. Фрунзе»

Ведущая организация:

Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН)

Защита состоится « 25 »

марта

2015 г. в 15:00 на

заседании диссертационного совета Д 212.166.07 при Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского по адресу: Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23, корп. 1 ауд. 420 .

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.

Автореферат разослан « » ф&^аЛр 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета /

к.ф.-м.н., доцент ^Ъгъ^? Черепенников В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность темы диссертации

В течение последних десяти лет наблюдается экспоненциальный рост числа абонентов сотовых радиосетей (МСЭ, 2013). Это, в первую очередь, связано с массовым распространением новых мобильных устройств, таких как, сотовые телефоны, смартфоны, планшетные компьютеры, ноутбуки и т.п., которые активно используются для доступа в сеть Интернет, просмотра мобильного телевидения, высокоскоростного обмена данными между устройствами и т.д. Проблема повышения пропускной способности систем сотовой радиосвязи привела к созданию, так называемых, сотовых систем четвёртого поколения (4G). В отличие от сотовых систем предыдущего третьего поколения (3G), изначально ориентированных только на передачу голосовых данных, т.е. на мобильную телефонию, системы связи 4G ориентированы на универсальную (пакетную) передачу данных любого типа. Также, для повышения скорости и надёжности передачи информации одновременно большому числу абонентов, в системах 4G применяется технология множественного доступа с ортогональным частотным разделением OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) и пространственно-временная обработка сигналов на многоэлементных приёмно-передающих адаптивных антенных решётках (MIMO, от англ. Multiple Input — Multiple Output, что означает систему связи со многими антеннами на передатчике, т.е. на входе канала связи, и многими антеннами на приёмнике, т.е. на выходе канала связи) (Paulraj A., Nabar R., GoreD., 2008). Таким образом, можно сказать, что принципиальным отличием систем сотовой радиосвязи четвёртого поколения является применение MIMO-OFDMA технологии. В качестве примера MIMO-OFDMA системы связи можно привести развёрнутую универсальную систему наземного радиодоступа E-UTRA (Evolved Universal Terrestrial Radio Access) Release 10/11, известную под названием Long Term Evolution —Advanced (LTE-A), a также сотовую систему радиосвязи WirelessMAN-Advanced (стандарт IEEE 802.16m, известный как WiMAX-Advanced).

В настоящее время рост общего объёма передачи информации в системах сотовой радиосвязи продолжается, и по имеющимся прогнозам к 2018 году этот объём возрастёт более чем в 10 раз по сравнению с уровнем 2013 года (Cisco, 2014). Поэтому при проектировании перспективных систем связи одной из основных задач является значительное повышение их пропускной способности. Классическим подходом к решению этой задачи является увеличение излучаемой мощности и/или ширины полосы частот передаваемых сигналов. Однако существуют и альтернативные подходы, связанные прежде всего с увеличением плотности покрытия радиосети, т.е. с увеличением общего числа базовых станций, работающих на одинаковых несущих частотах (Stocker А.С., 1986). Недостатком подобного способа повышения пропускной способности системы связи является возрастание

уровня взаимных непреднамеренных помех в приёмниках абонентов от соседних базовых станций. В результате, помехи со стороны мешающих станций становятся одной из основных причин, ограничивающих дальнейший рост пропускной способности современных систем сотовой радиосвязи.

Помимо плотности размещения базовых станций, другим фактором, влияющим на уровень помех в приёмниках абонентов, является применение в сотовых радиосетях схем выравнивания уровней загруженности каналов базовых станций (Siomina I., 2012). Особенно остро эта проблема стоит в, так называемых, неоднородных сетях (Heterogeneous Networks, HetNets) с различными типами базовых станций (Damnjanovic А., 2011). Развёртывание таких сотовых сетей предполагает размещение в зонах обслуживания традиционных базовых станций (макростанций) дополнительных станций (пикостанций), имеющих относительно небольшую излучаемую мощность. Хотя малая мощность сигналов, излучаемых пикостанциями, способствует понижению уровня непреднамеренных помех от этих станций, зона покрытия пикостанций, а следовательно и число абонентских соединений с ними, существенно меньше по сравнению с макростанциями. Это приводит к неравномерной загруженности частотных каналов базовых станций различных типов. Для повышения эффективности работы неоднородной радиосети в этом случае необходимо применять схемы выравнивания уровней загруженности разных базовых станций. Основная идея таких схем состоит в переключении абонентского соединения с более загруженной макростанции на соседнюю (ближайшую к абоненту) менее загруженную пикостанцию. Переназначение соединения с макро- на пикостанцию, как правило, приводит к тому, что станция, изначально обслуживающая абонента, после переключения соединения становится для него сильным источником непреднамеренных помех. Как следствие, среднее значение отношения сигнал/помеха в приёмнике пользователя при использовании схем выравнивания может существенно понизиться.

