4. Технические основы построения систем мобильной связи.

   1. Технические концепции построения СМС. Организация линий связи между абонентской станцией, базовой станцией и между базовыми станциями. Определение радиуса зоны уверенного приема. Модели радиосигналов с замираниями, обусловленными многолучевым распространением. Вероятностный характер распространения радиоволн в условиях города.

Профессиональными системами мобильной или подвижной радиосвя­зи PMR (Professional Mobile Radio) называются телекоммуникационные системы, использующие в качестве каналов связи радиоканал и преду­сматривающие использование нестационарных (носимых) пользователь­ских терминалов. Как правило, они имеют радиальную или радиально-зоновую (сотовую) структуру сети и могут использовать как симплексные (односторонние), так и дуплексные каналы (двухсторонние) каналы связи. При этом предполагается, что сама система может использовать для своих служебных нужд и управления коммутируемые и выделенные проводные линии электросвязи и оборудование стационарных систем телефонной связи общего пользования - PSTN (англ. Public Switched Telephone Network). В связи с большим количеством различных по функционально­му составу и назначению систем мобильной связи в международной трак­товке для обобщенной классификации используется термин «система свя­зи подвижной службы (ССПС)».

Система связи подвижной службы общего пользования является двухуровневой составной телекоммуникационной сетью, включающей систему мобильной радиосвязи PMR (первый уровень) и телефонную сеть общего пользования - PSTN (второй уровень). Двухуровневая телекомму­никационная сеть обеспечивает функции коммутации и распределения информации в каждой из составных частей - рис. 8.1.

Участки «1» составной сети являются радиолиниями, образованными между мобильными станциями (MS) и базовыми станциями (BS). Участки «2» сети представляют многоканальные соединительные линии между BS и центром коммутации подвижной службы (ЦКПС). Участки «3» сети яв­ляются магистральными соединительными линиями (МСЛ) между радио­уровнем и фиксированной сетью PSTN. Множество базовых станций, раз­мещаемых по всей зоне обслуживания системы, позволяет обеспечивать устойчивую радиосвязь любого мобильного абонента радиоуровня, в ка­кой бы точке зоны обслуживания он не находился, с другим мобильным абонентом или с абонентом фиксированной сети PSTN через ЦКПС. Та­ким образом, ЦКПС выполняет роль автоматического радиокросса, обес­печивающего коммутацию между собой различных мобильных станций в зоне обслуживания, коммутацию MS с абонентскими телефонными аппа­ратами сети, а также выход на ЦКПС других зон обслуживания.

Увеличение плотности размещения базовых станций BS в зоне об­служивания позволяет сократить протяженность линий мобильной радио­связи между MS и BS. Это, однако, не гарантирует предоставление и по­лучение высококачественной радиосвязи в течение длительного времени из-за экранирования антенн MS и BS при работе в движении, особенно в условиях сильнопересеченной местности и воздействия помех.

Участки «1» составной сети (первичный пучок линий) могут рассмат­риваться как линии с кратковременным занятием. Такие линии в процессе установления связи могут вести себя как исправные, но из-за переходов в состояния плохого качества они не могут использоваться для дальнейшего обслуживания разговоров. Переходы линий радиосвязи в различные со­стояния и эквивалентны потерям вызовов.

Участки «2» составной сети могут строиться на основе линий радио­релейной связи (РРС), волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) и ка­бельных линий связи (КЛС). Процессы коммутации и распределения ка­налов связи на участках «1» и «2» могут рассматриваться как процессы установления транзитной связи между мобильными станциями MS и ЦКПС через базовые станции BS.

Рис. 8.1 Составная двухуровневая телекоммуникационная сеть

Участки «3» составной сети формируются на основе выделенных ка­налов фиксированной сети PSTN. Процессы распределения каналов в ма­гистральных соединительных линиях рассматриваются как предоставле­ние свободных линий связи для обслуживания транзитных разговоров между абонентами MS и абонентами сети PSTN в требуемые моменты времени.

Т. о., каналы ССПС являются составными каналами, объединяющими радиоуровень (PMR) и уровень фиксированной сети (PSTN) телекомму­никационной системы.

В настоящее время в различных странах мира применяются различ­ные виды ССПС, которые обеспечивают информационные потребности экономики этих стран. Деление ССПС на виды определяется структурным построением радиоуровня - рис. 8.2.

Рис. 8.2 Классификация систем связи подвижной службы

В основе разделения региональных СПСС лежат способы организа­ции радиосвязи. Глобальные СПСС различаются способом соединения различных зон обслуживания. Системы персонального радиовызова де­лятся на группы по способу организации радиовызовов.

Целью анализа распространения радиоволн является расчет дальности радиосвязи и определение реальных характеристик принимаемого сигнала. Классический подход к расчету распределения электромагнитного поля в присутствии отражающих и поглощающих объектов заключается в расчете напряженности поля в однородном изотропном пространстве на основе законов отражения, дифракции и рассеяния. Однако специфические условия города исключают возможность непосредственного применения такой методики. Непостоянство расположения приемников и передатчиков в мобильной сети радиосвязи, перемещение приемников, передатчиков и препятствий, огромное количество фиксированных препятствий сложной формы делают невозможным точный расчет распределения радиополя. Возникающие при таких расчетах трудности описания реального расположения и передвижения препятствий, требуемый объем вычислений далеко превосходят все существующие технические возможности. Поэтому точный расчет распределения поля используется только в исключительных, простейших случаях, например

при расчете теневой зоны за очень большим зданием при точно известном расположении передатчика базовой станции. Реальный расчет распределения электромагнитного поля осуществляется на основе двух моделей:

«большого расстояния» (large scale model);

«малого расстояния» (little scale model).

