• 16 Характеристики радиоканала в сотовых системах мобильной радиосвязи Быстрые замирания, всегда имеющие место наряду с эффектами затухания сигнала при распространении и медленными замираниями.

• Происходят вследствие изменений значений (i=1,…,N) моментов поступления сигналов в каждом k-ом луче приема. При этом даже небольшие изменения этих значений в условиях рассеяния энергии сигналов основных лучей в локальной зоне приема радиусом десятки метров (влияние стен зданий, деревьев, автомобилей, рекламных щитов и т.п.) приводят к быстрым изменениям огибающей суммарного сигнала.

• Глубина таких замираний может достигать 20…30 дБ. Распределение мгновенных значений огибающей быстро замирающего сигнала в случае отсутствия «прямого» луча распространения (т.е. при отсутствии прямой радиовидимости), может быть описана законом Релея

• При наличии «прямого» луча распределение огибающей описывается законом Релея-Райса:

17 Характеристики радиоканала в сотовых системах мобильной радиосвязи Помехи

• Кроме рассмотренных выше явлений в радиоканале, представляющих собой мультипликативные помехи, мешающее воздействие на прием полезного сигнала оказывают также аддитивные помехи: собственные шумы приемных устройств БС и МС, внутрисистемные помехи от соседних активных радиоканалов, а также внешние (внесистемные) помехи от различных радиоэлектронные систем.

• В сотовых системах мобильной связи с дуплексным разделением прямого и обратного каналов связи частоты приема МС и БС находятся в разных поддиапазонах. Поэтому источники внесистемных и внутрисистемных помех при приеме на МС и БС оказываются различными. Так, внутрисистемные помехи приему на МС создаются сетью БС, в то время как приему на БС – абонентской сетью.

• В любом случае при приеме сигналов приходится иметь дело с суммарным воздействием помех различного происхождения.

18 Характеристики радиоканала в сотовых системах мобильной радиосвязи

• Затухание сигнала на трассе распространения, а также эффекты медленных и быстрых замираний в совокупности с влиянием аддитивных помех определяют требуемые энергетические соотношения в радиоканалах мобильной связи как в прямом (от БС к МС), так и в обратном (от МС к БС) направлениях связи. Для того, чтобы вероятность ошибок при приеме информации находилась в заданных пределах, при энергетическом расчете радиолинии необходимо вводить запас по мощности с учетом возможностей систем помехоустойчивого кодирования и автоматической регулировки мощности передатчиков МС и БС. С другой стороны, при этом необходимо минимизировать помехи, создаваемые другим абонентам сети, а также не допустить излишне высокого энергопотребления МС.

• При решении этой задачи можно считать, что основной вклад в суммарную среднюю мощность аддитивной помехи вносят системные составляющие. В частности, при существенном уровне собственных шумов приемных устройств, сравнимом с уровнем внутрисистемной помехи, всегда можно увеличить абонентскую емкость системы путем увеличения средней мощности МС.

• Втаком случае статистические свойства аддитивной помехи в значительной мере подобны статистическим свойствам полезного сигнала, т.е. одномерное распределение мгновенных значений огибающей процесса, описывающего аддитивную помеху, можно также описать логарифмически нормальным законом вида

• где и являются соответственно математическим ожиданием и дисперсией нормально распределенной величины

• Необходимый запас по мощности полезного сигнала может быть определен, исходя из условия обеспечения требуемых значений отношения сигнала к помехе (не менее заданного значения) с заданной вероятностью. Случайная величина , выраженная в децибелах, имеет вид:

Тогда, полагая случайные процессы, описывающие полезный сигнал и аддитивную помеху, статистически независимыми, получаем распределение величины

• Кроме рассмотренных выше одномерных распределений мгновенных значений огибающей принимаемого сигнала важными являются также корреляционные характеристики рассматриваемых процессов, описывающие скорость изменения этих значений. В частности, интервал корреляции медленных замираний по времени при скорости перемещения МС около 60 км/час может быть оценен величиной порядка 1 с. Поскольку период следования передаваемых информационных символов (длительность информационной посылки) в современных системах мобильной связи много меньше этой величины, то, например, в случае однолучевого канала замирания могут оказаться гладкими, когда сигнал передается практически без искажений.

• Однако на практике, с учетом рассмотренных выше эффектов при многолучевом распространении, происходят искажения формы передаваемых сигналов вследствие того, что имеют место частотно-селективные замирания, когда различные частотные составляющие спектра сигналов замирают по-разному. Такие искажения возникают, когда ширина полосы передаваемых сигналов превышает допустимую величину , соответствующую допустимому значению коэффициента корреляции амплитудных значений частотных составляющих спектра сигнала, разнесенных на величину .Интервал частотной когерентности канала

• Другим проявлением тех же явлений, связанных с эффектами многолучевого распространения сигналов, являются искажения, вызванные селективными замираниями сигналов во времени. Проявления таких искажений становятся ощутимыми в случае, когда длительность информационной посылки превышает допустимую величину , соответствующую допустимому значению коэффициента корреляции значений огибающей сигнала, разнесенных на интервал времени . Величина называется интервал временной когерентности радиоканала.

