hre |
1...10 м; |
d |
1..20 км. |
Использование записанных выше выражений позволяет рассчитывать различные радиоканалы в системах связи с учетом конкретных условий распространения волн. Выбор конкретной модели, описывающей распространение радиоволн, существенно зависит от частоты несущей, высоты подвеса передающей и приемной антенн, окружающего пространства.
8. ТЕХНИКА МНОГОСТАНЦИОННОГО ДОСТУПА
8.1. Методы организации связи
Многостанционный доступ – это возможность одновременной работы нескольких абонентов в одной полосе радиоспектра. Число пользователей, которые могут занимать выделенный частотный канал – параметр, определяющий спектральной эффективностью системы связи. Например, в стандарте GSM при полосе канала 200 кГц и числе рабочих временных интервалов равном 8 спектральная эффективность
∆fэф= |
200 кГц |
=25 кГц. |
|
8 |
|
Емкость сети может быть ограничена как влиянием мобильных станций на базовые, так и влиянием базовых станций на мобильные.
Рассмотрим сеть сотовой связи с коэффициентом повторения частот 7. Пусть D – расстояние между двумя одноканальными сотами, R - радиус соты
(рис.8.1). Минимальное значение |
|
Q= D |
(8.1) |
R |
|
определяет коэффициент вторичного использования ячейки, при котором взаимное влияние сот будет не больше заданного значения. Уровень сигнала в
месте расположения мобильной станции, удаленной на расстояние D0 |
от базо- |
вой станции, в соответствии с разделом 7 |
|
S=D0-n0 , |
(8.2) |
где n0 – показатель ослабления сигнала, зависящий от условий распространения радиоволн.
117
|
F2 |
F3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F7 |
R |
|
|
F6 |
|
F5 |
F1 |
F4 |
|
|
|||
|
|
|
|
|||
|
D0 |
|
|
|
|
|
|
F6 |
F5 |
F2 |
|
F3 |
|
|
|
|
D |
|
|
|
F2 |
F3 |
F7 |
|
|
F1 |
F4 |
|
|
|
|
|
|
|
7 |
F1 |
F4 |
F6 |
|
F5 |
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 8.1. Расположение базовых антенн, работающих на одинаковых частотах
Число работающих станций зависит от соотношения сигнал/шум. Если пренебречь влиянием внешних источников шума и рассматривать только собственные помехи системы, то для мобильных станций основную помеху создают базовые станции, работающие на одинаковых частотах.
Соотношение сигнал/шум в этом случае может быть рассчитано следующим образом
P |
|
S |
|
D-n0 |
|
S |
= |
|
= |
0 |
, |
PN |
N0 |
M |
|||
|
|
∑D-knk |
|
||
|
|
|
|
k=1 |
|
где Dk – расстояние от мобильной станции до мешающих базовых станций; nk – показатель ослабления сигнала на пути от помеховых станций.
Если число ближайших помеховых станций равно 6, как на рис. 8.1, и, полагая, что показатель ослабления сигнала для обслуживающей мобильную станцию и мешающих станций одинаков ( n0 =nk =n ), получим
P |
|
S |
|
D-n |
|
||
S |
= |
|
|
= |
0 |
, |
|
P |
N |
0 |
6D-n |
||||
|
|
|
|||||
N |
|
|
|
|
|
||
где сделано предположение, что расстояния от мобильной станции до мешающих базовых станций примерно одинаковы. Это видно из рис. 8.1.
118
Мобильная станция примет наименьший сигнал, находясь на краю соты, то есть при D0 =R . Даже на краю соты отношение сигнал/шум должно быть не
меньше определяемого техническими параметрами значения чувствительности
|
PS |
|
|
S |
|
|
|
|
|
или |
|
в англоязычной литературе |
|||
|
|
||||||
|
PN min |
|
N0 |
min |
|
||
1 |
R -n |
|
S |
|
|
|
|
і |
|
. |
(8.3) |
|
|||||
6 |
D |
|
N0 |
min |
|
С учетом (8.1) для граничной ситуации получим
|
|
|
S |
|
1/n |
|
Q= |
6 |
|
|
. |
||
|
||||||
|
|
N0 |
|
|
||
|
|
min |
||||
Радиоемкость ячейки определяется выражением (4.2)
m= Bt , BcN
где Bt – общая полоса частот системы сотовой связи; Bc – полоса частот одного канала;
(8.4)
(8.5)
N – число сот в кластере.
Для гексагональной структуры ячеек коэффициент повторного использования ячейки
Q= D |
= 3N . |
(8.6) |
R |
|
|
Этот параметр определяет спектральную эффективность ячейки. Малое значение величины Q обеспечивает большую емкость ячейки, так как N уменьшается (8.3). С другой стороны увеличение Q улучшает качество передачи в связи с тем, что уровень мешающих интерференционных помех базовых станций становится меньше. При построении сети нужно найти разумный компромисс между двумя этими факторами. В табл. 8.1 приведены значения коэффициента повторного использования ячейки для различного числа ячеек в кластере при гексагональной структуре ячеек.
