Космические и наземные системы радиосвязи и сети телерадиовещания

121

подвижной станции в основном аналогичен описанному выше механизму вызова в

режиме UTRA FDD и не нуждается в описании.

1 Кадр = 10 мс

TS0 TS1 TS2 TS3 TS4 TS5 TS6 TS7 TS8 TS9 TS10 TS11 TS12 TS13 TS14

P-CCPCH

Рисунок 7.16. Размещение канала SCH в кадре системы, работающей в режиме TDD при к

= 0 и двух пакетах SCH

Физические восходящий и нисходящий разделяемые каналы (англ. Physical Uplink (Downlink) Shared Channel - PUSCH (PDSCH)) используются для установления и передачи параметров, специфичных для данного абонента, таких, как управление мощностью, временные сдвиги при отправке пакетов и установки направленной антенны.

Применение режима TDD определяет необходимость выполнения жесткого хэндовера. Сеть направляет подвижной станции список соседних базовых станций,

мощность сигналов которых следует измерить. Подвижная станция проводит измерения в свободных временных слотах. В режиме UTRA TDD существуют те же типы хэндовера,

что и в UTRA FDD: TDD-TDD, TDD-FDD, WCDMA- TDD-GSM.

На стадии проектирования системы UTRA TDD необходимо принять во внимание несколько различных видов помех. Их детальный анализ позволяет сделать следующие выводы:

базовые TDD-станции одного оператора должны обеспечивать сохранение синхронизации кадров; также желательна кадровая синхронизация базовых станций разных операторов;

122

распределение асимметричного восходящего и нисходящего трафика в соте не совсем свободно - на практике существует возможность сильной интерференции между направлениями передачи;

динамическое выделение каналов (англ. Dynamic Channel Allocation - DCA) -

является мощным инструментом, дающим возможность избежать помех в TDD-диапазоне.

Другой возможностью является межчастотный или межсистемный хэндовер;

особое внимание должно быть уделено потенциальному взаимовлиянию FDD- и

TDD-систем, особенно использующим нижний диапазон TDD и верхний диапазон восходящего FDD.

Помеховое влияние пользователей друг на друга предполагает применение усложненных структур приемников в базовой и подвижной станциях. В базовых станциях могут использоваться приемники с совместным детектированием сигнала (см. раздел 10).

Это реально возможное решение, учитывая, что количество пользователей, одновременно передающих данные в одном временном слоте, относительно невелико, и вычислительная сложность таких приемников будет приемлемой, особенно при внедрении субоптимальных решений. В подвижных станциях можно использовать однопользовательские приемники с адаптивной компенсацией межсимвольных помех и подавлением помех многостанционного доступа (англ. Multiple Access Interference -

MAI).

Метод TDMA, применяемый в режиме UTRA TDD приводит к серьезным последствиям для сотового покрытия, поскольку прерывистый характер этой передачи способствует уменьшению мощности. Для того чтобы обеспечить покрытие той же области, что в режиме FDD, понадобится больше станций, работающих в режиме TDD.

Поэтому система UMTS в режиме TDD остается дополнением к системе, работающей в режиме FDD, особенно для передачи данных и установления асимметричных соединений.

8. DVB стандарт.

DVB, принятый в Европе, - это набор спецификаций, охватывающий кабельное

DVB-C (cable), спутниковое DVB-S (satellite) и наземное DVB-T (terrestrial) вещание.

Наиболее сложный алгоритм — в DVB-T, поскольку условия работы и требования к передаче при наземном вешании наиболее жесткие. Очень кратко остановимся на наиболее примечательных особенностях DVB [21].

Предварительная обработка пакетов в DVB в принципе аналогична 8-VSB. Хотя механизмы реализации функций различны. На вход кодера поступают транспортные

124

Поскольку в отдельном субканале скорость передачи невелика, перед каждым символом можно ввести защитный интервал временной отрезок до 0.25 , в течение которого транслируется фрагмент уже переданного символа (для сохранения ортогональности несущих). Основное назначение защитных интервалов — борьба с межсимвольными помехами, вызванными в том числе и переотражениями сигналов.

Действительно, поскольку скорость символов мала, переотраженный сигнал в приемнике

«накладывается» на прямо распространяющийся сигнал в интервале одного символа, а не следующего, попадая в защитный интервал.

