Vývoj standardů pro mobilní komunikace je v posledních letech velmi rychlý. Buňkové sítě vzniklé v 80. letech minulého století označované jako první generace (1G) byly ještě analogové, pouze s hlasovými službami. Každá další generace už je založena na přenosu hlasu nebo dat zakódovaných číslicově. Druhá generace (2G) nabídla přenosovou kapacitu až 28,8 kbit/s (GSM, CDMA, EDGE). Třetí generace (3G) dále zvýšila přenosové rychlosti až na 2 Mbit/s a zavedla množství dalších služeb. Pro další nárůst přenosové rychlosti a zvýšení kvality služeb začalo konsorcium 3GPP pracovat na sítích čtvrté generace (4G), které jsou dnes zastoupeny standardy Long-Term Evolution (LTE a LTE-A). Tyto sítě již dokážou nabídnout přenosové rychlosti v řádu stovek Mbit/s. Vývoj standardů a vlastnosti budoucích sítí páté generace přehledně shrnují např. články [1], [2].

 

Pro posouzení expozice obyvatel neionizujícím zářením pocházejícím z mobilních komunikačních systémů je velmi důležité dokázat spolehlivě měřit a předpovědět expozici v nejméně příznivém případě, tedy při maximální přenosové rychlosti a vysílané úrovni. V ČR jsou expoziční limity, tedy nejvyšší přípustné hodnoty expozice, zakotveny v legislativě a respektují doporučení nadnárodních směrnic (více o této problematice např. [3]). V některých evropských zemích (Švýcarsko, Německo) jsou zavedeny i limity pro vyzařovaný výkon daného zařízení, který by dosáhlo při maximální možné vysílací úrovni a maximálním datovém toku (installation limit values). Tyto limity obvykle udávají nižší povolenou úroveň, než odpovídá směrnicím.

 

Odpovídající úrovně lze sice měřit laboratorně, ale v běžném provozu zařízení v takovém režimu nemusí pracovat trvale a je potřeba nalézt metodu, která dokáže z úrovně měřené při běžném provozu spolehlivě extrapolovat hodnoty pro maximální provoz. Na tomto principu pracují i sondy elektromagnetického pole s možností měření úrovně LTE signálů a pro ověření jejich vlastností je potřeba umět určit úrovně s metrologickou návazností na standardy vyšší přesnosti. Vzhledem k charakteru signálu pro mobilní komunikace (velká šířka pásma, pokročilé modulační metody) a jeho šíření (odrazy od překážek, pohyb přijímače) není přesné měření úrovně jednoduchou a jednoznačnou úlohou.

 

 

 

Fyzická vrstva sítí čtvrté generace je velmi rozsáhlou problematikou a vyčerpávající popis lze nalézt např. v [4]. V tomto příspěvku budou zmíněny jen některé důležité vlastnosti.

 

 

 

Principem je rozdělení přenášeného pásma do systému subnosných vln, které vytvářejí ortogonální soustavu a které mohou být nezávisle modulovány datovými symboly (většinou lineární modulace třídy PSK nebo QAM). Tyto vlny mají relativně malé vzájemné rozestupy, takže jejich spektra se výrazně překrývají, přičemž každá ze subnosných se nachází na kmitočtu, kde spektra všech ostatních subnosných procházejí nulou. Vysoký datový tok je rozdělen do několika menších s delším trváním symbolu, což činí přenos robustním zejména vůči účinkům mnohacestného šíření signálu. Princip ukazují obr. 1 a obr. 2.

