Modele kanałów radiowych zalecane przez ITU i 3GPP w badaniach symulacyjnych systemu UMTS w badaniach symulacyjnych systemu UMTS

Najbliższym rzeczywistemu kanałowi radiowemu w systemie UMTS z interfejsem WCDMA wydaje się być model kanału (toru radiowego) będący połączeniem modeli z zanikami selektywnymi FSFC oraz z fluktuacją fazy PUC i efektem Dopplera.

Efekt Dopplera jest naturalną konsekwencją ruchu terminali abonenckich w systemach komórkowych względem stacji bazowych, natomiast zaniki selektywne wynikają z relacji pasma koherencji kanału do szerokości pasma sygnałów w nim przesyłanych. Jeżeli szerokość pasma koherencji jest mniejsza od szerokości pasma sygnałów transmitowanych w kanale, to jest to na pewno kanał selektywny częstotliwościowo.

W systemie UMTS szerokość pasma sygnału to 5 MHz, natomiast pasmo koherencji zależy od środowiska propagacyjnego. W środowisku pozamiejskim pasmo koherencji wynosi od kilkudziesięciu kiloherców do około 1 megaherca, zaś w środowisku miejskim od kilkuset kiloherców do około 8 megaherców. Z kolei w środowisku wewnątrz-budynkowym szerokość pasma koherencji przyjmuje wartości od kilku do ponad 9 megaherców [Gaj04]. A zatem w większości środowisk propagacyjnych kanał radiowy w systemach z wielodostępem WCDMA należy uznać za selektywny częstotliwościowo i takie też założenie przyjęto w badaniach symulacyjnych przeprowadzonych na potrzeby niniejszej rozprawy.

Podstawowe modele kanałów radiowych, najlepiej odzwierciedlające rzeczywiste warunki propagacji fal w systemach łączności ruchomej z wielodostępem WCDMA, zdefiniowano za pomocą, tzw. standardowych profili propagacyjnych, które opracowano na podstawie wyników pomiarów odpowiedzi impulsowej kanału, wykonanych w określonych środowiskach propagacyjnych, nazywanych też radiokomunikacyjnymi. Profile te przedstawia się jako unormowane rozkłady mocy średniej odpowiedzi impulsowej kanału, wyrażonej w funkcji czasu (discrete power

delay profile). Z każdym takim profilem jest związany ściśle określony kształt widma

dopplerowskiego [Wes03], [Wes06], wynikający z niezerowej prędkości terminala użytkownika w sieci UMTS.

Jedne z pierwszych modeli kanałów, które stały się swoistymi standardami, to profile propagacyjne opracowane pod koniec lat osiemdziesiątych w ramach programu COST 207 (Cooperation In the Field of Scientific and Technical Research) [COS86], [COS89] na potrzeby badań interfejsu radiowego sieci GSM (Global System for

Mobile Communications), które zostały następnie zaimplementowane, między innymi,

w pakiecie MATLAB. Od tamtej pory tematyka modelowania kanałów jest nadal prężnie rozwijającą się dziedziną nauki i techniki. Powstało i powstaje wiele nowych modeli kanałów radiowych, uwzględniających coraz to więcej zjawisk fizycznych,

towarzyszących rozchodzeniu się fal radiowych i coraz dokładniej

odzwierciedlających rzeczywistość. Przykładem mogą tu być modele opracowane w ramach kolejnych akcji COST, w tym COST 259 [aspl_06] i COST 2100 [verd_12]. Bardzo duża liczba dostępnych w literaturze przedmiotu modeli kanałów często utrudnia właściwy wybór tego najlepszego. Dlatego też dla potrzeb niniejszej rozprawy zdecydowano się na wykorzystanie w baniach symulacyjnych tylko tych modeli, które zostały szczegółowo opisane w oficjalnych dokumentach takich organizacji międzynarodowych jak ITU (International Telecommunication Union) czy 3GPP (3rd Generation Partnership Project).

Standardowe profile propagacyjne, zalecane w badaniach systemów łączności ruchomej z wielodostępem WCDMA, zostały zebrane i szczegółowo zaprezentowane w Zaleceniu ITU-R M.1225 [ITU97] oraz w dokumencie 3GPP TR 25.943 [3GP]. I tak w Zaleceniu ITU-R M.1225 wyróżniono trzy środowiska radiokomunikacyjne:

• wewnątrz-budynkowe INO (Indor Office),

• miejskie OTI (Outdoor-to-Indoor),

• użytkowników w pojazdach VEH (Vehicular).

Wyniki pomiarów odpowiedzi impulsowej przeprowadzone w większości rzeczywistych kanałów radiowych systemów WCDMA [jeru_00] wykazały, że o ile średnie moce sygnałów pochodzących z różnych tras propagacyjnych różniły się stosunkowo niewiele o tyle rozrzut opóźnień był bardzo duży. Jednakże w środowisku radiokomunikacyjnym miejskim moce średnie tych sygnałów różniły się nawet o rząd wielkości. Wszystko to utrudniało opracowanie jednego uniwersalnego zestawu parametrów linii opóźniającej, za pomocą której można byłoby zamodelować kanał radiowy w konkretnym środowisku propagacyjnym. Dlatego też w Zaleceniu ITU-R M.1225 [ITU97] wyróżniono dwa profile kanałów reprezentujące dwa skrajne przypadki, tak zwane profile kanału radiowego typu A oraz B.