Независимая (ортогональная) многочастотная передача с защитными интервалами позволяет успешно противостоять как мощным узкополосным помехам, так и переотраженным сигналам, причем методами цифровой обработки. В системе передачи с одной несущей VSB основное средство борьбы с аддитивными помехами — эквалайзер,

однако при полном подавлении несущей сигнал восстановить уже невозможно. При многочастотной передаче «пропадут» только сигналы, попавшие в полосу помехи.

Поскольку сигнал кодирован, информацию можно восстановить по данным из других субканалов.

В DVB в одном канале (при принятой в Европе ширине ТВ-канала 8 МГц) может быть до 8 тыс. несущих (учитывая требования алгоритмов обработки, 8 х 1024 = 8192 или

8К). Реально задействовано 1705 (режим 2К COFDM) или 6817 (режим 8К) несущих.

Каждая несущая модулируется посредством 4-позиционной квадратурной фазовой манипуляции (QPSK) или 16- и 64-позиционной квадратурной амплитудной модуляции

(16- и 64-QAM). Соответственно на каждой несущей один модуляционный символ определяет от 2 до 6 бит.

Напомним, что при квадратурной модуляции выходной сигнал формируется сложением двух смещенных друг относительно друга на 90° гармонических колебаний на одной частоте f синфазного SI(t) = Ascos(wt) и квадратурного Sq(t) = — AQ sin(wt) (w = 2πf).

Их сумма - исходное колебание с фазовым сдвигом на угол φ=arctg(AQ /As):

В соответствии с числом уровней модуляции исходный поток данных разбивается на п субпотоков – по числу битов в модуляционном символе. Для QPSK таких субпотоков два, для 16-QAM — четыре. Демультиплексирование происходит побитно — скажем, при модуляции 64-QAM (п = 6) первый бит попадает в первый субпоток, шестой в шестой,

седьмой — снова в первый и т. д. В DVB в каждом субпотоке биты переставляются по

125

определенному правилу (своему для каждого субпотока) в пределах блока в 126 бит — внутреннее перемежение. Параллельные выходы устройств перемежения формируют модуляционный символ: 2-. 4- или 6-разрядный. На одной несущей OFDM передается один символ, поэтому в режиме 8К одновременно транслируется 48 групп по 126

символов — всего 48 х 126 = 6048 информационных несущих (или 12 групп по 126

символов на 1512 несущих в режиме 2К). Одновременно передаваемые QAM-символы входят в OFDM-символ. Они распределяются по субканалам OFDM не последовательно, а

опять-таки перемежевываются по определенному закону. Поэтому, если OFDM-символ пропадает, его данные можно восстановить, поскольку биты одного кодированного пакета

оказываются распределенными по многим OFDM-символам.

Очевидно, что реализовать метод передачи OFDM «в лоб», т.е. использовать несколько тысяч генераторов модулированных поднесущих, весьма проблематично. А на приемной стороне это и вовсе неразрешимая задача. Однако современные методы цифровой обработки сигнала позволяют существенно упростить ее решение, используя отработанные алгоритмы прямого и обратного быстрого преобразования Фурье (БПФ и

ОБПФ). Как это происходит?

Рассмотрим для примера векторную диаграмму модуляции 16-QAM, принцип которой был подробно рассмотрен в разделе 2.1 и на рисунке 2.2. Каждая точка на ней соответствует четырем битам символа и определяет амплитуды синфазного (абсцисса) и

квадратурного (ордината) колебании. Складываясь, эти колебания задают соответствующий символу сигнал. Если применять математический аппарат комплексных чисел, ось квадратурных амплитуд будет соответствовать оси мнимых чисел (Im). Ось синфазных амплитуд - оси действительных чисел (Re). Тогда любой символ можно представить как комплексное число z = As + iAQ или, по формуле Эйлера, z = Aeiφ. В DVB

используют не сами z, а их значения, нормированные на среднюю амплитуду суммарного колебания при выбранном виде модуляции. Это необходимо для усреднения амплитуд сигналов при различных режимах модуляции (очевидно, что при QPSK нормирующий

множитель c 1/ 2 , тогда как при 16-QAM c 1/ 10 .

