eng
Выпуск #3/2021
Г.Фокин
МОДЕЛИ ДИАГРАММООБРАЗОВАНИЯ В СВЕРХПЛОТНЫХ СЕТЯХ РАДИОДОСТУПА 5G. ЧАСТЬ 1. ОЦЕНКА ПОМЕХ
МОДЕЛИ ДИАГРАММООБРАЗОВАНИЯ В СВЕРХПЛОТНЫХ СЕТЯХ РАДИОДОСТУПА 5G. ЧАСТЬ 1. ОЦЕНКА ПОМЕХ
Просмотры: 1798
DOI: 10.22184/2070-8963.2021.95.3.66.73
Для близко расположенных приемопередающих устройств сверхплотных сетей радиодоступа пятого и последующих поколений характерен неприемлемо высокий уровень внутрисистемных помех, которые в сетях предыдущих поколений с частотно-временным разделением каналов компенсировались с помощью частотно-территориального планирования. В настоящем исследовании выполняется оценка компенсации внутрисистемных помех устройств, работающих в общем радиоканале с диаграммообразованием, средствами математического и имитационного моделирования с использованием моделей кластера, уменьшая размер которого можно воспроизвести эффект уплотнения устройств сети радиодоступа пятого и последующих поколений. Результаты моделирования подтверждают возможность подавления помех до 15 дБ при сужении ширины диаграмм направленности антенн устройств с 360° до 5°.
Для близко расположенных приемопередающих устройств сверхплотных сетей радиодоступа пятого и последующих поколений характерен неприемлемо высокий уровень внутрисистемных помех, которые в сетях предыдущих поколений с частотно-временным разделением каналов компенсировались с помощью частотно-территориального планирования. В настоящем исследовании выполняется оценка компенсации внутрисистемных помех устройств, работающих в общем радиоканале с диаграммообразованием, средствами математического и имитационного моделирования с использованием моделей кластера, уменьшая размер которого можно воспроизвести эффект уплотнения устройств сети радиодоступа пятого и последующих поколений. Результаты моделирования подтверждают возможность подавления помех до 15 дБ при сужении ширины диаграмм направленности антенн устройств с 360° до 5°.
Теги: 5g diagram development intra-system disturbance compensation orphanage width ultra-dense radio access networks диаграммообразование компенсация внутрисистемных помех сверхплотные сети радиодоступа ширина диаграммы направленности
МОДЕЛИ ДИАГРАММООБРАЗОВАНИЯ в сверхплотных сетях радиодоступа 5G
Часть 1. Оценка помех
Г.Фокин, к.т.н., доцент СПбГУТ им. проф. М.А.Бонч-Бруевича / grihafokin@gmail.com
УДК 621.396.9, DOI: 10.22184/2070-8963.2021.95.3.66.73
Для близко расположенных приемопередающих устройств сверхплотных сетей радиодоступа пятого и последующих поколений характерен неприемлемо высокий уровень внутрисистемных помех, которые в сетях предыдущих поколений с частотно-временным разделением каналов компенсировались с помощью частотно-территориального планирования. В настоящем исследовании выполняется оценка компенсации внутрисистемных помех устройств, работающих в общем радиоканале с диаграммообразованием, средствами математического и имитационного моделирования с использованием моделей кластера, уменьшая размер которого можно воспроизвести эффект уплотнения устройств сети радиодоступа пятого и последующих поколений. Результаты моделирования подтверждают возможность подавления помех до 15 дБ при сужении ширины диаграмм направленности антенн (ДНА) устройств с 360° до 5°.
Введение
Тенденция построения перспективных гетерогенных сетей радиодоступа (СРД) пятого и последующих поколений заключается в повышении плотности базовых станций и пользовательских устройств. Концепция уплотнения устройств на уровне радиодоступа предусматривает переход в диапазон миллиметровых волн (ММВ) mmWave и совершенствование радиоинтерфейса, особенно в части развития многоантенных систем massive MIMO с возможностью адаптивного диаграммообразования. Ожидается, что сети радиодоступа пятого и последующих поколений раскроют потенциал формирования узких лучей при работе на прием и передачу не только в стационарных базовых станциях, но и в подвижных портативных пользовательских устройствах. И тогда наконец удастся реализовать концепцию множественного доступа с пространственным уплотнением одновременных передач SDMA (Space Division Multiple Access).
Для сверхплотной сети радиодоступа (СРД) UDN (Ultra-Dense Network) характерна высокая плотность территориального и/или пространственного распределения базовых станций BS (Base Station) и подвижных пользовательских устройств UE (User Equipment) – до одного устройства на 1 м2 [1]. Следствием этого, с точки зрения организации радиосвязи, являются высокая вероятность наличия прямой видимости LOS (Line Of Sight) в радиолиниях BS–UE и/или UE–UE на расстоянии в несколько десятков метров [2], а также высокий уровень внутрисистемных помех из-за близкого расположения одновременно работающих приемопередающих устройств [3].
Пространственное уплотнение одновременных передач и множественный доступ с пространственным мультиплексированием SDMA [4] в диапазоне миллиметровых волн (ММВ) реализуемы благодаря использованию трехмерного диаграммообразования (ДО) 3D Beamforming (3D BF) [5] в радиолиниях "вниз" (BS→UE) и "вверх" UL (UN→BS), что в последние годы наблюдается из-за распространения многоэлементных антенных решеток (АР) в устройствах UE с переходом в диапазон ММВ mmWave.
