книги / Основы построения телекоммуникационных систем и сетей

6.4.Сотовые системы мобильной связи

сиспользованием стратосферных платформ и летно-подъемных средств

Системы связи и передачи телевизионных программ с исполь­ зованием ретрансляторов, устанавливаемых на воздушных лета­ тельных аппаратах, давно разрабатываются во многих странах. В качестве летательных аппаратов рассматриваются беспривязные аэростаты, дирижабли, а также беспилотные самолеты. Такие ле­ тательные аппараты располагаются на высотах порядка 20 км, вы­ ше коридоров трасс воздушных судов и поэтому называются стра­ тосферными.

Преимуществом систем связи и телевидения с использовани­ ем стратосферных платформ является большая зона обслуживания стратосферного ретранслятора, которая при высоте платформы 20 км может иметь диаметр до 600-800 км.

Для стратосферных систем связи необходимо выделение сво­ их частотных полос. В настоящее время для региона № 1 (Европа плюс Россия) для стратосферных систем мобильной и фиксиро­ ванной связи выделены следующие полосы частот: 1885—1980; 2010-2025; 2110-2170 МГц. Для фиксированной и мобильной связи выделены также полосы частот: 37,5-40,5; 47,2—50,2 ГГц.

Поскольку зона обслуживания стратосферного ретранслятора может быть большой, то необходимо обеспечить очень высокую его пропускную способность. В диапазоне частот 2 ГГц выделен­ ная полоса частот невелика, в связи с чем зону обслуживания стра­ тосферного ретранслятора целесообразно разбить на большое чис­ ло сот с повторным использованием частотных полос в несмежных сотах. Для формирования сот в зоне обслуживания стратосферного ретранслятора необходимо использовать на ретрансляторе много­ лучевую приемопередающую антенну для абонентских радио­ линий.

Конфигурация стратосферной системы связи показана на рис. 6.18. В центре зоны обслуживания находится базовая стацио­ нарная станция, которая соединена с наземной сетью связи общего пользования. Базовая станция и стратосферный ретранслятор свя­ заны между собой высокоскоростной фидерной радиолинией. М о­ бильные и стационарные терминалы используют диапазон частот 2 ГГц, фидерная радиолиния —диапазон частот 40/50 ГГц.

Для стационарных терминалов может быть обеспечена прямая геометрическая видимость стратосферного ретранслятора для лю ­ бых углов места. Для мобильных терминалов с всенаправленной в верхней полусфере антенной условия связи являются наиболее сложными, особенно в городе, когда большую часть времени от­ сутствует прямая геометрическая видимость между мобильным

Рис. 6.18. Конфигурация стратосферной системы связи

терминалом и стратосферной платформой из-за экранирования радиосигнала зданиями, и связь с мобильным терминалом должна осуществляться за счет рассеянного радиосигнала как в типовой наземной сотовой сети связи.

Рассмотрим геометрию распространения радиосигнала, пред­ ставленную на рис. 6.19. Расстояние между терминалом и страто­ сферной платформой____________________

/ = yjiRj + Н )2 - (R з cos а ) 2 - R3 sin а ,

где = 6371 км - средний радиус Земли; Н —высота стратосфер­ ной платформы относительно поверхности Земли; а —угол места терминала, под которым он видит стратосферную платформу.

Рис. 6.19. Геометрия распространения радиосигнала

в стратосферной линии связи

Диаметр зоны обслуживания d30Hbl определяется выбираемым допустимым минимальным углом места а = а мин работы термина­ лов в системе:

Зависимость диаметра зоны обслуживания от угла места а мин для высоты стратосферной платформы # = 2 0 км показана на рис. 6.20. Из рисунка следует, что для реализации преимуществ стратосферной системы связи с большой зоной обслуживания не­ обходимо обеспечивать работу абонентских радиолиний при ма­ лых углах места.

Далее будем рассматривать только системы мобильной связи. Определим потери радиосигнала между изотропными передающей и приемной антеннами Ьв на трассе распространения радиосигнала "стратосферный ретранслятор - мобильный терминал". Трассу распространения радиосигнала длиной / разобьем на два участка: участок распространения сигнала в свободном пространстве и уча­ сток распространения сигнала в некоторой гипотетической назем­ ной сотовой системе связи между некоторой гипотетической базо­ вой станцией с высотой антенны базовой станции йБ и термина­ лом, находящимся на расстоянии г от этой базовой станции (см. рис. 6.19):

г = ЛБ/ tga.

Воспользуемся моделью распространения радиосигналов Окумуры, полагая, что мобильные терминалы находятся в городе. Мо­ дель Окумуры для условий типичного города справедлива для вы­ сот антенн базовых станций до 200 м и частот до 1,5 ГГц. Выберем

базовая станция в этих же условиях создавала точно такую же плотность потока мощности у терминала. В этом случае мощность излучения Р п гипотетической базовой станции с изотропной ан­ тенной определяется из уравнения

У 4nl2 4п(г/cosа) 2 *

Отсюда потери сигнала в свободном пространстве между стратосферной станцией и гипотетической базовой станцией

Ьво =К /Рп = [(/ cos a )/r]2 = 201g / - 201g г + 201g cos а , дБ

Общие потери сигнала при его распространении между страто­ сферной станцией и мобильным терминалом L B = L B 0 + L B cгдеm , LBcaT- потери сигнала в сотовой сети связи при его распространении между гипотетической базовой станцией и мобильным терминалом, вычисляемые по модели Окумуры для медианного значения сигнала при высоте антенны базовой станции йБ и дальности связи г.

Графически это выражение представлено на рис. 6.21. Полу­ ченные на рис. 6.20 и 6.21 кривые достаточны для определения зоны обслуживания стратосферного ретранслятора, энергетики або­ нентских радиолиний и их пропускной способности в страто­ сферной системе связи. Параметры медленных и быстрых замира­ ний сигнала, разброс времени запаздывания лучей и доплеровское рассеяние сигнала определяются участком распространения радио­ сигнала в городе. Эти параметры идентичны соответствующим па­ раметрам городской сотовой системы связи.

6 .5 . П о в ы ш е н и е д а л ь н о с т и с в я з и и п р о п у с к н о й с п о с о б н о с т и м у л ь т и м е д и й н ы х н а з е м н ы х с и с т е м с о т о в о й с в я з и з а с ч е т и с п о л ь з о в а н и я

м н о г о л у ч е в о й а н т е н н ы б а з о в о й с т а н ц и и

Переход от сотовых наземных систем связи второго поколения со скоростями передачи информации в одном канале 8—9,6 кбит/с (цифровая телефония и низкоскоростная передача данных) к системам связи третьего и более высоких поколений со скоростями передачи информации в одном канале 144 кбит/с, 384 кбит/с, 2,048 Мбит/с, 8 Мбит/с и др. требует пересмотра системных решений при создании перспективных сотовых мультимедийных телекоммуникационных систем с мобильными и персональными терминалами.

Например, сохранение в диапазоне частот 2 ГГц на мобиль­ ном и персональном терминале всенаправленной (штыревой) ан­ тенны и излучаемой малой мощности (по соображениям биологи­ ческой безопасности) при использовании стандартной антенны базовой станции требует для организации высокоскоростных мультимедийных каналов связи либо значительного уменьшения размера соты (уменьшения дальности связи) по сравнению с суще­ ствующими сотами систем связи второго поколения, либо значи­ тельного увеличения эффективной площади приемной антенны и ЭИИМ базовой станции для сохранения больших размеров соты. Последнее автоматически приводит к необходимости создания антенны базовой станции с узкими лучами, направленными на мо­ бильные и персональные терминалы.

Для многих специальных мобильных систем, таких как связь аэродромной станции с самолетами, береговой станции с морски­ ми судами, связь между морскими судами и др., уменьшение даль­ ности связи (размера соты) просто неприемлемо. Для транкинго­ вых систем связи, сотовых систем связи в малых городах, приго­ родах и др. замена одной большой соты совокупностью большого числа сот малого диаметра является экономически неоправданной.

Таким образом, создание высокоскоростных мультимедийных телекоммуникационных систем мобильной и персональной связи с

сотами максимального диаметра в выделенном для мобильной связи дециметровом диапазоне частот и более высоких частотах требует создания базовых станций с многолучевой антенной с уз­ кими лучами. В качестве такой антенны может выступать адап­ тивная цифровая антенная решетка (ЦАР) с цифровым методом диаграммообразования и наведения индивидуального узкого луча на мобильный (персональный) терминал на время сеанса связи или передачи (приема) пакета информации. Создание базовой станции с крупноапертурной многолучевой ЦАР является новым перспек­ тивным направлением создания высокоскоростных мультимедий­ ных сотовых телекоммуникационных систем коммерческого и специального применения.

По сравнению с сотовыми системами связи с традиционными всенаправленными в горизонтальной плоскости (или секторными) антеннами базовых станций в сотовой системе связи с многолуче­ вой антенной базовой станции с узкими лучами необходимо ре­ шить две принципиально новые проблемы: 1) заново провести анализ пропускной способности системы связи и выбор метода многостанционного доступа; 2) выбрать минимальную ширину узкого луча многолучевой антенны базовой станции.

6.5.1. Повышение пропускной способности сотовой системы связи

Наличие узких лучей многолучевой антенны базовой станции позволяет разделять мобильные и персональные терминалы по пространству и в разных лучах повторять выделенные полосы час­ тот радиочастотного спектра, что дает возможность увеличить возможное число каналов связи в соте при ограниченной полосе частот, выделенной для этой соты.

В качестве примера рассмотрим одну изолированную соту и кодовое разделение каналов в соте. Пусть ширина диаграммы на­ правленности узкого луча антенны базовой станции в горизонталь­ ной плоскости есть 0О. Коэффициент усиления антенны базовой станции в узком луче в горизонтальной плоскости есть Gr » ЗбО/0о, где 0Оизмеряется в градусах. Рассмотрим вначале случай, когда вся угловая зона обслуживания базовой станции 360° разбивается на т = 36О/0о примыкающих друг к другу неподвижных лучей много­ лучевой антенны базовой станции. Пусть число каналов связи в

базовой станции и асинхронную работу терминалов на передачу с многостанционным доступом с кодовым разделением каналов.

При МДКР излучаемые мощности терминалов регулируются таким образом, чтобы в месте нахождения базовой станции плот­

ности потока мощности от терминалов были одинаковыми при одинаковых скоростях передачи информации. Обозначим мощ­ ность сигнала от одного терминала на выходе всенаправленной в горизонтальной плоскости приемной антенны базовой станции через Рс. Для некоторого одного терминала сигналы от других терминалов при МДКР будут представлять помеху с общей мощ­ ностью (и - 1)/с на выходе всенаправленной в горизонтальной плоскости приемной антенны базовой станции.

Рассмотрим теперь приемную антенну базовой станции с уз­ ким лучом, в котором находится интересующий нас терминал. Примем, что все остальные п - 1 мешающие терминалы равнове­ роятно распределены по угловым координатам в зоне обслужива­ ния базовой станции 360°, так что основная часть мешающих тер­ миналов будет действовать по боковым лепесткам остронаправ­ ленной приемной антенны, а некоторое число мешающих терминалов будет действовать в пределах основного лепестка диа­ граммы направленности антенны. При л » т на основании теоре­ мы взаимности приемной и передающей антенн можно утверждать (строго при п —>°о), что мощность мешающих сигналов на выходе любой антенны, в том числе на выходе остронаправленной антен­ ны, будет равна (и - l)/^-

М ощность полезного сигнала на выходе остронаправленной приемной антенны равна GrPc. Отношение энергии бита переда­ ваемой информации к спектральной плотности помех на выходе остронаправленной антенны базовой станции будет

Л2 = GrB/n.

Отсюда число каналов в соте при МДКР

п < GrB/h2,

где G, « 360/00-

Помехи, попадающие во временной интервал, в котором на­ ходится полезный сигнал, могут привести к долговременным пре­ рываниям канала связи. Для мобильной связи вероятность долго­ временных прерываний не должна превышать величины 0,01—0,05. При узких лучах антенны базовой станции величина 0о/36О имеет порядок величины 0,01, так что вероятность попадания двух ме­ шающих станций в рабочий временной интервал будет заведомо меньше допустимой вероятности появления долговременных пре­ рываний канала связи. В связи с этим выбираемая база псевдошумового сигнала должна быть такой, чтобы обеспечить надежную передачу информации при попадании в рабочий временной интер­ вал только одной мешающей станции.

Для этого случая необходимая минимальная база псевдошумового сигнала равна 4 и занимаемая полоса частот в соте Д/’^ 5 /г гр« 4 /?гр. При этом общая пропускная способность соты при т узких лучах будет равна тЯф при использовании той же выде­ ленной для соты полосы частот А / = 4/?^.

6.5.2. Потери в усилении антенны базовой станции и минимальная ширина диаграммы направленности антенны базовой станции

При отражении радиосигнала от ребер и элементов конструк­ ций зданий в городе отраженный сигнал имеет наибольшую ам­ плитуду, когда разность углов между падающей и отраженной волнами минимальна. Поэтому в среднем существенные отража­ тели должны находиться в пределах достаточно узкого сектора с некоторым углом раствора в горизонтальной плоскости 0уг. При максимальной дальности связи (когда по соображениям энергети­ ки необходима минимальная ширина луча антенны базовой стан­ ции) имеют значения только отражатели в конце трассы распро­ странения сигнала, которые показаны кружочками на рис. 6.22. Угловые положения промежуточных отражателей роли не играют.

Угловой раствор существенных отражателей в конце трассы распространения будем оценивать для максимальных расстояний между базовой станцией и мобильными терминалами. При разбро­ се задержек между запаздывающими лучами Дт угловая зона су­ щественных отражателей может быть оценена как