 

 

Koncept generování OFDM signálu je zobrazen na obr. 3. Datové symboly jsou synchronně a nezávisle přenášeny pomocí vysokého počtu ekvidistantně rozložených subnosných tak, aby jejich nulové body ve spektru odpovídaly funkci sin(x)/x. Pro omezení Dopplerova efektu (pohyb přijímače) a zpoždění signálu (mnohacestné šíření) se mezi subnosné vkládá ochranný interval. Dále je ke každému symbolu v časové oblasti přidáván tzv. cyklický prefix, což je kopie části konce OFDM symbolu vložená na jeho začátek. Cílem je zjednodušit časovou synchronizaci a zajistit periodicitu. Energie případných mezisymbolových interferencí je potom obsažená v prefixu, který je při vhodné volbě delší než zpoždění přenosového kanálu.

 

 

 

 

Při přenosu signálu se rozlišuje režim od základnové stanice k uživateli (downlink) a od uživatele k základnové stanici (uplink). V časové oblasti je přenos od základnové stanice k uživateli rozdělen do časových bloků (rámců), jejichž trvání je 10 ms. Každý z bloků je dále rozdělen do 10 sub-bloků o trvání 1 ms, každý z nich potom rozdělen do 2 slotů s trváním 0,5 ms a tyto jsou následně rozděleny na vlastní OFDM symboly. Situaci znázorňuje obr. 4.

 

 

Data v každém rámci jsou potom kódována v kmitočtové oblasti na jednotlivé sub-nosné, jejichž počet závisí na konkrétní implementaci, použité šířce pásma, vlastnostech přenosového kanálu, zvolené délce prefixu apod. Grafickým znázorněním takového rozdělení je tzv. zdrojová mřížka (resource grid), viz obr. 5.

 

 

Kromě užitečného signálu s daty je přenášeno ještě množství referenčních signálů, které umožňují lepší řízení kvality přenosu, adaptivní změnu modulačního schématu, odhad parametrů přenosového kanálu atd. Podrobnější popis referenčních signálů lze nalézt např. v [5], metoda měření úrovně popsaná v tomto příspěvku využívá pouze tzv. Cell specific reference signal (CSR). Jedná se o posloupnost komplexních hodnot, které jsou přenášeny ve všech sub-rámcích v režimu downlink. Konkrétní poloha CSR signálu ve zdrojové mřížce v závislosti na identifikačním kódu buňky (existuje 504 unikátních identifikačních kódů buněk).

 

Kromě referenčních signálů jsou dále přenášeny synchronizační signály. Primární synchronizační signál (PSS) se skládá ze 3 speciálních binárních sekvencí délky 62 v kmitočtové oblasti (Zadoff-Chu sekvence), které jsou na sebe vzájemně ortogonální. PSS jsou mapovány na 62 subnosných rozmístěných symetricky kolem nosného kmitočtu v každém slotu 0 a 10 příslušného rámce. Sekundární synchronizační signál (SSS) se skládá ze 168 sekvencí délky 62 v kmitočtové oblasti a v rámci mřížky je rozmístěn podobně jako PSS.

 

 

 

Navržená metoda měření výkonové úrovně v LTE systémech spočívá v dekódování referenčního signálu CSR a synchronizačních signálů PSS a SSS a kvantifikování jejich úrovně. Prvním krokem je měření časového průběhu LTE signálu pomocí sondy elektromagnetického pole po definovanou dobu, dále číslicové zpracování signálu a rekonstrukce zdrojové mřížky LTE signálu. Před vlastním zpracováním signálu je potřeba odstranit vliv přenosového kanálu (mnohocestné odrazy, zpoždění, šum).

 

Pro úspěšnou rekonstrukci signálu z vysílače jsou nejdůležitějšími operacemi časová a kmitočtová synchronizace, které umožní eliminaci chyb OFDM signálu a získání parametrů mřížky. Normy 3GPP a ETSI nedefinují žádný jednotný algoritmus, jak synchronizaci provést [7]. Parametry pro časovou a kmitočtovou synchronizaci LTE signálu lze získat zpracováním PSS symbolu přítomného v posledním OFDM symbolu prvního a desátého slotu jednoho rádiového rámce zdrojové mřížky. Existují tři základní způsoby zpracování: autokorelační metoda, metoda vzájemné korelace a hybridní metoda.

