СОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ КООПЕРАТИВНОЙ РЕТРАНСЛЯЦИИ В МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ

Аннотация

В статье рассматривается применение технологии кооперации в подвижной радиосвязи. Приводятся различные варианты дуплексной связи с применением кооперативной ретрансляции. Проводится анализ восходящих и нисходящих каналов мобильной связи. В работе показаны различные режимы работы сотрудничающих мобильных терминалов.

Полный текст

Технология кооперативной ретрансля- ция является методом передачи данных, при котором используются различные алгоритмы обработки сигналов в кооперативном узле (ретрансляторе). После обработки сигналы передаются на следующий ретранслятор или на оконечное устройство линии связи. С данной технологией возникает важный во- прос, какой будет использоваться метод дуп- лексной связи. Введение кооперативной ретрансляции усложняет процедуру дуплексной связи, глав- ным образом потому, что в основе термина ле- жит понимание, что только два устройства взаимодействуют друг с другом. Использование полного дуплекса ретрансляции произойдет, если кооператор может принимать и ретрансли- ровать в той же полосе частот одновременно. Теоретически такое взаимодействие между мо- бильными терминалами возможно. Когда при- ходит один сигнал и передается другой на од- ной частоте с уровнем мощности больше при- нимаемого, то в результате получается завязка с обратной связью и вносятся помехи, поэтому в такие случаи необходимо ставить эхо-пода- витель. Полудуплексная ретрансляция приме- © Шантуров Е. М., 2015. Шантуров Евгений Михайлович (shanturov-EM@yandex.ru), аспирант факультета телекоммуникаций и радиотехники Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики, 443010, Россия, г. Самара, ул. Льва Толстого, 23. няется, если кооперативный пользователь мо- жет взаимодействовать только в той же полосе частот раздельно по времени или одновремен- но, но на разных частотах. Эти концептуальные отличия от идеи дуплексного взаимодействия применяются в связи с тем, что они не имеют никакого понятия одновременности. По аналогии с практическими реализациями дуплексных принципов на уровне линии связи используются таковые и в кооператоре [1]. Ретрансляция с временным разде- лением (РВР). Входящие и исходящие потоки информации в кооперативном терминале разделены во времени, то есть выделяются разные временные слоты и, следовательно, реализуется полудуплексная ретрансляция. Входящие и исходящие потоки, как правило, передаются в одной полосе частот. Этого достаточно для обработки информационного потока на слот. Следовательно, метод РВР является распространенным среди регенера- тивных способов передачи данных. Следует отметить, что временные интервалы приема и передачи не обязательно должны быть одинаковой длины. Например, если канал от источника к кооператору хуже, чем от кооператора к базовой станции (БС), то метод декодирование-и-передача (ДП) может использовать более высокий порядок модуля- ции во втором хопе и таким образом передать пакет в более короткий срок. Кроме то- го, как правило, будет небольшой временной промежуток между кадром получения и пе- редачи данных, который приходится на задержки обработки пакетов и переключение радиоприемника с приема на передачу. Ретрансляция с частотным разделением (РЧР). Здесь прием и передача потока происходит в различных частотных диапазо- нах, что реализует полудуплексную ретранс- ляцию. Входящие и исходящие потоки, как правило, но не обязательно запланированы в одно и тоже время. РЧР применима как к реге- неративной ретрансляции, так и к прозрачной ретрансляции. Однако входящие и передаю- щие полосы частот и длительность пакетов не обязательно должны быть одного размера. Ретрансляция с независимым разде- лением (РНР). Данный метод обычно называ- ется дуплексной ретрансляцией. Прием и пе- редача ретрансляционного потока произойдет в одно и тоже время, используя ту же полосу частот. Этот метод в настоящее время ис- пользуется в контексте простых ретранслято- ров в сотовых системах, чтобы обеспечить достаточный охват, где они упоминаются как частотные репитеры. Представленный метод также используется в контексте более слож- ных ретрансляторов, способных подавить по- мехи, где они упоминаются как репитеры с системой подавления помех. Наконец, систе- мы широковещания, которые называют ка- нальными репитерами, также используют данный подход. Так как в настоящее время доступны технологии, пространственно- разносящие приемные и передающие антен- ны, этот метод должен быть отнесен к ретрансляции в качестве пространственного разнесения. Однако такой подход явно не подходит для небольших кооперативных мо- бильных терминалов. Например, установка эхо-подавителя или пространственно разне- сенных антенн с более сложным приемопере- датчиком приведет к существенному техни- ческому усложнению мобильного терминала, за чем неизбежно последует увеличение его размера, стоимости и энергопотребления. РНР, таким образом, спектрально эффек- тивна, но очень требовательна с технологиче- ской точки зрения. С другой стороны, РВР и РЧР требуют введения дополнительного вре- менного интервала и дополнительной полосы частот, в результате чего, соответственно, уменьшается спектральная эффективность кооперативной системы. Спектральная эффек- тивность уменьшается еще больше с увеличением числа кооператоров. Однако, как пред- ставляется, потеря в спектральной эффектив- ности может компенсироваться за счет плот- ного взаимного сотрудничества [1]. Что касается технологии передачи данных, стоит взять во внимание тот факт, что в мобильных системах LTE (Long-Term Evolution - долговременное развитие) и LTE- Advanced мобильные терминалы используют разные технологии передачи данных в нис- ходящем и восходящем каналах. Нисходя- щий канал от БС к мобильным терминалам реализуется при помощи метода множест- венного доступа с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA), в основе ко- торого лежит принцип распределения по поднесущим информационного потока в оп- ределенные промежутки времени. Данный метод позволяет закреплять отдельные под- несущие за разными пользователями. Это облегчает обслуживание многих абонентов, работающих с низкими скоростями, а также позволяет использовать частотные скачки для смягчения эффектов узкополосного мно- голучевого распространения. Важным сдер- живающим фактором применения OFDMA в мобильных системах для восходящих кана- лов были присущие этой технологии сигна- лы с высоким отношением пикового значе- ния к среднему (PAR), которые порождаются параллельной передачей нескольких сотен близко расположенных поднесущих. Для мобильных устройств сигналы с большим PAR создают целый ряд проблем, связанных с конструкцией усилителя мощности и по- треблением энергии от батарей. Именно по- этому проект 3rd Generation Partnership Project (3GPP) остановился на новой схеме передачи SC-FDMA. SC-FDMA (Single Carrier - Frequency Division Multiple Access) представляет собой гибридную схему передачи, которая сочетает низкие значения PAR, присущие системам с одной несущей, таким как GSM (Global System for Mobile Communications) и CDMA (Code Division Multiple Access), с большой длительностью символа и гибким распреде- лением частот OFDM. Принципы генерации сигнала SC-FDMA показаны на рис. 1, кото- рый является фрагментом одного из рисун- ков отчета 3GPP об исследовании физиче- ского уровня LTE [2]. Рис. 1. Генерация сигнала SC-FDMA [2] В левой части рис. 1 символы данных представлены во временной области. Симво- лы преобразуются в частотную область с помощью быстрого преобразования Фурье и затем в частотной области они распределя- ются в нужные места общего спектра несу- щей. Затем их требуется снова преобразовать во временную область, чтобы перед переда- чей добавить к ним циклический префикс. Альтернативное название технологии SC- FDMA - распределенная OFDM с дискрет- ным преобразованием Фурье (DFT-SOFDM) [2]. Следовательно, технология SC-FDMA является более предпочтительной по сравне- нию с OFDMA для мобильных устройств в качестве технологии передачи данных между мобильными терминалами, так как мобиль- ные терминалы должны быть способны не только передавать, но также принимать и обрабатывать полученные данные, используя SC-FDMA. Рассмотрим схему ретрансляции, когда абонент находится на краю соты и получает услуги связи. При попадании пользователя в затененную зону связь с БС теряется. В такой момент времени подбирается кооперативный пользователь, у которого мобильный аппарат поддерживает технологию кооперации, не за- гружен и имеет достаточный уровень заряда батареи. Кооперативный пользователь должен иметь качественный канал между терминалом партнера и БС (рис. 2). Не вдаваясь в подроб- ности взаимодействий между элементами сети на верхних уровнях, пользователю назначается кооперативный партнер, через которого будет осуществляться связь. Стоит отметить, что для осуществления кооперации необходимо технологиче- ское усовершенствование как терминалов пользователей, так и элементов сети. Кооперативный пользователь, общаясь с БС, будет взаимодействовать с терминалом партнера на других закрепленных часто- тах. Для наименьшей генерации дополни- тельных помех в соте при ретрансляции взаимодействия между пользовательскими терминалами должны происходить с огра- ничением по мощности, при которой сиг- нал будет распространяться