Для компенсации непреднамеренных внутриканальных помех в современных MIMO-OFDMA системах сотовой связи широко применяются методы адаптивной пространственной обработки сигналов на многоэлементной приёмной антенне абонента (Давыдов А. В., 2011). Хорошо известно, что пространственная обработка сигналов на приёмнике позволяет ослабить помехи от соседних станций, например, путём формирования оптимальной диаграммы направленности антенной решётки (Монзинго Р. А., Миллер Т. У., 1986). Однако, в силу небольшого числа антенных элементов у приёмника абонента, эффективность использования такой обработки ограничена. Поэтому, в дополнение к методам компенсации помех на стороне приёмника пользователя в сотовых системах связи могут использоваться различные способы подавления помех на передатчиках базовых станций (Флаксман А. Г., 2002). Многочисленные теоретические исследования показывают, что для эффективной борьбы с помехами можно проводить

предварительную оптимальную пространственную обработку передаваемых сигналов на нескольких базовых станциях, имеющих между собой высокоскоростные линии связи. Благодаря возможности размещать большее количество антенных элементов на стороне передатчика базовой станции данный подход к борьбе с помехами оказывается достаточно эффективным (Karakayali М.К., Foschini G.J., Valenzuela R.A., 2006). Кроме того, применение специальных алгоритмов адаптивного распределения (планирования) физических (частотно-временных) ресурсов на базовых станциях сети способствует дальнейшему повышению помехоустойчивости систем сотовой связи.

Одним из наиболее перспективных стандартов MIMO-OFDMA систем сотовой радиосвязи, который поддерживает механизмы перераспределения потоков данных («трафика») между макро- и пикостанциями, а также контролирует уровень взаимных внутриканальных помех, является стандарт LTE-A. Управление трафиком и взаимными помехами в стандарте LTE-A можно осуществлять с помощью двух типов схем передачи данных: схемы координированной во времени передачи данных между разными типами базовых станций (enhanced Inter-Cell Interference Coordination, elCIC) и семейства схем координированной пространственной обработки и передачи сигналов с нескольких базовых станций внутри некоторого кластера (Coordinated Multi-Point operation, СоМР).

В схеме elCIC координация передачи происходит между базовыми станциями разного типа в неоднородной радиосети посредством квазистатического выделения части временных ресурсов (подкадров, в терминологии LTE-A), на которых активность передающих макростанций существенно ограничивается путём понижения мощности посылаемых сигналов или полного прекращения передачи данных. Уровень внутриканальных помех, создаваемых макростанциями в течение этих временных ресурсов, существенно снижается, что способствует повышению величины отношения мощности полезного сигнала к суммарной мощности шума и помех (ОСШП) в приёмниках пользователей, обслуживаемых небольшими пикостанциями.

В схемах СоМР осуществляется быстрая динамическая координация между соседними базовыми станциями любого типа. При этом понижение уровня внутриканальных помех достигается за счёт совместной координированной пространственной обработки передаваемых сигналов на адаптивных антеннах базовых станций, принадлежащих к одному кластеру, для каждого подкадра LTE-A, а также благодаря совместному планированию физических ресурсов для передачи сигналов абонентам. Такая быстрая обработка сигналов требует наличия между координируемыми базовыми станциями линий связи с малой задержкой и высокой пропускной способностью для интенсивного обмена служебной информацией и данными, если это необходимо.

В общем случае схемы СоМР можно разделить на две группы: схемы Joint Processing (JP) СоМР с совместной обработкой полезных сигналов множества абонентов и схемы Coordinated Scheduling and Coordinated Beamforming (CS/CB) СоМР с координированным планированием физических ресурсов и адаптивным формированием диаграмм направленности на нескольких соседних базовых станциях при передаче и приёме сигналов. Дополнительно в подклассе JP СоМР принято выделять две схемы. Схему Joint Transmission (JT) СоМР, с совместной передачей одинаковых полезных сигналов одному абоненту одновременно с нескольких станций и их последующим когерентным приёмом на стороне абонента, и схему Dynamic Point Selection (DPS) CoMP, с быстрым адаптивным выбором наилучшей передающей базовой станции для абонента в зависимости от текущих условий распространения сигналов, уровня помех и загруженности сети. Главное отличие схем JP СоМР от CS/CB СоМР заключается в том, что для каждого подкадра передача полезных сигналов абоненту в схеме CS/CB СоМР осуществляется одной обслуживающей базовой станцией, тогда как в схемах JP СоМР полезный сигнал может передаваться абоненту с нескольких соседних базовых станций. Поэтому в схемах JP СоМР, помимо служебной информации, используемой для координации параметров передачи, базовым станциям необходимо обмениваться данными для передачи пользователям, что существенно повышает требования к пропускной способности линий связи между станциями и точности синхронизации станций. Напротив, схема CS/CB СоМР оказывается менее чувствительной к ошибкам синхронизации, поскольку передача полезного сигнала для абонента всегда осуществляется с одной базовой станции. Подавление взаимных непреднамеренных помех в схеме CS/CB СоМР достигается путём подстройки диаграмм направленности передающих антенн и/или поляризаций сигналов соседних станций, поэтому обмен данными между базовыми станциями для передачи пользователям не нужен, что понижает требования к пропускной способности линий связи. Отметим, что схема CS/CB СоМР может быть реализована на базе уже развёрнутых опорных сетей.

Одним из подходов к практической реализации схем СоМР в MIMO-OFDMA системах сотовой связи является развёртывание радиосети с централизованной архитектурой C-RAN (Centralized Radio Access Network). Базовые станции радиосети C-RAN объединяются в кластеры по принципу географического расположения с одним центральным узлом (процессором) для цифровой обработки сигналов от всех станций, входящих в один кластер. Поэтому такие базовые станции представляют собой фактически удалённые упрощённые радиоузлы, которые в нисходящем канале используются только для цифро-аналогового преобразования сигнала от центрального процессора, переноса полученного сигнала с видеочастоты на радиочастоту и излучения радиочастотного сигнала с передающей антенны станции кластера. В восходящем канале удалённые радиоузлы используются для приёма радиочастотного сигнала абонента, переноса с радиочастоты на видеочастоту и аналого-цифрового преобразования. В то же время, цифровая обработка

сигналов для всех базовых станций проводится локально в центральном процессоре кластера. Центральный процессор, по сути, является высокопроизводительным программно-аппаратным комплексом, который осуществляет централизованное планирование доступных физических ресурсов для всех радиоузлов кластера, адаптивный выбор формата передачи, т.е. схем модуляции и скорости помехоустойчивого кодирования, а также пространственную обработку сигналов. Для управления работой станций кластера и обмена данными центральный процессор и все координируемые им станции соединены высокоскоростными линиями связи с малой задержкой (например, волоконно-оптическими или радиорелейными).