Таблица 8.1 Зависимость коэффициента вторичного использования ячейки
от числа сот в кластере
Размер кластера, N |
ПараметрQ |
3 |
3 |
7 |
4,58 |
12 |
6 |
13 |
6,24 |
119
Упражнение 11
Для нормальной работы прямого канала системы сотовой связи уровень интерференционного сигнала мешающих станций должен быть 15 дБ. Каким должен быть коэффициент вторичного использования ячейки для максимальной ее емкости, если коэффициент ослабления сигнала равен
а) n = 4, б) n =3 .
Считать, что все мешающие станции находятся примерно на равном удалении их число равно 6. Использовать удобную аппроксимацию.
Одновременная работа радиостанции в режиме передачи и приема называется дуплексом. Дуплекс может быть частотным (FDD) и временным (TDD) (рис. 8.2).
|
Частотный |
|
|
|
|
|
Прямой |
зазор |
|
Обратный |
|
|
|
канал |
|
|
|
канал |
|
|
|
|
|
|
|
|
Частота |
|
Временной |
|
|
|
|
|
Обратный |
|
Прямой |
|
|||
зазор |
|
|
||||
канал |
|
|
|
канал |
|
|
Время
Рис.8.2. Частотный и временной дуплексный разнос
При FDD в каждой станции имеется устройство суммирования частотных каналов – диплексер для одновременной работы на одну антенну.
При TDD интервалы передачи и приема разнесены во времени, передача и прием идут на одной или на разных частотах.
В настоящее время используется три метода многостанционного доступа: частотное разделение каналов (FDMA), временное разделение каналов (TDMA) и кодовое разделение каналов (CDMA).
Узкополосные системы
Излучаемая полоса частот соизмерима с полосой канала. Если каждый пользователь занимает малую часть спектра, а число каналов большое – это узкополосная система. При этом зазор между частотами передачи и приема делают максимально большим с целью снижения взаимных помех в радиоканалах.
120
Этот зазор ограничен частотными возможностями диплексера и антенны. Данный способ организации связи называется FDMA/ FDD.
В узкополосной TDMA системе каждый пользователь использует лишь свой временной интервал. Передача и прием идут на одной частоте. Данный способ организации связи называется TDMA / TDD.
Широкополосные системы
Излучаемый спектр шире полосы канала. В этом случае существенно меньше сказывается затухание части спектра при многолучевом распространении радиоволн. Несколько абонентов работают на перекрывающихся частотах. В TDMA способе организации связи излучение на разных частотах разнесено во времени. В системе с кодовым разделением каналов (CDMA) в одной полосе частот работает несколько абонентов. Дуплексный разнос при этом может быть как частотным, так и временным.
Таблица 8.1 Способ организации многостанционного доступа и дуплекса
Система сотовой связи |
Способ многостанционного доступа |
AMPS |
FDMA/FDD |
GSM |
TDMA/FDD |
USDC |
TDMA/FDD |
JDC |
TDMA/FDD |
DECT |
FDMA/TDD |
CDMA (IS-95) |
CDMA/FDD |
CT2 |
FDMA/TDD |
8.2. Системы многостанционного доступа с частотным разделением каналов – FDMA
Код
Ch 1 |
Ch 2 |
Ch N |
Время
Частота
Рис.8.3. Разделение каналов в FDMA системах
121
Каждому пользователю отведен свой частотный какал. Полоса частот в пределах 30 кГц. Данная система организации связи относится к узкополосным системам. Время передачи символа больше среднего времени задержки прохождения сигнала в радиоканале, поэтому межсимвольные искажения малы и не требуется дополнительная коррекция данных. Сложность сетей меньше, чем TDMA и CDMA. Так как FDMA работает непрерывно, требуется меньшее число бит для синхронизации и включения. Используются полосовые фильтры для суммирования и разделения сигналов, что удорожает аппаратуру связи. Передатчик и приемник работают одновременно, требуются диплексеры, что еще более удорожает аппаратуру базовых и мобильных станций. Наблюдаются нелинейные эффекты – интермодуляционные искажения. Комбинационные частоты расширяют спектр, вызывают помехи и ухудшают связь.
Интермодуляционные частоты можно найти с использованием следующих формул:
(2n+1)f1-2nf2 , (2n+2)f1-(2n+1)f2 ,
(2n+1)f2 -2nf1, (2n+2)f2 -(2n+1)f1 , ….
для n =0, 1, 2, ….
