Несмотря на высокую эффективность технологии CDMA у нее есть и ряд недостатков (см. «Сети», 1999, № 12, с. 44). Один из них — высокая чувствительность к разбросу мощностей мобильных станций. Наиболее сложная ситуация возникает вследствие проблемы «дальний—ближний» (far-near problem), когда мобильная станция, расположенная вблизи базовой, работает на большой мощности, создавая недопустимо высокий уровень помех при приеме других, «дальних» сигналов, что приводит к снижению пропускной способности системы в целом. Эта проблема существует у всех систем мобильной связи, однако наибольшие искажения сигнала возникают именно в CDMA-системах, работающих в общей полосе частот, в которых используются ортогональные шумоподобные сигналы (рис. 1). Если бы в этих системах отсутствовала регулировка мощности, то они существенно уступали бы по характеристикам сотовым сетям на базе TDMA. Поэтому ключевой проблемой в CDMA-системах можно считать индивидуальное управление мощностью каждой станции.

Рис.1
Характер изменения сигналов в обратном канале

Эффективная работа системы с кодовым доступом возможна лишь при условии выравнивания сигнала от различных абонентов на входе базовой станции (БС). Причем чем выше точность выравнивания, тем больше зона покрытия системы.

Следует отметить, что линия «вниз» (от БС к абоненту) менее подвержена искажениям сигнала за счет внутрисистемных помех и многолучевых замираний, так как на БС всегда существует запас по мощности. Поэтому основные проблемы возникают при регулировке мощности в обратном канале — от абонента к БС (на линии «вверх»).

В стандарте IS-95 определено, что регулировка уровня мощности мобильной станции осуществляется в динамическом диапазоне 84 дБ с шагом 1 дБ, т. е. с точностью 60,5 дБ. Интервал между соседними измерениями равен 1,25 мс (частота обновления данных 800 Гц). При этом предусмотрены три схемы управления мощностью: разомкнутая, замкнутая и внешняя петля регулирования.

Разомкнутая схема управления предполагает автономное измерение мощности на мобильной станции и позволяет грубо отследить изменения сигнала и устранить (в основном) медленные замирания. Замкнутая схема управления обеспечивает более точную и менее инерционную регулировку по отношению сигнал-шум, измеренному на базовой станции. Результаты измерения этого отношения преобразуются в команды управления и передаются на мобильную станцию. При такой регулировке отрабатываются достаточно быстрые изменения сигнала, от многолучевых замираний, затенений и тому подобных помех.

Управление с помощью внешней петли регулирования основано не на прямом измерении уровня принимаемого сигнала на линиях «вверх» и «вниз», а базируется на косвенных признаках — фактически на расчетном значении отношения сигнал-помеха, где помеха учитывает только интерференцию.

При использовании разомкнутой схемы управления мобильная станция, принимая сигнал от БС, оценивает его уровень, сравнивает с установленными пороговыми значениями и на основе этого сравнения вычисляет уровень излучаемой мощности. Очевидно, что точность такого метода регулирования мощности невысока, так как прямой и обратный каналы работают в разных диапазонах частот (в IS-95 разнос частот составляет 45 МГц), а следовательно, они по-разному воспринимают помехи и имеют различные потери при распространении радиоволн.

Эти недостатки учтены в замкнутой схеме регулирования мощности. БС постоянно отслеживает уровень сигнала, принимаемого от каждой мобильной станции, измеряет его мощность и оценивает вероятность ошибки или отношение сигнал-шум (S/N). Уровень сигнала оценивается на выходе RAKE-приемника (рис. 2). БС определяет общий уровень помех на заданной частоте и одновременно генерирует пороговое отношение сигнал-помеха (SIR)пор., после чего формирует команду TPC (Transmit Power Control) в соответствии со следующим правилом:

если (S/N)j > (SIR)пор, то мощность необходимо уменьшить
(DTPC = -1);

если (S/N)j < (SIR)пор, то мощность следует увеличить
(DTPC = +1).

