Преодоление проблем, связанных с радиоканалом в LTE-Advanced

Для любого провайдера первоочередной задачей модернизации является агрегация несущих — функция, позволяющая объединить разнесенные частоты в единый канал для достижения значительно более высоких скоростей передачи данных. Это может изменить ситуацию для операторов, располагающих ограниченным частотным ресурсом и не имеющих перспектив получения дополнительных частот.

Другие полезные функции LTE-Advanced включают методы подавления помех в больших и малых сотах гетерогенных сетей (HET-NET) и применение многоантенных систем MIMO (несколько входов, несколько выходов) более высокого порядка для достижения более высоких скоростей и более надежных соединений.

Преимущества LTE-Advanced обеспечиваются за счет постоянного усложнения радиочастотного тракта. Разработчики базовых станций (БС) и абонентского оборудования (АО) используют новые архитектуры для агрегации несущих, MIMO 8×8 и другие технологии LTE-Advanced, осуществляя связь в нескольких частотных диапазонах и параллельно с другими видами связи, но с одновременным сохранением или повышением КПД оборудования.

Многие из этих проблем присущи не только LTE-Advanced, но каждую из них все равно приходится решать, поскольку речь идет об увеличении пропускной способности и емкости сети (рис. 1). В данной статье рассмотрены некоторые основополагающие проблемы радиоканала и описаны способы их решения.

Рис. 1. LTE-Advanced: основные проблемы

Проектирование АО и БС для среды HET-NET

Расширенные методы радиодоступа, в частности MIMO, требуют почти идеальной среды распространения с высоким отношением сигнал/шум и большой мощностью сигнала. Обычно такие условия имеются только вблизи базовых станций, а на границах соты характеристики АО ухудшаются. Расширение покрытия с помощью традиционных базовых станций (макросот) обходится дорого, поскольку найти место для расположения макросотовой БС довольно сложно. Поэтому LTE-Advanced поддерживает ретрансляционные узлы и малые соты (микросоты, пикосоты и фемтосоты) — они обходятся значительно дешевле и менее требовательны к месту установки. Гетерогенная сеть (HET-NET) поддерживает малые соты и ретрансляционные узлы, каждый из которых оптимизирован в соответствии со своими коммуникационными требованиями (рис. 2). Результирующая сеть HET-NET может использовать множество технологий радиодоступа, от сотовой связи (LTE/LTE-Advanced, UMTS, GSM) до Wi-Fi, а также выносные радиомодули и распределенные антенные системы.

Рис. 2. Возможности гетерогенной сети (HET-NET)

Операторам приходится решать непростые проблемы, связанные с управлением сетью, не последней из них является и борьба с помехами, возникающими в результате взаимодействия нескольких уровней сот и других излучающих устройств, работающих на той же частоте. Новые трансиверы MIMO в АО тоже вносят свой вклад в помехи, не говоря уже о новых системах с совмещенными каналами, определенными в LTE-Advanced как открытая группа абонентов (OSG) и закрытая группа абонентов (CSG).

Каждая ситуация с помехами требует отдельного решения, поэтому в стандартах LTE-Advanced особое внимание уделяется улучшению подавления помех в HET-NET. Тщательная разработка сетевого оборудования и всестороннее измерение помех на всех этапах от создания до внедрения помогут преодолеть эту проблему.

Максимальное повышение КПД АО и БС

Время работы смартфона от батареи играет очень важную роль, но увеличение батареи, например, для питания дополнительных трансиверов MIMO неприемлемо. Кроме того, с экономической и экологической точки зрения базовые станции и малые соты должны действовать с максимальным КПД. А потому инженеры оптимизируют питание разрабатываемых изделий, используя специальные схемотехнические приемы на всех уровнях проектирования — от отдельных узлов до всей системы.