Упражнение 12
Найти интермодуляционные частоты передатчика базовой станции, если он излучает две несущих: 1930 и 1932 МГц и работает в режиме с отсечкой. Найти интермодуляционные частоты, попавшие в канал связи, если его ширина лежит в полосе 1920 – 1940 МГц.
Число каналов, которые могут работать одновременно, рассчитывается по формуле
|
m= |
Bt -2Bg |
, |
(8.7) |
|
|
|||
где Bt |
|
Bc |
|
|
– ширина полного спектра; |
|
|||
Bg |
– полоса частот защитного интервала; |
|
||
Bc |
– полоса частот одного канала. |
|
||
122
Упражнение 13
Ширина полного спектра системы связи составляет 12,5 МГц. Защитный частотный интервал 10 кГц. Полоса частот одного канала равна 30 кГц. Определить число доступных каналов
8.3. Системы многостанционного доступа с временным разделением каналов – TDMA
Временные |
|
|
Ch N |
|||
интервалы |
|
|
Код |
|||
slots |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ch 1 |
|||
Частота
Время
Рис. 8.4. Разделение каналов в TDMA системах связи
Абонент работает в циклически повторяющихся временных интервалах. Данные передаются прерывисто. Должны использоваться цифровые данные и цифровая модуляция.
Передача и прием данных для группы абонентов, разнесенных во времени, проводится циклично. Этот временной интервал называется кадр (frame). Структура кадра системы с временным разделением каналов показана на рис. 8.5.
На одной несущей в TDMA может работать несколько пользователей в не перекрывающихся интервалах времени. Число временных интервалов пользователей в кадре зависит от вида модуляции и доступной полосы частот. При прерывистой передаче данных достигается экономия источника питания. Если прием и передача данных проводятся в разные временные интервалы, диплексеры не нужны. Требуется качественная синхронизация, поэтому заголовки в рабочих временных интервалах больше, чем в FDMA.
Эффективность ТDMA отношение передаваемой информации пользователя ко всей передаваемой информации, включая служебную. Рассчитывается для
123
кадра. С учетом того, что часть битов занята кодированием, результирующая эффективность снижается.
Преамбула Информационное сообщение Концевые биты
Временной |
Временной |
|
Временной |
интервал |
интервал |
|
интервал |
1-го абонента |
2-го абонента |
|
N-го абонента |
|
|
|
|
|
|
|
|
Буферные |
Биты |
Информационное |
Защитные |
биты |
синхронизации |
сообщение |
биты |
|
|
|
|
Рис.8.5.Структура кадра системы с временным разделением каналов
Число битов, не являющихся информационными
bo =bf +Ntbp +Ntbc +Ntbt +Ntbg +bfg , (8.8)
где Nt – число рабочих временных интервалов (slots) в кадре (frame) трафика;
bf |
– число битов заголовка и синхронизации кадра; |
|
||||
bp |
– число битов преамбулы в каждом рабочем временном интервале |
|||||
bc |
(slot); |
|
|
|
|
|
– число битов тестирования канала; |
|
|
||||
bt |
– число концевых битов; |
|
|
|
|
|
bg |
– число битов, эквивалентных защитному интервалу слота; |
|
||||
bfg |
– число битов, эквивалентных времени защитного интервала кадра. |
|||||
Общее число битов в кадре |
|
bT =Tf R , |
(8.9) |
|||
где Tf – длительность кадра; |
|
|||||
|
|
|
|
|
||
R – канальное битовое отношение (скорость передачи). |
|
|||||
Эффективность TDMA кадра |
|
|
|
|
|
|
|
η |
f |
= 1- |
b0 |
Ч100%. |
(8.10) |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
bT |
|
|
124
Число каналов в TDMA системе
m= |
NS (Bt -2Btg ) |
|
|
|
, |
(8.11) |
|
|
|||
|
BC |
|
|
где NS – число рабочих временных интервалов (slots) в кадре (frame); Bt – полоса частот одного радиоканала;
Btg – полоса частот защитного интервала для системы; Bc – полоса частот одного радиоканала.
Упражнение 14
В стандарте GSM используется многостанционный доступ FDMA/FDD. Полоса частот прямого канала 25 МГц. Он поделен на радиоканалы по 200 кГц. Сколько абонентов одновременно могут пользоваться телефоном, если задействовано 8 речевых каналов в каждом радиоканале? Защитным частотным интервалом пренебречь.
Упражнение 15
В стандарте GSM кадр состоит из 8 рабочих временных интервалов, каждый из которых соответствует 156,25 битам. Данные в канале передаются со скоростью 270,833 кб/с.
Найти:
а) время передачи одного бита б) длительность одного рабочего интервала в) время передачи одного кадра
г) Определить время между двумя соседними включениями передатчика пользователя
Упражнение 16
В стандарте GSM один рабочий временной интервал состоит из 6 концевых битов, 26 битов обучающей последовательности, 2 контрольных битов, двух последовательностей по 57 информационных битов и 8,25 бита защитного временного интервала.