В модели «большого расстояния» рассматривается влияние на электромагнитное поле макроэффектов, обусловленных препятствиями большого размера (по сравнению с длиной волны). Согласно этой модели электромагнитное поле в городских условиях описывается теми же самыми уравнениями, что и для свободного пространства, но с иными параметрами распространения, а также некоторой вероятностью отклонения реальных значений

распределения радиополя от расчетных. Предполагается, что наличие препятствий “в среднем” не влияет на структуру электромагнитного поля, которое остается таким же, как и в свободном пространстве, а именно стационарным, монотонным и гладким. Стационарность означает неизменность структуры поля во времени, монотонность непрерывное убывание величины поля с увеличением расстояния от приемника до передатчика, гладкость – соответствие малых изменений расстояния малым изменениям

напряженности поля.

Вместе с тем совершенно очевидно, что параметры распространения радиоволн в городе отличаются от параметров распространения в свободном пространстве. Напряженность электромагнитного поля в городских условиях уменьшается с расстоянием значительно быстрее, чем вторая степень расстояния, из-за рассеяния электромагнитных волн на многочисленных препятствиях. В результате взаимодействия с препятствиями только некоторая часть мощности передатчика дойдет до приемника, остальная часть либо будет поглощена препятствием, либо отразится под произвольным углом и пройдет мимо приемника. Кроме того, уменьшающаяся «в среднем» напряженность поля реально испытывает флуктуации, вызванные экранирующим действием отдельных зданий, сооружений и складок местности. Распределение теневых и освещенных областей в сложной, нерегулярной городской застройке и пересеченной местности с большой долей достоверности можно считать случайным. В результате напряженность поля в каждой точке пространства лишь с некоторой вероятностью равна средней, реально испытывая случайные флуктуации около среднего значения, монотонно уменьшающегося по мере удаления от передатчика. Принято говорить, что флуктуации напряженности поля вызывают медленные замирания сигнала на антенне приемника. Практически глубина медленных замираний, зависящая от величины дисперсии случайного распределения напряженности поля, определяет процент территории, на которой гарантируется величина сигнала, обеспечи-

вающая нормальную работу радиостанции.

Модель «большого расстояния» лежит в основе всех методик расчета дальности радиосвязи, отличающихся друг от друга только способом введения коэффициентов коррекции, отражающих реальные условия распространения, в формулы распространения поля в свободном пространстве. Сколько-нибудь серьезного теоретического обоснования того или иного способа введения дополнительных коэффициентов не существует. Все варианты определения поправочных коэффициентов к скорости уменьшения поля с расстоянием, а также дисперсии случайного отклонения напряженности поля от среднего значения опираются на экспериментальные данные, полученные в различных городах, на разных частотах, в различных географических условиях, в разное время суток и т. д. Результатом расчета по модели «большого расстояния» является вероятное значение напряженности поля на некотором расстоянии от излучателя. Расчет усредненного поля в приближении «большого расстояния» применяется при проектировании сетей связи, для оптимизации расположения и величины мощности базовых передатчиков путем определения размеров зоны уверенного приема, зон взаимного перекрытия передатчиков, теневых и освещенных зон и т. д.

Модель «малого расстояния» отражает интерференционную структуру электромагнитного поля, возникающую вследствие взаимодействия когерентных волн, излученных передатчиком. Суммарная величина электромагнитного поля в каждой точке пространства определяется амплитудами и фазами нескольких когерентных волн, которые за счет многократных отражений прошли путь различной длины от передатчика до данной точки приема.

Очевидно, что на значительном расстоянии от передатчика амплитуды и фазы волн статистически независимы и в результате получается интерференционная картина поля в виде случайного чередования максимумов (сложение в фазе) и минимумов (сложение в противофазе) поля. Поскольку расстояние между минимумами и максимумами в интерференционной картине поля равно четверти длины волны, то и существенные изменения величины напряженности поля также происходят на очень малых расстояниях, порядка нескольких сантиметров в диапазоне УКВ.

Структура поля на малых расстояниях является не гладкой, не монотонной и не стационарной. Увеличение или уменьшение напряженности поля не связано с расстоянием до передатчика, так как определяется случайным состоянием радиоканала (взаимным расположением и передвижением приемника, передатчика и препятствий) в текущий момент времени. В результате возможны очень сильные изменения величины электромагнитного поля на небольших расстояниях и в короткие промежутки времени. С точки зрения теории сигналов нестационарная интерференционная структура поля соответствует приему нескольких копий одного и того же сигнала. Идеальный сигнал передатчика достигает приемника несколькими путями различной длины, что и приводит к появлению в приемнике нескольких копий сигнала, каждая из которых имеет собственное время распространения. Накладывающиеся друг на друга копии сигнала вызывают искажение формы принимаемого сигнала, которые характеризуются как быстрые замирания величины принимаемого сигнала на антенне приемника. Величина быстрых замираний принимаемого сигнала определяется мгновенным состоянием многолучевого канала распространения, т. е. перемещением

передатчика, приемника и препятствий между ними, а также скоростью этих перемещений. Практически величина поправки на быстрые замирания определяет процент времени, в течение которого величина напряженности поля превышает заданную величину.

