Sistemy_shirokopolosnoy_radiosvyazi_2009

7.11. Физические принципы построения сотовых систем мобильной радиосвязи 279

принцип повторного использования радиочастот, как это показано на рис. 7.27.

Геометрически оптимальное разделение всей зоны обслуживания (без перекрытий и пропусков) может быть выполнено следующими тремя геометрическими фигурами: равносторонний треугольник, квадрат, правильный шестиугольник — сота. Отсюда и название — сотовая связь.

Рис. 7.27. Принцип повторного использования частот для семи сот

Различают макросоты (R=1,5—35 км), микросоты (R=100—600 м), пикосоты (R=10—60 м) и наносоты R<10 м. Каждая сота обслуживается отдельной многоканальной базовой радиостанцией (БС) небольшой мощности, находящейся в центре соты. БС устанавливает радиосвязь с находящимися в ее зоне ПС. При перемещении ПС в другую соту автоматически обеспечивается переключение ПС на частоту БС новой соты (процедура — handover — эстафетной передачи). БС соединяется с центром коммутации подвижной связи ЦКПС, где в памяти ЭВМ хранятся как статические, так и динамические данные о подвижных объектах — ПС всей сети — рис. 7.28.

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

Рис. 7.28. Сотовая сеть подвижной радиосвязи

Мощность передатчика БС незначительна, поэтому влияние его сигнала на другие приемники ПС, находящиеся на удалении защитного интервала D (рис. 7.27), несущественно. Более того, в настоящее время разрабатываются новые, более эффективные модели повторного использования частот.

Модель с круговой диаграммой направленности антенн предполагает передачу сигнала одинаковой мощности во всех направлениях, что для ПС эквивалентно приему помех со всех направлений. Использование секторных направленных антенн позволяет снизить уровень помех. Ясно, что в простейшем случае для того, чтобы обеспечить связью неограниченную плоскую территорию, в сотовой связи достаточно, например, семи рабочих частот F1 , F2 , F3 , F4 , F5 , F6 , F7

— рис. 7.27. В результате этого многократно используется частотный ресурс и многократно увеличивается количество абонентов сети.

Самую высокую эффективность использования полосы частот, т. е. наибольшее число абонентов сети в выделенной полосе частот, обеспечивает разработанная фирмой Motorola (США) модель повторного использования частот — рис. 7.29. Из анализа этой модели (рис. 7.29) видно, что каждая частота в пределах модели, состоящей из четырех БС, используется точно дважды. Благодаря этому каждая из четырех БС в пределах действия шести 60 -градусных антенн может работать на 12 группах частот.

7.11. Физические принципы построения сотовых систем мобильной радиосвязи 281

Рис. 7.29. Модель повторного использования частот в каждых двух соседних сотах

Следует заметить, что проблемы частотно-территориального планирования и оптимального распределения каналов в системах подвижной связи являются достаточно сложными, однако разрешимыми.

В дальнейшем уделим основное внимание рассмотрению главных мотивов некоторых проектных решений, принятых в системе GSM (GSM — Global System for Mobile Communications — общеевропейская цифровая сотовая система связи). Общая цель проектирования состоит в определении (обосновании) такой длины и структуры слота трафика, которые обеспечат эффективную передачу речи и данных, а также эффективное использование спектра радиодиапазона.

Стандарт GSM на частотно-временной плоскости. Стандарт GSM 900 ( 33 см) на цифровую общеевропейскую сотовую систему наземной подвижной связи предусматривает работу передатчиков подвижных станций (ПС) и базовых станций (БС) в двух диапазонах частот соответственно 890—915 МГц и 935—960 МГц — рис. 7.30. Абоненты получают доступ к сети с помощью комбинированного метода доступа FDMA/TDMA: FDMA — множественный доступ с частотным разделением каналов и TDMA — множественный доступ с временным разделением каналов.

Ширина полосы каждого частотного канала в стандарте GSM 900 составляет fчк 25МГц / 124 200 кГц . Выбор 8 временных слотов (каналов TDMA) в каждом интервале частот 200 кГц объясняется

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

следующим соображением. Новые цифровые системы стандарта GSM должны иметь высокую частотную эффективность, по крайней мере, такую же, как в аналоговых системах. Учитывая, что в европейских аналоговых сотовых системах с FDMA принята полоса канала 25 кГц, нетрудно видеть, что в полосе 200 кГц нужно как минимум разместить 8 каналов TDMA. Таким образом, минимально необходимое количество логических каналов (число слотов в кадре TDMA) равно 8.

Диапазон GSM 1800 МГц ( 17 см), в свою очередь, разделен на участки 1710—1785 МГц и 1805—1880 МГц и содержит 374 частотных канала, такой же ширины 200 кГц каждый. Обычно сигнал частотой 1800 МГц при распространении обладает более сильным затуханием (примерно в 4 раза) по сравнению с сигналом частотой 900 МГц той же мощности. Соответственно он имеет и меньшую дальность распространения. Сеть GSM 1800 МГц идеально подходит для обслуживания в городских условиях. При этом используется большое количество базовых станций, обеспечивающих большую пропускную способность каналов связи.