• Одним из характерных видов искажений полезного сигнала при определенных условиях является межсимвольная интерференция (МСИ) (Intersymbol Interference, ISI), проявляющаяся в том, что в результате многолучевого распространения максимальный временной сдвиг сигналов в различных лучах оказывается равным или превышает длительность информационной посылки. При этом сигналы, соответствующие соседним информационным символам, могут полностью перекрывать друг друга, приводя к существенным искажениям формы принимаемого сигнала.

• Эффект МСИ может иметь место также и в случае, когда при формировании сигнала с целью повышения удельной скорости передачи информации (измеряемой в единицах бит/с на 1Гц полосы занимаемых частот) происходит сужение полосы частот сигнала с помощью специальных полосовых фильтров, длительность импульсного отклика которых превышает длительность периода передачи информационных символов.

• Простейшим методом борьбы с МСИ является введение пауз между передаваемыми соседними сигналами, называемых защитными интервалами (guard intervals). К сожалению, прямое использование такого метода приводит к обратному эффекту, а именно к снижению скорости передачи.

• С другой стороны, в ряде случае спектральную эффективность повышают путем создания так называемой управляемой МСИ, когда уже при формировании сигнала его длительность выбирается большей длительности канального символа. В этом случае путем соответствующего выбора форм сигналов оказывается возможным существенно ослабить влияние МСИ при приеме.

• Уменьшение уровня сигнала, связанное с затуханием электромагнитных волн при распространении в условиях прямой видимости, может быть компенсировано прямым увеличением мощности излучаемого сигнала. В то же время компенсация энергетических потерь вследствие замираний и искажений, вызванных эффектами многолучевого распространения, требует иных технических решений. Одним из применяемых в настоящее время способов такой компенсации является разнесенный прием (Diversity Reception).

• Основные типы разнесенного приема следующие:

• пространственное (Space Diversity);

• частотное (Frequency Diversity);

• временное (Time Diversity);

• многолучевое (Path Diversity);

• поляризационное (Polarization Diversity

• Пространственное разнесение осуществляется путем соответствующей обработки сигналов, принимаемых не менее, чем двумя разнесенными в пространстве антеннами. При этом расстояние между антеннами должно быть не менее половины длины волны принимаемых колебаний для обеспечения некоррелированности замираний сигнала в различных ветвях разнесения. Такой метод приема реализуется обычно на базовых станциях и относится к методам разнесения при приеме (Receiver Diversity). В то же время идея пространственного разнесения может быть реализована и по методу разнесения при передаче (Transmitter Diversity), когда одна БС излучает сигнал одновременно через две разнесенные в пространстве антенны.

• При пространственном разнесении обработка сигналов производится одним из трех методов:

• автовыбор сигнала с наибольшим значением отношения сигнал/шум (Selection Combining);

• оптимальное весовое суммирование сигналов (Maximum Ratio Combining), когда сигналы из различных ветвей разнесения выравниваются по фазе, взвешиваются в соответствии с их уровнями и складываются;

• равновесное суммирование (Equal Gain Combining), когда сложение сфазированных сигналов производится без учета различия их уровней.

• Многолучевое разнесение, относящееся к методам разнесения при приеме, заключается в оптимальном весовом суммировании результатов обработки сигналов, приходящих по различным лучам распространения. Это оказывается возможным в случае, когда используются широкополосные сигналы, длительности функций автокорреляции которых не превышают задержки между сигналами в соседних лучах приема (технология RAKE).

• Могут применяться и иные виды разнесения (например, поляризационное, угловое и т.д.), а также комбинации различных видов.

• Особое место в борьбе с искажениями сигналов занимают методы борьбы с межсимвольной интерференцией.

• Частотное разнесение относится к методам разнесения при передаче и предполагает параллельную передачу одних и тех же сигналов на различных частотах, причем величина разности частот должна обеспечивать некоррелированность принимаемых сигналов в различных ветвях разнесения.

• Временное разнесение, также относящееся к методам разнесения при передаче, позволяет бороться с быстрыми замираниями путем повторения передаваемых сигналов несколько раз через временные интервалы, превышающие период замираний. К этому виду разнесения относят также и метод, использующий автоматический запрос на повторение передачи блока символов (Automatic Repeat Request, ARQ).

Общие принципы построения и функционирования систем связи с подвижными объектами 1 ТРЕБОВАНИЯ К СОТОВЫМ СИСТЕМАМ МОБИЛЬНОЙ РАДИОСВЯЗИ. Высокоскоростная передача данных. В системах мобильной радиосвязи предыдущих поколений скорость передачи информации в радиоканале определялась требованиями, связанными с передачей только речевых сообщений, причем сетевое влияние на радиоканал ограничивалось работой систем автоматического переключения секторов и управления мощностью излучения мобильной абонентской станции (терминала). Дополнительные особенности связаны с критичностью канала передачи речи («разговорного» канала) к задержкам, что накладывает ограничения на повторную передачу и кодирование.

• На современном этапе развития рассматриваемых систем появляются новые услуги, реализация которых требует наличия высокоскоростных каналов передачи данных. При этом различные приложения предъявляют различные требования к скорости передачи и временным характеристикам канала.