Компенсация внутрисистемных помех и уплотнение одновременных передач в сверхплотных СРД 5G достигаются посредством адаптивного формирования диаграмм направленности антенн полезных и мешающих сигналов. Пространственная селекция сигналов при работе на передачу и прием в заданном направлении выполняется следующим образом: для потенциальных источников внутрисистемных помех SNOI (Signal No Of Interest) формируются нули ДНА в соответствующих направлениях, а для полезного сигнала SOI (Signal Of Interest) – ДНА с максимальным усилением.
Условием диаграммообразования в СРД с провалами ДНА в направлении SNOI и максимумами ДНА в направлении SOI служит предварительная осведомленность передающего и принимающего устройств, образующих радиолинию, об относительных угловых расположениях друг друга. Определение направлений прихода AOA/DOA (Angle/Direction of Arrival) сигналов SOI/SNOI с последующим диаграммообразованием на прием и передачу в зарубежных источниках называется диаграммообразованием на основе позиционирования LAB (Location Aware Beamforming) [6].
Анализ степени подавления внутрисистемных помех ISR (Interference Suppression Rate) за счет адаптивного ДО при случайном распределении устройств показывает, что при сужении ширины ДНА по уровню половинной мощности (минус 3 дБ) в вертикальной θ3дБ с 32° до 8° и горизонтальной φ3дБ с 65° до 8° плоскостях приводит к существенному повышению радиопокрытия с 66 до 99% [3].
Задача настоящей работы – установить зависимость подавления внутрисистемных помех ISR(φ3dB) от ширины ДНА в горизонтальной плоскости для общепринятой в сотовых сетях подвижной радиосвязи модели территориального распределения устройств согласно гексагональной решетке на плоскости. Для этого приводятся особенности диаграммообразования с точки зрения отдельной радиостанции пятого поколения, формализуется сценарий оценки помех в сверхплотной СРД 5G и реализуется имитационная модель (ИМ), позволяющая установить зависимость ISR(φ3dB).
Особенности диаграммообразования радиостанции 5G
Адаптивное ДО – один из основных инструментов радиоинтерфейса СРД 5G – включает процедуры формирования и управления лучом, протоколы обучения АР и методы определения угла/направления прихода сигнала AOA/DOA. Формирование и адаптивное управление лучом с использованием различных конфигураций АР, алгоритмов весовой обработки можно реализовать в аналоговом, цифровом и гибридном виде. Особенность схемотехники приемопередающих радиостанций с ДО – наличие наряду с приемным сегментом аналогичной по составу передающей подсистемы и общей для них АР. Цифровой передающий сегмент АР, идентичный приемному с точностью до замены в нем аналого-цифрового преобразователя (АЦП) на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), характеризуется инверсией алгоритмов пространственной обработки сигналов (ПОС). Кроме того, различия в реализации аналогового сегмента передающей системы обусловлены необходимостью усиления сигналов по мощности, а также преобразования частоты (ПЧ) и фильтрации побочных излучений (рис.1) [7].
Аппаратная часть радиоприемника включает в себя малошумящий усилитель (МШУ) вместе с входным полосовым фильтром и АЦП, после которого сигнал в цифровом виде поступает в блок цифровой обработки сигналов (ЦОС) для пространственной весовой обработки: с коэффициентами wi при приеме и vi при передаче, где i = 1,…N – индекс элемента АР. Аппаратная часть радиопередатчика состоит из ЦАП, усилителя мощности (УМ) с выходным фильтром усиливаемого сигнала. В приемопередатчике используют однократное аппаратное преобразование частоты: при приеме с радиочастоты RF (Radio Frequency) в основную полосу информационных частот BB (Baseband); при передаче с RF в BB.
Пространственная обработка сигналов (ПОС) в структуре радиостанции (рис.1) с ДО осуществляется в основной полосе частот BB в цифровом виде с применением умножения на коэффициенты wi и vi. При аналоговом ДО коэффициенты применяются уже к аналоговому сигналу на радиочастоте RF. Цифровое ДО – эффективнее, но и сложнее с точки зрения аппаратной реализации; аналоговое диаграммообразование проще в аппаратной реализации, однако отличается меньшей гибкостью в формировании и управлении лучом. Гибридный подход сочетает преимущества формирования узких лучей и применения аналоговых фазовращателей на радиочастоте RF с гибкостью цифрового диаграммообразования. При ДО целесообразно использовать узкую ДНА для обмена данными и более широкую при обмене сигналами управления [8].
Протоколы обучения АР при адаптивном ДО, призванные обеспечить предварительное выравнивание лучей передающей и приемной радиостанций, – характерная особенность направленной радиосвязи. Для выравнивания лучей протоколы обучения могут использовать узкополосные пилотные сигналы [7, 8]. Процедура обучения заключается в периодическом анализе обучающих последовательностей, которые должны передаваться и приниматься не направленно. С учетом возможного децентрализованного функционирования радиостанций в составе радиосети, их мобильности реализация совокупного диаграммообразования с провалами в направлениях SNOI и максимумами в направлении SOI представляется нетривиальной задачей. Для адаптивного ДО передатчика и приемника в режиме установления связи необходимо, чтобы радиостанция-передатчик определила вначале угловое расположение радиостанции-приемника – зафиксировала угол прихода сигнала AOA. Определяется AOA в ходе математической обработки комплексного вектора пространственно-временных отсчетов сигнала на выходах АЦП x(k) = [x1(k),…,xN(k)]T и выходного сигнала y(k) = wH(k−1)x(k), где w(k) = [w1(k),…,wN(k)]T – векторы комплексных весовых коэффициентов, k – индекс дискретного времени, верхние индексы T и H обозначают транспонирование и эрмитово сопряжение векторов соответственно. После определения AOA, когда передатчику известно угловое расположение приемника, а приемнику – угловое расположение передатчика, сеанс связи на основе ДО может быть осуществлен с выравниванием лучей и усилением на передающей и приемной сторонах. Вычисление AOA/DOA наряду с протоколами обучения – неотъемлемая процедура адаптивного ДО.
