Разработка приемо-передающего радиокомплекса

Размещено на http://www.allbest.ru/

РАЗРАБОТКА ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩЕГО РАДИОКОМПЛЕКСА

Введение ....................................................................................................... 2

1. Приемо-передающие радиокомплексы (ППР) ..................................... 5

1.1. Назначение и основные функции ППР .............................................. 6

1.2. Структура ППР ..................................................................................... 8

1.3. Основное оборудование ППР ........................................................... 11

1.3.1. Приемники ....................................................................................... 12

1.3.2. Передатчики ..................................................................................... 14

2. Технологическая часть ......................................................................... 17

2.1. Технология стратосферной связи на СВЧ ....................................... 18

3. Расчетная часть ...................................................................................... 34

3.1. Расчет нисходящего канала связи на частоте 47,5 ГГц………....... 34

ВВЕДЕНИЕ

В данной работе рассматривается вопрос разработки приемопередающего радиокомплекса для стратосферной высотной платформы, который представляет собой огромный ретранслятор, по сравнению с которым возможности ИСЗ существенно скромнее. На дирижабле предусматривается размещение, кроме другого оборудования, мощных коммутаторов АТМ для организации IP- речевого видеотрафика. Рассматривается также возможность организации мобильной видеосвязи.

Один дирижабль способен обслуживать территорию диаметром свыше 500 км. Мобильным абонентам будет доступна передача цифровой телефонии, факсимильных сообщений и электронной почты со скоростью 64 кбит/с. Причем число одновременно пользующихся оборудованием связи одного дирижабля составит 400 тысяч!

Фиксированные пользователи получат еще и такие услуги, как видеоконференцсвязь со скоростью 256 кбит/c, доступ в Интернет со скоростями 1...12 Мбит/с. Информация к абонентам, подключенным к станциям сопряжения, будет поступать со скоростью 45 Мбит/с или 155 Мбит/c. Разумеется, разные виды информации будут передаваться по радиоканалам различной информационной емкости. Подобные показатели сегодня характерны для мощных волоконно-оптических линий связи.

Преимущества и спутниковых, и наземных систем очевидны, так же как очевидны их недостатки. Например, геостационарные спутники (GEO) имеют важное свойство "стояния" в одной и той же точке небосклона. Но дается это ценой высокой орбиты и, как следствие, затуханием и задержками распространения сигнала. В этом плане более привлекательны низкоорбитальные спутники (LEO), но здесь приходится создавать в космосе что-то вроде сотовой сети - целой группировки из спутников.

И все-таки при всех своих минусах (стоимость, сложность и т. д.) спутниковые системы связи имеют важное преимущество перед наземными: большой угол места и, соответственно, зону прямой видимости абонентов. А это очень важно, поскольку абоненты по большей части находятся в современных городских фьордах, а для связи (вследствие их большей информационной емкости) все шире используются сверхвысокие частоты (единицы и десятки гигагерц).

В настоящее время появились несколько проектов одним из которых является так называемые стратосферные концентраторы - специализированные летательных аппараты, летающих в стратосфере и служащих аналогом спутниковой связи. Их главный козырь в игре со спутниками - быстрота развертывания и относительно небольшая рабочая высота. Это проект Sky Station International.

Основой системы Sky Station является стратостат, подвешиваемый над зоной обслуживания (например, над мегаполисом) на высоте около 21 км. Общая эффективно покрываемая связью площадь составляет примерно 19 тыс. квадратных километров. Размеры "сигары" весьма внушительны - 157 метров в длину и 62 метра в диаметре. Питание оборудования осуществляется от солнечных батарей, при этом потребляемая электрическая мощность составляет около мегаватта. Управляет положением стратостата ионный двигатель, использующий в качестве рабочего тела воздух. Планируемый срок службы - 10-12 лет.

Типовой канал связи обеспечит скорость передачи от 64 кбит/с до 2,048 Мбит/c для мобильных и до 155 Мбит/c для стационарных пользователей. При этом задержка сигнала составит не более 0,5 мс (против 250 мс для геостационарных спутников), что важно, например, для услуг реального времени (обычной и IP-телефонии, видеоконференций). Сигнал будет передаваться на частоте около 47 ГГц в полосе шириной 600 МГц. Если быть более точным, то диапазон 47,2-47,5 ГГц будет использоваться для каналов "стратостат-земля", а 47,9-48,2 ГГц - для каналов "земля-стратостат". Именно такие диапазоны были закреплены за стратосферной связью решением Всемирной конференции по радиочастотам (WRC-97) в октябре 1997 года. Решение авторитетной организации, ведающей международной политикой в вопросах использовании радиоресурсов, повторяет и вердикт Федеральной комиссии по связи США (FCC), также принятый недавно.

Каналы Sky Station могут быть использованы для всех известных сегодня телекоммуникационных сервисов: телефонная и видеосвязь, доступ в Интернет, телевидение (в том числе интерактивное) и т. д. При этом, по расчетам SSI, стоимость одной минуты однопользовательского мобильного канала составит всего несколько центов.

В качестве эксперимента для стратосферной связи выделены частоты 47,2-47,5 ГГц (нисходящая линия связи), 47,9-48,2 ГГц (восходящая линия связи).Поэтому в данной дипломной работе проведены соответствующие расчеты дальности связи для определения основных параметров приемо-передающего комплекса (ППР). Основной особенностью данной разработки является использование миллиметровых волн пока не освоенных в системах связи.

ГЛАВА 1. ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩИЕ РАДИОКОМПЛЕКСЫ.

передающий радиокомплекс оборудование частота

Приемо-передающие радиокомплексы (ППР) широко распространены и применятся во всех областях беспроводной связи. Разделяются ППР по используемой частоте: КВ, СВ, УКВ и на широкополосные на сверхвысоких частотах, а также по назначению: для радио и телевещания, для РРЛ, для спутниковой связи и т.д.

В настоящее время верхняя частота освоенная промышленностью приближается к 45 ГГц.