Расчеты по модели «малого расстояния» позволяют определить реальную структуру и статистические характеристики сигнала в локальной области пространства (точке приема), который отличается от идеального сигнала на выходе передатчика вследствие многолучевого распространения радиоволн и перемещения приемника, передатчика и препятствий между ними.

Основой расчета дальности радиосвязи по модели «большого расстояния» является формула для распространения радиоволн в свободном пространстве с соответствующими поправочными коэффициентами

В соответствии с ней мощность сигнала в точке приема, на заданном рас-

стоянии от передатчика в логарифмическом виде равна

, (8.1)

где P(d) – мощность сигнала на расстоянии d от передатчика, дБм; P_∑ – мощность передатчика, дБм; L₀ – коэффициент потери мощности от выхода передатчика до точки в эфире, находящейся в непосредственной близости d₀ от антенны передатчика, дБ; γ – коэффициент затухания радиоволн при распространении в городской среде.

Коэффициент потери мощности L0 устанавливает соотношение между активной мощностью передатчика, измеренной на эквиваленте нагрузки, и мощностью излученного сигнала в непосредственный близости от антенны передатчика. Этот коэффициент включает все параметры антенно-фидерного тракта передатчика и параметры антенны, а именно: коэффициент передачи высокочастотного фидера, коэффициенты передачи устройств согласования и защиты, кпд и коэффициент направленного действия антенны. Коэффициент затухания радиоволн = (2…5) определяет величину потерь при распространении радиоволн в городских условиях. Превышение величины этого коэффициента над теоретическим значением = 2 для свободного пространства отражает величину дополнительных потерь вследствие поглощения и отражения радиоволн естественными и искусственными препятствиями. На величину влияют плотность городской застройки, преобладающий тип зданий (бетон, кирпич, дерево), характер подстилающей поверхности (земля, вода, лес).

Рассмотренная выше модель характеризуется быстрыми колебаниями уровня сигнала вокруг среднего значения. Даже незначительные изменения расположения подвижной станции могут стать причиной существенных изменений уровня принимаемого сигнала. С точки зрения проектирования систем радиосвязи представляет интерес определение зависимости средней мощности сигнала от расстояния до базовой станции. Обычно измерения усредняются на интервале от 5 до 40, где – длина волны несущей.

В частотном диапазоне от 1 до 2 ГГц локальная мощность усредняется на отрезке от 1 до 10м. Результат измерений зависит от расстояния до передающей станции, а также от реальной конфигурации основных препятствий, искажающих и отражающих элементов вдоль путей распространения сигнала к приемнику, но не в непосредственной близости от него. Этот вид информации необходим для разработки систем сотовой связи. Т. о., в лога-

рифмическом масштабе средняя мощность снижается линейно с увеличением расстояния d. Скорость падения составляет 10γ дБ на декаду.

Параметр γ определяется местными условиями распространения сигнала – табл.8.1.

Таблица 8.1 Значения γ для различных типов окружающей среды

Тип среды	Значение коэффициента γ
Свободное пространство	2
Сотовая радиосвязь в городе	2,75…3,5
Затененная сотовая радиосвязь в городской местности	3…5
В здании на линии прямой видимости	1,6…1,8
В здании с препятствиями на линии распространения радиосигнала	4…6
На предприятиях с препятствиями на линии распространения радиосигнала	2...3

Формула (8.1) характеризует зависимость среднего уровня принятой мощности от расстояния до передающей антенны.

Было замечено, что замеры мощности в различных местах, находящихся на одинаковом удалении от передающей антенны, могут давать совершенно разные результаты [2].

Это явление обусловлено различным расположением препятствий, отражающих, рассеивающих и снижающих уровень сигнала; оно называется радиозатенением.

Измерения показывают, что принимаемая мощность – это случайная величина. Более того, ее распределение в логарифмическом масштабе – гауссовское, т. е.

,

где X(0, б) – случайная величина с гауссовским распределением, нулевым

средним и дисперсией б². Т. о., в линейном масштабе принимаемая мощность имеет лога-

рифмически нормальное распределение.

Зная распределение в логарифмическом масштабе, особенно дисперсию б², можно рассчитать вероятность того, что уровень принимаемого в заданной точке сигнала превышает определенный порог. Такие расчеты используются для оценки зоны радиопокрытия базовой станции. Распространение радиосигнала по местности с такими препятствиями, как строения, неровности поверхности, деревья и кусты – это настолько

сложный процесс, что разработчики системы часто производят замеры электромагнитного поля в определенных участках местности для того, чтобы определить реальную зону обслуживания базовой станции. Эти замеры чрезвычайно дороги, и в связи с этим на основе собранных экспериментальных данных для различных типовых условий разработано несколько моделей распространения сигнала, позволяющих оценить медианные потери мощности в зависимости от расстояния d до базовой станции, типа среды распространения, а также высот передающей и приемной антенн.

Наибольшая точность расчетов обеспечивается при непосредственном применении уравнения, описывающего модель «большого расстояния», с использованием экспериментально измеренных параметров модели для конкретного региона.

2. Методы и цели разнесения сигналов. Сравнение различных методов разнесения сигналов БС. Применение методов разнесения сигналов в подвижной радиосвязи (на примере сотовой связи стандарта GSM). Улучшение характеристик помехоустойчивости.

