Повторное использование частот в радиосвязи

Размещено на http://allbest.ru

1. Принцип повторного использования частот

Повторное использование частот - это основной принцип системы сотовой связи, радикально отличающий ее от других, в частности - от транковых систем подвижной связи, и позволяющий существенно (теоретически - до бесконечности) повышать емкость системы. Идея повторного использования частот заключается в том, что в близких одна относительно другой ячейках системы используются разные полосы частот, а через несколько ячеек эти полосы повторяются, что выгодно уже само по себе, так как позволяет при ограниченной общей полосе частот охватить системой сколь угодно большую зону обслуживания. Это оказывается выгодно вдвойне, если учесть возможность повышения емкости системы за счет того или иного варианта дробления ячеек.

Рисунок 8

Пусть в некоторой ячейке А (рисунок 8) используется какая-то часть от полного диапазона частот, выделенного системе сотовой связи, например, для определенности, одна десятая. Тогда в соседней с ней ячейке В должна использоваться вторая десятая часть диапазона, поскольку вблизи общей границы в двух смежных ячейках нельзя использовать одни и те же частотные каналы. Из тех же соображений в ячейке С придется использовать третью десятую часть диапазона. Но уже в ячейке D, имеющей общие границы с ячейками А и С, но не граничащей с ячейкой В, вновь может быть использована та же десятая часть диапазона, что и в ячейке В, что условно обозначено .

Аналогичные соображения справедливы для ячеек Е, F, G, Н, так что в итоге мы приходим к трехъячеечной схеме повторения частот, или к структуре системы, состоящей из 3-ячеечных (3-элементных) кластеров. Такая структура схематически представлена на рисунке 9, причем одинаковыми цифрами обозначены ячейки, в которых используются одни и те же полосы частот. Очевидно, что 3-элементный кластер - это кластер минимально возможного размера; в каждой из его ячеек можно использовать не одну десятую, а одну треть от полного частотного диапазона, отведенного системе.

Рисунок 9

Рисунок 10

При 3-элементном кластере ячейки с одинаковыми полосами частот повторяются очень часто, что плохо в смысле уровня соканальных помех, т.е. помех от станций системы, работающих на тех же частотных каналах, но в других ячейках. В этом отношении более выгодны кластеры с большим числом элементов; примеры таких кластеров представлены на рисунках 10-12.

Рисунок 11

Рисунок 12

В общем случае расстояние между центрами ячеек, в которых используются одинаковые полосы частот, связано с числом N ячеек в кластере простым соотношением

,

или

,

где - радиус ячейки (радиус окружности, описанной около правильного шестиугольника). Параметр q, определяемый последним равенством, называют коэффициентом уменьшения соканальных помех или коэффициентом соканального повторения (значения q при некоторых N приведены в таблице).

Увеличение числа элементов в кластере, выгодное в отношении снижения уровня соканальных помех, приводит к пропорциональному уменьшению полосы частот, которая может быть использована в одной ячейке. Поэтому практически число элементов в кластере должно выбираться минимально возможным, обеспечивающим допустимое отношение сигнал/помеха.

Часто используются направленные (в горизонтальной плоскости) антенны с шириной диаграммы направленности 120° или 60°, т.е. шестиугольная ячейка разбивается на 3 или 6 секторов, в каждом из которых естественно использовать свою полосу частот. Возможны и другие варианты дробления ячеек, причем этот приём широко используется для участков сети с напряженным трафиком в интересах обеспечения необходимой емкости системы.

В целом вопросы выбора конфигурации сети, определения конкретных размеров и расположения ячеек, распределения частот с учетом требований трафика и условий местности относятся к очень своеобразной и непростой области проектирования систем сотовой связи.

2.Методы множественного доступа

Понятие множественного доступа связано с организацией совместного использования ограниченного участка спектра многими пользователями. Выделяют три варианта множественного доступа:

1. Множественный доступ с частотным разделением каналов связи.