Запишем в комплексном виде модулированный символом Ck (t) сигнал на к-й

несущей (без ее переноса в диапазон вещания): Sk (t) Ck (t)ei 2 kt/ . Учитывая, что сигнал изменяется дискретно, т. е. t = пТ, где Т — длительность дискретного интервала; п —

номер отсчета, получим Sk (nT ) Ck (nT )ei 2 knT / . Тогда общий сигнал OFDM-символа

k 0

Математически это аналогично вычислению дискретных значений функции по дискретным значениям амплитуд ( Ck ) ее гармонических составляющих (с частотами k/τ).

Данную процедуру описывает ОПФ:

k 0

где N — число гармонических составляющих, в нашем случае число несущих. Если длительность интервала дискретизации Т выразить как τ/N, выражение (8.1) станет аналогичным ОПФ (8.2). Алгоритмы БПФ, как прямого, так и обратного, достаточно хорошо проработаны, в том числе и с точки зрения их аппаратной реализации. Они наиболее эффективны при N вида 2m. Поэтому в 8K-COFDM число несущих условно принято равным 213 = 8192 – просто не все из них используются. Величина 1/Т = N/ τ —

это так называемая системная тактовая частота, для полосы канала в 8 МГц она равна 64/7

МГц. При переходе к другому частотному плану, например с полосой ТВ-канала 7 или 6

МГц, достаточно изменить системную тактовую частоту, сохраняя неизменной всю структуру обработки сигнала (а вместе с ней — основные функциональные устройства).

Отметим, что системная тактовая частота одинакова в режимах 2К и 8К, т.е. от числа несущих скорость передачи напрямую не зависит, изменяется только надежность.

Таким образом, посредством ОБПФ из входного массива модуляционных символов численно формируется выходной OFDM-символ. Временной интервал его передачи складывается из собственно времени передачи символа τ и защитного интервала длительностью до τ/4, в течение которого «повторно» передается часть символа

(заключено в кавычки, поскольку защитный интервал следует перед информационным).

Отметим, что кроме 6048 (в режиме 8К) информационных субканалов он включает еще пилотные сигналы, а также сведения о параметрах передачи всего 6817 модулированных несущих. Пилотные сигналы - это фиксированные псевдослучайные последовательности с точно известными значениями фаз и амплитуд сигналов. Одна часть пилотных сигналов

— непрерывные — передается на фиксированных несущих в каждом OFDM-символе.

другая — распределенные — случайным образом (но равномерно) в произвольные моменты времени распределяется по спектральному диапазону передачи. Назначение пилотных сигналов - синхронизация и оценка параметров канала передачи.

127

Синтезировать OFDM-символы недостаточно, необходимо еще сформировать радиосигнал в заданной частотной области (с нижней частотой f0). Перенос символа в необходимый диапазон - это его смещение на частоту f0, что в комплексной форме эквивалентно умножению на комплексное (в виде квадратурных слагаемых)

представление несущей f0 . При этом амплитуды перемножаются, а аргументы

складываются. Выделяя действительную (синфазную) и мнимую (квадратурную)

составляющие S(n) и умножая их соответственно на cos(2 f0t) и sin(2 f0t) , после суммирования получим полный сигнал одного OFDM-символа.

Описанные механизмы позволяют очень гибко выбирать необходимый режим

вещания, а также совмещать два потока пакетов MPEG-2 — c высокой и низкой скоростью. Возможную скорость определяют вид модуляции, скорость сверточного кодирования (R), величина защитного интервала TЗ (τ/4, τ/8, τ/16, τ/32). Учитывая, что при

8K-OFDM τ =896 мкс, скорость изменяется в пределах от 4,98 Мбит/с (QPSK, R = 1/2, TЗ =

τ /4) до 31,67 Мбит/с (64-QAM, R = 7/8, TЗ = τ /32).

Мы чрезвычайно схематично рассмотрели принцип передачи сигнала в DVB-T.

Однако сигнал надо еще принять, демультиплексировать и декодировать, что сложнее,

чем синтезировать его в передатчике. Для этого дополнительно к алгоритмам передатчика применяют корреляционные детекторы, декодеры с алгоритмом Витерби и т. д. Причем приемное устройство должно быть компактным и недорогим. Транспортные пакеты

MPEG-2 или MPEG-4 также надо декодировать и сформировать ТВ-сигнал цифровой или аналоговый, в зависимости от типа телевизора. Поэтому ЦТВ-приемник — это достаточно сложный программно-аппаратный комплекс, и только технологические достижения

последних лет позволяют делать его недорогим при массовом выпуске.