Разнесение - метод борьбы с замираниями (многолучевыми замираниями), основанный на организации нескольких каналов для приема сигналов с одной и той же информацией. Согласно теории, выигрыш от разнесенного приема достигается лишь в том случае, если сигнал, попадающий по нескольким независимым путям в точку приема, имеет примерно одинаковую среднюю мощность лучей (только тогда можно утверждать, что хотя бы один из приходящих сигналов не будет подвержен глубоким замираниям).

Существует два основных класса методов борьбы с замираниями: явное и неявное разнесение.

При явном разнесении по каналу связи передается один или несколько избыточных сигналов, содержащих ту же полезную информацию, что и основ­ной луч. В настоящее время наиболее часто применяются три способа явного разнесения – пространственное, частотное и временное.

При неявном разнесении избыточные сигналы не используются. Их роль играют несколько независимых копий сигнала, которые образуются на входе приемника за счет эффекта декорреляции сигнала в многолучевом канале.

Методы разнесения. Пространственное разнесение стало самым первым методом борьбы с замираниями: оно было реализовано еще в 1927 г. и базировалось на использовании нескольких антенн. Чтобы обеспечить эффективный прием, например, на две антенны, достаточно разнести их на расстояние не менее 10 или 20 λ_н (λ_н – длина волны). Хотя в этом случае дополнительный частотный ресурс не требуется, необходимость применения дополнительных антенн значительно усложняет оборудование станции.

Существует несколько видов пространственного разнесения. На базовых станциях в основном реализуется пространственное разнесение в горизонтальной плоскости. Разнесение в вертикальной плоскости (угловое) применимо лишь в сетях микросотовой связи, где допускается достаточно большой разброс по углу приема сигналов.

Если задействуется другая разновидность пространственного разнесения – поляризационное, то сигналы передаются и принимаются с разными ортогональными поляризациями (вертикальной и горизонтальной). И хотя в таком случае дополнительная антенна не нужна, уровень мощности каждого канала становится примерно на 3 дБ меньшим, чем при использовании сигнала одной поляризации. (Здесь следует заметить, что при неявном поляризационном разнесении, когда излучаемый сигнал принимается с помощью одной кросс-поляризованной антенны, уровни мощности в разных каналах могут различаться на 10–12 дБ.)

В системах на базе стандартов 3-го поколения планируется использовать ряд оригинальных методов борьбы с замираниями. Так, для систем стандарта DS-CDMA предусмотрено применение пространственно-кодового разнесения (ортогонального разнесения на передаче, OTD), при котором через каждую из антенн базовой станции излучается своя ортогональная кодовая последовательность. В проекте UTRA (ETSI) предложен другой способ: передаваемый сигнал сжимается во времени и излучается поочередно через две антенны (например, через одну «проходят» только четные пакеты, а через другую – нечетные), причем мощность передатчика «делится» между ними поровну.

Метод частотного разнесения основан на излучении одного и того же сигнала на разных частотах. Выигрыш достигается только в том случае, если интервал между несущими частотами больше ширины полосы когерентности Вc.

Комбинированное пространственно-частотное разнесение планируется реализовать в системе на базе стандарта cdma2000. Многочастотный сигнал будет передается через разнесенные антенны, что не потребует усложнения абонентского терминала, поскольку прием таких сигналов обеспечивается с помощью многоканального Rake-приемника, каждый канал которого настроен на свою многолучевую составляющую.

Временное разнесение в CDMA-сетях играет ту же роль, что и в системах с временным доступом (TDMA). При использовании этого метода для борьбы с пакетами ошибок, которые образуются при глубоких замираниях, применяется поблочное перемежение в сочетании с кодами, исправляющими ошибки. Операция перемежения позволяет декоррелировать пакеты ошибок за счет их преобразования в группу случайных (обычно одиночных) ошибок. Последние эффективно исправляются сверточным декодером. Поскольку при перемежении изменяется лишь порядок следования символов в пределах одного или нескольких кадров, то данный метод не вносит избыточности, а следовательно, не приводит к снижению средней мощности передатчика.

Улучшение характеристик помехоустойчивости. Методы повышения помехоустойчивости, применяемые в системах с кодовым доступом (CDMA) при работе в условиях замираний и многолучевого распространения радиоволн, существенно отличаются от тех, которые используются при приеме узкополосных сигналов.

Чаще всего многолучевость возникает, как результат многократного отражения передаваемого сигнала от зданий и других препятствий на пути распространения радиоволн. Отраженные сигналы могут интерферировать с прямым лучом, имеющим наибольшую интенсивность. Сигналы разных лучей сдвинуты по времени друг относительно друга, что обусловлено различной длиной трассы их прохождения. Поскольку всегда существует несколько путей распространения радиоволн от передатчика к приемнику, то в точке приема разные копии одного и того же сигнала интерферируют друг с другом, создавая глубокие замирания радиоволны, которые в основном и влияют на качество передачи информации и пропускную способность системы.

Кроме эффекта многолучевости при реализации подвижной связи порой возникают доплеровские сдвиги частоты, обусловленные перемещением абонента в процессе сеанса. Вообще говоря, сигналы разных лучей могут иметь различные амплитуды, начальные фазы, задержки и доплеровские сдвиги частоты.

Частотно-временные сдвиги сигналов в многолучевом канале связи вызывают так называемые селективные, т.е. зависящие от времени или частоты, замирания.