2. Множественный доступ с временным разделением каналов связи.

3. Множественный доступ с кодовым разделением каналов связи.

3.Множественный доступ с частотным разделением

Множественный доступ с частотным разделением (FDMA), или множественный доступ с разделением каналов связи по частоте, - наиболее простой из трех методов множественного доступа как по своей идее, так и по возможности реализации. Каждому пользователю на время сеанса связи выделяется своя полоса частот, которой он владеет безраздельно. Метод FDMA использовался во всех аналоговых системах сотовой связи (системах первого поколения) - это единственный метод, который целесообразно использовать в аналоговых системах, при этом ширина канала составляет 10-30 кГц. Основное слабое место FDMA - недостаточно эффективное использование полосы частот. Эта эффективность заметно повышается при переходе к более совершенному методу TDMA, что позволяет соответственно повысить емкость системы сотовой связи.

4.Множественный доступ с временным разделением

Множественный доступ с временным разделением (TDMA), или множественный доступ с разделением каналов связи по времени, также достаточно прост по идее, но значительно сложнее в реализации, чем FDMA. Суть метода TDMA заключается в том, что каждый частотный канал разделяется во времени между несколькими пользователями, т.е. частотный канал по очереди предоставляется нескольким пользователям на определенные промежутки времени. При этом возможна реализация нескольких физических каналов в одном частотном.

Практическая реализация метода TDMA требует преобразования сигналов в цифровую форму и «сжатия» информации во времени. Разделение во времени может использоваться и для реализации прямых и обратных каналов дуплексной связи в одной и той же полосе частот (TDD). Такое техническое решение находит применение в беспроводном телефоне. В сотовой связи обычно используется дуплексное разделение по частоте (FDD) т.е. прямые и обратные каналы занимают разные полосы частот, смещенные одна относительно другой.

Метод TDMA не реализует всех потенциальных возможностей по эффективности использования спектра; дополнительные резервы открываются при использовании иерархических структур и адаптивного распределения каналов.

частота сотовый связь

5.Множественный доступ с кодовым разделением

Множественный доступ с кодовым разделением (CDMA) прост только на уровне феноменологического описания метода: в нём большая группа пользователей (например, от 30 до 50), одновременно использует общую относительно широкую полосу частот - не менее 1 МГц. Метод CDMA достаточно сложен, и не только в отношении принципов построения, но и в плане практической реализации. Как и TDMA, метод CDMA может быть реализован только в цифровой форме.

Основная особенность метода CDMA - это работа в широкой полосе частот, значительно превышающей полосу сигнала речи, в сочетании с таким кодированием информации каждого из физических каналов, которое позволяет выделять её из общей широкой полосы, используемой одновременно всеми физическими каналами. Система связи, реализующая CDMA, является системой с расширенным спектром - спектр информационного сообщения искусственно расширяется посредством модуляции (кодирования) периодической псевдослучайной последовательностью импульсов с достаточно малым дискретом. Для получения ширины спектра более 1 МГц (а это принципиально важно для работы в условиях многолучевого распространения) длительность дискрета модулирующей последовательности должна быть менее 1 мкс. Расширение спектра за счет модуляции псевдослучайной последовательностью в сочетании с кодовым разделением физических каналов - однозначно определяют и общие достоинства метода CDMA: высокую помехоустойчивость, хорошую приспособленность к условиям многолучевого распространения, высокую ёмкость системы.