На рис.2 проиллюстрировано совместное определение направления прихода сигнала и адаптивное ДО на примере приемной радиостанции. Обработка принятых сигналов выполняется в блоке ЦОС пространственной обработки АР и включает в себя две процедуры: а) определение угла/направления прихода (AOA/DOA) сигнала/сигналов; б) адаптивное формирование ДНА. Возможности адаптивного ДО, помимо технических особенностей реализации, ограничены информированностью радиостанции-передатчика и радиостанции-приемника об обстановке в радиоканале CSI (Channel State Information), которая включает в себя текущие передачи потенциальных источников внутрисистемных помех. На их основе можно определить углы прихода мешающих сигналов SNOI и сформировать в соответствующих направлениях провалы ДНА при работе на передачу и на прием. В случае, когда радиостанции-передатчику и радиостанции-приемнику известны только относительные угловые расположения друг друга, они могут сформировать ДНА с максимальным усилением в направлении приема/передачи полезного сигнала SOI. ДО с провалами в направлении SNOI и максимумами в направлении SOI повышают вероятность успешного радиоприема в общем радиоканале.
Сценарий оценки помех в сверхплотной СРД 5G с диаграммообразованием
Допустим, BS с АР и возможностью формирования узкого луча предварительно осведомлены об относительном угловом расположении UE, могут сформировать максимум ДНА в направлении UE, являющемся SOI в данной соте; будем считать, что пользовательские устройства UE ведут передачу в ненаправленном режиме, а базовые станции BS осуществляют прием в направленном режиме с ДО (рис.3).
Анализ помех выполняется для радиолинии SOI U0→B0 (канал "вверх"); остальные радиолинии Ui→Bi, i = 1,…,N, работающие одновременно в соседних сотах, служат источниками внутрисистемных помех SNOI, где N – общее число соседних сот. Обозначим через d0 расстояние между B0 и U0, а через di расстояния между B0 и другими Ui, ведущими передачу одновременно с U0 в соседних сотах.
В гексагональной структуре используются следующие допущения: BS имеют одинаковые значения эквивалентной изотропно-излучаемой мощности (ЭИИМ), антенны и высоту их подвеса; зона радиопокрытия BS с ненаправленной антенной моделируется окружностью радиусом R. Если Ncl – размерность кластера, тогда параметры гексагональной модели определяются расстоянием между центрами кластеров Dcl [9]:
.
При Ncl = 1 частоты используются повторно в каждой соте и расстояние между работающими на одинаковых частотах BS составляет: ; при Ncl = 3 частоты повторяются в каждой третьей соте и расстояние Dcl = 3R; UE, работающие на одинаковых частотах в зонах обслуживания своих BS, являются источниками внутрисистемных помех при анализе канала "вверх". На рис.4 отображен сценарий оценки помех для Ncl = 1 и Ncl = 3: по мере снижения размерности кластера уменьшается расстояние между работающими на одинаковых частотах BS, что позволяет оценить тенденцию уплотнения сетевых устройств на уровень помех в СРД.
Порядок оценки помех в предлагаемом сценарии для канала "вверх" при заданном территориальном распределении сетевых устройств предполагает фиксацию расстояний d0 между B0 и U0 в радиолинии SOI и di между B0 и другими пользовательскими устройствами Ui в соседних сотах i = 1,…,N, ведущими передачу одновременно с U0 и образующими радиолинии SNOI. Наименее благоприятный с точки зрения помех сценарий – при расположении U0 на границе соты на расстоянии R от обслуживающей B0. Учет двух уровней окружающих B0 сот, включая шесть ближних сот B1–B6 первого уровня и 12 дальних сот B7–B18 (второго уровня), – обычно достаточное условие для оценки помех вследствие существенных потерь при распространении радиоволн (РРВ).
Для сценария ненаправленных антенн (Omni) у BS и UE отношение сигнал/помеха SIR (Signal to Interference Ratio) в канале "вверх" определяется расстояниями d0 между B0 и U0 и di между B0 и другими Ui:
,
где η = 2 – показатель потерь РРВ в условиях прямой видимости LOS; для гексагональной модели однородной сети обычно предполагают, что мощность передатчика U0, работающего в соте B0, и мощности передатчиков Ui, работающих в сотах Bi , i = 1,…,18, одинаковы, поэтому справедливо выражение:
.
Для сценария направленных антенн у BS и UE отношение сигнал/помеха SIR в канале "вверх" определяется выражением:
,
где GHB0 – коэффициент усиления (КУ) B0 в горизонтальной плоскости; GVB0 – КУ АР B0 в вертикальной плоскости; GHU0 – КУ АР U0 в горизонтальной плоскости; GVU0 – КУ АР U0 в вертикальной плоскости; GHUi – КУ АР Ui в горизонтальной плоскости; GVUi – КУ АР Ui в вертикальной плоскости.