Как известно чем выше частота связи тем шире полоса частот, но сокращается дальность связи при одних и тех же мощностях передатчика. Для увеличения дальности связи требуется либо увеличить мощность передатчика, либо использовать остронаправленные передающие и принимающие антенны.

Таким образом, для разработки ППР необходимо учитывать и решать взаимоисключающие требования к системам радиосвязи, а также использовать ту технологию связи которое подходить к конкретному назначению аппаратуры приема и передачи данных.

Приемо-передающие радиокомплексы (ППР) состоит обычно из двух частей: приемного тракта и передающего тракта.

Приемный тракт начинается из приемной антенны, затем малошумящего входного усилителя и усилителя промежуточной частоты для преобразования сверхвысокой частоты (47,2 -48,2 Ггц) на пониженную частоту в 950-1750 МГц для снижения потер на линии связи с приемной аппаратурой.

Передающий тракт состоит из передающей аппаратуры, усилителя промежуточной частоты, усилителя мощности и передающей антенны.

В некоторых системах радиосвязи приемный тракт и передающий тракт имеют одну антенну для приема и передачи с разделением каналов не только по частоте и по поляризации.

Одним из основных устройств ППР является модулятор и демодулятор сигналов, принцип работы которых зависит от используемой технологии связи, полосы частот и способов кодирования и декодирования сигналов.

Еще один из важных устройств ППР является поляризатор при использовании одной приемо-передающей антенны. Необходимо учесть, что данный вариант обеспечивает снижение веса аппаратуры, но требует четкой работы поляризатора и более точного разноса частот восходящего и нисходящего каналов.

1.1. Назначение и основные функции ППР

Основное назначение ППР это организация каналов связи с помощью радиопередающего и радиоприемного устройств, каждый из которых представляют комплекс состоящей из антенн, фидерных линий и усилителя мощности с передатчиком и малошумящего приемного усилителя с приемным устройством.

Если рассматривать структуру приемо-передающего тракта то его полная структурная схема приведена на рис. 1.



Рис. 1. Функциональная схема типичной системы цифровой связи

Левая часть блок схем представляет все процессы происходящие в передатчике поэтапно, а правая часть - в приемнике. Этапы обработки сигнала, имеющие место в передатчике, являются преимущественно обратными к этапам обработки сигналов приемника. Выделенные блоки являются обязательными для приемо-передающей системы. А остальные блоки зависит от сложности приемо-передающего комплекса и зависят как от технологий связи, так и области использования. Исходная информация преобразуется в двоичные цифры (биты), после чего биты группируются в цифровые сообщения или символы сообщений. Каждый такой символ (m_i , где i=1,...., M) можно рассматривать как элемент конечного алфавита, содержащего M элементов. Следовательно, для М=2 символ сообщений является бинарным. Для систем использующих канальное кодирование (коды коррекции ошибок) последовательность символов сообщений преобразуется в последовательность канальных символов (кодовых символов), каждый канальный символ обозначается u_i.Поскольку символы сообщений или канальные символы могут состоять из одного или группы битов, то последовательность подобных символов называется потоком битов.

На рис. 1 показаны основные функции обработки сигналов (которые можно рассматривать как преобразование сигнала), разбитые на девять групп.

1. Форматирование и кодирование источника

2. Передача видеосигналов

3. Передача полосовых сигналов

4. Выравнивание

5. Канальное кодирование

6. Уплотнение и множественный доступ

7. Расширение спектра

8. Шифрование

Основные требованиями предъявляемые к ППР является эффективное использование выделенных частот и организация надежной, качественной связи, которое зависит от способов кодировки, модуляции и технологии связи.

1.2. Структура ППР

Как было сказано в начале основными устройствами ППР является передающий и приемные радиокомплексы (см. Рис.3 а). Передающий радиокомплекс состоит из усилителя мощности и передающей антенны. Приемный радиокомплекс состоит из приемной антенны и малошумящего усилителя.



Рис. 2 Упрощенная структура приемника

На рис. 2 б приведена структура ППР где одна антенна служит и для приема и для передачи.

Рис. 4. Структурная схема приемо-передающего радиокомплекса

Структурная схема такой ППР приведена на рис. 4. В ее состав входят следующие функциональные узлы:

1 -параболическая двухзеркальная антенна диаметром 300 мм;

2 -волноводные полосовые приемные;

3 - разделитель поляризаций (горизонтальной Е и вертикальной Н);

4 - передающие СВЧ фильтры;

5 - смеситель приемного канала ;

6 - смеситель канала АПЧ на диодах с барьером Шоттки, работающие на четвертой гармонике гетеродина;

7 - СВЧ генератор на диоде Ганна с варакторной перестройкой частоты;

8 - предварительный УПЧ на кремниевых биполярных транзисторах;

9 - транзисторный СВЧ генератор, стабилизированный диэлектрическим резонатором;

10 - частотный детектор канала АПЧ;

11- видеоусилитель модулятора передатчика ;

12- модуль частотного детектора

Этот модуль выполнен на единой стеклотекстолитовой печатной плате и состоит из главного УПЧ с автоматической регулировкой усиления 13, частотного детектора на расстроенных контурах 14 и видеоусилителя 15. Источник вторичного электропитания 16 обеспечивает преобразование постоянного напряжения +60 В в стабилизированные напряжения +12 В, -12 В и +5 В, необходимые для питания функциональных узлов станции.

Параболическая антенна, приемопередающие устройства и источник вторичного питания конструктивно размещены в герметическом цилиндрическом контейнере диаметром 300 мм и длиной 250 мм. Малые массогабаритные характеристики ППС дают возможность в большинстве случаев отказаться от строительства специальных мачтовых сооружений.

1.3. Оборудования ППР

Основными элемента ППР является: антенны, приемник и передатчик.

Линия передачи соединяет радиопередатчик, имеющий радиочастотный (РЧ) усилитель мощности (УМ), с передающей антенной. В приемнике антенна соединяется с входом малошумящим усилителем (МШУ). Усиленный принятый сигнал поступает на преобразователь частоты вниз и демодулируется (Рис. 2).

Рис. 2. Канал связи и элементы приемо-передатчика

Особенностью данной дипломной работы является исследование и расчет возможностей организации беспроводной связи на СВЧ, в миллиметровом (ММ) диапазоне в районе неосвоенных промышленностью частот от 40 до 50 ГГц.

На данный момент диапазон 40.5-43.5 ГГц миллиметровых длин волн является практически неосвоенным из-за сложности разработок. И в то же время, выделяемый в этом диапазоне канал в 3 ГЦ даёт возможность использования широкополосного сигнала, благодаря чему увеличивается пропускная способность канала и скорость передачи данных. Подобные скорости на сегодняшний день были доступны только оптоволоконным системам. Однако оборудование, работающее в миллиметровом диапазоне, даёт возможность построить универсальные беспроводные высокоскоростные сети, позволяющие реализовать самые разные услуги цифровой связи, в том числе и сервисы Triple Play - доступ к Интернет, телевещание по IP (IPTV, HD-IPTV); видео по требованию VoD (Video on Demand); IP-телефония (VoIP).

Учитывая потребность повышения эффективности использования радиочастотного спектра и признавая важность внедрения современных систем и технологий в диапазоне 40.5 - 43.5 ГГц, в апреле 2008 года государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ) приняла решение об упрощении процедуры выделения полосы радиочастот 40.5 - 43.5 ГГц для использования радиоэлектронными средствами фиксированного беспроводного доступа гражданского назначения. Таким образом, Комиссия отменила необходимость оформления отдельных решений ГКРЧ на использование радиочастот 40.5 - 43.5 ГГц для применения РЭС для каждого конкретного пользователя.

Так как канал связи начинается с антенн рассмотрим антенны и выберем подходящую к СВЧ связи тип антенн.

1.3.1. Антенны

При приеме сигналов приемная антенна играет одну из важнейших функции.

Антенны классифицируются по диапазону радиоволн, применению, общности отдельных характеристик (полосы пропускания, диаграммы направленности и т. д.) и принципу действия. Наиболее целесообразно антенны классифицировать по принципу действия, который во многом определяет форму, основные характеристики и применение антенн.

В соответствии с этим антенны можно разделить на три группы.

1. Линейная антенна - излучающая система, поперечные размеры которой значительно меньше длины волны, с переменными токами, текущими вдоль оси системы. К линейным антеннам, применяемым в диапазоне СВЧ, относятся вибраторы.

2. Антенная решетка - система однотипных излучателей, расположенных определенным образом и возбуждаемых одним генератором или несколькими когерентными генераторами. Типичными антенными решетками являются: директорная антенна, щелевая антенна, поверхностные антенны из полуволновых симметричных .вибраторов и др.

3. Апертурная антенна - устройство, отличающееся тем, что его выход можно представить как некоторую поверхность, через которую проходит весь поток излучаемой (принимаемой) электромагнитной энергии. Эта поверхность называется апертурой или раскрывом. Размеры раскрыва обычно больше длины волны. К апертурным антеннам относятся системы акустического типа - рупоры, антенны оптического типа - .зеркала и линзы, а также антенны поверхностной волны.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ АНТЕНН

1. Диаграмма направленности (ДН).

2. Ширина главного лепестка. Диаграмма направленности может иметь несколько направлений максимального излучения (несколько лепестков). Один из них, имеющий наибольшую величину, называется главным. Ширина главного лепестка, являющегося рабочим, характеризует ширину диаграммы направленности.

3. Эффективная площадь {Sg) -число, характеризующее величину площади, через которую приемная антенна собирает энергию: SgKuS, где /Си<;1 - коэффициент использования поверхности раскрыва; 5 - поверхность раскрыва антенны.

4. Коэффициент направленного действия (КНД) - число, определяемое отношением мощностей излучения направленной и ненаправленной антенн, создающих в данном направлении на одном и том же расстоянии одинаковую напряженность поля.

Иногда вместо КНД удобнее использовать коэффициент усиления (КУ) антенны, который представляет собой произведение КНД на коэффициент полезного действия (КПД) антенны. Так как КПД антенны близок к единице, то без большой ошибки можно считать, что КНД и КУ равны между собой.

5. Входное сопротивление антенны (Za) является эквивалентной величиной, определяющей согласование антенны с СВЧ трактом. В общем случае Za=Ra+iXa, где Ra=Rn+Rj: - активная составляющая; Rn - сопротивление потерь, характеризующее тепловые потери; - сопротивление излучения, характеризующее эффект излучения; Ха - реактивная составляющая, характеризующая отражение от антенны. Обычно коэффициент стоячей волны антенны не превышает /Сст1,5. При этом условии Xa<iRa и входное сопротивление антенны примерно равно волновому сопротивлению питающего тракта ZaZ.

6. Коэффициент полезного действия (КПД) определяют отношением излучаемюй мощности к полной мощности, подводимой к антенне РаР+Рп.

г, = -

где Рп - м.ощность тепловых потерь в антенне.

8. Рабочий Диапазон частот антенны характеризуется интервалом частот от /max ДО /min, В .котором значения всех параметров антенны не выходят за пределы заданных. Чаще всего критерием для определения полосы является входное сопротивление.

1.3.2. Приемо-передатчики

На миллиметровых волнах могут работать сверхширокополосные и помехзащищенные, в том числе межспутниковые и другие системы связи. Связные радиопередатчики в этих диапазонах строятся по супергетеродинной схеме (рис. ). Обычно первым каскадом является смеситель, малошумящие усилители радиочастоты (РЧ) применяются сравнительно редко, лишь в длинноволновой части ММ диапазоне. Входные цепи (ВЦ) таких приемников выполняют функции выделения необходимой полосы частот входного сигнала, фильтрации помех, подачи мощности гетеродина на смеситель и подавления АМ шумов гетеродина. Основное требование к ВЦ - малость потерь входного сигнала.

Рис. Структура приемника ММ диапазона

В длинноволновой части ММ диапазона ВЦ часто выполняют на волноводах и на микрополосковых линиях (МПЛ) , причем для уменьшения потерь геомеьтрическую длину волнового тракта предельно уменьшают. \широко используется также принципиальноотличный класс ВЦ - квазиоптические интерферометры. выполняющие функции частотных фильтров и разделителей сигналов разных частот и поляризаций.

В качестве МШУ на входе приемников ММ диапазона могут использоваться полупроводниковые усилители (ППУ), однако в этом случае серьезной технической трудностью является создание генераторов накачки необходимой мощности. Наиболее широко используемыми нелинейными элементами смесителей ММ диапазона является арсенидкаллиевые ДБШ. Применяют как однотактную схему построения смесителя, так и двух дионые: балансные, субгармонические и двухтактные. Благодаря подавлению АМ шумов гетеродина с балансными смесителями могут применяться низкочастотные УПЧ или УПЧ с низкой границей полосы пропускания.

В качестве гетеродина используется маломощные вакуумные и твердотельные источнини колебаний: отражательные клистроны, лампы обратной волны (ЛОВ), генераторы на ЛПД, диодах Ганна и ПТШ?, более низкочастотные твердотельные генераторы с варакторными умножителями частоты. С примененим варакторных умножителей частоты удается получать гетеродинную мощнсть 5 -20 мВт на частотах 100-250 ГГц.

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Большинством проектов предусматривалось создание полностью авто-номного беспилотного дирижабля, способного подниматься на высоту более 20 км. Выбор данных слоев атмосферы (зона так называемой велопаузы, разделяющей потоки воздуха с противоположно направленными скоростями) определяется рядом обстоятельств. С увеличением высоты скорость ветра растет и достигает максимума (более 30 м/с) на высотах порядка 10 км, а затем к высотам около 20 км ветер спадает до минимума (около 10 м/c). На данных высотах, наряду с незначительными скоростями преобладающих ветров, отмечается также относительное их постоянство по направлению. Предполагается, что основным полетным режимом при эксплуатации стратосферных дирижаблей будет зависание над заданной точкой земной поверхности и дрейф в пределах "куба" размером порядка 1Ч1Ч1 км. Такие стратосферные дирижабли становятся фактически низкоорбитальными геостационарными спутниками Земли, в связи с чем они получили название геостационарных стратосферных платформ (ГСП).

Управление полетом и работой систем летательного аппарата предполагается осуществлять из диспетчерского центра преимущественно в автоматизированном режиме. Предполагаемая длительность автономного полета дирижабля - от 3 до 10 месяцев. Энергообеспечение работы двигателей и оборудования осуществляется за счёт накопления энергии, полученной от солнечных батарей. Для полярных широт (проблема полярной ночи) рассматривается возможность использования компактного ядерного реактора.

Практическая реализация проектов сдерживалась в силу несовершенства технологий энергообеспечения двигательных установок и отсутствия необходимых материалов для построения корпуса стратосферного дирижабля.

Для этих целей требуются легкие конструкционные материалы, обеспечивающие необходимую прочность и жесткость аппарата достаточно большого размера: для подъёма нескольких тонн полезной нагрузки на высоты порядка 20 км необходимый объем дирижабля составляет сотни тысяч кубометров гелия или водорода, а линейные размеры дирижабля достигают нескольких сотен метров.

Также необходимы оболочечные материалы с высокой удельной прочностью и малой газопроницаемостью. Достижения 1980-1990-х годов в областях энергетики (солнечные накопители и регенеративные энергетические элементы, например водородные топливные элементы) и материаловедения (композиционные и полимерные материалы, фотогальванические пленки) обусловили возможности решения имеющихся проблем, и к 2003-2004 гг. поступила первая информация о тестах прототипов стратосферных дирижаблей с полезной нагрузкой от 2 до 5 тонн. Развернувшаяся к 2010 г. гонка ведущих аэрокосмических компаний по созданию стратосферных беспилотных дирижаблей свидетельствует о начале новой волны научно-технической революции.

2.1. Технология стратосферной связи на СВЧ

Беспроводные технологии - подкласс информационных технологий, служащих для передачи информации на расстояние между двумя и более точками, не требуя связи их проводами. Для передачи информации может использоваться инфракрасное излучение, радиоволны, оптическое или лазерное излучение.

В настоящее время существует множество беспроводных технологий. Каждая технология обладает определёнными характеристиками, которые определяют её область применения.

Существуют различные подходы к классификации беспроводных технологий.

По дальности действия можно выделить:

Рис. 1. Классификация по дальности действия

· Беспроводные персональные сети (WPAN - Wireless Personal Area Networks). Примеры технологий - Bluetooth.

· Беспроводные локальные сети (WLAN - Wireless Local Area Networks). Примеры технологий - Wi-Fi.

· Беспроводные сети масштаба города (WMAN - Wireless Metropolitan Area Networks). Примеры технологий - WiMAX.

WPANS: Беспроводные персональные сети

Две современные технологии создания беспроводных персональных сетей - это Infra Red (IR (ИК)) и Bluetooth (IEEE 802.15). Они предоставляют возможность связи устройств в радиусе 30 футов (около 10 м). Для установки ИК связи устройства должны находиться в зоне прямой видимости. Их связь характеризуется достаточно небольшим расстоянием.

WLANS: Беспроводные локальные сети

WLANS предоставляет возможность пользователям определенного района или места, например, университетского городка или библиотеки, создать сеть и получить доступ в Интернет. Временная сеть может быть создана с ограниченным числом пользователей и без приемоперадатчика при условии, что им не требуется доступ к Интернет-ресурсам.

WMANS: Беспроводные городские сети

Даная технология позволяет объединять несколько сетей в городе, например, городские здания, что является прекрасной альтернативой кабельному соединению.

Также в некоторых источниках выделяют глобальные беспроводные сети (WWANS), которые действуют до 10 тис. км.

WWANS: Беспроводные глобальные сети

Данный тип сетей объединяет различные города и страны посредством систем спутниковой или антенной связи. Их называют системами 2G (системами второго поколения).

Кратким, но ёмким способом классификации может служить одновременное отображение двух наиболее существенных характеристик беспроводных технологий на двух осях: максимальная скорость передачи информации и максимальное расстояние.

Рис. 2. Классификация по дальности действия и максимальной скорости передачи данных

По области применения можно выделить:

· Корпоративные (ведомственные) беспроводные сети - создаваемые компаниями для собственных нужд.

· Операторские беспроводные сети - создаваемые операторами связи для возмездного оказания услуг.

В комплексе с классификацией беспроводных сетей необходимо рассмотреть основные стандарты, которые действуют в этой области.

Стандарт 802.11 впервые появился в 1990-х годах. Он был разработан Институтом электроники и электрики. Теперь он является ведущей технологией в мире беспроводных сетей. Использование FHSS (frequency hopping spread spectrum) or DSSS (direct sequence spread spectrum) обеспечивает передачу данных со скоростью от 1 до 2 Мбит в секунду в 2.4 ГГц канале.

802.16-2004 (известен также как 802.16d и фиксированный WiMAX).

Спецификация утверждена в 2004 году. Используется ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM), поддерживается фиксированный доступ в зонах с наличием либо отсутствием прямой видимости. Пользовательские устройства представляют собой стационарные модемы для установки вне и внутри помещений, а также PCMCIA-карты для ноутбуков. В большинстве стран под эту технологию отведены диапазоны 3,5 и 5 ГГц. По сведениям WiMAX Forum, насчитывается уже порядка 175 внедрений фиксированной версии. Многие аналитики видят в ней конкурирующую или взаимодополняющую технологию проводного широкополосного доступа DSL.

802.16-2005 (известен также как 802.16e и мобильный WiMAX). Спецификация утверждена в 2005 году. Это - новый виток развития технологии фиксированного доступа (802.16d). Оптимизированная для поддержки мобильных пользователей версия поддерживает ряд специфических функций, таких как хэндовер и роуминг. Применяется масштабируемый OFDM-доступ (SOFDMA), возможна работа при наличии либо отсутствии прямой видимости. Планируемые частотные диапазоны для сетей Mobile WiMAX таковы: 2,3; 2,5; 3,4-3,8 ГГц. В мире реализованы несколько пилотных проектов, а недавно оператор Sprint анонсировал старт проекта национального масштаба. Конкурентами 802.16e являются все мобильные технологии третьего поколения (например, EV-DO, HSXPA).

Метод WirelessMAN-SC стандарта IEEE 802.16 описывает работу в диапазоне 10-66 ГГц сетей с архитектурой точка-многоточка (из центра - многим). Это двунаправленная система , т.е. предусмотрены нисходящий и восходящий потоки. При этом каналы подразумевается широкополосные (до 25-28 МГц), а скорость передачи-высокие (например, 120 Мбит/с.)

Канальное кодирование

Тракт обработки данных и формирование выходного сигнала для передачи через радиоканал в стандарте IEEE 802.16 достаточно обычен для современных телекоммуникационных протоколов (рис. ) и практически одинаков для нисходящих и восходящих соединений.

Рис. Тракт формирования выходного сигнала в стандарте IEEE 802.16

Рис. Структурная схема приемника и передатчика

Входной поток данных скремблируется. Далее скремблированные данные защищают посредством помехоустойчивых кодов ( FEC-кодирование). Метод WirelessMAN-SC предусматривает схему модуляцией одной несущей в каждом частотном канале. Допускается три типа квадратурной амплитудной модуляции? 4-позиционная GPSK , 16-позиционная QAM (обязательно для всех устройств), а также 64- QAM (опционально). Кодированные блоки данных преобразуется в модуляционные символы (каждые 2/4/6 бит определяют один символ GPSK/ 16- QAM /64- QAM) в соответствии с приведенными в стандарте таблицами - каждой группе из 2/4/6 бит ставится в соответствие синфазная (I) квадратурная (O) координаты. Далее последовательность дискретных значений в каналах I и Q преобразуется посредством так называемого синусквадратного фильтра в непрерывные (сглаженные) сигналы.

Рис. Схемы кодирования BPSK, QPSK и QAM 16

Режим WirelessMAN- OFDM

Режим OFDM - это метод модуляции потока данных в одном частотном канале (шириной 1-2 МГц и более) с центральной частотой f_c.Деление же на каналы, как и в случае SC-частотное. Но для модуляция данных посредством ортогональных в частотном канале выделяются N поднесущих так, что

,

где k-целое число из диапазона 1- N

Расстояние между ортогональными несущими , где T_b - длительность передачи данных.

Кроме данных, в OFDM-символе передается защитный интервал длительностью T_g , так что общая длительность OFDM-символа (рис. )

Защитный интервал представляет собой копию оконечного фрагмента символа. Его длительность T_g может составлять 1/4, 1/8, 1/16 и 1/32 от T_b.

Рис. OFDM-символ

Модуляция OFDM основана на двух основных принципах: разбиение одного канала с переменными параметрами на параллельные гауссовы каналы с различными отношениями сигнал/шум и точное измерение характеристик канала.

В соответствии с первым принципом OFDM каждая поднесущая модулируется независимо посредством квадратурной амплитудной модуляции. Общий сигнал вычисляется посредством обратного преобразования Фурье (БПФ).

Для работы алгоритмов БПФ удобно, чтобы число точек соответствовала 2^m. Поэтому число несущих выбирают равным минимальному числу N_FFT = 2^m, превосходящему N. В режим OFDM стандарта IEEE 802.16 N = 200, соответственно N_FFT=256. Из них 55 (k= -128....-101 и 101...127) образует защитный интервал на границах частотного диапазона канала. Центральнач частота канала (k=0) и частоты защитных интервалов не используется (т.е. амплитуды соответствующих им сигналов равны нулю). Оставшуюся 200 несущих информационные.

В соответствии со вторым принципом OFDM для точного определения параметров канала необходимы так называемые пилотные несущие частоты, метод модуляции и передаваемый сигнал в которых хорошо известен всем станциям. В методе OFDM предусмотрено использование восьми пилотных частот (с индексами 88, 63, 38, 13 с разными знаками). Оставшиеся 192 несущие разбиты на 16 подканалов по 12 несущих к каждом, причем в одном подканале частоты расположены не подряд. Например, подканал 1 составляют несущие с индексами -100, -99, -98, -37, -36, -35, 1,2,3,64,65,66. Деление на подканалы необходимо, поскольку в режиме WirelessMAN- OFDM предусмотрена (опционально) возможность работы не во всех 16, а водном, двух, четырех и восьми подканалах - некий прообраз схемы множественного доступа OFDMA. Для этого каждый подканал и каждая группа подканалов имеет свой индекс (от 0 до 31)

При частотном разделении каналов необходимо, чтобы ширина отдельного канала была, с одной стороны, достаточно узкой для минимизации искажения сигнала в пределах отдельного канала, а с другой - достаточно широкой для обеспечения требуемой скорости передачи. Кроме того, для экономного использования всей полосы канала, разделяемого на подканалы, желательно как можно более плотно расположить частотные подканалы, но при этом избежать межканальной интерференции, чтобы обеспечить полную независимость каналов друг от друга. Частотные каналы, удовлетворяющие перечисленным требованиям, называются ортогональными. Несущие сигналы всех частотных подканалов (а точнее, функции, описывающие эти сигналы) ортогональны друг другу.

Важно, что хотя сами частотные подканалы могут частично перекрывать друг друга, ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, а, следовательно, и отсутствие межканальной интерференции (рис. 3).

Рис. 3. Пример перекрывающихся частотных каналов с ортогональными несущими.

Рассмотренный способ деления широкополосного канала на ортогональные частотные подканалы называется ортогональным частотным разделением с мультиплексированием (OFDM). Одним из ключевых преимуществ метода OFDM является сочетание высокой скорости передачи с эффективным противостоянием многолучевому распространению. Если говорить точнее, то сама по себе технология OFDM не устраняет многолучевого распространения, но создает предпосылки для устранения эффекта межсимвольной интерференции. Дело в том, что неотъемлемой частью технологии OFDM является охранный интервал (Guard Interval, GI) - циклическое повторение окончания символа, пристраиваемое в начале символа (рис. 4).

Рис. 4. Охранный интервал GI.

Охранный интервал является избыточной информацией и в этом смысле снижает полезную (информационную) скорость передачи, но именно он служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции. Эта избыточная информация добавляется к передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приеме символа в приемнике.

При использовании технологии OFDM длительность охранного интервала составляет одну четвертую длительности самого символа. При этом сам символ имеет длительность 3,2 мкс, а охранный интервал - 0,8 мкс. Таким образом, длительность символа вместе с охранным интервалом составляет 4 мкс.

Основные стандарты сотовой связи в настоящее время развивались так называемые 4G, высокой пропускной способностью и низкой латентностью, все IP-сетей с голосовыми услугами построены на вершине. Во всем мире перейти на 4G для GSM/UMTS и AMPS/TIA (включая CDMA2000) является 3GPP Long Term Evolution усилий. Для 4G систем, существующих интерфейсов воздуха, выбрасываемых в пользу OFDMA по нисходящей и различные OFDM методик по Uplink, похожие на WiMAX.

Пилотные несущие модулируются посредством BPSK.

После определения модуляционных символов посредством ОБПФ вычисляется сам радиосигнал и передается в передатчик. При приеме все процедуры производят в обратном порядке. В режиме OFDM на физическом уровне для сетей с архитектурой "точка6многоточка" кадровая структура передачи принципиально мало чем отличается от режима SC. Так же как и в высокочастотной области, информационный обмен происходит посредством последовательности кадров (фреймов). Каждый фрейм (рис.6) делится на два субкадра - нисходящий (DL - от БС к АС) и восходящий (UL - от АС к БС). Разделение на восходящий и нисходящий каналы - как временное (TDD), так и частотное (FDD). В последнем случае DL и UL транслируются одновременно, в разных частотных диапазонах.

Нисходящий субкадр включает преамбулу, управляющий заголовок кадра (FCH - frame control header) и последовательность пакетов данных. Преамбула в нисходящем канале - посылка из двух OFDM6символов (длинная преамбула), предназначенная для синхронизации. Первый OFDM6символ использует несущие с индексами, кратными 4, второй - только четные несущие (модуляция - QPSK).

За преамбулой следует управляющий заголовок кадра - один OFDM6символ с модуляцией BPSK и стандартной схемой кодирования (скорость кодирования - 1/2). Он содержит так называемый префикс кадра нисходящего канала (DLFP - Downlink Frame Prefix), который описывает профиль и длину первого (или нескольких начальных) пакета в DL6субкадре.

В первый пакет входят широковещательные сообщения (предназначенные всем АС) - карты расположения пакетов DL-MAP, UL-MAP, дескрипторы нисходящего/восходящего каналов DCD/UCD, другая служебная информация. Каждый пакет обладает своим профилем (схема кодирования, модуляция и т.д.) и передается по средством целого числа OFDM6символов. Точки начала и профили всех пакетов, помимо первого, содержатся в DL-MAP.

Рис. 11 - Структура OFDM-кадров при временном дуплексировании.

Далее следуют временные интервалы, назначенные базовой станцией определенным абонентским станциям для передачи. Распределение этих интервалов (точки начала) содержится в сообщении UL-MAP. АС в своем временном интервале начинает трансляцию с передачи короткой преамбулы (один OFDM6символ, использует только четные несущие). За ним следует собственно информационный пакет, сформированный на МАС уровне.

Длительность OFDM-кадров может составлять 2,5; 4; 5; 8; 10; 12,5; и 20 мс. Заданный базовой станцией, период построения кадров не может изменяться, поскольку в этом случае потребуется ресинхронизация всех АС.

Запрос на установление соединения не отличается от общепринятого в стандарте IEEE 802.16, за исключением дополнительного режима "концентрированного" запроса (Region-Focused). Он предназначен только для станций, способных работать с отдельными субканалами. В этом режиме в интервалах конкурентного доступа (заданных в UL-MAP) АС может передать короткий 46разрядный код на одном из 48 субканалов, каждый из которых включает четыре несущих. Всего предусмотрено восемь кодов. Таблица кодов и подканалов приведена в тексте стандарта IEEE 802.16. Код и номера канала АС выбирает случайным образом.

Получив кодовое сообщение, БС предоставляет АС интервал для передачи "обычного" запроса на предоставление доступа (заголовка запроса МАС6уровня) - если это возможно. Однако в отличие от других механизмов, БС в UL6MAP не указывает идентификатор запросившей ее станции, а приводит номера кода запроса, подканала, а также порядковый номер интервала доступа, в течение которого был передан запрос. По этим параметрам АС и определяет, что интервал для запроса полосы передачи предназначен ей. Выбор момента для передачи 46разрядного кода запроса доступа происходит случайным образом, по описанному выше алгоритму обращения к каналу конкурентного доступа.

Особенности применения многостанционного доступа OFDMA

Режим WirelessMAN-OFDMA (далее - OFDMA), как следует из его названия, это метод множественного доступа посредством разделения ортогональных несущих. В отличие от рассмотренного в предыдущей публикации , речь идет уже не только о механизме модуляции, но и о способе разделения каналов. Данный механизм уже достаточно хорошо известен, в частности, он нашел широкое применение в системах цифрового телевидения DVB (наземных, кабельных и спутниковых). Один логический OFDMA-канал образован фиксированным набором несущих, как правило, распределенных по всему доступному диапазону частот физического канала. В упрощенном виде этот механизм опционально используется в режиме OFDM - вспомним разбиение канала на 16 подканалов.

С точки зрения формирования модуляционных символов OFDMA аналогичен OFDM: OFDMA-символ включает собственно зону передачи данных и предшествующий ему защитный интервал (повтор начального фрагмента символа), предназначенный для предотвращения межисмвольной интерференции). Сам символ - это совокупность модулированных ортогональных несущих. В режиме OFDMA несущих значительно больше, чем в OFDM - 2048 вместо 256, соответственно и число подканалов становится достаточным для организации работы сети: в разных режимах их от 32 до 70, по 24 или 48 информационных несущих в каждом. Используются не все 2048 несущих - около 200 нижних и 200 верхних частот составляют защитный интервал канала и не модулируются. Также не используется центральная частота канала (частота с индексом 1024). Кроме того, часть несущих - пилотные, предназначенные для служебных целей, а не для передачи информации. Точное число пилотных несущих и частот в защитных интервалах незначительно варьируется в зависимости от режимов OFDMA, описанных далее.

Системная тактовая частота всегда составляет 8/7 ширины полосы физического канала BW. Ширина физического канала не нормирована (в стандарте говорится "не менее 1 МГц), но в реальных применениях вряд ли окажутся эффективными каналы менее 5 МГц.

Метод формирования, структура OFDM-символов и механизм канального кодирования в OFDMA схожи с описанными для OFDM [2]. Канальное кодирование включает рандомизацию, помехоустойчивое кодирование, перемежение и модуляцию. Метод рандомизации практически идентичен OFDM, различны лишь способы формирования инициализирующего вектора генератора псевдослучайной последовательности (ПСП).

Помехоустойчивое кодирование в OFDMA в качестве обязательного предусматривает только сверточный кодер - такой же, как в OFDM, и с тем же набором скоростей кодирования. Кодера Рида-Соломона нет. Опционально предусмотрено применение блоковых и сверточных турбо-кодов. Метод перемежения также практически идентичен.

В нисходящем канале первый символ - это преамбула. Несущие в символах преамбул модулируются посредством BPSK специальным псевдослучайным кодом, зависящим от используемого сегмента (в режиме PUSC) и переменной IDcell, задаваемой на МАС-уровне [3]. В преамбуле модулируется каждая третья несущая всего канала (кроме несущих защитных интервалов и центральной), причем начальный сдвиг [0..2] задается дополнительно. Распознав тип преамбулы, АС сразу определяет значение переменной IDcell и режим работы БС.

За преамбулой следуют два символа, передающие заголовок кадра FCH и карту распределения полей нисходящего канала DL-MAP. Заголовок транслируется посредством QPSK со скоростью кодирования 1/2. Он содержит префикс нисходящего канала (DL Frame prefix), в котором указываются используемые сегменты и параметры карты нисходящего канала DL-MAP (длина, используемый метод кодирования и число повторений), транслируемой сразу за заголовком кадра. Также в заголовке используется флаг, установка которого означает изменение в расположении области конкурентного доступа в восходящем субкадре по отношению к предыдущему кадру.

Режим FUSC означает, что используются весь диапазон физического канала (все возможные несущие). Это 1702 несущие информационные частоты и защитный интервал (173 и 172 несущих в верху и низу диапазона, соответственно). Центральная частота с индексом 1024 не используется.

Сети WiMAX предназначены для предоставления сервисов как неподвижным, так и подвижным пользователям. WiMAX поддерживает следующие виды мобильности:

1) фиксированный (fixed). В этом случае с оператором согласовывается положение пользователя, в котором он получает обслуживание, н-р, конкретная сота. Для этого хорошо подходят пользовательские терминалы с закрепленной снаружи здания антенной, направленной на базовую станцию.

2) блуждающий (nomadic), т.е. с изменяемым местоположением. Пользователь имеет возможность подключиться к сети оператора из любого места, где оператор предоставляет покрытие. В течение одной сессии пользователь должен быть неподвижен.

3) передвижной (portable). Пользователь имеет возможность передвигаться со скоростью до 5 км/ч без потери установленной сессии

ГЛАВА 3. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

Расчет канала связи между ППР стратосферной высотной платформы (СВП) и мобильным телефоном пользователей необходимо начинать с расчета потерь мощности на линий связи. Для этого определимся со следующими параметрами канала связи.

1. Дальность связи от 20 до 28 км.

2. Частота связи

- частоты нисходящего канала связи 47,5-47,8ГГц

- частоты восходящего канала связи 48,9- 48,2 ГГц

3. Мощность передатчика мобильного телефона - 1 Вт,

4. Чувствительность приемника - 1 МкВ

3.1. Расчет потерь на линий связи

Для проведения расчетов используем общеизвестную формулу зависимости ослабления мощности сигналов зависящей от расстояния и частоты связи [ 11].

Основыусиления антенн

Линия передачи соединяет радиопередатчик, имеющий радиочастотный (РЧ) усилитель мощности (УМ), с передающей антенной. В приемнике антенна соединяется с входом малошумящим усилителем (МШУ). Усиленный принятый сигнал поступает на преобразователь частоты вниз и демодулируется (Рис. ).

Рассмотрим схему связи приведенной на рис



Рис. 1. Элементы приемо-передатчика

Предположим, что передающий РЧ усилитель отдает P_T ватт мощности изотропной передающей антенне, как показано на рис. .Плотность излучаемой мощности с, Вт/м² , или исходящий поток электромагнитной энергии, измеренный на расстояний r от антенны определяется формулой:

, (3.1)

Направленная антенна концентрирует излучаемую мощность в определенном направлений.

Приемная антенна с эффективной апертурой А и на расстояний r от всенаправленной антенны принимает мощность P_R, Вт, определяемую выражением:

, (3.2)

Из [ ] и других руководств по антеннам и излучению следует, что коэффициент усиления антенны G связан с апертурой антенны и длиной волны л , м, радиосигнала:

G= 4/ (3.3)

Где

(3.4)

Здесь с - 3*10⁸ м/с - скорость распространения света; f - частота несущей при передаче.

У идеальных всенаправленных антенн G=1; следовательно, из (3.3.4) имеем:

(3.3.6)

Характеристики распространения радиоволн

Из (3.3.1)-(3.3.6) можно получить формулу для расчета потерь передачи в свободном пространстве (или потерь при распространении) для всенаправленных передающих и принимающих антенн с единичным коэффициентом усиления (G = 1), расположенных друг от друга на расстояний r метров. Эта формула имеет вид [ ]:

(3.4.1)

Для двух антенн, разнесенных друг от друга на r метров, с коффициентом усиления передающей антенны

(3.4.2)

(3.4.3)

формула для потерь при распространении в свободном пространстве принимает следующий вид:

(3.4.4)

Из (3.4.4) получаем выражение для потерь при распространении в свободном пространстве (L_f , дБ):

(3.4.5)

дБ (3.4.6)

Для изотропных антенн и при отсутствии препятствий в пределах прямой видимости (LOS) основные потери передачи рассчитываются по формуле:

(3.4.7)

Из этих соотношений для основных потерь при распространении в пределах прямой видимости (LOS) следует, что принимаемая мощность уменьшается (относительно переданной мощности) на 6 дБ при каждом удвоении расстояния и при каждом удвоении значения радиочастоты.

При использовании штыревой антенны наведенное напряжение V, В/м, связано с напряженностью поля E следующим образом:

, (3.5)

Максимальная мощность P_R , Вт/м², подводимая к полному сопротивлению нагрузки R_L , в системе с согласованным выходом равна

, (3.6)

Предполагается, что эквивалентная наведенная антенной напряжение равно V.Входное полное сопротивление нагрузки Z_a равно полному сопротивлению нагрузки Z_L , а R_L - активное сопротивление Z_L , как показана на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Эквивалентная схема антенны

Таким образом, принимаемая мощность может быт выражена в ваттах на метр в квадрате.

Из вышеприведенных выражений можно получить:

, (3.7)

Определим мощность P_R, выраженную в децибелах относительно 1 Вт:

Для стандартного сопротивления нагрузки R_L=50 Ом имеем:

; таким образом,

Формула для мощности P_R , выраженной в децибелах относительно мощности 1 мВт, имеет вид:

Или, переходя к радиочастоте f с помощью соотношения , получаем

Расчет параметров ВСП по отношению к приемной антенне

Эффективная изотропно-излучаемая мощность

Расстояние от 20км до 30 км

Частота связи f_н - 47,2-47,5 Ггц

f_в - 47,9-48,2 Ггц

Эффективная мощность - 1 кВт

Диаметр передающей антенны стратосферной платформы - 1 м.

Диаметр приемной антенны стратосферной платформы - 12 м.

Передающая антенна мобильного абонента - изотропная антенна, мощность передатчика - 1 Вт.

Приемная антенна мобильного абонента - изотропная антенна, мощность передатчика - 1 мкВт.

Определить, при условии что у пользователя изотропная антенна типа штырь с коэффициентом усиления = 1, основные параметры ППР расположенные на стратосферной высотной платформе (СВП):

- диаметр принимающей антенны;

- чувствительность приемника;

- размер передающей антенны;

- мощность передатчика.



Рис. 3.3. Канал мобильной связи высотной стратосферной платформы

Мобильный телефон является малогабаритным приемопередатчиком Передача ведется в диапазоне частот 47,2 - 48,2 ГГц. Мощность излучения является величиной переменной, в значительной степени зависящей от состояния канала связи "мобильный радиотелефон - СВП", т. е. чем выше уровень сигнала базовой станции в месте приема, тем меньше мощность излучения сотового телефона. Максимальная мощность находится в границах 0,125-1 Вт.

Согласно существующим в Беларуси и России временным допустимым уровням электромагнитных излучений плотность потока (ПП) на пользователей мобильных телефонов не должна превышать 100 мкВт/см². Необходимо отметить, что в природных условиях значение плотности потока высокочастотного излучения исчезающе мало и составляет лишь 10^-15 мкВт/см².

Будем считать что стратосферный дирижабль находится геостационарно на высоте 20 км над поверхностью земли. Допустимый область перемещения стратосферного дирижабля составляет куб со сторонами в 1 км. Ближняя зона обслуживания мобильных абонентов составляет в радиусе 20 км от центральной точки над которым "висит" ВСП. Этого достаточно для обеспечения связью территорию крупного мегаполиса с пригоролом.

Рис.3.4. Схема расположения ВСП

Этапы расчета энергетического баланса на линий связи "мобильный телефон-СВП"

Скорость передачи данных 1Мб/с при мощности передатчика -12 dBW и чувствительность приёмника -94 dBW. Дальность действия радиомоста в ясную погоду - до 30 км,