Помехоустойчивость метода - по отношению как к узкополосным, так и широкополосным помехам - может быть пояснена следующим образом. Модуляция сигнала псевдослучайной последовательностью при передаче требует его повторной модуляции той же последовательностью при приеме (что эквивалентно демодуляции сигнала), в результате чего восстанавливается исходный узкополосный сигнал. При этом подбор задержки демодулирующей последовательности производится экспериментально с точностью до дискрета последовательности, и правильному значению задержки соответствует максимальный отклик на выходе фильтра-демодулятора; описанная схема обработки соответствует так называемому корреляционному приему [18]. Если помеха узкополосная, то демодулирующая псевдослучайная последовательность при приеме воздействует на нее как модулирующая, т.е. «размазывает» ее спектр по широкой полосе W_ss. В результате чего в узкую полосу сигнала W_s попадает лишь 1/G часть мощности помехи, так что узкополосная помеха будет ослаблена в G раз, где G = W_ss/W_s - выигрыш обработки, равный отношению полосы расширенного спектра W_ss к полосе W_s исходного сигнала, Например, при W_ss = 1,23 МГц и W_s= 19,2 кГц выигрыш обработки составляет G = 65. Если же помеха широкополосная - с полосой порядка W_ss или шире, то демодуляция не изменяет ширины её спектра, и в полосу сигнала помеха попадает ослабленной во столько раз, во сколько её полоса шире полосы W_s исходного сигнала.

Возможность успешной работы в условиях многолучевого распространения также непосредственно связана с корреляционным приемом. Если корреляционный приемник имеет несколько каналов и каждый из них может быть настроен на свою задержку сигнала, то разные каналы могут быть согласованы по задержке с сигналами, прошедшими по разным путям, а сигналы с выходов всех каналов после соответствующего выравнивания во времени могут быть просуммированы. Описанная схема носит название рейк-приемника. Если учесть, что замирания сигнала (фединги), связанные с многолучевым распространением, сами по себе являются частотно-селективными и заметно ослабляются при полосе сигнала более 200...300 кГц, то ослабление замираний в методе CDMA на 20...30 дБ по сравнению с FDMA или TDMA представляется вполне естественным. При этом в методе CDMA исключается применение эквалайзера, но сохраняется целесообразность разнесенного приема.

В технических решениях в применении к сотовой связи расширение спектра обеспечивается за счет модуляции сигнала псевдослучайной последовательностью с частотой следования дискретов 1,23 МГц.

Рисунок 13

Для модуляции сигнала используется три вида функций; «короткая» и «длинная» псевдослучайные последовательности и функции Уолша. Последние широко используются в цифровой обработке сигналов и являются в некотором смысле дискретным аналогом синусоид (косинусоид) кратных частот; на рисунке 13 представлены графики функций Уолша восьми первых порядков. Длина “короткой” псевдослучайной кодовой последовательности составляет знаков; “длинной” псевдослучайной последовательности - знаков. Длительность дискрета для всех трех модулирующих функций одинакова (для функций Уолша имеется в виду дискрет функций высшего порядка) и соответствует частоте следования дискретов 1,2288 МГц.

Для кодирования речи используется алгоритм CELP (линейное предсказание с кодовым возбуждением) с переменной частотой выдачи информации. Кодер поддерживает частоты кодирования 8, 4, 2 и 1 кбит/с, которым соответствуют скорости передачи информации в канале 9,6; 4,8; 2,4 и 1,2 кбит/с. И в подвижной, и в базовой станциях используются многоканальные рейк-приемники, причем помимо настраиваемых на определенную задержку каналов в каждом из них имеется сканирующий по задержке канал, что позволяет выбрать для настраиваемых каналов сигналы с наибольшей интенсивностью.

Рисунок 14

В прямом канале (от базовой станции к подвижной, рисунок 14) модуляция сигнала функциями Уолша (бинарная фазовая манипуляция) используется для различения разных физических каналов данной базовой станции; модуляция длинной псевдослучайной последовательностью (бинарная фазовая манипуляция) - с целью шифрования сообщений; модуляция короткой псевдослучайной последовательностью (квадратурная фазовая манипуляция двумя псевдослучайными последовательностями одинакового периода) - для расширения полосы и различения сигналов разных базовых станций.

Решение последней задачи - различение сигналов разных станций - обеспечивается тем, что все базовые станции используют одну и ту же пару коротких псевдослучайных последовательностей, но со сдвигом на 64 дискрета между разными станциями; при этом все физические каналы одной базовой станции имеют одну и ту же фазу последовательности.