На рис.5 показан учет направленных свойств АР базовой станции B0 и пользовательского устройства U0 для радиолинии SOI U0→B0: (xU, yU, hU) – координаты U0; (0, 0, hB) – координаты B0; hU – высота АР U0; hB – высота АР B0; zU = hB–hU – разность высоты АР U0 и B0; d0xy – проекция d0 на плоскость xy; ϕB0 – азимут B0 относительно U0, измеряемый от 0x; θB0 – угол места B0 относительно U0, измеряемый от плоскости xy; ϕU0 – азимут U0 относительно B0, измеряемый от 0x; θU0 – угол места U0 относительно B0, измеряемый от плоскости xy. Для относительных углов в радиолинии SOI справедливы соотношения:
.
На рис.6 проиллюстрирован учет направленных свойств АР базовой станции B0 и пользовательских устройств Ui для радиолиний SNOI Ui→B0, служащих источниками помех в канале "вверх": ϕUi – азимут Ui относительно B0; ϕBi – азимут Bi относительно Ui. Для относительных углов в радиолиниях SNOI справедливы соотношения:
.
Значение ΔϕU позволяет оценить ослабление, а ΔϕB – усиление сигнала SNOI в рассматриваемом канале "вверх".
Принимая введенные обозначения для учета направленных свойств АР в радиолиниях SOI и SNOI, отношение сигнал/помеха SIR в канале "вверх" для сценария с ДО у базовых станций и пользовательских устройств:
,
где GHB0 – КУ АР B0 в горизонтальной плоскости; GVB0 – КУ АР B0 в вертикальной плоскости; GHU0 – КУ АР U0 в горизонтальной плоскости; GVU0 – КУ АР U0 в вертикальной плоскости; GHUi – КУ АР Ui в горизонтальной плоскости; GVUi – КУ АР Ui в вертикальной плоскости.
Для моделирования КУ АР в горизонтальной плоскости в зависимости от ширины ДНА ϕ3dB в опорном направлении используется аппроксимация [2]:
,
где GH (ϕ) – КУ АР в дБ в направлении –180° ≤ ϕ ≤ 180°; GSL = 20 дБ – максимальное ослабление КУ АР в боковых лепестках. Пример ДНА АР GH (ϕ) в горизонтальной плоскости для ϕ3dB = 60° и GSL = 20 дБ представлен на рис.7.
Компенсация внутрисистемных помех ISR (в дБ) в режиме ДО (Beamforming) определяется как разность между SIRD в режиме ДО и SIRO в режиме Omni:
.
Модель оценки помех в сверхплотной СРД 5G с диаграммообразованием
Рассмотрим ИМ оценки помех в сверхплотной СРД 5G с ДО в 2D с КУ АР в горизонтальной плоскости с hB = hU = 0. В табл.1 представлены параметры ИМ.
На рис.8 проиллюстрирован сценарий отдельной реализации ИМ для Ncl = 1.
На рис.9 представлена зависимость ISR от ширины ДНА БС в горизонтальной плоскости ϕ3dB. Анализ графиков позволяет сделать следующие выводы: а) сужение ширины ДНА в режиме ДО ожидаемо приводит к подавлению помех по сравнению со случаем ненаправленных антенн; при сужении ϕ3dB с 360° до 5° значение ISR превышает 15 дБ; б) сравнение уровня подавления помех ISR для кластеров размерами 1 и 3 показывает незначительное превышение ISR для кластера размером 3 по сравнению с кластером размером 1, что объясняется увеличением расстояния между центрами кластеров Dcl; с уменьшением Dcl повышается уплотнение приемопередающих устройств и, как следствие, незначительно снижаются возможности пространственного уплотнения одновременных передач; в) для сравнения на графике представлена аппроксимация зависимости 1/(φ3dB), которая в некоторой степени подтверждает зависимости, полученные в результате ИМ для ϕ3dB ≥ 10°; при дальнейшем сужении ДНА величина ISR, полученная в результате ИМ, больше отклоняется от аппроксимации 1/(ϕ3дБ).
Заключение
Проведенный анализ подавления внутрисистемных помех ISR(ϕ3dB) для модели территориального распределения устройств согласно гексагональной решетке из 19 сот с параметризацией коэффициента усиления шириной диаграммы направленности в горизонтальной плоскости показал, что при направлении луча базовой станции на пользовательское устройство и его сужении с 360° до 5° уровень внутрисистемных помех уменьшается на 15 дБ по сравнению со случаем ненаправленных антенн. В результате сравнения зависимости ISR(ϕ3dB) для двух размерностей кластера обнаружено незначительное превышение ISR для кластера размером 3 по сравнению с кластером размером 1, что указывает на потенциал уплотнения приемопередающих устройств с диаграммообразованием в сетях пятого и последующих поколений.
ЛИТЕРАТУРА
Kamel M., Hamouda W., Youssef A. Ultra-Dense Networks: A Survey // IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2016. Vol. 18. No. 4. PP. 2522–2545.
Report ITU-R M.2412-0. Guidelines for evaluation of radio interface technologies for IMT-2020. ITU. 2017.
Rachad J., Nasri R., Decreusefond L. Interference analysis in dynamic tdd system combined or not with cell clustering scheme // 2018 IEEE 87th Vehicular Technology Conference (VTC Spring). IEEE. 2018. PP. 1–5.
