Sistemy_shirokopolosnoy_radiosvyazi_2009

7.9. Методы борьбы с замираниями сигналов в многолучевых каналах 269

В идеализированном канале связи обычно подразумевается, что сигнал затухает с расстоянием D так же, как в свободном пространстве. Потери или ослабление Ls (D) мощности сигнала в свободном пространстве для изотропной антенны происходят по закону обратных квадратов

где D — расстояние между передатчиком и приемником;— длина волны распространяемого сигнала.

Рис. 7.18. Идеализированная — а и реальная — б модели каналов связи

Для большинства реальных каналов связи, в которых распространение происходит в атмосфере и вблизи поверхности земли, модель распространения в свободном пространстве неадекватно описывает поведение канала и не позволяет предсказывать характеристики системы связи. В системах мобильной связи сигнал может передаваться от передатчика к приемнику по множеству отражательных путей или лучей — рис. 7.18, б. Это явление, называемое многолучевым распространением, может вызывать флюктуации амплитуды, фазы и угла прибытия полученного сигнала, что определило название фединга, или замирания сигналов.

Причиной случайного изменения параметров канала связи может быть действие целого ряда случайных факторов (температуры, давления, плотности среды, наличия различных примесей и включений, а также многих физико-химических процессов, происходящих в атмосфере). Существует три основных механизма, воздействующих на распространение сигнала в системах мобильной связи.

270 Глава 7 | Сигнально-кодовые конструкции. (Треллис-модуляция)

•Отражение электромагнитных волн от гладкой поверхности, раз-

мер которой гораздо больше длины волны радиочастотного сигнала (радиус R ).

•Дифракция — огибание, встречается тогда, когда путь распростра-

нения между передатчиком и приемником преграждается плотным телом, размеры которого велики по сравнению с , что вызывает появление вторичных волн, образующихся позади преграждающего тела. Преграждающее тело вызывает затенение и прерывает путь прямой видимости между передатчиком и приемником.

•Рассеяние радиоволн встречается тогда, когда радиоволна стал-

кивается с любой шероховатой поверхностью или с поверхностью, размеры которой порядка или меньше. Обычные препятствия, вызывающие рассеяние сигнала, — это фонарные столбы, уличные знаки, листья деревьев и др.

Помимо явления фединга (замирания), многолучевое распростра-

нение за счет отражения, дифракции и рассеяния радиоволн приводит также к явлению межсимвольной интерференции — МСИ (наложения импульсов), как это наглядно показано с помощью схемы передачи на рис. 7.19.

Рис. 7.19. Многолучевое распространение двух импульсов

Замирание сигнала в системах мобильной связи может быть быстрым и медленным. Например, по мере передвижения мобильного устройства по городской улице мощность сигнала достаточно быстро меняется при изменении положения на расстояние порядка половины длины волны. При использовании типичной для мобильных систем связи частоты 900 МГц длина волны сигнала составляет 0,33 м. Практически колебания амплитуды принятого сигнала могут составлять от 20 до 30 дБ при незначительном изменении положения. Данное явление быстрого изменения амплитуды называют быстрым замиранием.

7.9. Методы борьбы с замираниями сигналов в многолучевых каналах 273

На рис. 7.21 представлен распространенный метод обработки сигнала с применением линейного эквалайзера. В данном примере из каждого символа входного сигнала производится пять выборок, которые разделены равными промежутками времени . Каждая выборка независимо взвешивается коэффициентом ci , после чего взвешенные выборки суммируются и дают выходной эффект. Очевидно, что в общем случае выходная реакция трансверсального фильтра есть коррелированный процесс. Коэффициенты ci влияют на форму выходной реакции и, следовательно, на форму спектра этой реакции. Контур называется адаптивным, поскольку значения коэффициентов ci корректируются динамически. Обычно коэффициенты задаются с помощью заранее известной настроечной последовательности битов. Настроечная последовательность передается приемнику, который сравнивает полученные данные с их ожидаемыми значениями. На основе сравнительного анализа рассчитываются соответствующие значения коэффициентов ci .

Для корректного учета изменений характеристик канала время от времени передается новая настроечная последовательность. Для релеевских каналов может потребоваться включение новой настроечной последовательности в каждый передаваемый блок данных.

Методы разнесения применяются для некоррелированного воспроизведения приемником интересующего сигнала, поступающего по различным путям. Некоррелированность является в этих методах важной принципиальной особенностью. Классифицируют методы разнесения по разным признакам:

•разнесение по времени;

•разнесение по частоте;

•системы расширенного спектра — DS / SS ;

•системы расширенного спектра — FH / SS ;

•пространственное разнесение антенн (разнесение d 10 );

•поляризационное разнесение.

Любую схему разнесения можно рассматривать как тривиальную форму кода с повторением в пространстве и во времени. Однако уникальный метод борьбы с многолучевостью — это кодирование с исправлением ошибок. Применение корректирующих кодов с перемежением (чередованием) является в настоящее время наиболее распространенной схемой улучшения рабочих характеристик систем радиосвязи в среде с замиранием.