Kanał radiowy o profilu A charakteryzuje się niewielkim zróżnicowaniem opóźnień sygnałów docierających na wejście odbiornika po poszczególnych trasach propagacyjnych, co przekłada się na małą wartość czasu pamięci kanału [patz_03]. Z kolei kanał o profilu B reprezentuje najgorszy przypadek dla danego środowiska radiokomunikacyjnego, w którym różnice opóźnień sygnałów przebywających różne trasy propagacji są bardzo duże.

Kolejne trzy modele kanałów, zalecane w badaniach symulacyjnych systemów z wielodostępem WCDMA, opisuje dokument 3GPP TR 25.943, w którym wyróżniono trzy zunifikowane środowiska radiokomunikacyjne i są to środowisko:

• typowo miejskie TU (Typical Urban),

• pozamiejskie RA (Rural Area),

• teren górzysty HT (Hilly Terrain).

Reasumując, w badaniach symulacyjnych wykonanych w ramach niniejszej rozprawy posłużono się dziewięcioma modelami kanałów. A mianowicie wykorzystano sześć modeli, uwzględniających profile A i B dla każdego z trzech środowisk radiokomunikacyjnych wymienionych w Zaleceniu ITU-R M.1225 oraz trzy modele z dokumentu 3GPP TR 25.943.

Badania przeprowadzono dla różnych wartości prędkości terminali. W środowisku wewnątrz-budynkowym INO założono, że terminal poruszał się z prędkością nie przekraczającą 5 km/h, co odpowiadało maksymalnej prędkości, z jaką może przemieszczać się użytkownik pieszy. Z kolei w środowisku miejskim OTI i typowo miejskim TU wzięto pod uwagę dwie prędkości: 5 km/h dla pieszych – w modelu TU-P (Typical Urban - TU-Pedestrian) oraz 50 km/h dla użytkowników przemieszczających się w pojazdach w terenie zabudowanym – w modelu TU-V (Typical Urban -

Vehicular). Prędkości dla środowiska użytkowników w pojazdach VEH,

pozamiejskiego RA i górzystym zwiększono do 90, 120, a nawet 210 km/h. Tabela 4-1: Zestawienie modeli kanałów radiowych wykorzystanych w badaniach symulacyjnych interfejsu radiowego WCDMA systemu UMTS

L. p. Środowisko radiokomunikacyjne i odpowiadający mu _{model kanału} V_T [km/h] F_Dmax [Hz]

1 wewnątrz-budynkowy INO-A 5 9

2 wewnątrz-budynkowy INO-B 5 9

3 miejski OTI-A 5 9

4 miejski OTI-B 5 9

5 użytkownicy w pojazdach VEH-A90 90 166

6 użytkownicy w pojazdach VEH-A120 120 220

7 użytkownicy w pojazdach VEH-A₂₁₀ 210 386

8 użytkownicy w pojazdach VEH-B₉₀ 90 166

9 użytkownicy w pojazdach VEH-B120 120 220

10 użytkownicy w pojazdach VEH-B210 210 386

11 typowo miejski TU-P 5 9

12 typowo miejski TU-V 50 92

13 pozamiejski RA5 5 9 14 pozamiejski RA₅₀ 50 92 15 pozamiejski RA₉₀ 90 166 16 w terenie górzystym HT5 5 9 17 w terenie górzystym HT50 50 92 18 w terenie górzystym HT90 90 166

Częstotliwość pracy systemu została wybrana spośród 17 pasm częstotliwości zarezerwowanych [3GP12] na potrzeby systemu UTRA/FDD (Universal Terrestrial

Radio Access/Frequency Division Duplex) w zakresie od 700 MHz do 2.6 GHz i wynosiła ona 2 GHz.

W sumie, uwzględniając wszystkie wyżej wymienione modele kanałów oraz prędkości terminali użytkowników, w badaniach symulacyjnych interfejsu radiowego WCDMA systemu UMTS posłużono się 18 modelami kanałów, które przedstawiono w tabeli 4-1.

Każdy wiersz tabeli zawiera nazwę modelu kanału, odpowiadającą jednemu z 18 środowisk radiokomunikacyjnych, a także wartość prędkości terminala i wynikającą

z niej maksymalną częstotliwości Dopplera i°6±², obliczoną dla częstotliwość nośnej

³ = 2 2a´ na podstawie wzoru:

i°6±² =^µ(_C^³ (4-10)

gdzie C = 3 × 10· Q<
⁄ T jest wartością prędkości światła.

Modele kanałów radiowych, wymienione w tabeli 4-1 zaimplementowano w symulatorze za pomocą należącej do Communication Toolbox pakietu MATLAB funkcji stdchan(), która umożliwia realizację wszystkich standardowych modeli kanałów, opisanych w [ITU97] oraz [3GP]. Każda realizacja zawiera średnie tłumienia i opóźnienia poszczególnych ścieżek propagacyjnych, kształt widma dopplerowskiego oraz maksymalną częstotliwość Dopplera, która wynika z prędkości terminala. Realizacja procesu przejścia sygnału przez model kanału odbywa się z wykorzystaniem funkcji filter(), której argumentami są obiekt stanowiący model kanału, zwracany przez funkcję stdchan() oraz sygnał nadany.