 

 

 

Signál je korelován se svou časově posunutou kopií, přesněji s komplexně sdruženou částí zpožděnou o jeden blok opakování. Poté je proveden součet přes dobu trvání jednoho bloku opakování (1):

 

 

kde r[n] je přijatý LTE Signál v časové oblasti, L je délka posloupnosti, N je zpozdění, N_FFT je počet symbolů použitých pro rychlou Fourierovu transformaci, ε je kmitočtový ofset, φ je počáteční fázový ofset a n je index diskrétního času. Zajímavé je maximum autokorelační funkce, vzorek s maximální amplitudou je vybrán jako časování symbolu PSS. Výhodou metody je spolehlivé určení kmitočtového ofsetu, nevýhodou je velká chyba odhadu časování symbolů.

 

 

 

V této metodě je přijatý signál korelován se známou uloženou PSS posloupností délky L_PSS (2):

 

 

Známá PSS posloupnost není ovlivněna šumem přenosového kanálu a ve srovnání s autokorelační metodou je tento způsob efektivnější a robustnější. Výhodou je spolehlivý odhad časování symbolů, nevýhodou je snížená přesnost v případě kmitočtového ofsetu vlivem mnohacestného šíření signálu v přenosovém kanálu.

 

 

 

Tato metoda kombinuje dobré vlastnosti předchozích metod synchronizace. Metoda vzájemné korelace je zde použita pro odhad časového ofsetu, čímž je určena poloha PSS signálu v rámci přijatého LTE signálu. Autokorelační metoda je potom použita pro odhad kmitočtového ofsetu a přesnějšímu odhadu časového ofsetu.

 

 

 

Plné signálové zpracování pro určení efektivní hodnoty signálů CSR, PSS a SSS vyžaduje řadu kroků a následné statistické vyhodnocení. Proces zpracování signálu shrnuje obr. 7. Samotný signál je měřen pomocí sondy elektromagnetického pole, na jejíž výstup je připojen širokopásmový vzorkovač (např. digitální osciloskop). Pro ověření algoritmů byl signál generován a měřen nejdříve v laboratorních podmínkách (generátor LTE signálu s volitelným profilem přenosového kanálu).

 

 

Měřený signál je nejprve převeden do základního pásma (směšovač nebo číslicové podvzorkování). Poté je změněn vzorkovací kmitočet tak, aby byla splněna podmínka T_s = 1 / (15000 x 2048) [s]. Následně je signál rozdělen na bloky délky T_f (např. T_f = 307200 x T_s = 10 ms). Poté je zařazen synchronizační modul spolu s PSS symbolem pro určení časového a kmitočtového ofsetu. Dále je signál rozdělen do sub-rámců, následně slotů a OFDM symbolů s cyklickým prefixem. Následně je vyjmut cyklický prefix a na každý z OFDM symbolů je aplikována rychlá Fourierova transformace (FFT) pro získání sub-nosných kmitočtů. Zdrojová mřížka je potom získána z dekódovaných OFDM symbolů (osa x) a sub-nosných (osa y). Nakonec je vypočítána úroveň signálů SCR, PSS a SSS.

 

Informace o výkonové úrovni při přenosu signálu od základnové stanice k mobilnímu terminálu (downlink) je určena terminálem. Přidělená výkonová úroveň CSR signálu je konstantní přes celou šířku pásma a přes všechny sub-rámce, dokud se nezmění přenosové podmínky. Výkon přenášený CSR signálem je vypočítán jako lineární průměr úrovní elementů, které přenáší CSR signál v rámci šířky pásma (tedy měření výkonové úrovně je provedeno v kmitočtové oblasti). Úroveň je určena jako

 

 

kde a_i^p je CSR symbol, p je číslo antény v případě přenosu více anténami (MIMO; pro každou anténu se nachází CSR signály na jiných pozicích), i je index CSR symbolu v rámci šířky pásma. Obdobně lze určit úrovně signálů PSS a SSS, jen je potřeba správně vybrat elementy zdrojové mřížky, kde se tyto signály právě nacházejí.