предположи- тельно не дальше половины радиуса соты. Связь получается полудуплексной по вре- мени. Основные решения по выбору коо- ператора, частот взаимодействия и выбора алгоритма кооперации принимает БС. В представленном алгоритме (рис. 3 а) может быть использован метод прозрачной ретрансляции «усиление-и-передача», где присутствует минимальная временная за- держка при передаче сигнала в ретранслято- ре. Направленная вверх стрелка указывает на момент передачи сигнала, вниз - на момент времени приема сигнала. В каждый времен- ной интервал передача сигнала будет проис- ходить в одном направлении через коопера- тор. Так, конечный пользователь будет пере- давать свои данные, а БС принимать их, в следующий интервал времени, возможно, наоборот. Во втором алгоритме может применяться регенеративная ретрансляция с ис- пользованием технологии «декодирование-и- передача». Здесь (рис. 3 б) кооператор будет взаимодействовать с БС и конечным пользо- вателем по очереди в разные интервалы вре- мени. В клетках обозначена информация, ко- торая передается в каждый временной ин- тервал. Представленные методы могут при- меняться для расширения зоны покрытия ра- диосети и для дополнительного мультиплек- сирования. Рис. 2. Ситуация применения ретрансляции в мобильной связи а б Рис. 3. Последовательность взаимодействий между узлами: а - с использованием технологии «усиление-и-передача»; б - с использованием технологии «декодирование-и-передача» При необходимости кооперативный пользователь вместе со своими данными может передавать данные источника. Такой подход даст необходимую гарантию достав- ки данных (рис. 4). В качестве метода ретрансляции может быть использован режим «сбор-и-передача», когда кооперативный пользователь собирает данные принятые от источника, далее добав- ляет свои данные и передает все к БС. Коо- ператор может обладать буфером накопле- ния данных партнера источника. Другими словами, кооперативный пользователь будет прослушивать сигналы источника и записывать их в буфер. При ошибках в передаче данных между источником и БС, БС обраща- ется к кооператору, чтобы тот выслал биты партнера. Эффективность сотрудничества в масштабе системы связи очевидна. Однако индивидуальному пользователю такие взаи- модействия могут показаться не выгодными. Абоненты сами выбирают режим рабо- ты в сети. М. Дохлер (Mischa Dohler) и Ю. Ли (Yonghui Li) [1] приводят классифи- кацию режимов работы узлов. Мобильные терминалы, которые передают или сотруд- ничают, играют главную роль в кооператив- ных сетях (рис. 5). Они оказывают глубокое воздействие на производительность системы в целом. Эгоистичный режим работы (без помощи). Это наиболее типичный режим уз- ла, его легко найти в современных системах беспроводной связи. Здесь каждый узел взаимодействует с базовой станцией отдель- но, даже если работает в режиме ожидания или если он не имеет собственного трафика для передачи, он не поможет другому узлу, который нуждается в помощи. Поддерживающий режим работы (однонаправленная помощь). Такое поведе- ние хорошо известно в беспроводной само- организующейся сети, где данные передают- ся от источника к адресату через ретрансля- тор (ы), который не имеет собственных дан- ных для передачи. Кооперативный режим работы (вза- имопомощь). Истинно кооперативный ре- жим показывает, как узлы взаимно помогают друг другу, то есть все заинтересованные уз- лы имеют данные для передачи, взаимно пы- таются получить их и успешно доставить. Рис. 4. Схема кооперации с использованием технологии «сбор-и-передача» Рис. 5. Режимы работы терминалов в системе с кооперацией [1] В интересах оператора связи находится факт сотрудничества друг с другом мобиль- ных пользователей. Если узел отказывается от сотрудничества, данный режим будет не- выгодным для кооперации. Для стимулиро- вания выбора кооперации выгод от сотруд- ничества должно быть как можно больше по сравнению с эксплуатацией других режимов. Сотрудничать ли или нет, пользователь дол- жен оценить сам. Как представляется, поль- зователям должны предоставляться более выгодные предложения, поощряющие выбор кооперации. Например, при выборе коопера- ции абоненту могли бы начисляться бонус- ные единицы, которые он может потратить на дополнительные услуги, опции. Как предполагается, путем технических усложнений в устройствах мобильной связи возможна реализация кооперативной ре- трансляции, которая в свою очередь может улучшить некоторые параметры системы ра- диодоступа подвижной радиосвязи. Должны быть продуманы методы привлечения мо- бильных пользователей к сотрудничеству. Технологии кооперации в подвижной радио- связи имеют большой потенциал, что под- тверждается ее гибкостью настроек при вне- дрении.