7.10. Ключевые параметры каналов связи с замираниями 275

Зная функцию P( ) — рис. 7.23, а, можно определить, как для переданного импульса (простого сигнала) полученная мощность зависит от времени задержки . Термин «временная задержка» используется для обозначения избыточной задержки распространения сигнала. Это, по сути, задержка данного сигнала относительно первого поступившего на приемник сигнала. Для единичного переданного импульса время Tm между приемом первого и последнего компонентов представляет собой избыточную максимальную задержку распространения. Ясно, что в идеальной системе (нулевая избыточная задержка) функция P( ) состояла бы из идеального импульса с весовым коэффициентом, равным общей средней мощности полученного сигнала. Заметим, что расширение сигнала во времени можно рассматривать как следствие процесса фильтрации сигнала, например в трансверсальном фильтре — рис. 7.22. На рис. 7.23, б представлен график функции R( f ) , которая представляет собой Фурье-образ функции P( ) . Функция R( f ) представляет корреляцию между реакциями канала на два сигнала как функцию разности частот этих сигналовf f2 f1 . Ее можно рассматривать так, как частотную передаточную функцию канала. Полоса когерентности fког определяет диапазон частот, по которому канал пропускает все спектральные компоненты с приблизительно равным коэффициентом усиления и линейным изменением фазы. Точнее говоря, на все спектральные компоненты канал влияет одинаково хорошо или одинаково плохо. Параметры канала Tm и fког связаны приближенным соотношением

Наиболее распространенным приближением для полосы когерентности fког , соответствующим определению, где корреляция должна быть не меньше 0,5, является следующее:

где — среднеквадратическое значение (разброс) задержек. Параметры в уравнении (7.22) не зависят от скорости передачи сигна-

лов. Скорость передачи сигналов влияет только на ширину полосы пропускания W 1 / TS . Следовательно, полоса когерентности fког устанавливает верхний предел скорости передачи, которую можно использовать, не включая в приемник эквалайзер.

В канале с замираниями взаимосвязь между максимальной избыточной задержкой распространения Tm и временем передачи сигнала

276 Глава 7 | Сигнально-кодовые конструкции. (Треллис-модуляция)

TS можно рассматривать с позиции двух различных категорий ухудшения качества передачи: частотно-селективные замирания и амплитудные замирания — рис. 7.24.

Если Tm TS , то канал характеризуется частотно-селективными замираниями, при этом канал вводит межсимвольную интерференцию МСИ. Для борьбы с МСИ используется метод выравнивания характеристик канала. Устройство выравнивания в системе GSM — адаптивный эквалайзер Витерби — является, по сути, обратным фильтром канала. Заметим также, что для борьбы с МСИ используют методы расширения спектра сигнала: DS/SS и FH/SS.

Рис. 7.24. Связь между частотной передаточной функцией канала K(f ) и шириной W спектра сигнала

Амплитудные замирания характеризуются условием Tm TS . В этом случае все полученные многолучевые компоненты символа поступают в течение времени передачи символа, поэтому компоненты не разрешаются (разделение лучей не происходит). В данном случае отсутствуют межсимвольные искажения, однако сигнал подвергается амплитудным замираниям. Для борьбы с амплитудными замираниями наиболее часто применяют: кодирование с коррекцией ошибок (сверточные коды); разнесение во времени — перемежение (чередование) символов данных. Одним из первых примеров блоковых кодов с временным разнесением информационных и проверочных символов для борьбы с коррелированными ошибками является код ФинкаХагельбергера [1,2].

Нестационарное поведение канала вследствие движения.

Дисперсия сигнала и ширина полосы когерентности описывают квазистационарные свойства канала в локальной области. Однако эти характеристики не учитывают относительное движение и перемещение

278Глава 7 | Сигнально-кодовые конструкции. (Треллис-модуляция)

Вобычной для многолучевого распространения окружающей среде переданный сигнал движется по нескольким отраженным путям, каждый из которых имеет отличные от других расстояния и угол поступления. Доплеровский сдвиг для каждого из путей поступления сигнала, как правило, различен. Результирующее воздействие скорости движения мобильного объекта на полученный сигнал проявляется обычно в виде доплеровского расширения переданной частоты сигнала, а не как сдвиг.

Поведение канала характеризуется также временем когерентности

Tког . Это такой интервал времени, в течение которого характеристика канала практически неизменна. Доплеровское расширение fd и время Tког когерентности канала (т. е. время, требуемое для прохождения расстояния / 2 ) при движении с постоянной скоростью связаны, как правило, соотношением

Например, в системе GSM 900 при скорости движения 120 км/ч можно получить, что время когерентности канала Tког 5 мс, а доплеровское расширение (скорость замирания в канале) приблизительно 100 Гц. Следовательно, скорость замираний в канале значительно меньше типовой скорости передачи символов (104 символов/с), поэтому канал будет проявлять эффекты медленного замирания. С целью избежания искажений, вызванных быстрым замиранием, и частого появления неустранимых ошибок, вызванных эффектом Доплера, скорость передачи сигнала должна превышать скорость замирания примерно в 100—200 раз [5].

7.11. Физические принципы построения сотовых

систем мобильной радиосвязи стандарта GSM

Принцип повторного использования радиочастот. Первоначально для связи с подвижными объектами, абонентами, станциями (ПС) создавались отдельные ведомственные СРС, например железнодорожные, речные, авиационные. Увеличение числа ПС, отсутствие координационных принципов при разработке и эксплуатации радиосредств привели к неэффективному использованию радиоспектра, плохой электромагнитной совместимости, неудобству в пользовании.

Повысить эффективность использования выделенного для подвижной радиосвязи спектра частот возможно путем разбивки зоны обслуживания на небольшие участки — соты с целью реализовать