 

 

Uživatelsky definovaný LTE signál je generován pomocí vektorového generátoru spolu s referenční nosnou pro zpracování signálu v základním pásmu. Signál je vzorkován digitálním osciloskopem s velkým rozlišením pro další zpracování (v případě měření ve volném prostoru je zařazena ještě sonda elektromagnetického pole a obnova nosné je provedena číslicově). Ukázka dekódované zdrojové mřížky je znázorněna na obr. 8. Měřená úroveň je potom korigována na známé nepřesnosti měřicího řetězce (nelinearita a vertikální rozlišení osciloskopu, příp. chyby sondy elektromag. pole, vlastnosti směšovače).

 

 

Bylo provedeno měření pro 59 různých scénářů přenosového kanálu, režim jedné (SISO) nebo více antén na vysílači i přijímači (MIMO). Pro laboratorní uspořádání (měření bez sondy elektromag. pole) byla určena průměrná úroveň v buňce -40,86 dBm (teoret. předpoklad -40,79 dBm) se směrodatnou odchylkou 0,41 dB (1 symbol), celková úroveň -10,11 dBm (předpoklad -10 dBm).

 

Naměřené hodnoty se dobře shodují s teoretickými předpoklady a metodu lze použít i pro kalibraci komerčních sond elektromagnetického pole s možností měření úrovně LTE signálů. Principem je generování referenčního LTE signálu s poměrně vysokou úrovní (např. -10 dBm), určení úrovně ze signálů CSR, PSS, SSS pomocí měření osciloskopem a poté zařazení velkého zeslabovače o známém útlumu (např. 100 dB) do trasy mezi LTE generátor a sondu elektromagnetického pole. Takto jsme schopni generovat LTE signály o známých vlastnostech s velmi malou úrovní (reálná situace ve venkovním prostředí).

 

 

 

Dr. Soumya S. Dash¹, Dr. Fréderic Pythoud¹, Ing. Martin Hudlička, Ph.D.²

 

¹Eidgenössisches Institut für Metrologie METAS, Švýcarsko
²Český metrologický institut, Odd. primární metrologie vf elektrických veličin,
Radiová 3, 102 00 Praha 10, E-mail: mhudlicka@cmi.cz

 

 

 

Příspěvek vznikl v rámci řešení projektu EMRP IND51 „Metrology for optical and RF communication systems“ [6]. EMRP je zkratka pro společný koordinovaný evropský metrologický výzkumný program spolufinancovaný z prostředků MŠMT a Evropské unie.

 

 

 

[1]  V. Žalud, „Rádiové komunikační systémy 5G,“ Sdělovací technika, č. 9, 2014, str. 6-10.

[2]  V. Žalud, „Veřejná pozemní mobilní komunikace: Dosavadní vývoj a perspektivy,“ 41. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Česká elektrotechnická společnost, Praha, listopad 2014.

[3]  L. Jelínek, „Expozice člověka neionizujícímu záření,“ 41. pravidelné setkání zájemců o mikrovlnnou techniku, Česká elektrotechnická společnost, Praha, listopad 2014.

[4]  M. Rumney (ed.), “LTE and Evolution to 4G Wireless,” Agilent Technologies, 2013, 2. vydání, ISBN 978-1-119-96257-1.

[5]  3GPP TR 25.892, “3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Feasibility Study for OFDM for UTRAN enhancement; (Release 6),” 3GPP, V6.0.0, 2004-06.

[6]  Internetové stránky projektu Metrology for optical and RF communication systems, [cit. 22. 10. 2015] Dostupné na http://www.emrp-ind51-morse.org/

[7]  ETSI TS 136 300, “LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2,” 3GPP TS 36.300, ver. 11.8.0 Release 11, 2014