В статье рассматривается радиочастотная аналоговая подсистема базовой станции, работающей в соответствии со стандартом 802.16d, известным как WiMAX, и стандартом HSDPA. Эта подсистема разработана в рамках концепции [[«программируемого радио»]].
В области беспроводной связи разработано много стандартов, включая WCDMA, HSDPA, Wibro, WiMAX и др. Нынешний рынок требует, чтобы одно устройство могло функционировать на основе двух и более стандартов. В соответствии с этим требованием идет работа над технологией программируемого радио (SDR — Software Defined Radio).
Технологию SDR можно рассматривать как открытую архитектуру, в рамках которой создание коммуникационной платформы осуществляется путем использования гибких стандартизированных модулей. Назначение модулей, структура межмодульных соединений и, следовательно, тип коммуникационной системы определяются загружаемым программным обеспечением.
Форум SDR определяет эту концепцию как «радиосистему, в которой программным образом осуществляются выбор узкой или широкой рабочей полосы, управление методами модуляции, функциями обеспечения безопасности и формированием сигнала для существующих и будущих стандартов в широкой полосе частот» [1]. Технология SDR считается лучшим решением для поддержки множества беспроводных коммуникационных сервисов в рамках единой инфраструктуры [2].
Для реализации программируемого радио требуются конфигурируемый цифровой блок и широкополосные или конфигурируемые радиочастотные блоки. На этом пути разработчика поджидает немало трудностей, особенно в аналоговой части, поэтому во многих коммерческих разработках в ней используются системы лестничного типа. При таком подходе ключевым вопросом является объединение аналоговых подсистем с целью упрощения всей системы.
ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЙ
Разрабатываемая базовая станция должна работать в соответствии с двумя стандартами: IEEE 802.16d, обычно называемым WiMAX, и HSDPA от комитета стандартизации третьего поколения 3GPP. Рассмотрим кратко эти стандарты и соответствующие требования к разработке.
Технология WiMAX
WiMAX — это распространенное обозначение технологии, основанной на стандарте IEEE 802.16. Расширение стандарта IEEE 802.16d предназначено для устройств фиксированной связи с неподвижной антенной пользовательского терминала. Такая антенна устанавливается на крыше, на мачте или в помещении.
Физический уровень PHY, определяемый стандартом 802.16, представлен тремя вариантами: с одной несущей, 256 OFDM или 2048 OFDMA. Из трех вариантов в качестве основного был выбран 256 OFDM. Для реализации физического уровня схема должна включать процессор быстрого преобразования Фурье (БПФ) на 256 точек. Стандарт также определяет использование адаптивной модуляции (методы BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM) с применением метода измерения CINR (Carrier to Interferenceplus- Noise Ratio — отношение уровня несущей к шуму и интерференционным наводкам) как критерия выбора максимальной скорости модуляции при сохранении допустимого уровня ошибок за счет автоматической ретрансляции данных.
Передатчик получает от перемежителя (чередователя) комплексные системы QAM-символов, формирует сигнал с частотой БПФ-процессора, осуществляет отображение символов QAM в OFDM-сигнал, модулирует пилот-сигнал, расставляет циклические префиксы, генерирует преамбулу, производит коррекцию смещения по частоте и сглаживание во времени. Приемник получает отсчеты из аналоговой части и выделяет выровненные комплексные символы QAM, которые затем поступают в деперемежитель. Приемник также регулирует усиление, осуществляет синхронизацию, производит оценку и выравнивание канала, оценку уровня входного сигнала и отношения сигнал/шум, коррекцию частотного смещения, извлечение пилот-сигнала, осуществляет коррекцию фазы, контроль частоты/синхронизации и т.д. [3, 4].
Технология HSDPA
HSDPA (UTRA/FDD) является конкурентоспособной системой для сервисов третьего поколения. Этот стандарт представляет собой развитие WCDMA. Поскольку в нем используются базовые станции WCDMA Node- B, его внедрение экономически выгодно. Технология HSDPA также обратно совместима с существующими системами и трубками WCDMA.
HSDPA включает несколько передовых технологий, таких как AMC (Adaptive Modulation and Coding — адаптивная модуляция и кодирование), гибридная технология ARQ (Automatic Repetition Request — автоматическое повторение запроса). Он также имеет высокую пиковую скорость (до 14 Мбит/с), децентрализованную архитектуру, в которой функции определения очередности передачи (scheduling) перенесены из контроллера радиосети RNC в базовую станцию Node-B. Это приводит к уменьшению латентности и обеспечивает оперативное определение очередности.
В HSDPA используется модуляция высокого порядка 16QAM с кодами Грея, которая позволяет передавать через радиоканал вдвое больше бит. Благодаря этому становятся возможны скорости выше 10 Мбит/с (максимальная скорость WCDMA составляет 2 Мбит/с).