Более конкретное назначение функций Уолша различных порядков: функция Уолша нулевого порядка кодирует пилот-сигнал - это сигнал несущей, который используется подвижной станцией для выбора рабочей ячейки, а также в качестве опорного для синхронного детектирования сигналов информационных каналов; функция кодирует канал синхронизации, по которому передается также ряд служебных сообщений; функции используются для кодирования каналов вызова - их число может составлять от 0 до 7; остальные функции Уолша, вместе с оставшимися от каналов вызова (если число последних меньше семи), используются для кодирования каналов трафика, и число последних может составлять от 55 до 62, Для защиты информации от ошибок в прямом канале используется свёрточное кодирование с длиной ограничения 9 и скоростью 1/2, а также перемежение на интервале 20 мс.

Рисунок 15

В обратном канале (от подвижной станции к базовой, рисунок 15) модуляция сигнала короткой псевдослучайной последовательностью (квадратурная фазовая манипуляция двумя псевдослучайными последовательностями одинакового периода) используется только для расширения спектра, причем все подвижные станции используют одну и ту же пару последовательностей с одинаковым (нулевым) смещением. Модуляция сигнала длинной псевдослучайной последовательностью (бинарная фазовая манипуляция) помимо шифрования сообщений несет информацию о подвижной станции в виде её закодированного индивидуального номера и обеспечивает различение сигналов от разных подвижных станций одной ячейки за счет индивидуального для каждой станции сдвига последовательности. Пилот-сигнала в обратном канале нет, поэтому синхронное детектирование здесь не используется.

Но зато функции Уолша используются для кодирования 6-битовых групп символов - при этом задействованы все 64 функции Уолша, поскольку 64 = 2⁶; это кодирование одинаково для всех физических каналов, а на приемном конце используются 64 параллельных канала, каждый из которых настроен на свою функцию Уолша, и эти каналы распознают (декодируют) принятые 6-битовые символы. В обратном канале, как и в прямом, для защиты от ошибок используются свёрточное кодирование с длиной ограничения 9, но со скоростью 1/3 (т.е. с вдвое большей избыточностью - это тоже мера компенсации отсутствия синхронного детектирования) и перемежение на интервале 20 мс.

Главным фактором в решении задачи получения предельной ёмкости является то обстоятельство, что в CDMA основной вклад в отношение сигнал/помеха (или, точнее, в отношение несущая/помеха) вносят мешающие сигналы других физических каналов (других пользователей) в «своей» (рабочей) ячейке, поскольку все физические каналы используют одну и ту же широкую полосу частот, тогда как в FDMA и TDMA помехо-вый фон создается каналами связи, работающими в других ячейках (более или менее удаленных от рабочей - в зависимости от числа ячеек в кластере) в том же частотном канале, а для TDMA - и в том же временном слоте. Поэтому в CDMA тщательная регулировка уровней сигналов, применение секторных антенн на базовых станциях и использование фактора «речевой активности» в сочетании с оперативным изменением числа задействованных каналов связи в пределах имеющегося ресурса позволяет практически - по месту, по конкретно складывающейся ситуации - реализовать предельно малое допустимое значение отношения несущая/помеха, т.е. получить предельно большие пропускную способность и ёмкость системы. В методах FDMA и TDMA это нереализуемо, прежде всего в отношении первого фактора - регулировки уровней сигналов, так как такая регулировка возможна только по критериям своих («удаленных») ячеек, без учета отношения несущая/помеха в рассматриваемой рабочей ячейке. Поскольку в силу сложности законов распространения и затухания сигналов уровень помех от других ячеек оказывается величиной случайной и с достаточно большой дисперсией, практически это приводит к необходимости выбирать размер кластера с запасом, чтобы отношение несущая/помеха с достаточно большой вероятностью не опускалось ниже допустимого порога, а это и означает некоторое недоиспользование (в среднем) частотных ресурсов системы,

Практически же в FDMA и TDMA столь оперативной, как в CDMA, регулировки уровней сигналов обычно не производится, фактор «речевой активности» используется не всегда, а секторизация применяется фактически как вариант дробления ячеек. Кроме того, комбинированное использование в CDMA нескольких достаточно сложных и эффективных методов кодирования позволяет снизить порог отношения несущая/помеха по сравнению с FDMA и TDMA.