7.11. Физические принципы построения сотовых систем мобильной радиосвязи 283

Рис. 7.30. Стандарт GSM на частотно-временной плоскости

•Максимальный радиус соты (ячейки) R 35 км, что обеспечивает достаточный уровень трафика (уровень обслуживания) в сельской местности.

•Частота — в районе 900 МГц: обычно именно эта частота выделяется для мобильных радиоприложений.

•Максимальная скорость движения V 250 км / час 69,4 м / с . Значение этого параметра обеспечивает возможность мобильной радиосвязи, находясь, например, в скоростных поездах.

•Максимальная задержка кодирования речевых сигналов — приблизительно 20 мс. Общая задержка сигнала является суммой задержек компрессии, декомпрессии, пакетирования, перемежения и передачи сигналов. При задержках более 50 мс требуется применять эхоподавление. Дискомфорт в восприятии речи возникает уже при задержках 150 мс. В последнее время развитие технологии DSP

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

привело к значительному снижению задержек кодирования/декодирования сигнала и к эффективному эхоподавлению.

Схема обработки речевых сигналов в системе GSM. Обобщенная функциональная схема обработки речевых сигналов для передачи данных по логическому информационному каналу показана на рис. 7.31.

В системе GSM обработка речи осуществляется в рамках принятой схемы прерывистой передачи речи, которая обеспечивает включение передатчика только тогда, когда пользователь начинает разговор и отключает его в паузах и в конце разговора. Эти функции выполняет так называемый детектор активности речи [3]. Речевой сигнал сжимается с помощью алгоритма RPE/LTP-LPC — речевой вокодер с регулярным импульсным возбуждением, долговременным предсказанием и линейным кодированием с предсказанием. Другими словами, в системе GSM вместо передачи речи, как таковой, передаются параметры речи, что позволяет существенно сократить скорость передачи речи, например, от 64 Кбит/с до 13 Кбит/с, сохраняя при этом достаточный уровень качества речи. В результате такого кодирования каждая выборка речи длины 20 мс отображается кодером источника (рис. 7.31) в блок из 260 бит данных (параметров речи), что действительно соответствует скорости передачи данных порядка 13 Кбит/с.

По качеству речи, воспроизводимой с помощью такого кодирования, биты в 260-битовом блоке разделяют на три класса [3]:

•Класс Ia: 50 бит, наиболее чувствительных к битовым ошибкам.

•Класс Ib: 132 бит, умеренно чувствительных к битовым ошибкам.

•Класс IIa: 78 бит, минимально чувствительных к битовым ошибкам. Для защиты первых 50 бит используется 3 — битовая циклическая

проверка четности с избыточностью (CRC-коды [82, 83]). При обнаружении ошибки вся выборка отбрасывается и заменяется измененной версией предыдущего блока. Эти 53 бит и 132 бит класса Ia, а также 4 — битовая остаточная последовательность затем защищаются сверточным кодом (k0 , n0 , dсв ) (1, 2,5) , что в итоге дает блок 189 2 378 бит. Последние 78 бит класса IIa не защищаются, но прилагаются к защищенным битам для получения блока из 456 бит. В результате на выходекодераканалаполучаемскорость R 456 / 20 мс 22,8 Кбит / с , которая является характерной скоростью передачи данных в информационных каналах систем GSM.

В каналах с замираниями наиболее характерно действие коррелированных (пакетных) ошибок. Для того чтобы защитить передаваемые данные от пакетов ошибок, каждый 456-битовый блок делится в устройстве перемежения на восемь 57-битовых блоков, которые передаются

7.11. Физические принципы построения сотовых систем мобильной радиосвязи 285

в восьми последовательных временных слотах. Так как каждый слот может вмещать два 57-битовых блока, то в каждом пакете с целью перемежения целесообразно использовать данные из двух различных выборок речи.

Рис. 7.31. Функциональная схема обработки речевых сигналов в системе GSM

Речевые данные по 114 бит шифруются по алгоритму RSAшифрования с открытым ключом, также в 114 бит за время одного такта работы. Далее речевые данные собираются в слоты (сборка пакетов), внутри каждого пакета вставляется настроечная шумоподобная последовательность длины 26 бит и, наконец, модулируются для передачи. Используемая схема модуляции GMSK — Gaussian Minimum Shift Keying — гауссова манипуляция с минимальным частотным сдвигом, которая представляет собой эффективную разновидность частотной модуляции (FSK).