Основными потребителями энергии и источниками тепла являются радиочастотные усилители мощности. Такие важные функциональные узлы влияют на общие характеристики и пропускную способность радиосистем и по своей природе нелинейны. Существуют разные методы, позволяющие усилителям работать вблизи порога насыщения, где они наиболее эффективны, хотя при этом и возникает высокий риск перехода в нелинейный режим. Снижение пик-фактора и введение цифровых предыскажений улучшают линейность усилителя, позволяя ему работать вблизи порога насыщения с максимальным КПД, но без существенных искажений сигнала.

Отслеживание средней мощности (APT) и огибающей (ET) относится к более новым методам улучшения энергоэффективности и других параметров (рис. 3). Отслеживание огибающей улучшает характеристики усилителя, динамически изменяя напряжение питания в соответствии с огибающей входного ВЧ-сигнала. В этих методах используется изменение напряжения питания современных усилителей с переключением их в режим высокой и малой мощности. В ближайшие год-полтора APT и ET должны получить широкое распространение.

Рис. 3. Отслеживание огибающей

Но энергия нужна не только для питания первичного радиотракта, но и для поддержки нескольких диапазонов и технологий радиодоступа, многоантенного приема, MIMO, подавления помех, высоких скоростей передачи, Wi-Fi, Bluetooth, GPS, HD-дисплеев и т. д. К счастью, имеются расширенные методы анализа потребляемого тока и оптимизации времени работы абонентского оборудования.

Преодоление проблем, связанных со значительным ростом трудоемкости проектирования и проверки

Развивающиеся стандарты LTE и LTE-Advanced постоянно изменяются и могут толковаться по-разному. С технической точки зрения применение многоантенных конфигураций усложняет конструкцию АО, что можно сказать и о новой схеме модуляции в восходящем канале, которая используется в LTE как дополнение к агрегации несущих.

Кроме сложностей разработки, свойственных LTE и LTE-Advanced, существуют и общие проблемы создания радиоустройств, которые часто используют смешанные сигналы и содержат тракты ВЧ-сигнала и модулирующего сигнала. Каждый тип компонентов подвержен своим специфическим искажениям — нелинейность и эффективный коэффициент шума в преобразователях частоты, фазовые и амплитудные искажения в усилителях мощности, многолучевое распространение и затухание в канале, а также искажения, связанные с фиксированной разрядностью схем обработки модулирующего сигнала.

Поскольку требования к характеристикам LTE-Advanced очень высоки, специалисты вынуждены уделять пристальное внимание каждому ответственному узлу в тракте приема и передачи. Для достижения необходимых параметров на системном уровне и ускорения продвижения изделий на рынок приходится прибегать к весьма изощренным решениям. Основной задачей на всех этапах цикла разработки становится преодоление проблем, связанных с проектированием отдельных узлов и проверкой всего изделия.

Большую часть проблем проектирования и проверки в соответствии с интерпретациями стандартов способны решить средства моделирования. Различные тракты и функциональные узлы можно оценивать как отдельно, так и комплексно для минимизации проблем на этапе интеграции.

Объединение симуляторов с контрольно-измерительным оборудованием позволяет измерять параметры и диагностировать различные каскады тракта приема и передачи (рис. 4). Интеграция проектирования с тестированием предоставляет мощные средства и гибкость, необходимые для тестирования оборудования. Программное обеспечение для создания и анализа сигналов в совокупности с измерительными приборами (логическими анализаторами, осциллографами, анализаторами ВЧ-сигналов) предоставляют общую методологию диагностики проблем в тракте приема и передачи. Потенциальные проблемы могут выявляться на ранних этапах разработки, где их проще и дешевле устранить.

Рис. 4. Интеграция проектирования с тестированием

Разработка вплоть до подготовки спецификации тестирования на соответствие стандарту

Создание спецификации тестирования на соответствие LTE и LTE-Advanced отстает от публикации официальных требований. Это значит, что производители часто пытаются вывести на рынок изделия до утверждения официальных тестов. Такая практика чревата большими рисками, поскольку обнаружение проблем совместимости на поздних этапах разработки или в процессе производства может обойтись очень дорого.