В CDMA регулировка уровней сигналов, применение секторных антенн и отработка «речевой активности» являются принципиально важными и обязательными элементами метода. При этом регулировка уровней производится как в прямом канале (дискрет 0,5 дБ, управление с обратной связью, периодичность 15...20 мс), так и в обратном (дискрет 0,5 дБ, управление без обратной связи, время реакции несколько микросекунд и с обратной связью - периодичность 1,25 мс), причем в обратном канале регулировка столь оперативна, что существенно сглаживает даже быстрые (релеевские) замирания сигнала. Указанные выше технические особенности метода CDMA, равно как и некоторые другие, можно при желании трактовать и как его достоинства, и как недостатки. Действительно, именно эти особенности обеспечивают высокие характеристики метода, и в этом смысле они, конечно, выступают как достоинства. Кроме того, они дают и некоторые дополнительные преимущества, например отработка «речевой активности» позволяет соответственно экономить энергию источника питания. С другой стороны, реализация этих особенностей достаточно сложна, что достоинством не является.

В методе CDMA нет частотного планирования, во всех ячейках используется одна и та же полоса частот. В качестве коэффициента эффективности повторного использования частот указывают величину порядка 2/3, т.е. вследствие помех от других ячеек число используемых в каждой ячейке каналов снижается в 1,5 раза по сравнению с одной изолированной ячейкой (эти коэффициенты аналогичны соответственно 1/7 и 7 в 7 -ячеечном кластере методов FDMA и TDMA).

В CDMA реализуется так называемая «мягкая передача обслуживания»: когда подвижная станция приближается к границе ячейки, т.е. сигналы от двух базовых станций - рабочей ячейки и одной из смежных - становятся соизмеримыми по уровню (это фиксируется подвижной станцией и сообщается на базовую станцию рабочей ячейки), по команде с центра коммутации через базовую станцию смежной ячейки организуется второй канал связи с той же подвижной станцией; при этом первый канал (в «старой» ячейке) продолжает работать, т.е. подвижная станция принимает сигналы одновременно от двух базовых станций, используя технические возможности рейк-приемника - возможности приема двух «копий» одного и того же сигнала, смещенных между собой во времени. Так продолжается до тех пор, пока подвижная станция не удалится от границы ячеек, т.е. пока сигнал от второй базовой станции не станет существенно сильнее сигнала от первой. После этого канал связи через первую базовую станцию закрывается, и процесс передачи обслуживания завершается, «Мягкая передача обслуживания», безусловно, повышает качество и надежность связи, но ее организация обходится отнюдь не бесплатно: помимо того, что в процессе передачи обслуживания подвижная станция занимает не один физический канал, а два, регулировка уровня сигнала подвижной станции может производиться лишь по одной из ячеек, а по второй сигнал может оказаться либо слабоватым, либо великоватым и с несглаженными замираниями, с вытекающими отсюда последствиями для качества связи.

Метод CDMA требует точной синхронизации базовых станций системы. Это может быть реализовано, например, при помощи спутниковой геодезической системы GPS, но в результате система сотовой связи оказывается не автономной.

В методе CDMA нет защитных интервалов (бланков), как в методе TDMA, а большое число знаков в используемых кодовых последовательностях облегчает сохранение конфиденциальности передаваемой информации (затрудняет ее несанкционированное декодирование). Наконец, высокая помехоустойчивость метода CDMA и распределение энергии по широкой полосе частот допускают совместную с CDMA работу некоторого числа узкополосных каналов связи в пределах той же широкой полосы при относительно небольшом уровне взаимных помех.