Рис.2
Обобщенная схема управления мощностью в CDMA-системе

При таком регулировании мощности обеспечивается минимальный уровень излучения базовой станции, который достаточен для поддержания заданного качества передачи сигнала: вероятность ошибки — 10-3 при передаче речи и 10-6 при передаче данных.

При процедуре мягкого хэндовера (переходе абонента из зоны обслуживания одной БС в зону другой) схема регулирования мощности несколько иная. Мобильная станция принимает одновременно несколько команд управления мощностью DTPC от разных БС (обычно двух) и сравнивает их между собой. Если все команды указывают на необходимость увеличения мощности, т. е. DTPC = +1, то мобильная станция последовательно увеличивает свою мощность с шагом 1 дБ.

Если же хотя бы одна команда требует уменьшения мощности (DTPC = -1), то мобильная станция будет снижать мощность передатчика, пока уровень сигнала не достигнет минимально допустимого значения.

Таковы алгоритмы управления мощностью абонентской станции в сетях связи на базе стандарта IS-95.

Как известно, в рамках IMT-2000 разрабатываются три новые версии стандартов, основанных на CDMA:

IMT-MC (IMT-2000 Multi Carrier) — стандарт на многочастотную систему cdma2000 с одновременной передачей нескольких несущих и частотным дуплексным разносом для работы в непарных полосах частот;

IMT-DS (IMT-2000 Direct Spread) — стандарт на широкополосную систему W-CDMA (UTRA FDD) с прямым расширением спектра (DS-CDMA) и частотным дуплексным разносом (FDD) для работы в парных полосах частот;

IMT-TC (IMT-2000 Time-Code) — стандарт на комбинированную систему TDMA/CDMA с временным дуплексным разносом (TDD) для работы в непарных полосах частот.

В спецификациях IMT-MC точность управления мощностью увеличена по сравнению с IS-95 за счет выбора более мелкого шага управления (-0,25; 0,5 или 1,0 дБ), что позволяет обеспечить работу в различных режимах. Кроме того, предусмотрена регулировка мощности как в прямом, так и в обратном каналах.

Стандартами IMT-DS и IMT-TC допускается увеличение скорости изменения мощности по сравнению с IMT-MC в два раза, т. е. интервал между измеряемыми значениями можно уменьшить до 0,625 мс. Шаг изменения мощности для IMT-DS будет задаваться в интервале от 0,25 до 1,5 дБ с инкрементом 0,25, а в спецификациях IMT-TC он определен как постоянный, равный 2 дБ.

Следует отметить, что использование комбинированного метода кодово-временного разделения каналов в стандарте IMT-DS (UTRA TDD) снижает требования к точности управления мощностью сигнала по сравнению с другими CDMA-технологиями. Технология UTRA TDD позволяет управлять мощностью сигнала на уровне кадров. Фактически механизм управления мощностью в режиме TDD аналогичен тому, который используется в системах на базе GSM. В режиме TDD все сигналы, передаваемые в пределах одного и того же канального интервала и относящиеся к одному и тому же виду услуг, имеют одинаковую мощность, а для управления ею в режиме реального времени применяется замкнутая схема регулирования как на линиях «вверх», так и на линиях «вниз». Если режим реального времени не используется, то можно работать как с замкнутой, так и с разомкнутой схемой регулирования — выбор зависит от желания оператора.

Функции регулирования мощности, кроме поддержания заданного качества канала на линии «вниз», выполняют и другие задачи, например выравнивают нагрузку на разных сотах системы. Ведь чем больше сота загружена, тем меньшую мощность излучает БС, а значит, сокращается радиус соты. Но одновременно уменьшаются и помехи от абонентов соседних сот, что приводит к увеличению пропускной способности, а также к уменьшению энергопотребления мобильной станцией.

-Леонид НЕВДЯЕВ, НИИТП

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями