flesh / Книга / 11_g

Глава 11. Основы статистической радиотехники и теории связи

женных на шести орбитальных плоскостяхпо11 штук вкаждой. Высота орбит 780 км. Спутники перемещаются, сменяя друг друга. В поле зрения каждого спутника находится еще четыре – до и после него на орбите в одной с ним плоскости, а также по одному справа и слева. Это позволяет организовать межспутниковую связь. Числолучей 48, а число каналов на космическом аппарате – 2500.

Всистемувходят25 станций сопряжения(СС), расположенных на Земле, с помощью которых осуществляется связь с сетями общего пользования. Крометого, есть станции управления КС. Схема системы с межспутниковыми связями приведена на рис. 11.21.

Связь с сетью общего пользования

Сеть общего пользования

Рис. 11.21. Система с межспутниковыми связями

Развитие спутниковой связи идет по пути поиска новых технических решений для реализации широкополосных и мультимедийных услуг связи. Будут развиваться корпоративные сети, высокоскоростные сети массового доступа к Интернету. Планируется исполь-

51

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

зовать новые частотные диапазоны Ка и КИ. Предполагается достичь скорость передачи данных до 16 Гбит/с. Продолжится развитие интегрированных систем связи, их глобализация.

11.2.6. Сотовые системы подвижной связи

Доступныебольшомучислуабонентовсистемыподвижнойсвязи развиваются крайне интенсивно, начиная с конца XX столетия. Первым существенным шагом в их развитии явилось создание транкинговых систем (trunk (англ.) – магистраль, ствол). Их особенностью является наличие общедоступного пучка каналов. В отличие от их предшественников, в которых радиоканал закреплялся за небольшой группой абонентов, переход на систему, у которой каждый абонент получает любой свободный канал, пропускная способность повысилась почти на порядок (рис. 11.22).

Рис. 11.22. Системы подвижной связи:

а – с закрепленным каналом; б – транкинговая

Попринципутранкинговой связи быласоздана в 60-хгодахпро- шлого столетия отечественная система «Алтай». За рубежом принцип транкинговыхсетейиспользуетсядлявнутрикорпоративныхсетейсвязи. При проектировании предполагается работа передатчика с высоко поднятой антенной, что обеспечивает обслуживание территории площадью до 10 000 км2. Создается несколько десятков радиоканалов.

Однако при использовании транкинговых систем в густонаселенных районах их эффективность недостаточна. Дальнейшее нара-

52

Глава 11. Основы статистической радиотехники и теории связи

щивание числа каналов ограничивается возможностями получения частотного ресурса. Для обслуживания 10 000 абонентов потребуется две полосы по 6,25 МГц каждая.

Намного эффективнее использование в городах сетей подвижной связи, в архитектуру которых заложен сотовый принцип. Особенностью его является замена сравнительно мощного передатчика большим количеством маломощных, обслуживающих небольшие зоны – радиусом в 1 – 2 километра в городах. Для предотвращения взаимных помех между зонами с одинаковыми частотами необходимо вводить буферные зоны с другими частотами. Группа зон, их называют ячейками, находящаяся вобщем обслуживаемом связью пространстве, имеющая различные частоты и образующая их полный набор, составляет кластер. Например, в ячейке используется 10 разных частот, а при размерности кластера n = 7 для обслуживания неограниченной поразмерутерритории требуется 70 частот, причем при росте территории количество частот не меняется.

Вкачествепримера на рис. 11.23 приведена сотовая структура с кластером n=7. Каждаяиз ячеекимеет своюбазовую станцию, мощности которой достаточно для обслуживания ячейки радиусом R. Имеется центр коммутации, решающий задачи управления системой и обеспечения подключения к другим сетям общего пользования. Уровень взаимных помех определяется как величиной R, так и защитным интервалом D.

Рис. 11.23. Архитектура сотовой системы подвижной связи

53

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

Идеи сотовой связи плодотворны со многих точек зрения. В период формирования сети связи возможноформированиесравнительно небольшого числа больших ячеек. По мере роста числа абонентов возможности системы исчерпываются и производится ее трансформация – большие ячейки расщепляются на более мелкие. Оборудование не заменяется, а наращивается, причем в развитие системы инвестируются средства, получаемые при эксплуатации системы. Расщеплениеячеек производится втех местах зоны обслуживания, где вероятность отсутствия свободного канала превышает порог в 5 %. Размеры ячеек, в результате, различны по обслуживаемой территории – в местах с большой потребностью в связи они малы, а на периферии, где потребность много меньше, соответствуют по размерам достаточности с позиции надежности связи. Система сотовой связи должна обеспечивать надежной связью объект, перемещающийся из ячейки в ячейку, т.е. «эстафетную передачу» абонента.

Системысотовой связи ведут своеначалос1980 гг. – этопервое поколение 1G. Предполагалось создание национальных систем, использовавших для передачи речи аналоговую частотную модуляцию и внутриполоснуюсигнализациювслужебныхканалах, осуществляющих управление системой. За национальные рамки вышла только система NMT-450, охватившая четыре страны: Данию, Финляндию, Норвегию и Швецию.

Второепоколение– 2G создавалось с учетом наличия международного роуминга.

Абоненты, находясь вне своей страны, должны были обслуживатьсявстранепребывания, используясвои терминалы. Услуги обеспечиваютчетырестандарта:паневропейский GSM(GSM-900и GSM1800), два североамериканских: по стандарту TIAIS-54 и CDMAпо стандарту TIA IS-95 и японский JDC. Системы второго поколения строилисьсиспользованиемпередовыхтехнологий какцифровыесистемы с программным управлением. Они совместимы с цифровыми телефонными сетями общего пользования с интеграцией служб

54

Глава 11. Основы статистической радиотехники и теории связи

(ISDN) и наличием дополнительных возможностей: защита информации, слежение за положением подвижного объекта, «эстафетная передача» и т. д.

Всистемах второгопоколения большой выбор дополнительных услуг. Этопередача данныхвихисходном формате, факсимиле, телетекст и т.п. Имеется большой набор режимов передачи – коммутация пакетов или каналов, синхронный или асинхронный, сквозной цифровой или сиспользованием телефонныхмодемов. Используютсякороткие сообщения, являющиеся разновидностью службы персонального вызова (пейджинга).

ВРоссии в соответствии с принятой концепцией развития систем подвижной связи до 2010 г. основным федеральным стандартом является цифровой стандарт GSM. Однако на первом этапе развивались и аналоговые сети федерального значения на основе стандарта NMT-450. Это было целесообразно на время перевода телефонной связи на цифровые методы. Региональные сотовые сети использовали, кроме того, оборудование американских стандартовAMPS (аналогового) и IS-54 (D-AMPS, цифрового) в выделенном диапазоне 800 МГц. Наличие на рынке услуг связи несовместимых систем (автомобильных, пейджинговых, локальных (бытовых, офисных и т.д.)) стимулировало требование создания универсальной системы подвижной связи (UMTS) третьего поколения – 3G.

Сочетание терминальной и персональной мобильности обеспечивается небольшим телефонным аппаратом, позволяющим абоненту не терять связь при движении (терминальная мобильность) и иметь доступ с использованиемлюбоготерминала к любой сети связи на основе своего неизменного номера (персональная мобильность). Сети системы третьего поколения изображены на рис. 11.24.

Условный радиус элементов-ячеек: пикоячейка – 100 м; микроячейка – 1 км; макроячейка – до 30 км; гиперячейка – тысячи километров. Самое главное, что абонент должен воспринимать систему как единое целое: где, когда и с кем угодно.

55

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

Гиперячейки

Пикоячейки

Микроячейки

Микроячейки

Рис. 11.24. Сеть подвижной связи третьего поколения

Функционирование сотовых систем связи

Пространственное деление территории, обслуживаемой системой сотовой связи, можно осуществить двумя способами: первый предполагает, что проводится деление на одинаковые по размерам и форме ячейки с учетом теории распространения электромагнитных колебаний; во втором за основу берется расчет и измерение параметровраспространения радиоволн для конкретногорайона сучетом рельефа местности, исходя из требований хорошего качества приема сигналовабонентами.

Основа сотовой связи – многократное использование одинаковых частот в нескольких сотах. На первом этапе использовались антенны базовых станций с круговой диаграммой направленности. Базовые станции с неповторяющимся набором частот образуют группу из n станций – кластер. Каждой базовой станции выделен набор ка-

56

Глава 11. Основы статистической радиотехники и теории связи

налов m с шириной полосы каждого Fk. Полоса частот, занимаемая системой сотовой связи, равна Fc= Fkmn. Количество сот, входящих в кластер, определяет необходимое число каналов, неизменяемое по мере роста всей системы, наращивание которой идет уже путем увеличения числа кластеров. Именно возможность увеличивать число кластеровименятьразмерысотыопределяетгибкостьсистемы. Дальнейшее уменьшение уровня взаимных помех можно обеспечить применением направленных секторных антенн, например на одну соту три антенны с шириной диаграммы направленности по 120°.

Каждая сота обслуживается многоканальным приемопередатчиком – базовой станцией (БС), которая осуществляет связь между абонентским телефоном и центром коммутации подвижной связи (ЦКПС). Базовая станция, обладая выделенным числом каналов, использует один в качестве управляющего. По нему осуществляют вызов и соединение подвижного абонента. Затем находится свободный канал и происходит переключение абонента на разговорный канал. Базовые станции соединяют с ЦКПС с помощью проводных или радиорелейных каналов связи. Функции ЦКПС достаточно обширны. Это постоянноеслежение за подвижными станциями, их эстафетная передача при перемещении из соты в соту, обеспечение выделения ему свободного канала и контроль качества связи, обеспечение связи подвижного абонента с абонентами стационарной телефонной сети и т.п.

Общая идея сотовой связи определила близость алгоритмов функционирования различных стандартов сотовой связи. Абонент решает только одну задачу – использует телефон для связи и это не зависит от стандарта. При нахождении телефона в режиме «Ожидание»он находитсяврежиме«Связь»поуправляющемуканалу. Получивсигналвызова, телефон отвечаетпоканалууправления, а базовыестанции,получившиеответ,сообщаютпараметрыответавЦКПС, где происходит выбор базовой станции, имеющий максимальный уровень сигнала от вызываемого абонента. Осуществляя вызов – набор номера, телефон занимает свободный канал у той базовой станции, у которой наибольший уровень сигнала. При перемещении от

57

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

одной станции к другой происходит изменение приоритета по выбору базовой станции – у одной уменьшается, у другой растет уровень сигнала. Центр коммутации осуществляет переключение на новую базовую станцию. Эта процедура называется эстафетной передачей. Решение этой задачи требует измерения уровня сигнала абонента и вхождение через ЦКПС в режим поиска БС с лучшим уровнем. Момент эстафетной передачи незаметен абоненту.

Важной услугой системы сотовой подвижной связи является обеспечение связью при перемещении абонента на большие расстояния. Этодоступное при использовании роуминга. Для получения такой услуги необходимо, чтобы сети были одного стандарта – например GSM, центры коммутации объединялись в глобальную сеть и имелся номер абонента, воспринимаемый как его признак в любом месте глобальной сети. Поддержание роуминга обеспечивается системой взаиморасчетов между различными операторами связи.

Радиоканалы в системах подвижной связи имеют ряд особенностей, связанныхс движениемабонента. Многолучевой прием приводит к частотно-временным изменениям передаточной функции канала и проявляется в видебыстрыхфлуктуаций параметров сигнала. Вследствие изменения положения абонента флуктуирует начальная фаза сигнала, а доплеровский сдвигчастоты, вызванный движением, приводит к случайной частотной модуляции сигнала. Наличие многих, разных по времени прихода к абоненту переотраженных сигналов проявляется в виде гладких флуктуаций амплитуды сигнала.

Глубокие замирания амплитуды приводят к скачкам фазы сиг- налаикакследствие–всплескамчастоты.Принимаемыйсигналфлук- туирует по фазе, имеет случайную частотную модуляцию и глубокие замиранияамплитуды.

Средняявеличиназадержкивгородскихусловияхравна1,5мкс, а в менее заселенных районах 6,5 мкс. Уменьшение числа лучей на открытой местности приводит к экстремальным величинам – порядка 30 мкс. Влияние задержки на цифровой канал можно оценить отношением зависимости средней вероятности ошибочного приема символа от величины размаха задержки к длительности посылки.

58

Глава 11. Основы статистической радиотехники и теории связи

Методомповышениякачества сигнала являетсяадаптивный эквалайзер и разнесенный прием.

Кромебыстрых, имеют местои медленныефлуктуации, причиной которых является воздействие рельефа на затененность трассы. Оба вида флуктуаций (и быстрые, и медленные), являются функциями от скорости перемещения абонента. Удалениеот базовой станции уменьшает уровень сигнала в точке приема. Есть и другие причины, приводящие к медленному изменению параметров сигнала.

Еслибыстрыефлуктуации носятинтерференционный характер, то медленные в основном связаны с явлением дифракции. Так как быстрые флуктуации проявляются при небольших перемещениях, в условиях города диаметр локальной зоны составляет величину порядка 20 м (при f0 = 800 МГц). Медленные флуктуации проявляются при движении по среднепересеченной местности и размер глобальной зоны равен (500 – 2000) м. Исходя из модели локальной и глобальной зон можнопредставить характерфлуктуаций сигнала в виде медленных флуктуаций, на которые наложились быстрые флуктуа-

ции (рис. 11.25).

Рис. 11.25. Флуктуации амплитуды сигнала:

1 – быстрые флуктуации амплитуды; 2 – медленные флуктуации локального среднего Uл относительно величины Uг – глобального среднего значения

Крометого, в радиоканалахподвижной связи учитываются шумовые, атмосферные, космические, промышленные и другие помехи. Особо следует обратить внимание на помехи от других систем, так как их статистические характеристики зачастую близки к нашему полезному сигналу. Внутрисистемные помехи анализируют, ис-

59

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

ходя из допустимой вероятности нарушения связи, и в конечном счете определяют методы защиты.

Приосуществлении проектированияпространственной конфигурации системы подвижной связи необходим учет потерь энергии радиоволн при распространении. Для этогопроводится энергетичес-

В– параметры тракта приема и обработки сигналов. Предполагая Q заданным, определяем требуемый уровень Pпрм.

Вразвернутом виде уравнение (11.23) имеет вид:

где прд прм – кпд СВЧ-трактов передатчика и приемника;

Gпрд, Gпрм – коэффициент усиления антенны передатчика и приемника;

п – коэффициент согласования антенны с сигналом по поляризации;

с – коэффициент согласования антенны с приемником; W – затухание сигнала на трассе.

Если перейти к заданию мощности сигнала в децибелах относительноватта, тоуравнение(11.25) можнопереписать (для упрощения записи заменим дБ/ВТ *):

Pпрм* = Pпрд* + прд* + Gпрд* + п* + прм* + Gпрм* + с* – W *. (11.26)

При распространении радиоволн в свободном пространстве:

Pпрм = Pпрд ( /4рd)2 Gпрд Gпрм , (11.26)

где – длина волны; d – длина трассы.

При прохождении сигнала над поверхностью Земли необходимо учитывать как прямую, так и отраженную волны. Коэффициент отра- женияволнызависитотдвухосновныхфакторов–углападенияивида

60