Инженерные требования к радио-тракту станции сотовой связи

Когда приходишь к радиоинженеру с просьбой что-то спроектировать, он задает вопрос: какие нужны параметры? Основные параметры, которые его интересуют:

• коэффициент шума приемника;

• мощность передатчика;

• линейность приемного тракта (IP1, IP3);

• линейность передатчика (ACLR);

• другие очень важные параметры, которых довольно много, не будем перечислять.

В сфере сотовой связи, казалось бы, ничего такого выдумывать не надо, там уже все должно быть написано в спецификациях.

Спецификациями для сотовой связи занимаются международные организации, в числе которых значится ETSI, Европейский институт телекоммуникационных стандартов. Нам нужны требования к радиооборудованию базовой станции, например, 4G или LTE. Находим документ TS 136 104. Есть много версий документа, нам для примера подойдет любая. Спецификация старая, уже мала вероятность изменений сути вопроса.

Берем первый параметр "коэффициент шума приемника". Ищем в спецификации что-то похожее. Находим "reference sensitivity level". Все понятно, это чувствительность. Берем для примера таблицу 7.2.1-1 для Wide Area BS (БС с широким охватом территории).

Глаз сначала цепляется за знакомое. "dBm" - дицебеллы к миливатту в правой колонке. "MHz" - мегагерцы в левой. Но дальше мозг радиоинженера приходит в замешательство. Мало того, что в таблице есть какая-то средняя колонка, так еще и уровень чувствительности не зависит от полосы. Все дело в средней колонке.

Как указано в средней колонке, переходим к Annex A.1. А пока мы неспеша переходим, посчитаем число вхождений в спецификацию фразы "REFSENSE", чтобы составить представление о важности искомого параметра. Их (вхождений) более четырехсот. (400+, Карл!) Важный параметр, от него зависит множество других.

Согласно тексту, в таблице A.1-1 представлены параметры какого-то канала "reference measurement channel" используемого для измерения чувствительности. Час от часу не легче! Одно радует: стало понятно, почему чувствительность не зависит от полосы в таблице 7.2.1-1. Пресловутый сигнал A1-3 нормирован по полосе, она равна 25 resource block или 5 МГц. А в Note 1 к таблице 7.2.1-1 сказано:

PREFSENS is the power level of a single instance of the reference measurement channel. This requirement shall be met for each consecutive application of a single instance of FRC A1-3 mapped to disjoint frequency ranges with a width of 25 resource blocks each.

что, вкратце, значит, что нам нужно учитывать шум только в полосе 5 МГц, независимо от полосы в левой колонке таблицы 7.2.1-1.

Так что же мы должны сделать с этим A1-3? В пункте 7.2.1 перед таблицей 7.2.1-1 написано:

the throughput shall be ≥ 95% of the maximum throughput of the reference measurement channel as specified in Annex A,

что, очевидно, значит, что мы должны подавать на вход приемника фреймы формата A1-3 и не должны терять более пяти процентов пропускной способности. Что бы это ни значило!

Таким образом, требование к коэффициенту шума (максимальный возможный Кш для удовлетворения требованиям) можно выразить так:

Первое слагаемое - тепловой шум. Второе - поправка на полосу 5 МГц. Далее следуют уровень чувствительности (-101.5dBm) и поправка на SNR нашего тестового потока фреймов A1-3. Ну и откуда же нам взять это последнее слагаемое? Если оно равно нулю, то получается 174 - 67 - 101.5 = 5.5 дБ будет ограничением на коэффициент шума системы.

Но если этот SNR A1-3 сильно отличается от нуля, то мы можем сделать ошибку и затребовать от радиоинженера тракт либо с недостаточной чувствительностью, что скажется на дальности связи, либо с избытком чувствительности, что скажется на линейности тракта.

Мы не сдаемся, берем Гугль и ищем, что же такое A1-3 и как определить этот SNR при пропускной способности 95 процентов.

К счастью, Матлаб приходит нам на помощь. В нем есть LTE Toolbox. В нем есть тест PUSCH Throughput Conformance Test, с описанием. Там упоминается и наша спецификация TS 36.104. Говорится, что пример демонстрирует, как строится тест на соответствие. И дальше много матерных слов, типа HARQ, EPA, SC-FDMA, MMSE и т.д. Выходит, что тест делает именно то, что нам нужно: гонит фреймы заданного формата, в том числе A1-3, через заданный канал и читает пропускную способность в условиях работы всех процедур стека LTE. И все это не вставая из-за стола.

Что же нам нужно запатчить, чтобы тест показал нам требуемый SNR? Для начала в коде задается число фреймов для моделирования и исследуемый диапазон значений SNR.

NFrames = 100;           % Number of frames to simulate at each SNR
SNRIn = [-6.0:0.1:2.0];  % SNR points to simulate

Я задал такие. При таких значениях тест отрабатывает очень медленно. Вы можете сузить диапазон SNR согласно графика ниже, чтобы не ждать, но увидеть, как пропускная способность переходит границу 95 процентов.

Дальше задаются параметры абонентского оборудования (UE, User Equipment). Среди них находится наш "подсудимый" под именем RC (Radio Configuration):

ue.RC = 'A1-3';         % FRC number

Смело меняем его на A1-3. На остальные параметры смелости не хватает, оставим так. Далее следуют секции конфигурации модели распространения и тонкости приемника, которые тоже страшно менять без царя в голове. Да и зачем нам канал? Мы же тестируем радио-оборудование, подключаемся разъемом к приемнику базовой станции. Надо канал убрать.

Находим в коде упоминание канала. И смело удаляем его из пути сигнала самым кощунственным образом:

        % Pass data through channel model
        rxWaveform = txWaveform; 
        %rxWaveform = lteFadingChannel(chcfg, txWaveform);

Программа долго работает и выдает график. Мой компьютер потрудился для вас и построил этот график:

Определяем по графику, что пропускная способность достигает 95 процентов при SNR, равном примерно -0.5 дБ. Тогда выражение для NF принимает вид:

Это значит, что коэффициент шума приемника не должен быть хуже (больше), чем 6 дБ. Тогда система, построенная радиоинженером (незнающим, что такое A1-3) будет удовлетворять требованиям спецификации по чувствительности приемника.

И да сольются два мира: мир инженерный и мир спецификаций! И да выйдет из этого соития оборудование ТОРП и да пойдет оно по России и по свету всему аки по суху!

PS

Шутки шутками, но я немного сомневаюсь в расчетах. Прошу проверить и указать на ошибки, если найдете.