Хотя анализу схем координации базовых станций посвящено достаточно много работ (см., например, (Shirakabe М., 2011), (Lee D., 2012), и др.), в известных нам публикациях подробный сравнительный анализ эффективности схем elCIC и различных схем СоМР не проводился.

Настоящая диссертация посвящена разработке и анализу методов координированной передачи данных в неоднородных радиосетях MIMO-OFDMA систем сотовой связи для борьбы с взаимными непреднамеренными помехами.

Актуальность выбранной темы диссертации подтверждается большим объёмом публикаций в научно-технических изданиях, посвященных этому вопросу, а также активной работой в данном направлении, которая проводится ведущими компаниями-производителями телекоммуникационного оборудования (Ericsson, Intel, Nokia/NSN, Qualcomm, Samsung и др.) и рабочими группами комитетов по разработке и стандартизации новых поколений систем сотовой радиосвязи (3GPP, IEEE).

Основные направления исследований

В данной работе, для схемы CS/CB СоМР предлагается исследовать алгоритмы перераспределения абонентских соединений между базовыми станциями в неоднородной сотовой радиосети и новые способы пространственной обработки сигналов для понижения уровня взаимных непреднамеренных помех за счёт адаптивного согласования поляризаций сигналов на антенных решётках нескольких базовых станций, принадлежащих одному кластеру.

Исследуются схемы JP СоМР с использованием новых субоптимальных алгоритмов вычисления диагрммообразующих векторов передающих антенн базовых станций и эффективных процедур планирования частотно-временных ресурсов для быстрой обработки сигналов центральными процессорами в неоднородных сотовых радиосетях с архитектурой C-RAN.

Проводится сравнительный анализ пропускной способности MIMO-OFDMA систем сотовой связи на основе стандарта LTE-A, использующих схемы координированной передачи данных elCIC и СоМР. При этом, для всех схем СоМР исследуется зависимость эффективности схемы от числа базовых станций, участвующих в координации, т.е. от размера кластера.

Задачи работы

1. Разработка модели МГМО-ОРОМА системы сотовой радиосвязи на основе стандарта ЬТЕ-А для численного моделирования работы неоднородной сотовой радиосети и получения количественных оценок эффективности различных схем координации базовых станций.

2. Анализ помеховой обстановки в неоднородных сотовых сетях с переключением абонентских соединений между базовыми станциями разных типов и исследование схем еЮС для борьбы с возникающими взаимными непреднамеренными помехами.

3. Разработка и исследование схем СБ/СВ СоМР, применяемых совместно с механизмом перераспределения абонентских соединений в неоднородных сотовых сетях.

4. Исследование схемы СБ/СВ СоМР, в которой для борьбы с взаимными непреднамеренными помехами применяется адаптивное согласование поляризаций передаваемых сигналов на антенных решётках координируемых базовых станций.

5. Разработка субоптимальных (быстрых) алгоритмов формирования диаграмм направленности антенн координируемых базовых станций и планирования физических ресурсов МГМО-ОРОМА системы сотовой связи для передачи сигналов абонентам в схемах 1Р СоМР.

6. Исследование зависимости эффективности рассматриваемых схем СоМР от числа базовых станций, участвующих в координации, и сравнительный анализ схем СоМР с базовой схемой еЮС.

Методы исследований

При решении поставленных задач использовались методы статистической радиофизики, теории информации, высшей алгебры, векторного анализа и теории матриц, а также численное (компьютерное) моделирование.

Научная новизна

Научная новизна работы заключается как в постановке ряда нерешенных ранее задач, так и в полученных оригинальных результатах:

Предложен механизм переключения абонентских соединений с макро-на пикостанции в неоднородных сотовых радиосетях для схем С8/СВ СоМР и исследована зависимость эффективности подавления внутриканальных помех в данных схемах от размера кластера.

Предложен и исследован новый способ координированной пространственной обработки сигналов в МГМО-ОРОМА системах сотовой радиосвязи, основанный на адаптивном согласовании поляризаций передаваемых сигналов на антенных решётках координируемых базовых станций.

Предложен оригинальный алгоритм совместного формирования диаграмм направленности базовых станций и планирования ресурсов для совместной передачи сигналов по схеме JT СоМР в неоднородной сотовой радиосети и исследована зависимость эффективности подавления внутриканальных помех в данной схеме от размера кластера.

Предложен оригинальный алгоритм планирования ресурсов для схемы с динамическим выбором передающих базовых станций DPS СоМР в неоднородной сотовой радиосети и исследована зависимость эффективности подавления внутриканальных помех в данной схеме от размера кластера.

Практическая значимость результатов

Практическая значимость результатов работы состоит в разработке новых эффективных алгоритмов координированной обработки и передачи сигналов на базовых станциях современных и перспективных MIMO-OFDMA систем сотовой связи для борьбы с взаимными непреднамеренными помехами.