Bai L., Li T., Xiao Z., Choi J. Performance Analysis for SDMA mmWave Systems: Using an Approximate Closed-Form Solution of Downlink Sum-Rate // IEEE Access. 2017. Vol. 5. PP. 15641–15649.
Rachad J., Nasri R., Decreusefond L. A 3D Beamforming Scheme Based on The Spatial Distribution of User Locations // 2019 IEEE 30th Annual International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC), Istanbul, Turkey. 2019. PP. 1–7.
Kela P. et al. Location Based Beamforming in 5G Ultra-Dense Networks // 2016 IEEE 84th Vehicular Technology Conference (VTC-Fall). Montreal. QC. 2016. PP. 1–7.
Vook F.W., Ghosh A., Thomas T.A. MIMO and beamforming solutions for 5G technology // 2014 IEEE MTTS International Microwave Symposium (IMS2014), Tampa, FL. 2014. PP. 1–4.
Roh W. et al. Millimeter-wave beamforming as an enabling technology for 5G cellular communications: Theoretical feasibility and prototype results // IEEE Commun. Mag. Feb. 2014. Vol. 52. No 2. PP. 106–113.
Маковеева М.М., Шинаков Ю.С. Системы связи с подвижными объектами: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 2002. 440 c.
Часть 1. Оценка помех
Г.Фокин, к.т.н., доцент СПбГУТ им. проф. М.А.Бонч-Бруевича / grihafokin@gmail.com
УДК 621.396.9, DOI: 10.22184/2070-8963.2021.95.3.66.73
Для близко расположенных приемопередающих устройств сверхплотных сетей радиодоступа пятого и последующих поколений характерен неприемлемо высокий уровень внутрисистемных помех, которые в сетях предыдущих поколений с частотно-временным разделением каналов компенсировались с помощью частотно-территориального планирования. В настоящем исследовании выполняется оценка компенсации внутрисистемных помех устройств, работающих в общем радиоканале с диаграммообразованием, средствами математического и имитационного моделирования с использованием моделей кластера, уменьшая размер которого можно воспроизвести эффект уплотнения устройств сети радиодоступа пятого и последующих поколений. Результаты моделирования подтверждают возможность подавления помех до 15 дБ при сужении ширины диаграмм направленности антенн (ДНА) устройств с 360° до 5°.
Введение
Тенденция построения перспективных гетерогенных сетей радиодоступа (СРД) пятого и последующих поколений заключается в повышении плотности базовых станций и пользовательских устройств. Концепция уплотнения устройств на уровне радиодоступа предусматривает переход в диапазон миллиметровых волн (ММВ) mmWave и совершенствование радиоинтерфейса, особенно в части развития многоантенных систем massive MIMO с возможностью адаптивного диаграммообразования. Ожидается, что сети радиодоступа пятого и последующих поколений раскроют потенциал формирования узких лучей при работе на прием и передачу не только в стационарных базовых станциях, но и в подвижных портативных пользовательских устройствах. И тогда наконец удастся реализовать концепцию множественного доступа с пространственным уплотнением одновременных передач SDMA (Space Division Multiple Access).
Для сверхплотной сети радиодоступа (СРД) UDN (Ultra-Dense Network) характерна высокая плотность территориального и/или пространственного распределения базовых станций BS (Base Station) и подвижных пользовательских устройств UE (User Equipment) – до одного устройства на 1 м2 [1]. Следствием этого, с точки зрения организации радиосвязи, являются высокая вероятность наличия прямой видимости LOS (Line Of Sight) в радиолиниях BS–UE и/или UE–UE на расстоянии в несколько десятков метров [2], а также высокий уровень внутрисистемных помех из-за близкого расположения одновременно работающих приемопередающих устройств [3].
Пространственное уплотнение одновременных передач и множественный доступ с пространственным мультиплексированием SDMA [4] в диапазоне миллиметровых волн (ММВ) реализуемы благодаря использованию трехмерного диаграммообразования (ДО) 3D Beamforming (3D BF) [5] в радиолиниях "вниз" (BS→UE) и "вверх" UL (UN→BS), что в последние годы наблюдается из-за распространения многоэлементных антенных решеток (АР) в устройствах UE с переходом в диапазон ММВ mmWave.
Компенсация внутрисистемных помех и уплотнение одновременных передач в сверхплотных СРД 5G достигаются посредством адаптивного формирования диаграмм направленности антенн полезных и мешающих сигналов. Пространственная селекция сигналов при работе на передачу и прием в заданном направлении выполняется следующим образом: для потенциальных источников внутрисистемных помех SNOI (Signal No Of Interest) формируются нули ДНА в соответствующих направлениях, а для полезного сигнала SOI (Signal Of Interest) – ДНА с максимальным усилением.
Условием диаграммообразования в СРД с провалами ДНА в направлении SNOI и максимумами ДНА в направлении SOI служит предварительная осведомленность передающего и принимающего устройств, образующих радиолинию, об относительных угловых расположениях друг друга. Определение направлений прихода AOA/DOA (Angle/Direction of Arrival) сигналов SOI/SNOI с последующим диаграммообразованием на прием и передачу в зарубежных источниках называется диаграммообразованием на основе позиционирования LAB (Location Aware Beamforming) [6].
Анализ степени подавления внутрисистемных помех ISR (Interference Suppression Rate) за счет адаптивного ДО при случайном распределении устройств показывает, что при сужении ширины ДНА по уровню половинной мощности (минус 3 дБ) в вертикальной θ3дБ с 32° до 8° и горизонтальной φ3дБ с 65° до 8° плоскостях приводит к существенному повышению радиопокрытия с 66 до 99% [3].