UTRA/FDD работает на шести спаренных полосах. В данной разработке реализована полоса I (2110ѕ ѕ2170 МГц для нисходящего и 1920ѕ1980 МГц для восходящего каналов) [5].
РЕАЛИЗАЦИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Радиочастотная (ВЧ) часть конфигурируемой базовой станции спроектирована для поддержки обоих стандартов — WiMAX и HSDPA.
Структура радиочастотной части показана на рисунке 1. Она включает узел приемопередатчика, блок усилителей мощности, выходные цепи, антенну и блок управления. ВЧ-часть соединена с платой АЦП аналоговым ПЧ-интерфейсом. Платы АЦП можно конфигурировать согласно технологии программируемого радио SDR. Это означает, что они могут работать с сигналами WiMAX или HSDPA в зависимости от инструкций, загруженных основным блоком управления.
Блок управления радиочастью выдает сигнал управления на матрицу переключателей, определяя тем самым путь прохождения сигнала. Он также формирует сигнал управления ФАПЧ.
Каждый канал может поддерживать работу на две антенны в каждом режиме.
В режиме HSDPA частота определяется разрешенным в Южной Корее диапазоном WCDMA, а в режиме WiMAX частота задается в полосе 3,3ѕ3,4 ГГц с 100-МГц разнесением передатчика и приемника. Работа WiMAX на этой частоте в Южной Корее не разрешена, она используется только для тестирования системы.
Использована традиционная схема двойного преобразования частоты, состоящая из одного общего смесителя LO1 (300 МГц) и отдельных смесителей LO2 в модуле ФАПЧ. В таблицах 1 и 2 приведены основные параметры подсистем WiMAX и HSDPA.
Для тестирования канала связи были разработаны и изготовлены микрополосковые антенны двух типоразмеров на дюроидной подложке (εr = 4,03) толщиной 1,6 мм. Печатная штыревая антенна типа «диполь» для измерений внутри помещений показана на рисунке 2. Параметры антенн обоих типов приведены в таблице 3.
Для режима WiMAX размеры антенн были следующие: A = 17,2 мм, F = 21,2 мм, R = 5,85 мм, AW= FW = 3,3 мм. Для режима HSDPA: A = 28,6 мм, F = 35,15 мм, R = 8,6 мм, AW = FW = 3,3 мм.
Для тестирования канала связи в режиме WiMAX был разработан пользовательский терминал. Его характеристики приведены в таблице 4. Пользовательское оборудование для режима HSDPA находится в стадии разработки, поэтому для HSDPA проводились только испытания базовой станции в режиме передачи/приема.
Испытание приемопередатчика осуществлялось с помощью стандартного тестового оборудования. В качестве источника тестового сигнала использовался векторный генератор сигналов ESG4438C фирмы Agilent, исследование сигналов проводилось с помощью анализатора векторных сигналов VSA89600 (см. рис. 3).
В режиме WiMAX тестовый сигнал модулировался самым сложным методом 64QAM. Измерения модуля вектора ошибок EVM (Error Vector Magnitude) показали величины –41 дБ (полоса 1,75 МГц), –39 дБ (3,5 МГц) и –38 дБ (7 МГц). В режиме HSDPA использовался 16QAM-модулированный сигнал, что является, в свою очередь, самым сложным случаем для HSDPA. Результат измерения модуля вектора ошибок EVM равен –34 дБ при 5-Мгц (на антенну) тестовом сигнале.
Результаты измерений отношения сигнал/шум приемника в зависимости от уровня входного сигнала показаны на рисунке 4. Экспериментальные результаты по двусторонней связи в режиме WiMAX приведены в таблице 5. Разработка аналоговой части приемопередатчика для режима HSDPA еще не закончена, поэтому данные по тестированию радиоканала в этом режиме не вошли в статью.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе разработаны и протестированы ВЧ-блоки базовой станции, предназначенные для поддержки двух режимов работы в соответствии с коммуникационными стандартами WiMAX и HSDPA. Результаты измерений показывают хорошее соответствие обоим стандартам.
Данная работа является хорошим примером реализации концепции «программируемого радио»: одно устройство, собранное из отдельных модулей, способно работать в соответствии с разными стандартами, а выбор режима происходит путем загрузки соответствующего программного обеспечения. Важно подчеркнуть, что эта система не является «механическим» объединением двух систем: многие узлы используются совместно, что повышает ее экономическую эффективность. В настоящее время блоки близки к коммерческой реализации.
ЛИТЕРАТУРА
1. www.sdrforum.org.
2. Haghighat A. A review on essentials and technical challenges of software defined radio // Int. Conf. MILCOM 2002, v. 1, pp. 377–382.
3. WiMAX forum whitepaper// www.wimaxforum.org.
4. Draft IEEE Standard for Local and metropolitan area networks, part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, IEEE P802.16-REVd/D5-2004.
5. Technical Specification Group Radio Access Network; Base Station radio transmission and reception(FDD)(Release 6), 3GPP TS 25.104 v6.8.0, 2004-12.