Обоснованность и достоверность

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов, сформулированных в настоящей диссертации, подтверждается их сравнением с результатами численного моделирования, соответствием с опубликованными ранее результатами в данной области, а также отсутствием противоречий результатов диссертации с известными теоретическими положениями статистической радиофизики и теории информации.

Положения выносимые на защиту

Алгоритм перераспределения абонентских соединений между базовыми станциями в неоднородных сотовых радиосетях, использующих схему CS/CB СоМР. Результаты исследования зависимости пропускной способности MIMO-OFDMA системы связи, использующей предложенную схему, от числа координируемых базовых станций в кластере, а также результаты сравнительного анализа со схемой elCIC.

Схема CS/CB СоМР для борьбы с непреднамеренными помехами между координируемыми базовыми станциями с помощью согласования поляризаций сигналов, передаваемых станциями.

Быстрый алгоритм совместного формирования диаграмм направленности координируемых базовых станций и планирования ресурсов для схемы JT СоМР. Результаты исследования зависимости пропускной способности MIMO-OFDMA системы связи, использующей данную схему, от числа координируемых базовых станций в кластере, а также результаты сравнительного анализа со схемой elCIC.

Алгоритм планирования ресурсов для схемы DPS СоМР. Результаты исследования зависимости пропускной способности MIMO-OFDMA системы

связи, использующей данную схему, от числа координируемых базовых станций в кластере, а также результаты сравнительного анализа со схемой elCIC.

Апробация результатов и публикации

Основные материалы по теме диссертации опубликованы в 10 работах. Среди них 3 статьи в рецензируемых изданиях из списка ВАК («Известия вузов. Радиофизика» [1,2], «Вестник ННГУ. Серия Радиофизика» [3]), 4 работы, представляющие собой опубликованные материалы докладов на международных научно-технических конференциях [4-7] и 3 патента на изобретение [8-10].

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях:

- Международные конференции

• International Congress on Ultra Modem Télécommunications and Control Systems and Workshops (ICUMT) 2010, г. Москва, Россия

• ICUMT 2012, г. Санкт-Петербург, Россия

• IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC) 2013, г. Лондон, Великобритания

• IEEE Global Communications Conférence (GLOBECOM) Workshops 2013, г. Атланта, США

- Регулярные конференции комитета 3GPP для разработчиков стандарта

LTE-А (2011-2012 гг.).

Личный вклад автора

Диссертант принимал непосредственное участие в получении всех результатов изложенных в диссертационной работе. Он участвовал в постановке задач, выполнении аналитических расчетов и разработке программного обеспечения для проведения численного моделирования, а также в обсуждении полученных результатов.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка цитируемой литературы и списка сокращений. Общий объем диссертации составляет 108 страниц, включая 20 рисунков, 11 таблиц и список литературы из 62 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована тема диссертационного исследования, изложено современное состояние проблемы, связанной с темой диссертации, приведён обзор соответствующей литературы и сформулированы результаты диссертационной работы, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации описана модель MIMO-OFDMA системы сотовой радиосвязи (см. Рис. 1) на основе перспективного стандарта LTE-A, которая используется в численном моделировании работы неоднородных сотовых сетей для получения количественных оценок эффективности схем координированной передачи данных, рассмотренных в настоящей работе.

В разделе 1.1 рассмотрены основы технологии множественного доступа с ортогональным частотным разделением OFDMA, которая применяется в стандарте LTE-A для передачи сигналов от базовых станций обслуживаемым абонентам.

В разделе 1.2 изложены базовые принципы пространственной обработки сигналов в системах радиосвязи с многоэлементными приёмными и передающими антенными решётками (Multiple Input — Multiple Output, MIMO).

В разделе 1.3 описаны механизмы измерения частотных характеристик пространственных (MIMO) каналов на стороне приёмника пользователя и отправки полученной канальной информации на передающую базовую станцию для последующего выбора весовых векторов антенной рещётки передатчика и параметров сигнала, т.е. схемы модуляции и скорости помехоустойчивого кодирования.

В разделе 1.4 описана процедура распределения физических ресурсов MIMO-OFDMA системы сотовой связи для передачи сигналов обслуживаемым абонентам.

Рис. 1 - Обобщённая схема приёмника и передатчика М1МО-ОРОМЛ системы радиосвязи

Во второй главе проведён анализ уровня взаимных непреднамеренных помех в неоднородных сотовых радиосетях стандарта LTE-A с перераспределением абонентских соединений между базовыми станциями.

В разделе 2.1 описана процедура расширения зон покрытия малых пикостанций (Cell Range Expansion, CRE) для выравнивания распределения количества абонентских соединений между макро- и пикостанциями в неоднородных сетях. Схематически данная процедура проиллюстрирована на Рис. 2 для четырёх пикостанций, расположенных в одном секторе обслуживания макростанции. На рисунке первоначальные зоны обслуживания пикостанций показаны двойной штриховкой. Зоны обслуживания, присоединённые к пикостанциям в результате применения процедуры CRE, показаны одинарной штриховкой. Абоненты, попавшие в незаштрихованную область сектора продолжают обслуживаться макростанцией. В данном разделе показано, что применение процедуры расширения зон покрытия пикостанций приводит к появлению сильных непреднамеренных помех для абонентов пикостанций со стороны соседних макростанций. На Рис. 3 приведены кривые интегральных распределений значений величины ОСШП для пользователей пикостанций до и после применения процедуры CRE. Из приведённых кривых видно, что после применения процедуры CRE нижняя часть интегрального распределения «сдвигается» влево, что происходит из-за увеличения числа пользователей пикостанций с невысокими значениями ОСШП. В соответствии с методологией, используемой в комитете по стандартизации 3GPP, уровень 5% на кривых интегральных распределений соответствует абонентам, находящимися на границе зон обслуживания. Таким образом, из Рис. 3 видно, что применение процедуры CRE приводит к уменьшению значения ОСШП для пограничных пользователей на 4 дБ, а число пользователей с отрицательными значениями ОСШП увеличивается приблизительно с 10% до 20%.

Рис. 2 — Иллюстрация применения процедуры СЯЕ для расширения зон покрытия пикостанций

-20 -10

10 20 30 40

Рис. 3 - Интегральное распределение F среднего значения у величины ОСШП

для пользователей пикостанций до (кривая 1) и после (кривая 2) применения процедуры СЯЕ - расширения зон покрытия пикостанций.

Рис. 4 - Интегральные распределения F среднего значения у величины ОСШП для пользователей пикостанций в обычных подкадрах (кривая 1) и в подкадрах с ограниченной активностью макростанций (кривая 2).

В разделе 2.2 рассмотрена схема координированной передачи данных elCIC для борьбы с сильными непреднамеренными помехами от макростанций, возникающими после расширения зон покрытия пикостанций. Для абонентов пикостанций проанализирована помеховая обстановка в обычных подкадрах LTE-A и подкадрах с ограниченной активностью макростанций после применения схемы elCIC (см. Рис. 4). Из приведённых на Рис. 4 кривых видно, что значение ОСШП для пользователей пикостанций в подкадрах с ограниченной активностью макростанций существенно выше, чем в обычных подкадрах (в среднем, на 5-7 дБ).

Третья глава диссертации посвящена анализу пропускной способности системы связи LTE-A с координированной пространственной обработкой передаваемых сигналов по схеме CS/CB СоМР.

В разделе 3.1 описаны основные принципы координированной пространственной обработки сигналов по схеме CS/CB СоМР. В обычных системах связи без координации абонент на основе измерений частотных характеристик MIMO канала для обслуживающей базовой станции вычисляет векторы весовых коэффициентов, аппроксимирующие главные собственные векторы MIMO канала в некоторой полосе частот, и квантованные величины ОСШП и сообщает эту информацию на обслуживающую его базовую станцию. Полученные базовой станцией значения ОСШП применяются для выбора оптимального по помехоустойчивости формата передачи сигналов (модуляции и скорости помехоустойчивого кодирования), а весовые векторы используются в адаптивной антенной решётке передатчика базовой станции для формирования диаграммы направленности.

В системах связи с передачей сигналов по схеме СоМР каждый г'-ый абонент для каждой у'-ой базовой станции кластера вычисляет векторы весовых коэффициентов и квантованные величины ОСШП y¡¡. Таким образом, канальная информация р,у и y¡¡ может быть получена в том числе и

для мешающих базовых станций, создающих наиболее сильные внутриканальные помехи рассматриваемому абоненту. Далее эта информация используется центральным процессором кластера для координации передачи между соседними базовыми станциями. Для подавления помех внутри кластера центральный процессор вычисляет оптимальные весовые векторы диаграммообразующей схемы (ДОС) каждой базовой станции _/ кластера по методу минимальной среднеквадратичной ошибки (МСКО). В соответствии с МСКО критерием значение весового вектора ДОС у-ой базовой станции для передачи сигналов г'-ому абоненту получается путём преобразования квантованного собственного вектора р^ (с учётом подавления помех в направлениях пользователей остальных базовых станций кластера) следующим образом:

где 5 — множество активных абонентов, обслуживаемых соседними базовыми станциями, р„у и ут] - информация о состоянии канала между т-ым абонентом (обслуживаемым соседней базовой станцией) и рассматриваемой базовой станцией у, Ас - число координируемых базовых станций (размер кластера), I - единичная матрица.

После вычисления весовых векторов угу координируемых базовых станций центральный процессор кластера может осуществить перерасчёт ОСШП в соответствии с новой помеховой обстановкой, а также учесть искажение исходного весового вектора р,;, передатчика базовой станции из-за МСКО преобразования (1). В этом случае перерасчёт ОСШП для г-го абонента можно выполнить с помощью выражения:

Уравнение (2) позволяет проводить предсказание мгновенного ОСШП на основе информации о весовых векторах координируемых базовых станций для последующего адаптивного выбора модуляции и скорости помехоустойчивого кодирования. Заметим, что в традиционных системах без координированной пространственной обработки сигналов такое предсказание невозможно из-за отсутствия информации о состоянии канала мешающих станций (р,9 и у,ч) и весовых векторах (д Ф /), используемых на соседних базовых станциях. При этом эффективность работы обычной системы связи, использующей быструю адаптацию формата передачи данных к мгновенной реализации канала только своей базовой станции, является невысокой из-за непредсказуемости уровня внутриканальных помех, создаваемой мешающими базовыми станциями в силу отсутствия необходимой информации.

0)

I Я I2

(2)

4^,4*1

В разделе 3.2 проведён сравнительный анализ пропускной способности МШО-ОБОМА системы сотовой радиосвязи на основе стандарта ЬТЕ-А, использующей схемы е1С1С и СЯ/СВ СоМР. Для этого в моделируемой неоднородной сети в каждом секторе макростанции располагалось по четыре пикостанции (см. Рис. 2), т.е., пять передатчиков базовых станций на сектор. При этом для всех схем СоМР в кластеры объединялись передатчики одного или нескольких секторов. Общее количество передатчиков базовых станций в сети равнялось 285 (57 секторов). Результаты анализа представлены в Таблице 1, где для схем СБ/СВ в первом столбце указано число передатчиков базовых станций СоМР кластера, между которыми осуществляется координация, а в скобках указан выигрыш в пропускной способности относительно базовой системы (без координации и перераспределения абонентских соединений между базовыми станциями). При этом для схемы СЯ/СВ СоМР предложен оригинальный механизм перераспределения абонентских соединений между макро- и пикостанциями рассматриваемой неоднородной сети. Показано, что эффективность данной схемы СоМР, с точки зрения пропускной способности пользователей, расположенных на границах зон обслуживания базовых станций, возрастает с увеличением размеров кластера, и для кластеров из 45, 105 и 285 координируемых передатчиков даёт выигрыш в 41%, 48% и 63%, соответственно, по сравнению с базовой системой. В то же время, для схемы е1С1С, где в координированной передаче данных участвуют все базовые станции неоднородной сотовой сети (285 передатчиков), выигрыш в пропускной способности пограничных пользователей равнялся 41%.

Таблица 1 - Результаты численного моделирования работы неоднородной сотовой радиосети для схем СБ/СВ СоМР

Схема координированной передачи данных Средняя пропускная способность пользователя, Мбит/с Пропускная способность пограничного пользователя, Мбит/с

Базовая система 4,0 (0%) 0,75 (0%)

еЮС 4,1 (+3%) 1,06 (+41%)

С8/СВ-05 4,0 (+0%) 0,91 (+21%)

С5/СВ-15 4,1 (+3%) 1,01 (+35%)

С5/СВ-45 4,1 (+3%) 1,06 (+41%)

С8/СВ-105 4,1 (+3%) 1,11 (+48%)

С8/СВ-285 4,2 (+5%) 1,22 (+63%)

В разделе 3.3 описан новый способ координированной пространственной обработки сигналов в широкополосных системах сотовой связи, на базовых станциях которых используются антенны с ортогональной кросс-поляризацией. Рассмотренная пространственная обработка сигналов основана на применении механизмов координации С5/СВ СоМР схемы.

Однако, если в схеме С8/СВ СоМР подавление взаимных непреднамеренных помех осуществляется путём адаптивного формирования диаграмм направленности передающих антенн на соседних базовых станциях, то в рассмотренной схеме СоМР подавление помех достигается за счёт адаптивного согласования поляризаций передаваемых сигналов на антенных решётках базовых станций.

В разделе 3.4 показано, что координированная передача данных по схеме СоМР с адаптивным согласованием поляризаций обеспечивает существенный выигрыш в пропускной способности для пользователей, находящихся на границах зон обслуживания, по сравнению с системой без координации. Результаты соответствующего моделирования приведены в Таблице 2 для двух вариантов распределения пользователей в секторах макростанций: равномерного и неравномерного с концентрацией абонентов вокруг пикостанций. Выигрыш от использования предложенной схемы СоМР (указан в скобках для каждого варианта расположения пользователей) объясняется тем, что согласование поляризаций сигналов на координируемых базовых станциях приводит к значительному понижению уровня взаимных помех вне зависимости от углового (азимутального) положения абонентов и позволяет выбирать оптимальный формат передачи данных, т.е. модуляцию и скорость помехоустойчивого кодирования, для текущей помеховой обстановки. При этом максимальный выигрыш (77%) от координации наблюдается в случае неравномерного расположения пользователей, когда передача сигналов с использованием схемы СоМР выполняется для большего числа пользователей пикостанций, испытывающих влияние непреднамеренных внутриканальных помех со стороны ближайших макростанций.

Таблица 2 - Результаты численного моделирования работы неоднородной сотовой радиосети с ортогональной кросс-поляризацией антенн передающих базовых станций

Сценарий Расположение пользователей Средняя пропускная пользователя, Мбит/с 5% пропускная способность пользователя, кбит/с

Передача данных без координации Равномерное 2.7 (0%) 230 (0%)

Координированная передача данных Равномерное 2.65 (-2%) 360 (57%)

Передача данных без координации Неравномерное 3.3 (0%) 350 (0%)

Координированная передача данных Неравномерное 3.18 (-4%) 620 (77%)

Четвёртая глава диссертации посвящена анализу пропускной способности системы связи ЬТЕ-А, использующей схемы 1Р СоМР для координируемой пространственной обработки и передачи сигналов.

В разделе 4.1 описаны основные принципы координированной пространственной обработки сигналов по схеме Л СоМР. Предложен быстрый алгоритм совместного формирования диаграмм направленности адаптивных антенн координируемых базовых станций и планирования физических ресурсов системы связи для передачи сигналов обслуживаемым абонентам.

В разделе 4.2 проанализирована пропускная способность неоднородной сотовой радиосети стандарта ЬТЕ-А с применением схемы Л" СоМР в зависимости от числа координируемых базовых станций в кластере, т.е. размера кластера. При этом для ускорения обработки сигналов на стороне центрального процессора кластера использовался предложенный быстрый алгоритм совместного формирования диаграмм направленности антенн базовых станций и планирования физических ресурсов системы связи. Результаты моделирования работы сети для анализа схем Л- СоМР приведены в Таблице 3. Видно, что с увеличением размера кластера растёт пропускная способность пользователей, расположенных на границах зон обслуживания базовых станций. Показано, что выигрыш в пропускной способности таких пользователей по сравнению с системой без координации равняется 43% и 60% для кластеров с достаточно большим числом координируемых передатчиков базовых станций: 45 и 105, соответственно. В схеме еЮС выигрыш в пропускной способности пограничных пользователей по сравнению с системой без координации составил 39%.

Таблица 3 - Результаты численного моделирования работы неоднородной сотовой радиосети для схем ГГ СоМР

Схема координированной передачи данных Средняя пропускная способность пользователя, Мбит/с Пропускная способность пограничного пользователя, Мбит/с

Система без координации 4,1 (0%) 0.84 (0%)

elCIC 4,2 (+2%) 1,17 (+39%)

JT-05 4,3 (+5%) 0,99 (+18%)

JT-15 4,3 (+5%) 1,14 (+36%)

JT-45 4,3 (+5%) 1,2 (+43%)

JT-105 4,1 (0%) 1,34 (+60%)

В разделе 4.3 рассмотрена схема DPS СоМР для координированной передачи данных в неоднородных сотовых радиосетях стандарта LTE-A (см. Таблицу 4). Для данной схемы предложен быстрый алгоритм планирования ресурсов и исследована пропускная способность MIMO-OFDMA системы связи. Показано, что пропускная способность пользователей на границах зон

обслуживания растёт с увеличением размера кластера. Однако выигрыш в пропускной способности пограничных пользователей для схем DPS СоМР относительно системы без координации, равный 46% и 51%, превышает соответствующее значение для схемы elCIC (42%) только в случае кластеров с большим числом координируемых базовых станций, объединяющих 105 и 285 передатчиков, соответственно.

Таблица 4 — Результаты численного моделирования работы неоднородной сотовой радиосети для схем DPS СоМР

Схема координированной передачи данных Средняя пропускная способность пользователя, Мбит/с Пропускная способность пограничного пользователя, Мбит/с

Система без координации 3.4 (0%) 0.65 (0%)

elCIC 3.8 (+12%) 0.92 (+42%)

DPS-05 3.5 (+3%) 0.8 (+23%)

DPS-15 3.7 (+9%) 0.85 (+31%)

DPS-45 3.7 (+9%) 0.87 (+34%)

DPS-105 3.7 (+9%) 0.95 (+46%)

DPS-285 3.7 (+9%) 0.98 (+51%)

В заключении сделаны основные выводы по результатам диссертационной работы, а в приложении дан список условных обозначений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Реализована модель МШО-ОБОМА системы радиосвязи на основе стандарта ЬТЕ-А, которая описывает работу неоднородной сотовой радиосети с учётом взаимных непреднамеренных помех, возникающих между базовыми станциями соседних сот макро- и пикостанций. С помощью данной модели проведено подробное исследование различных схем и алгоритмов координации соседних базовых станций для борьбы с взаимными помехами и получены количественные оценки их эффективности.

2. Предложена и исследована новая реализация схемы координированной обработки сигналов СБ/СВ СоМР для неоднородных сотовых радиосетей с перераспределением абонентских соединений между координируемыми станциями, в которой для борьбы с непреднамеренными взаимными помехами применяется координированное планирование ресурсов и адаптивное формирование диаграмм направленности передающих антенн базовых станций. Результаты анализа эффективности предложенной схемы в зависимости от размера СоМР кластера (т.е. числа координируемых передатчиков макро- и пикостанций) показали, что выигрыш в пропускной способности пограничных пользователей по сравнению с системой связи без

координации достигается уже при относительно небольших размерах СоМР кластера (например, для кластеров, состоящих из 5 передатчиков базовых станций, этот выигрыш равняется 21%). С увеличением размеров кластера выигрыш в пропускной способности пограничных пользователей растёт и достигает наибольшего значения (63%), если в координации участвуют передатчики всех базовых станций неоднородной сотовой радиосети.

3. Проведён сравнительный анализ предложенной схемы CS/CB СоМР и стандартной схемы elCIC, в которой для борьбы с непреднамеренными помехами применяется квазистатическое распределение временных ресурсов между координируемыми базовыми станциями разных типов. Данный анализ показал эффективность предложенной схемы для СоМР кластеров относительно больших размеров. Так, по сравнению с системой без координации, выигрыш в пропускной способности пограничных пользователей от использования схемы СоМР для кластеров из 45, 105 и 285 передатчиков базовых станций равнялся 41%, 48% и 63%, соответственно, что сравнимо и превышает соответствующее значение для схемы elCIC, равное 41%. В то же время для эффективной реализации схемы elCIC требуется синхронная передача данных во всей радиосети, что редко достижимо на практике, тогда как схема CS/CB СоМР с предложенным механизмом перераспределения абонентов позволяет добиваться тех же характеристик, как и схема elCIC, синхронизируя базовые станции лишь в отдельных кластерах, что более предпочтительно в реальных сотовых радиосетях.

4. Предложен и исследован вариант схемы CS/CB СоМР, в котором координированная пространственная обработка передаваемых сигналов основана на согласовании поляризаций сигналов между координируемыми базовыми станциями. Показано, что за счёт адаптивного выбора типа поляризации сигнала на каждой передающей антенной решётке можно достичь выигрыша в пропускной способности пограничного пользователя вне зависимости от его углового (азимутального) положения относительно обслуживаемой станции (до 77% в случае неравномерного расположения пользователей в неоднородной радиосети с концентрацией абонентов вокруг пикостанций).

5. Предложены новые быстрые алгоритмы распределения физических ресурсов и совместного формирования диаграмм направленности антенн базовых станций для схем JT и DPS СоМР. Проведённый анализ этих схем показал, что использование координированной обработки и передачи сигналов несколькими базовыми станциями приводит к существенному подавлению непреднамеренных взаимных помех и даёт выигрыш в пропускной способности пограничных пользователей по сравнению с системами связи без координации, который растёт с увеличением размера СоМР кластера от 20% до 60%.