При частотно-селективных замираниях отдельные составляющие принимаемого сигнала имеют разные амплитуды и сдвиги начальной фазы, но главное, что разброс задержки сигнала (т. е. разность хода лучей по времени) соизмерим со значением 1/F (F – полоса частот передаваемого сигнала) или превышает его. Этот вид замираний приводит к искажению формы спектра и, как следствие, к снижению качества связи. Однако характер замираний на близко расположенных частотах практически одинаков, а степень корреляции сигналов достаточно высока, поэтому искажения начинают проявляться лишь в том случае, если полоса передаваемого сигнала превышает ширину так называемой полосы когерентности канала – Bc (т. е. сигнал «перехлестывает» область частот, в которой отдельные спектральные составляющие коррелированы). Таким образом, чем шире спектр передаваемого сигнала, тем в большей степени он подвержен частотно-селективным замираниям.

Замирания, при которых характеристики канала связи изменяются с течением времени, вызывая искажение формы передаваемых символов, называются временными селективными замираниями. Сопровождающие их искажения проявляются лишь тогда, когда длительность информационной посылки начинает превышать время когерентности Tc (интервал, в пределах которого любые отсчеты сигнала взаимозависимы, а вне его в значительной степени декоррелированы). Время когерентности определяется величиной разброса доплеровской частоты в канале связи, которая зависит от скорости перемещения подвижного обюекта.

3. Расширение спектра сигнала для понижения уровня шума. Расширение спектра методом прямой последовательности. Многостанционный метод с кодовым разделением каналов. Система со скачкообразным изменением частоты. Расширение спектра с перестройкой во времени.

Различные виды цифровой модуляции были разработаны для того, чтобы максимально использовать ограниченную полосу пропускания, выделенную заданной цифровой системе связи. Клод Шеннон вывел формулу для емкости канала, ограниченного до W (в Гц), в котором сигнал искажается аддитивном белым гауссовым шумом с удельной мощностью N₀/2:

,

где Рαν – средняя энергия входного сигнала.

Количество информации, которую можно переслать по каналу с аддитивным белым гауссовым шумом, достигает своей верхней границы, называемой пропускной способностью канала, в случае гауссового входного сигнала. Цифровой сигнал с МС-модуляцией будет иметь гауссово распределение только тогда, когда количество поднесущих велико. В традиционных системах скорость передачи данных достигает максимума и становится близка к предельной пропускной способности канала при максимизации отношения сигнала к шуму.

Такую же пропускную способность канала можно получить, расширяя спектр сигнала до тех пор, пока уровень сигнала не станет ниже уровня шума. Это наблюдение и используется в системах с расширением спектра.

Самый распространенный тип системы с расширенным спектром, обозначаемый в литературе DSSS (расширение спектра методом прямой последовательности, англ. Direct Sequence Spread Spectrum). В системе DSSS спектр цифрового информационного сигнала расширяется путем прямого умножения на псевдослучайную последовательность. Оптимальным для приема сигналов, искаженных белым гауссовым шумом, является корреляционный приемник. Он перемножает искаженный принятый сигнал с известным, синхронизированным по отношению к принятому, опорным сигналом. Опорный – псевдослучайный сигнал, используемый в передатчике для представления информационных битов. Двоичные информационные сигналы имеют биполярное представление, т.е. поляризация псевдослучайной последовательности (ПСП) информационными битами эквивалентна умножению этой последовательности на -1 или +1. На основании выше изложенной можно сделать вывод о том, что ПСП рассматривается в качестве элементарного сигнала, характеризующего один информационный бит, в то время как та же самая последовательность с обратной полярностью представляет собой логическое отрицание бита.

Эффект расширения спектра возможен и тогда, когда период псевдослучайной последовательности превышает длительность одного информационного бита. Система DS-SS представляет собой альтернативу системам с узкополосным каналом. Из свойств взаимной корреляции используемых псевдослучайных последовательностей можно вывести интересную особенность систем с расширенным спектром. Благодаря тому, что корреляционные устройства приемника пропускают только единственную последовательность, один и тот же спектр может разделяться между многими пользователями, применяющими различные псевдослучайные последовательности. Это свойство лежит в основе метода многостационного доступа с кодовым разделением каналов (англ.Cоde Division Multiple Access – CDMA).

Основа CDMA – использование шумоподобной несущей с очень широкой полосой частот. Меняя фазу узкополосного сигнала в соответствии с псевдослучайной цифровой последовательностью, получаем шумоподобный сигнал с широким спектром, несущий информацию. Информационный сигнал как бы «расплывается» по спектру шумоподобного сигнала. В канале связи к сигналу добавятся помехи и сигналы других передатчиков, но они не совпадают по фазе с использованным шумоподобным сигналом. Поэтому после демодуляции получим почти чистую узкополосную составляющую – переданный поток данных.