Задача настоящей работы – установить зависимость подавления внутрисистемных помех ISR(φ3dB) от ширины ДНА в горизонтальной плоскости для общепринятой в сотовых сетях подвижной радиосвязи модели территориального распределения устройств согласно гексагональной решетке на плоскости. Для этого приводятся особенности диаграммообразования с точки зрения отдельной радиостанции пятого поколения, формализуется сценарий оценки помех в сверхплотной СРД 5G и реализуется имитационная модель (ИМ), позволяющая установить зависимость ISR(φ3dB).
Особенности диаграммообразования радиостанции 5G
Адаптивное ДО – один из основных инструментов радиоинтерфейса СРД 5G – включает процедуры формирования и управления лучом, протоколы обучения АР и методы определения угла/направления прихода сигнала AOA/DOA. Формирование и адаптивное управление лучом с использованием различных конфигураций АР, алгоритмов весовой обработки можно реализовать в аналоговом, цифровом и гибридном виде. Особенность схемотехники приемопередающих радиостанций с ДО – наличие наряду с приемным сегментом аналогичной по составу передающей подсистемы и общей для них АР. Цифровой передающий сегмент АР, идентичный приемному с точностью до замены в нем аналого-цифрового преобразователя (АЦП) на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), характеризуется инверсией алгоритмов пространственной обработки сигналов (ПОС). Кроме того, различия в реализации аналогового сегмента передающей системы обусловлены необходимостью усиления сигналов по мощности, а также преобразования частоты (ПЧ) и фильтрации побочных излучений (рис.1) [7].
Аппаратная часть радиоприемника включает в себя малошумящий усилитель (МШУ) вместе с входным полосовым фильтром и АЦП, после которого сигнал в цифровом виде поступает в блок цифровой обработки сигналов (ЦОС) для пространственной весовой обработки: с коэффициентами wi при приеме и vi при передаче, где i = 1,…N – индекс элемента АР. Аппаратная часть радиопередатчика состоит из ЦАП, усилителя мощности (УМ) с выходным фильтром усиливаемого сигнала. В приемопередатчике используют однократное аппаратное преобразование частоты: при приеме с радиочастоты RF (Radio Frequency) в основную полосу информационных частот BB (Baseband); при передаче с RF в BB.
Пространственная обработка сигналов (ПОС) в структуре радиостанции (рис.1) с ДО осуществляется в основной полосе частот BB в цифровом виде с применением умножения на коэффициенты wi и vi. При аналоговом ДО коэффициенты применяются уже к аналоговому сигналу на радиочастоте RF. Цифровое ДО – эффективнее, но и сложнее с точки зрения аппаратной реализации; аналоговое диаграммообразование проще в аппаратной реализации, однако отличается меньшей гибкостью в формировании и управлении лучом. Гибридный подход сочетает преимущества формирования узких лучей и применения аналоговых фазовращателей на радиочастоте RF с гибкостью цифрового диаграммообразования. При ДО целесообразно использовать узкую ДНА для обмена данными и более широкую при обмене сигналами управления [8].
Протоколы обучения АР при адаптивном ДО, призванные обеспечить предварительное выравнивание лучей передающей и приемной радиостанций, – характерная особенность направленной радиосвязи. Для выравнивания лучей протоколы обучения могут использовать узкополосные пилотные сигналы [7, 8]. Процедура обучения заключается в периодическом анализе обучающих последовательностей, которые должны передаваться и приниматься не направленно. С учетом возможного децентрализованного функционирования радиостанций в составе радиосети, их мобильности реализация совокупного диаграммообразования с провалами в направлениях SNOI и максимумами в направлении SOI представляется нетривиальной задачей. Для адаптивного ДО передатчика и приемника в режиме установления связи необходимо, чтобы радиостанция-передатчик определила вначале угловое расположение радиостанции-приемника – зафиксировала угол прихода сигнала AOA. Определяется AOA в ходе математической обработки комплексного вектора пространственно-временных отсчетов сигнала на выходах АЦП x(k) = [x1(k),…,xN(k)]T и выходного сигнала y(k) = wH(k−1)x(k), где w(k) = [w1(k),…,wN(k)]T – векторы комплексных весовых коэффициентов, k – индекс дискретного времени, верхние индексы T и H обозначают транспонирование и эрмитово сопряжение векторов соответственно. После определения AOA, когда передатчику известно угловое расположение приемника, а приемнику – угловое расположение передатчика, сеанс связи на основе ДО может быть осуществлен с выравниванием лучей и усилением на передающей и приемной сторонах. Вычисление AOA/DOA наряду с протоколами обучения – неотъемлемая процедура адаптивного ДО.
На рис.2 проиллюстрировано совместное определение направления прихода сигнала и адаптивное ДО на примере приемной радиостанции. Обработка принятых сигналов выполняется в блоке ЦОС пространственной обработки АР и включает в себя две процедуры: а) определение угла/направления прихода (AOA/DOA) сигнала/сигналов; б) адаптивное формирование ДНА. Возможности адаптивного ДО, помимо технических особенностей реализации, ограничены информированностью радиостанции-передатчика и радиостанции-приемника об обстановке в радиоканале CSI (Channel State Information), которая включает в себя текущие передачи потенциальных источников внутрисистемных помех. На их основе можно определить углы прихода мешающих сигналов SNOI и сформировать в соответствующих направлениях провалы ДНА при работе на передачу и на прием. В случае, когда радиостанции-передатчику и радиостанции-приемнику известны только относительные угловые расположения друг друга, они могут сформировать ДНА с максимальным усилением в направлении приема/передачи полезного сигнала SOI. ДО с провалами в направлении SNOI и максимумами в направлении SOI повышают вероятность успешного радиоприема в общем радиоканале.