СПИСОК РАБОТ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Морозов, Г.В. Координированная пространственная обработка сигналов на базовых станциях систем сотовой связи с адаптивным выбором поляризации / Г.В. Морозов, А.В. Давыдов, А.А. Мальцев // Известия вузов. Радиофизика. - 2012. - №8. - С. 586-598.

2. Морозов, Г.В. Анализ пропускной способности систем сотовой радиосвязи, использующих координированную передачу данных для подавления взаимных непреднамеренных помех / Г.В. Морозов, А.В. Давыдов, А.А. Мальцев // Известия вузов. Радиофизика. - 2014. - №3. -С. 251-265.

3. Морозов, Г.В. Анализ пропускной способности современных систем сотовой связи, использующих координированную передачу с подавлением взаимной интерференции на передатчике / Г.В. Морозов, И.А. Болотин, А.В.Давыдов // Вестник ННГУ. Серия Радиофизика. - 2011. - №5(3). -С. 220-225.

4. Maltsev, A. Analysis of IEEE 802.16m and 3GPP LTE release 10 technologies by Russian evaluation group for IMT-advanced / A. Maltsev, A. Khoryaev, R. Maslennikov, M. Shilov, M. Bovykin, G. Morozov, A. Chervyakov, A. Pudeyev, V. Sergeyev, A. Davydov // International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops (ICUMT), 2010.-P. 901-908.

5. Morozov, G. Performance evaluation of dynamic point selection CoMP scheme in heterogeneous networks with FTP traffic model / G. Morozov, A. Davydov, I. Bolotin // 4th International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops (ICUMT), 2012. -P. 922-926.

6. Morozov, G. CS/CB CoMP scheme with semi-static data traffic offloading in HetNets / G. Morozov, A. Davydov // IEEE PIMRC, 2013. - P.1347-1351.

7. Davydov, A. Evaluation of joint transmission CoMP in C-RAN based LTE-A HetNets with large coordination areas / A. Davydov, G. Morozov, I. Bolotin, A. Papathanassiou // IEEE GLOBECOM Workshop, 2013. - P. 801-806.

8. Пат. 8687727 США, МПК-2006.01 H04B 7/02. Coordinated multi-point transmission using interference feedback / A. Davydov, A. Maltsev, G. Morozov, V. Sergeyev. - № 13/75023; заявл. 29.03.2011; опубл. 01.04.2014, Бюл. № 1.

9. Пат. 8737514 США, МПК-2006.01 Н04В 7/02. Channel state information feedback in coordinated multi-point system / A.V. Davydov, Y. Zhu, Q. Li, A.A. Maltsev, G.V. Morozov. - № 13/655184; заявл. 18.10.2012; опубл. 27.05.2014, Бюл. № 4.

10. Пат. 8843100 США, МПК-2006.01 Н04М 11/00. Coordinated multipoint configuration based on channel state information reference signals / A. Davydov, G. Morozov, A. Maltsev, I. Bolotin, V. Sergeyev. - № 13/534313; заявл. 27.06.2012; опубл. 23.09.2014, Бюл. № 4.

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение

Глава I. Модель MIMO-OFDMA сотовой системы радиосвязи на основе стандарта LTE-A

1.1. Технология множественного доступа OFDMA и OFDM модуляция для нисходящей передачи сигналов

1.2. Технология MIMO для нисходящей передачи сигналов

1.3. Измерение каналов и отношений сигнал/(шум плюс помеха) в приёмниках абонентов

1.4. Распределение физических ресурсов системы связи между абонентами

1.5. Заключение по первой главе

Глава II. Анализ уровня взаимных непреднамеренных помех в неоднородных сотовых радиосетях стандарта LTE А с перераспределением абонентских соединений

2.1. Расширение зон покрытия пикостанций для выравнивания распределения абонентских соединений

2.2. Координированная передача данных по схеме elCIC стандарта LTE-A

2.3. Заключение по второй главе

Глава III. Анализ пропускной способности системы связи LTE А с координированной пространственной обработкой передаваемых сигналов по схеме CS/CB СоМР

3.1. Координированная передача данных по схеме CS/CB СоМР

3.2. Сравнительный анализ схем elCIC и CS/CB СоМР

3.3. Координированная пространственная обработка сигналов в адаптивных антеннах с наклонной кросс-поляризацией элементов

3.4. Исследование пропускной способности сотовой системы радиосвязи на основе стандарта LTE-A с согласованием поляризаций сигналов на передатчиках базовых станциях

3.5. Заключение по третьей главе

Глава IV. Анализ пронускной способности системы связи LTE-A, использующей схемы JP СоМР для координированной пространственной обработки передаваемых сигналов

4.1. Координированная передача данных по схеме JT СоМР

4.2. Исследование пропускной способности неоднородной сотовой сети стандарта LTE-A с использованием схемы JT СоМР для координированной передачи данных

4.3. Исследование пропускной способности неоднородной сотовой сети стандарта LTE-A с использованием схемы DPS СоМР для координированной передачи данных

4.4. Заключение по четвёртой главе

Заключение

Список используемых источников

Список сокращений

Подписано в печать 17.02.2015. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1. Заказ 76. Тираж 100 экз.

Отпечатано в типографии Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского 603000, г. Нижний Новгород, ул. Большая Покровская, 37