Если свойства канала изменяются во времени, то может оказаться достаточно сложно обеспечить синхронный прием и, особенно, реализовать восстановление синхронизации с точностью до доли кодового импульса. В этом случае в системах с расширением спектра используются так называемые скачки частоты. При системе со скачкообразным изменением частоты (англ. Frequency Hopping Spreaс Spectrum – FH-SS) биты данных, которые дополнительно могут кодироваться с упреждающей коррекцией ошибок (FEC), воздействуют на выход модулятора частотной манипуляции (FSK). FSK-сигнал сдвигается по частоте на интервал, определяемый псевдослучайным генератором, который управляет синтезатором частот. Если синтезатор может сгенерировать 2m-1 различных частот, то выходная частота определяется m последовательными битами генератора ПСП. Из-за широкого частотного диапазона генерируемых сигналов очень сложно обеспечить фазовую синхронизацию между несущими, выбираемыми при последовательных скачках. Поэтому в приемнике используется некогерентный FSK-демодулятор. Скачки частоты происходят много раз за период трансляции одного информационного бита. Период FSK-модуляции Тb разделен на множество коротких временных интервалов Тh, называемых временем скачка. В этом случае говорят о быстром скачкообразном изменении частоты. Третий тип – системы расширения спектра с (псевдослучайной) перестройкой во времени (англ. Time Hopping Spread Spectrum, TH-SS).

В такой системе период передачи информационного бита разделен на МТ тактов (временных слотов). Генератор ПСП определяет номер временного слота для передачи информационного сигнала. Характерной чертой такой системы является ее пакетная природа. Сигнал передается в течение 1/МТ-й части периода передачи информации. Обычно значение МТ примерно равно 1000. Однако такое количество тактов создает серьезные проблемы с синхронизацией, решить которые намного сложнее, чем проблемы с синхронизацией в системе DS-SS. Для обеспечения равномерной передачи информации по системе TH-SS передатчик и приемник должны быть оснащены буферами памяти. Наибольшее практическое значение имеют системы DS-SS и FH-SS.

4. Причины нестабильности уровня сигнала мобильной станции в пространстве и во времени. Методы расчета среднего ожидаемого уровня сигнала. Математические модели радиолиний. Модель распространения радиоволн в свободном пространстве. Опорное расстояние. Расчет уровня сигнала.

Особенности условий функционирования, характерные для мобильной радиосвязи приводят к появлению нескольких факторов, существенно усложняющих прием сигналов:

-затухание сигналов при распространении;

-замирания огибающей, вызванные многолучевостью распространения;

-искажение спектра и формы сигнала при селективных замираниях;

-межсимвольная интерференция.

Условия распространения радиоволн включают 5 моделей:

- статическая модель (STATIC);

- для сельской местности (Rax);

- для холмистой местности (НТх);

- для типичной городской застройки (Tux);

- для плотной городской застройки (Bux).

В моделях с динамическими (Rax, HTx, Tux, Вuх) оговорены два варианта изменения параметров, которые соответствуют условиям движения автомобиля в городе со скоростью 50 км/ч и в сельской местности — 200 км/ч. Например, изменение радиосигнала на входе приемника авто­мобильной радиостанции, движущийся со скоростью 200 км/ч в условиях холмистой местности, описывается моделью НТ200.

Дополнительно предусмотрена модель для тестирования эквалайзера (Eqx).

Статическая модель характеризуется отсутствием амплитудных и фазовых искажений сигнала.

Модель распространения сигнала в сельской местности описывает флуктуации сигнала распределением Райса и имитирует постоянный доплеровский сдвиг частоты.

Условия распространения сигнала над холмистой местностью предполагают отсутствие пря­мой радиовидимости между приемником и передатчиком, а также наличие достаточно удаленных переотражающих объектов. Такие условия описываются двухлучевой моделью со средним соотношением уровня лучей минус 8,6 дБ и средней задержкой сигнала во втором луче на четверть символа. Флуктуации сигнала на входе приемника описываются законом Релея.

Модели распространения сигнала в городских условиях предполагают отсутствие прямой ра­диовидимости между приемником и передатчиком, и наличие большого количества переотражающих объектов. Данный случай также описывается двухлучевой моделью, но с другими амплитудными и временными соотношениями. Например, задержка между лучами составляет приблизительно 1/10 символа, то есть сигнал на входе приемника практически не испытывает меж­символьных искажений.

Модель для тестирования эквалайзера применяется только для тестирования аппаратуры класса Е. В данной модели флуктуации сигнала на входе приемника имитируются релеевскими замираниями по четырем лучам с задержкой сигнала в лучах до двух символов.

5. Двухлучевая модель. Расчет уровня сигнала. Дифракция радиоволн на препятствии. Математическая модель. Расчет напряженности поля за препятствием. Расчет напряженности поля методом Okumura. Метод Hata. Учет профиля трассы при расчете ослабления радиоканалов.

Для рассмотрения влияния многолучевого распространения на прием сигнала и первичного анализа распространения сигнала на пересеченной местности, например, в городских условиях, используется модель двулучевого распространения – значительное упрощение реальной ситуации.

Рассмотрим (приближенно) функцию изменения мощности сигнала взависимости от дальности приема. Чем дальше от антенны – тем меньше уровень сигнала. Если предположить, что расстояние r велико по сравнению с высотами передающей h1 (базовая станция) приемной h2 (мобильная станция) и антенн, то разница между r1 и r2 станет несущественной. Фазовая разность между сигналами, распространяющимися этими путями, составит

.

В итоге, мощность принимаемого сигнала с учетом сделанных допущений, которую для малых углов можно выразить формулой

. (8.1)

Формула (8.1) говорит о том, что появление второго пути распространения, отличного от пути распространения по линии прямой видимости, оказывает серьезное влияние на мощность принимаемого сигнала, функционально зависящего от расстояния до передающей антенны.