Большое число частотных диапазонов, определенных для LTE и LTE-Advanced, возможность использования систем на основе FDD или TDD и применение нескольких поднесущих с различной полосой создает, на первый взгляд, бесконечное число вероятных испытательных конфигураций. Спецификации определяют ограниченное число сценариев тестирования, а организации, выполняющие сертификацию, выбирают из них только некоторые тесты (таблица).

Примечание: Этот перечень продолжает развиваться с каждым новым выпуском спецификаций 3GPP.

Тем не менее работа по созданию спецификаций тестирования ведется непрерывно, поэтому производители могут обнаружить, что тесты для их конкретной конфигурации пока отсутствуют или успели измениться за время разработки изделия. Производители контрольно-измерительного оборудования, предлагающие платформы для тестирования на соответствие стандарту, могут оказать помощь на данном этапе благодаря знанию важнейших типов испытательных и приемочных процедур.

Проведение приемочных испытаний операторами для удовлетворения конечных пользователей

Операторы сотовых сетей предъявляют высокие требования к производительности, качеству и безопасности, защищая интересы абонентов. Приемочные испытания основаны на измерении специальных параметров и состояний сети. Эти тесты выходят за пределы проверки на соответствие стандарту и охватывают множество сценариев, нагружающих как сеть, так и АО, нацеливаясь на выявление и устранение проблем прежде, чем они станут заметны конечным пользователям.

По мере того как все большее число устройств передается операторам для тестирования, возрастает нагрузка на испытательные ресурсы операторов. Следовательно, методы испытаний должны быть высокоэффективными, надежными и воспроизводимыми. И хотя комплексные испытания в максимально неблагоприятных условиях дают лучший способ понимания поведения АО в сети, операторы могут пожелать максимально автоматизировать планы испытаний.

Предполагается, что в конечном итоге приемочные испытания будут выполнять производители АО или уполномоченные оператором сторонние лаборатории. В связи со сложностью и специфичностью приемочных испытаний может появиться желание утвердить каждую конкретную реализацию испытательных систем. Одобренный список испытательных систем гарантирует, что все тесты, проводимые сторонними организациями, будут выполняться в соответствии с теми стандартами, которые использует оператор.

Поиск правильных решений

Разработка ВЧ-компонентов, устройств и систем, отвечающих всем требованиям LTE-Advanced, предусматривает вдумчивый подход к проектированию и тестированию. Сотрудничество с опытными разработчиками и производителями контрольно-измерительного оборудования повышает вероятность успеха. Лучшие производители предложат вам больше, чем простой набор универсальных приборов и программного обеспечения, — они предоставят специализированные решения. Обратите внимание на следующее:

• Производитель предлагает систему автоматизированного проектирования и измерительные решения, оптимизированные для LTE-Advanced. Такие компании принимают непосредственное участие в разработке стандартов. Проверьте, участвует ли производитель в работе основных комитетов стандартизации.
• Решения для тестирования устройств и сетей LTE-Advanced производителя предоставляют лучшие в своем классе возможности и функции, оптимизированные для специальных приложений (например, для проектирования устройств или сетей). Проверьте их репутацию и убедитесь, что они способны удовлетворить изменяющиеся потребности ваших приложений.
• Каждое решение содержит некоторые компромиссы, поэтому ищите производителя, который может предложить несколько вариантов оборудования и ПО. Здесь вы с большей вероятностью найдете то, что подходит для вашей конкретной ситуации.
• Предлагает ли производитель практические руководства по проведению измерений, относящихся к вашим приложениям LTE-Advanced? Проверьте глубину информации, приведенной в рекомендациях по применению, периодичность и качество веб-семинаров и ценность технических статей.
• Поскольку проектирование беспроводных устройств и сетей все чаще требует взаимодействия между глобальными группами, убедитесь, что производитель имеет ресурсы, необходимые для поддержки вашего приложения LTE-Advanced там, где нужно, и тогда, когда нужно.