Литература

1. Гольденберг Л. М., Матюшкин Б. Д., Поляк М. Н. Цифровая обработка сигналов, - М.1. Радио и связь, 1990.

2. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. СПб. «Питер». 2006.

3. С.М.Сухман, А.В.Бернов, Б.В. Шевкопляс, Синхронизация в телекоммуникационных системах. Анализ инженерных решений. - М.: Эко-Трендз, - 2003. - 202с.

4. Волков Л.Н, Немировский М.С., Шинаков Ю.С., Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики: Учебное пособие. - М.: Эко-Трендз, - 2005. - 392с.

5. Беллами Дж. Цифровая телефония. М.: Радио и связь, - 1986.

6. Афанасьев В. В. Ассоциация GSM - координатор деятельности опе¬раторов // Мобильные системы. - 1997. - № 1. - С 25 - 29. 7. Бакурский В. А., Гуськов Г. Я., Сетдиков Р. А. и др. Система спутниковой связи «Сокол» // Электросвязь, - 1995, - № 4. - С. 8 -11,

8. Банкет В. Л., Дорофеев В. М. Цифровые методы в спутниковой связи. - М.: Радио и связь, 1938,

9. Бахтиаров Г. Д., Малинин В. В., Школин В. П. Аналого-цифровые преобразователи. - М.: Сов. радио, 1980.

11. Белянко Е., Фрэз И. Региональные сети подвижной радиосвязи переходного периода // Вестник связи. - 1995. - № 9, - С. 23 - 26. Блейхут Р. Теория и практика кодов, контролирующих ошибки. - М.: Мир, 1986.

12. Боккер П. ISDN - цифровая сеть с интеграцией служб. Понятия, методы, системы. - М.: Радио и связь, 1991.

13. Бородин С. В. О применении систем спутниковой связи со спутниками на низких орбитах // Электросвязь. - 1995. - № 9. - С. 19 - 24. Быховский М. А. Сравнение различных систем сотовой подвижной связи по эффективности использования радиочастотного спектра // Электросвязь. - 1996. - № 5. - С. 9 - 12,

14. Варакин Л. Е. Теория сложных сигналов. - М.: Сов. радио, 1970,

Варакин Л. Е. Интеллектуальная сеть. Ч. 1. Эволюция сетей и услуг связи // Сети. - 1991. - № 6.

15. Варакин Л. Е. Концепция создания широкополосных систем подвижной и персональной радиосвязи // Вестник связи. - 1994. - № 9. - С. 16 - 19.

16. Варакин Л. Е., Кучерявый А. Е., Соколов Н. А., Филюшин Ю. И. Интеллектуальная сеть, Ч. 2. Концепция и архитектуры // Сети. -1992. - Ms 1, - С. 6 - 10.

17. Ворсано Д. Кодирование речи в цифровой телефонии // Сети и системы связи. - 1996. - № 1. - С. 84 - 87.

18. Гуськов Г. Я., Рыбальченко Ю. М., Соломонов Ю. М. Низкоорбитальная система спутниковой связи «Курьер» // Электросвязь. -1995.- №4. -С. 15- 16.

19. Евсиков М, Грядущая революция в спутниковой связи // Компьютер-пресс. - 1996. - № 9. - С. 150 - 154; № 10. - С. 124

20. Кейн Дж. Кодирование с исправлением ошибок в сис-темах цифровой связи. - М.: Радио и связь, 1987.

21. Коротаев Г. А, Методы линейного предсказания // Зарубежная радиоэлектроника. - 1980. - № 10. - С. 49 - 65.

22. Коротаев Г. А. Анализ и синтез речевого сигнала методом линейного предсказания // Зарубежная радиоэлектроника. - 1990. -№3.-С. 31 - 51.

23. Липкин И. А. Основы статистической радиотехники, теории информации и кодирования. - М.: Сов. радио, 1978.

Размещено на Allbest.ru