Для двулучевого распространения принимаемая мощность обратно пропорциональна четвертой степени расстояния!

Т. о. в логарифмическом масштабе уменьшение мощности составляет 40дБ на десять единиц расстояния, в то время как при однолучевом распространении сигнала в свободном пространстве это уменьшение составляет 20 дБ. Двулучевое распространение – это исключительно теоретический случай, который позволяет понять влияние многолучевого распространения на свойства канала передачи данных. В реальных системах количество путей намного больше и зависит от особенностей окружающей среды.

Мощность сигнала, принимаемого на расстоянии r от передающей антенны, часто описывают выражением

,

где γ – показатель степени, зависящий от условий распространения сигнала и варьируемый от 2 до 5,5.

Основу классической теории распространения радиоволн составляют три эффекта: отражение, рассеяние, дифракция. Все они в усредненном, вероятностном представлении учитываются в эмпирических коэффициентах расчетных формул.

Явление дифракции – огибание радиоволнами крупных экранирующих объектов – объясняется на основании принципа Гюйгенса, согласно которому любая точка фронта распространения волны может рассматриваться как источник вторичных радиоволн, которые, в свою очередь, распространяются во всех возможных направлениях. Дифракция позволяет УКВ-радиосигналам распространяться за горизонт и определяет структуру

поля за препятствием. Благодаря дифракционным эффектам можно с некоторой вероятностью осуществлять связь на УКВ за горизонтом вне прямой видимости передатчика и приемника. Однако реального, практического значения это не имеет. Современные методики построения сетей связи направлены, прежде всего, на обеспечение уверенной радиосвязи в любой точке зоны покрытия. Это предполагает получение избыточно высокого

уровня передаваемой мощности всюду в зоне покрытия, поэтому возможность неустойчивой загоризонтной радиосвязи в УКВ-диапазоне не используется.

Рельеф местности оказывает существенное влияние на потери напряженности поля радиосигналов в месте приема. Поскольку антенны радиостанций находятся в непосредственной близости от земли, то на трассах радиосвязи неминуемо появляются крупномасштабные объекты, которые экранируют приемные антенны от передающих, затрудняя или полностью исключая условия прямой видимости. Чем больше пересеченность местности, тем большее влияние она оказывает на условия прямой видимости станций. Для уточненного расчета зон радиотени от больших протяженных объектов используются известные из теории дифракции формулы зон Френеля.

Ослабление поля сигнала при этом зависит не только от величины просвета трассы радиосвязи, но и от расстояний до экранирующего объекта – рис. 2.4.

Р ис. 8.4. Экранирование мобильной станции на трассе радиосвязи

Параметры трассы радиосвязи h₀, r_A, r_B (геометрия препятствия), а также длина волны определяют значение обобщенного параметра потерь – d. Обобщенный параметр d (дифракционный параметр) определяет размеры той части пространства между радиостанциями А и В, в которой распространяется основная доля энергии электромагнитного поля, называемой областью существенной для распространения радиоволн. Если величина экрана не будет превышать радиус R первой зоны Френеля

(рис. 8.4 б), то напряженность поля сигнала в месте приема будет практически соответствовать напряженности поля на открытой трассе. Если же величина экрана будет больше радиуса первой зоны Френеля, то, несмотря на формально закрытую трассу, ослабление напряженности поля сиг­нала будет определяться дифракционным параметром d.

Числовое значение параметра d можно определить с помощью угла между направлением от передатчика к вершине препятствия и направле­нием от приемника к вершине препятствия а (рис. 8.5) по следующей фор­муле:

,

где r_А, r_B - расстояния от приемника и передатчика до препятствия; α- угол между направлением от передатчика к вершине препятствия и направлением от приемника к вершине препятствия.

Рис. 8.5. Расчет дифракционного поля за препятствием

Наличие поля за протяженными препятствиями в условиях города яв­ляется существенным фактором и не может игнорироваться. Реально на­пряженность поля за препятствиями, типичными для городской застройки (длинные и высокие здания, туннели, дворы внутри микрорайонов), впол­не достаточна для нормального приема радиосигнала, и это должно учиты­ваться при определении количества и местоположения базовых радиостан­ций.

В самом простом случае усредненная величина напряженности поля за препятствием определяется в модели Найфа (Knafe) следующим образом:

,

где G_d— коэффициент ослабления напряженности электромагнитного поля за препятствием; ξ_дп - коэффициент дифракционных потерь; Ed — напря­женность электромагнитного поля за препятствием; E₀ — напряженность электромагнитного в свободном пространстве.

При расчете стационарных (не­подвижных) линий УКВ радиосвязи (для базовых станций) коэффициент ослабления поля сигнала Gd (коэффи­циент дифракционных потерь ξ_дп, как функцию параметра d, удобно учиты­вать графическим путем с помощью кривой Найфа (рис. 8.6).

Рис. 8.1 Коэффициент ослабления поля в стационарных линиях радиосвязи

В мобильных системах связи в процессе движения подвижной станции MS параметры трасс радио­связи h₀, r_A, r_B.. постоянно изменяются. Рассмотренный выше графический способ оценки коэффициента ξ_дп ока­зывается непригоден.

Для подвижной системы коэффициент дифракционных потерь оцени­вается экспоненциальной зависимостью:

ξ_дп = e^-βдп ;

β_дп = z·r_э ;

,

где ξдп - показатель дифракционных потерь; ε_э - постоянная затухания экрана; r_э - протяженность экрана; f₀ - частота излучения; с - скорость света.