Сценарий оценки помех в сверхплотной СРД 5G с диаграммообразованием
Допустим, BS с АР и возможностью формирования узкого луча предварительно осведомлены об относительном угловом расположении UE, могут сформировать максимум ДНА в направлении UE, являющемся SOI в данной соте; будем считать, что пользовательские устройства UE ведут передачу в ненаправленном режиме, а базовые станции BS осуществляют прием в направленном режиме с ДО (рис.3).
Анализ помех выполняется для радиолинии SOI U0→B0 (канал "вверх"); остальные радиолинии Ui→Bi, i = 1,…,N, работающие одновременно в соседних сотах, служат источниками внутрисистемных помех SNOI, где N – общее число соседних сот. Обозначим через d0 расстояние между B0 и U0, а через di расстояния между B0 и другими Ui, ведущими передачу одновременно с U0 в соседних сотах.
В гексагональной структуре используются следующие допущения: BS имеют одинаковые значения эквивалентной изотропно-излучаемой мощности (ЭИИМ), антенны и высоту их подвеса; зона радиопокрытия BS с ненаправленной антенной моделируется окружностью радиусом R. Если Ncl – размерность кластера, тогда параметры гексагональной модели определяются расстоянием между центрами кластеров Dcl [9]:
.
При Ncl = 1 частоты используются повторно в каждой соте и расстояние между работающими на одинаковых частотах BS составляет: ; при Ncl = 3 частоты повторяются в каждой третьей соте и расстояние Dcl = 3R; UE, работающие на одинаковых частотах в зонах обслуживания своих BS, являются источниками внутрисистемных помех при анализе канала "вверх". На рис.4 отображен сценарий оценки помех для Ncl = 1 и Ncl = 3: по мере снижения размерности кластера уменьшается расстояние между работающими на одинаковых частотах BS, что позволяет оценить тенденцию уплотнения сетевых устройств на уровень помех в СРД.
Порядок оценки помех в предлагаемом сценарии для канала "вверх" при заданном территориальном распределении сетевых устройств предполагает фиксацию расстояний d0 между B0 и U0 в радиолинии SOI и di между B0 и другими пользовательскими устройствами Ui в соседних сотах i = 1,…,N, ведущими передачу одновременно с U0 и образующими радиолинии SNOI. Наименее благоприятный с точки зрения помех сценарий – при расположении U0 на границе соты на расстоянии R от обслуживающей B0. Учет двух уровней окружающих B0 сот, включая шесть ближних сот B1–B6 первого уровня и 12 дальних сот B7–B18 (второго уровня), – обычно достаточное условие для оценки помех вследствие существенных потерь при распространении радиоволн (РРВ).
Для сценария ненаправленных антенн (Omni) у BS и UE отношение сигнал/помеха SIR (Signal to Interference Ratio) в канале "вверх" определяется расстояниями d0 между B0 и U0 и di между B0 и другими Ui:
,
где η = 2 – показатель потерь РРВ в условиях прямой видимости LOS; для гексагональной модели однородной сети обычно предполагают, что мощность передатчика U0, работающего в соте B0, и мощности передатчиков Ui, работающих в сотах Bi , i = 1,…,18, одинаковы, поэтому справедливо выражение:
.
Для сценария направленных антенн у BS и UE отношение сигнал/помеха SIR в канале "вверх" определяется выражением:
,
где GHB0 – коэффициент усиления (КУ) B0 в горизонтальной плоскости; GVB0 – КУ АР B0 в вертикальной плоскости; GHU0 – КУ АР U0 в горизонтальной плоскости; GVU0 – КУ АР U0 в вертикальной плоскости; GHUi – КУ АР Ui в горизонтальной плоскости; GVUi – КУ АР Ui в вертикальной плоскости.
На рис.5 показан учет направленных свойств АР базовой станции B0 и пользовательского устройства U0 для радиолинии SOI U0→B0: (xU, yU, hU) – координаты U0; (0, 0, hB) – координаты B0; hU – высота АР U0; hB – высота АР B0; zU = hB–hU – разность высоты АР U0 и B0; d0xy – проекция d0 на плоскость xy; ϕB0 – азимут B0 относительно U0, измеряемый от 0x; θB0 – угол места B0 относительно U0, измеряемый от плоскости xy; ϕU0 – азимут U0 относительно B0, измеряемый от 0x; θU0 – угол места U0 относительно B0, измеряемый от плоскости xy. Для относительных углов в радиолинии SOI справедливы соотношения:
.
На рис.6 проиллюстрирован учет направленных свойств АР базовой станции B0 и пользовательских устройств Ui для радиолиний SNOI Ui→B0, служащих источниками помех в канале "вверх": ϕUi – азимут Ui относительно B0; ϕBi – азимут Bi относительно Ui. Для относительных углов в радиолиниях SNOI справедливы соотношения:
.
Значение ΔϕU позволяет оценить ослабление, а ΔϕB – усиление сигнала SNOI в рассматриваемом канале "вверх".
Принимая введенные обозначения для учета направленных свойств АР в радиолиниях SOI и SNOI, отношение сигнал/помеха SIR в канале "вверх" для сценария с ДО у базовых станций и пользовательских устройств:
,
где GHB0 – КУ АР B0 в горизонтальной плоскости; GVB0 – КУ АР B0 в вертикальной плоскости; GHU0 – КУ АР U0 в горизонтальной плоскости; GVU0 – КУ АР U0 в вертикальной плоскости; GHUi – КУ АР Ui в горизонтальной плоскости; GVUi – КУ АР Ui в вертикальной плоскости.
Для моделирования КУ АР в горизонтальной плоскости в зависимости от ширины ДНА ϕ3dB в опорном направлении используется аппроксимация [2]:
,
где GH (ϕ) – КУ АР в дБ в направлении –180° ≤ ϕ ≤ 180°; GSL = 20 дБ – максимальное ослабление КУ АР в боковых лепестках. Пример ДНА АР GH (ϕ) в горизонтальной плоскости для ϕ3dB = 60° и GSL = 20 дБ представлен на рис.7.
Компенсация внутрисистемных помех ISR (в дБ) в режиме ДО (Beamforming) определяется как разность между SIRD в режиме ДО и SIRO в режиме Omni:
.
Модель оценки помех в сверхплотной СРД 5G с диаграммообразованием
Рассмотрим ИМ оценки помех в сверхплотной СРД 5G с ДО в 2D с КУ АР в горизонтальной плоскости с hB = hU = 0. В табл.1 представлены параметры ИМ.
На рис.8 проиллюстрирован сценарий отдельной реализации ИМ для Ncl = 1.
На рис.9 представлена зависимость ISR от ширины ДНА БС в горизонтальной плоскости ϕ3dB. Анализ графиков позволяет сделать следующие выводы: а) сужение ширины ДНА в режиме ДО ожидаемо приводит к подавлению помех по сравнению со случаем ненаправленных антенн; при сужении ϕ3dB с 360° до 5° значение ISR превышает 15 дБ; б) сравнение уровня подавления помех ISR для кластеров размерами 1 и 3 показывает незначительное превышение ISR для кластера размером 3 по сравнению с кластером размером 1, что объясняется увеличением расстояния между центрами кластеров Dcl; с уменьшением Dcl повышается уплотнение приемопередающих устройств и, как следствие, незначительно снижаются возможности пространственного уплотнения одновременных передач; в) для сравнения на графике представлена аппроксимация зависимости 1/(φ3dB), которая в некоторой степени подтверждает зависимости, полученные в результате ИМ для ϕ3dB ≥ 10°; при дальнейшем сужении ДНА величина ISR, полученная в результате ИМ, больше отклоняется от аппроксимации 1/(ϕ3дБ).
Заключение
Проведенный анализ подавления внутрисистемных помех ISR(ϕ3dB) для модели территориального распределения устройств согласно гексагональной решетке из 19 сот с параметризацией коэффициента усиления шириной диаграммы направленности в горизонтальной плоскости показал, что при направлении луча базовой станции на пользовательское устройство и его сужении с 360° до 5° уровень внутрисистемных помех уменьшается на 15 дБ по сравнению со случаем ненаправленных антенн. В результате сравнения зависимости ISR(ϕ3dB) для двух размерностей кластера обнаружено незначительное превышение ISR для кластера размером 3 по сравнению с кластером размером 1, что указывает на потенциал уплотнения приемопередающих устройств с диаграммообразованием в сетях пятого и последующих поколений.
ЛИТЕРАТУРА
Kamel M., Hamouda W., Youssef A. Ultra-Dense Networks: A Survey // IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2016. Vol. 18. No. 4. PP. 2522–2545.
Report ITU-R M.2412-0. Guidelines for evaluation of radio interface technologies for IMT-2020. ITU. 2017.
Rachad J., Nasri R., Decreusefond L. Interference analysis in dynamic tdd system combined or not with cell clustering scheme // 2018 IEEE 87th Vehicular Technology Conference (VTC Spring). IEEE. 2018. PP. 1–5.
Bai L., Li T., Xiao Z., Choi J. Performance Analysis for SDMA mmWave Systems: Using an Approximate Closed-Form Solution of Downlink Sum-Rate // IEEE Access. 2017. Vol. 5. PP. 15641–15649.
Rachad J., Nasri R., Decreusefond L. A 3D Beamforming Scheme Based on The Spatial Distribution of User Locations // 2019 IEEE 30th Annual International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC), Istanbul, Turkey. 2019. PP. 1–7.
Kela P. et al. Location Based Beamforming in 5G Ultra-Dense Networks // 2016 IEEE 84th Vehicular Technology Conference (VTC-Fall). Montreal. QC. 2016. PP. 1–7.
Vook F.W., Ghosh A., Thomas T.A. MIMO and beamforming solutions for 5G technology // 2014 IEEE MTTS International Microwave Symposium (IMS2014), Tampa, FL. 2014. PP. 1–4.
Roh W. et al. Millimeter-wave beamforming as an enabling technology for 5G cellular communications: Theoretical feasibility and prototype results // IEEE Commun. Mag. Feb. 2014. Vol. 52. No 2. PP. 106–113.
Маковеева М.М., Шинаков Ю.С. Системы связи с подвижными объектами: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 2002. 440 c.
Отзывы читателей