В таблице 8.1 приведены основные эксплуатационные параметры DVB-T [21]:

Таблица 8.1 - Основные эксплуатационные параметры DVB-T.

129

осуществляется обычно на деци- и сантиметровых волнах (от сотен мегагерц до десятков гигагерц).

По назначению радиорелейные системы связи делятся на три категории, каждой из которых на территории России выделены свои диапазоны частот:

Местные линии связи от 0,39 ГГц до 40,5 ГГц

Внутризоновые линии от 1,85 ГГц до 15,35 ГГц

Магистральные линии от 3,4 ГГц до 11,7 ГГц

Данное деление связано с влиянием среды распространения на обеспечение надёжности радиорелейной связи. До частоты 12 ГГц атмосферные явления оказывают слабое влияние на качество радиосвязи, на частотах выше 15 ГГц это влияние становится заметным, а выше 40 ГГц определяющим, кроме того, на частотах выше 40 ГГц значительное влияние на качество связи оказывает затухание в атмосфере Земли.

Радиорелейные линии связи основываются на принципах многократной ретрансляции сигнала. Различаются оконечные, промежуточные и узловые станции.

Промежуток между ближайшими станциями называется пролетом (или интервалом) РРЛ. Протяженность пролета зависит прежде всего от расстояния прямой видимости, в среднем, при высотах мачт подвеса антенны до 100 м, протяженность достигает 40 км [22].

Промежуток между оконечной станцией и ближайшей узловой или между узловыми станциями называется секцией РРЛ, а совокупность приемопередающего оборудования образует ствол РРЛ. Различаются однонаправленные стволы и двунаправленные (для дуплексной связи).

В процессе передачи сигналов в прямом и обратном направлениях применяются 2-

частотные и 4-частотные системы.

Рисунок 9.1 – Системы передач а) 2-частотная система; б) 4-частотная система

2-частотная система (рис. 9.1, а) экономична с точки зрения использования полосы частот, выделенной для организации радиорелейной связи, но требует применения антенн

130

с хорошими защитными свойствами от приема и передачи сигналов с боковых и обратных направлений. Широко применяются параболические антенны улучшенного исполнения с дополнительными экранами (воротниками), позволяющими достичь требуемых показателей.

4-частотная система (рис. 9.1, б) допускает применение более простых и дешевых антенн и позволяет улучшить защищенность линии связи от взаимных помех, но используется достаточно редко. Как правило, четырехчастотную систему можно рекомендовать для организации линий связи при очень сложной электромагнитной обстановке.

Для повышения экономической эффективности и пропускной способности радиорелейные системы часто делают многоствольными, в которых на каждой станции работают с различными частотами несколько приемопередатчиков через общие антенно-

фидерные устройства.

С целью увеличения надежности работы линии связи применяются различные способы резервирования. В диапазонах частот выше 7 ГГц в ЦРРЛ наибольшее распространение получают системы резервирования 1 + 1, когда на один рабочий ствол приходится один резервный. В сложных условиях распространения радиоволн, оба ствола могут быть использованы для организации разнесенного приема, существенно улучшающего устойчивость работы системы связи. Зачастую строятся простые одноствольные системы связи без резервирования, учитывая высокую надежность современной аппаратуры.

9.2.Построение пролетов ЦРРЛ

Радиоволны в РРЛ распространяются вблизи поверхности Земли, поэтому при

расчете множителя ослабления на пролетах РРЛ необходимо учитывать совместное влияние тропосферы и земной поверхности. Влияние тропосферы заключается в

рефракции радиоволн, их отражении от слоистых образований и поглощении в дождях.

Близость земной поверхности служит причиной отражения радиоволн от земной поверхности, их дифракции. При этом характер влияния земной поверхности зависит от ее электрических параметров, от расположения передающей и приемной антенн, а также от рельефа местности.

Отражение радиоволн на границе атмосфера — земная поверхность возникает из-за различия диэлектрической проницаемости и удельной проводимости двух сред. При