Определить TDMA эффективность кадра.
125
8.4. Системы многостанционного доступа с расширенным частотным спектром
Передача ведется в спектре, ширина которого существенно больше необходимой для передачи информации. Если сигнал передается в широкой полосе частот, то увеличивается надежность работы радиоканала в условиях узкополосных помех и уменьшения уровня сигнала при противофазном суммировании прямого и отраженного лучей. Расширение спектра выполняется с помощью быстрой смены частоты (частота меняется несколько раз за время передачи одного символа) и использования псевдослучайных последовательностей. Первый способ называется FHMA (frequency hopped multiple access), второй – CDMA (code division multiple access).
8.5. Системы многостанционного доступа с быстро меняющейся частотой – FHMA
Частота меняется по псевдослучайному закону. Все частотные интервалы должны быть заняты с равной вероятностью. В приемнике генерируется аналогичная псевдослучайная последовательность смены частот. Обеспечивается вы-
сокая скрытность передачи.
8.6. Системы многостанционного доступа с кодовым разделением каналов – CDMA
Код
Ch N
Частота
Ch 2
Ch 1
Время
Рис. 8.6. Разделение каналов в CDMA системах связи
Узкополосное сообщение перемножается с широкополосным сигналом. Этот сигнал получается перемножением несущей на псевдослучайную после-
довательность (ПСП). Все используемые для организации радиоканалов псевдослучайные последовательности ортогональны. Все пользователи работают
126
одновременно и в одной полосе частот. Приемник выполняет корреляционную обработку сигнала только с нужным кодом (ПСП).
Для организации дуплекса используется как временной (TDD), так и час-
тотный (FDD) разнос. При увеличении числа пользователей растет уровень шума. Число пользователей зависит от уровня шума и имеет «мягкий» предел. Наибольшее влияние на работоспособность радиоканалов оказывают базовые и мобильные станции, работающие в одной полосе частот и имеющие широкий спектр излучаемого сигнала. Для того чтобы в соте число пользователей было максимальным, необходимо, чтобы уровень сигнала, приходящий к антенне ба-
зовой станции был одинаков и на уровне чувствительности приемника.
Определим число пользователей в соте. Пусть уровень сигнала мобильной станции, приходящей к антенне базовой станции равен S. Если в соте активны m пользователей, то уровень помехового излучения пропорционален (m-1)S.
Соотношение сигнал/шум
PS S .
PN (m-1)S
В цифровых системах уровень сигнала
S=EbR ,
где Eb – энергия одного бита; R – скорость передачи бит/с.
Уровень шума
|
|
|
|
|
PN =N0W , |
|
|
||
где N0 – спектральная плотность шума, Вт/Гц; |
|
||||||||
W – полоса рабочих частот, Гц. |
|
|
|
||||||
Соотношение сигнал/шум |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
PS |
|
= |
S |
= |
S/R |
= |
W/R . |
|
|
P |
|
(m-1)S/W |
||||||
|
|
N |
0 |
|
|
(m-1) |
|||
|
N |
|
|
|
|
|
|
||
Здесь не учтены внешние шумы. С учетом внешних помех
PN =(N-1)S+Pвнеш помех .
Тогда
PS |
= |
S |
= |
S/R |
= |
W/R |
|
. |
||
P |
N |
0 |
(m-1)S/W |
(m-1)+P |
/S |
|||||
|
|
|
|
|||||||
N |
|
|
|
|
|
внеш помех |
|
|
||
(8.12)
(8.13)
(8.14)
(8.15)
(8.16)
(8.17)
127
Емкость сети
m=1+ |
W/R |
- |
Pвнеш помех |
. |
(8.18) |
||
|
S |
S |
|||||
|
|
|
|
|
|||
|
|
N0 |
|
|
|
|
|
Требуемое отношение S задается техническими параметрами системы
N0
связи.
Число пользователей в соте можно увеличить за счет применения направленных (секторных) антенн. В этом случае уровень помехового излучения мобильных станций в соте уменьшается в число раз, равное количеству формируемых секторов. На рис. отмечены активные пользователи сети, причем зеленым цветов те из них, уровень излучение которых в рассмотренном секторе за счет направленной антенны резко снижен. В этом случае при расчете числа пользователей используется приведенной значение сигнал/шум
|
S |
' |
S |
|
|
||
|
|
= |
, |
(8.19) |
|||
N0 |
N0n |
||||||
|
|
|
|
|
|||
где n – число секторов в соте. Например, если используются антенны с шириной главного лепестка 1200 (рис. 8.7), то есть формируются три сектора, приведенное значение сигнал/шум при примерно равномерном распределении пользователей в соте снижается в три раза.
Рис. 8.7. Эффективность применения секторных антенн
128