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

7.12. Формат кадра TDMA в системе GSM

На рис. 7.32 показан кадр TDMA (длительность 4,615мс) системы множественного доступа с временным разделением абонентов в системе GSM, состоящий из 8 слотов (временных интервалов), каждый из которых присвоен активному мобильному абоненту. Длительность одного слота составляет 0,577 мс. Задача внутренней настроечной последовательности

— помочь приемнику в адаптивном определении импульсной характеристики канала (за время передачи одного слота, т. е. 0,577 мс). Чтобы данный метод был эффективным, характеристики замирания в канале должны оставаться неизменными в течение времени, приблизительно равного длительности одного слота. Например, для приемника GSM 900, находящегося на скоростном поезде, который движется с постоянной скоростью 200 км/ч (примерно 55,56 м/с), находим из (22.2), что время когерентности канала Tког 3 мс. Следовательно, время когерентности канала более чем в 5 раз превышает время передачи одного слота (0,577 мс). В противном случае, если не обеспечить устранение эффектов быстрого замирания, эффективность работы эквалайзера резко падает.

Рис. 7.32. Формат кадра TDMA GSM и временной слот, содержащий нормальный пакет

Рассмотрим эффекты частотно-селективного замирания. Поскольку среднеквадратический разброс задержек в городской местности равен порядка 2 мкс, то исходя из уравнения (22.3), находим, что результирующая полоса когерентности fког 100КГц .

7.12. Формат кадра TDMA в системе GSM 287

Поскольку fког W (100 < 200), приемник GSM должен иметь средства для борьбы с частотно-селективными замираниями. Как правило, для этого используется адаптивный эквалайзер Витерби.

Настроечная последовательность. Для осуществления адаптивного выравнивания в мобильной среде необходимо включать настроечную последовательность в каждый слот. Длительность Tнп настроечной последовательности практически выбирают из условия, что фаза несущего сигнала после настроечной последовательности не должна превышать величины / 20 .

Расчет защитного интервала. Средняя продолжительность телефонного звонка занимает время 130 с. Следовательно, радиальное расстояние до базовой станции, которое может покрыть мобильное устройство, двигаясь со скоростью 250 км/ч (69,4 м/с), составляет (130 с) (69,4 м/с) = 9022 м. Изменение задержки распространения сигнала, обусловленное перемещением на такое расстояние, составляет (9022 м)/(300000000 м/с) =0,03 мс. На основе данных формата кадра TDMA GSM (рис. 7.32) находим, что величина защитного интервала GP 3,69 мкс 8,25 0,03 мс .

Медленная скачкообразная перестройка частоты. В системе GSM используется технология медленной скачкообразной перестройки частоты(FH/SS),котораяпозволилаповыситькачествосигнала.Каждый следующий кадр TDMA в данном канале переносится на своей несущей

частоте. Частота скачков fскач 1 / TTDMA 1 / 4,615 мс 217 Гц . Медленная скачкообразная перестройка частоты позволяет компенси-

ровать эффект многолучевого замирания, а также уменьшить эффект интерференции соседних каналов.

Эффективность метода модуляции GMSK. Очевидно, что такие виды модуляции, как АМ и КАМ, подвержены ухудшению качества передачи в каналах с замираниями. Имеет свои недостатки и ФМ — модуляция, особенно при числе фаз m 8 . Например, при стандартных параметрах системы GSM накрутка фазы на один элементарный импульс составляет порядка (2-4) °, что практически неприемлемо. Таким образом, для каналов с замираниями предпочтительно выбирать системы передачи сигналов с частотным типом модуляции. Рассмотрим частотную эффективность метода модуляции GMSK по сравнению с двоичной ЧМ. Поскольку длительность элементарного импульса равна 3,69 мкс, то его ширина спектра fэл 271 КГц , а ширина спектра двоичной некогерентной ЧМ fчм 542 КГц . Частотную эффективность GMSK определим из соотношения GMSK 542 / 200 2,71 раз.

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

Контрольные вопросы и задачи

1.Приведите определение и примеры многопозиционных сигналов.

2.С какой целью применяют многопозиционные сигналы?

3.Каким образом изменяются значения , -эффективностей системы многопозиционных сигналов с ростом параметра m — числа различимых амплитуд, фаз и частот?

4.Поясните две формы представления узкополосных процессов:

ввиде квадратурных составляющих и в виде огибающей и фазы.

5.Приведите обобщенные схемы формирователей АФМ-сигналов:

вдекартовой и полярной системах координат.

6.Приведите схему и поясните принцип работы квадратурного модулятора сигналов ФМ-4.

7.Что такое манипуляционный код, каково его назначение? Приведите конструктивное правило построения манипуляционного кода Грея.

8.Какое кодовое слово из следующей таблицы отображает мани-

пуляционный код Грея, если истинное двоичное кодовое слово

A 1001000110 ?

1.1101100111 2.1101110101 3.1111100101 4.1101100101 5.1001100101

9.Постройте сигнальное созвездие КАМ-16 на основе метода наложенной модуляции.

10.Из геометрических соображений получите выражения для минимального расстояния Евклида сигналов КАМ- m и ФМ- m .

11.Найдите объем m сигналов КАМ- m , которые формируются схемой модулятора КАМ- m — рис. В. 11.

Рис. В. 11. Схема квадратурного амплитудного модулятора КАМ- m сигналов

12.Чему равна длительность TКАМ КАМ-сигнала на выходе модулятора рис. В. 11?

13.Чему равна ширина спектра fКАМ КАМ-сигнала на выходе модулятора рис. В. 11?