Реальная радиотрасса состоит из отдельных участков с различным уровнем экранирования, поэтому показатель дифракционных потерь трас­сы находится как интегральный показатель.

В основе модели Окамуры (англ. Okumura) также лежит множество измерений. Многочисленные измерения в частотном диапазоне от 150 до 1920 МГц проводились в Токио. Для описания зависимости медианных потерь (L₅₀)dB от расстояния d до передающей антенны базовой станции была предложена формула

;

, (8.2)

где L_S – потери при распространении в свободном пространстве; А(f,d) – медианное значение потерь в городской среде с квазигладкой земной поверхностью по отношению к затуханию в свободном пространстве в случае, если эффективная высота антенны базовой станции

h_BS,eff = 200 м, а высота антенны подвижной станции h_MS = 3 м; G(h_BS,eff)-корректирующий коэффициент (в дБ), учитывающий отличие эффективной высоты антенны базовой станции от 200 м; G(h_MS) – корректирующий коэффициент (в дБ), зависящий от высоты антенны подвижной станции, если она отличается от 3 м.

Потери при распространении в свободном пространстве LS вычисляются в логарифмическом масштабе. Формула (8.1), совместно с полученными эмпирическими графиками, приведенными в [2], позволяет оценить затухание сигнала в условиях городской застройки на частотах от 150 до 2000 МГц, если расстояниемежду подвижной и базовой станциями составляет от 1 до 100 км, а эффективная высота антенны базовой станции лежит в диапазоне от 30 до 1000 м. В настоящее время предложены дополнительные корректирующие члены, позволяющие учесть наклон и неровности местности, а также ее

тип.

В справочной литературе можно обнаружить другой вариант формулы, описывающей модель Окамуры.

Модель Окамуры очень проста. Она основана исключительно на экспериментальных данных, собранных в районе Токио. Характеристики японской городской местности немного отличаются от характеристик городской местности в Европе или США. Несмотря на это, модель Окамуры пользуется популярностью и считается наилучшей моделью для разработ-ки сотовых и других систем наземной подвижной связи. Основной недостаток модели Окамуры – медленная реакция на изменение типа местности. Эта модель лучше всего подходит для городских и пригородных районов и не очень эффективна для сельской местности.

Модель Хата (англ. Hata) возникла в результате адаптации эмпирических формул к графикам, составленным Окамурой и его соавторами. Эти формулы хорошо аппроксимируют графики в определенных диапазонах несущих частот на квазигладкой земной поверхности. Для оценки затухания сигнала Хата предложил следующие эмпирические формулы. В городской местности в частотном диапазоне от 150 до 1500 МГц при эффективной высоте антенны базовой станции h_BS,eff = от 30 до 200 м имеем

(L₅₀)_dB|_город =69,55+26,16·lgf – 13,83·lg(h_BS,eff) – a(h_MS)+[44,9 – 6,55·lg(h_BS,eff)]·lgd ;

a(h_MS) = (1,1·lgf – 0,7)h_MS –1,56· lgf +0,8

где a(h_MS) – поправочный коэффициент зависящий от высоты антенны подвижной станции и вычисляемый в диапазоне высот от 1 до 10 м.

Для крупного города он задается выражениями (в дБ):

a(h_MS) =8,29(lg1,54h_MS)² – 1,1 для f ≤ 400 МГц,

a(h_MS)=3,2(lg11,75h_MS)²–4,97дляf≥400МГц.

В пригородной местности потери при распространении сигнала можно описать формулой

.

В условиях открытой местности потери описываются выражением

(L₅₀)_dB =(L₅₀)_dB|_город – 4,78(lgf)² +18,33· lgf – 40,94.

Представленные выше модели распространения сигнала позволяют оценить зависимость потерь от несущей частоты, высоты антенн базовой и подвижной станций и типа местности. Они неплохо отражают процессы распространения сигнала на расстояния, превышающие 1 км, и лучше всего подходят для частот до 1,5 ГГц. Однако системы персональной связи

работают в диапазоне от 1,8 до 2,0 ГГц. Примеры таких систем – это DCS 1800 и PCS 1900 – две версии системы GSM, функционирующие в Европе и США соответственно. В связи с этим, для создания моделей распространения сигнала в частотном диапазоне от 1,8 до 2,0 ГГц в условиях, характерных для систем PCS, были поставлены многочисленные экспери-

менты и проведено множество измерений. По причине большего затухания сигнала в диапазоне 1,8 ГГц в сравнении с диапазоном 900 МГц, традиционно применяемым в сотовой телефонии, основное различие между системой PCS и традиционной сотовой системой заключается в уменьшении размера сот. Исследования новых моделей распространения проводились в рамках проекта Европейского Союза COST#231. В результате в справочной литературе представлены, по крайней мере, две известные модели распространения, разработанные в рамках проектов COST:

модель COST231-Хата;

модель COST231-Уолфиш-Икегами.

Контрольные вопросы:

1.В чем особенность разнесенного приема?

2. Какие методы разнесения Вы знаете?

3. Какова суть частотного разнесения?

4. Какие методы существуют для улучшения характеристик помехоустойчивости?

5. При каком замирании отдельные составляющие принимаемого сигнала имеют разные амплитуды и сдвиги начальной фазы?