Добавил:
linker.pp.ua Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
метода Теор.осн.сист.моб.связи (2012).doc
Скачиваний:
152
Добавлен:
15.12.2018
Размер:
3.2 Mб
Скачать
    1. Организация физических и логических каналов; типы логических каналов; структура логических каналов связи и управления; организация физических каналов.

Кроме собственно информации речи по каналу связи должна передаваться так называемая сигнальная (signalling) информация, включающая информацию управления и информацию контроля состояния аппаратуры. Ниже под сигналь­ной информацией будем понимать управляющую информацию. Каналы связи в стандарте GSM можно разделить на (рис. 3.13): частотные; физические; логические каналы.

Рис. 3.13. Частотные, физические и логические каналы в стандарте GSM

Частотный канал — это полоса частот, отводимая для передачи информации по одному ка­налу связи.

При использовании метода TDMA, в одном частотном канале размещается 8 каналов связи, то есть 8 физических каналов.

Это не противоречит приведенному определению частотного канала.

Один частотный канал занимает полосу Δf = 200 кГц, так что всего в полном диапазоне с учетом защитных полос размещается (45/0,2- 1) = 124 частотных канала.

Центральная частота канала (в МГц) связана с его номером N отношениями:

  • канал MS => BSS: f1 = 890,200 + 0,200·N, где 1 < N < 124;

  • канал BSS => MS: f 2 = 935,200 + 0,200·N, где 1 < N <124.

Отметим, что один частотный канал, строго говоря, занимает две полосы Δf = 200 кГц, одну под канал MS =>BSS, а другую — под канал связи BSS=>MS.

При использовании режима работы со скачками по частоте SFH для передачи информа­ции одной и той же группы физических каналов последовательно во времени используются различные частотные каналы.

Физический канал в системе TDMA — это временной слот с определенным номером в по­следовательности кадров радиоинтерфейса.

В стандарте GSM передается информация 8 физических каналов при полноскоростном кодировании, но при полускоростном кодировании один физический канал содержит два канала трафика, информация которых передается по очереди, через кадр, то есть при этом реализуется временное уплотнения каналов в 8 раз при полноскоростном кодировании и в 16 раз — при полускоростном.

В этом и состоит одно из основных преимуществ цифрового поколения сотовой мо­бильной связи по сравнению с аналоговым.

Итак, физический канал образуется путем комбинирования временного и частотного разделения сигналов и определяется как последовательность радиочастотных каналов (с возможностью скачков по частоте) и временных интервалов кадров TDMA.

Каждая несущая содержит 8 физических каналов, размещенных в 8-ми временных ин­тервалах в пределах кадра TDMA. Каждый физический канал использует один и тот же вре­менной интервал в каждом кадре TDMA.

До формирования физического канала сообщения (речевой сигнал) и данные, представ­ленные в цифровом виде, группируются и объединяются в логические каналы.

Логические каналы различаются по виду информации, передаваемой в физическом канале. В принципе, в физическом канале может быть реализован один из двух видов логических каналов:

  • трафика (канал связи) — для передачи кодированной речи и данных;

  • управления (signalling) — для передачи сигналов управления и сигнализации, каждый из них, в свою очередь, может в общем случае существовать в одном из нескольких вариантов (типов).

Структура логических каналов стандарта GSM в упрощенном виде приведена в табл. 3.1. Рассмотрим последовательно виды логических каналов и типы каналов в пределах вида.

Таблица 3.1. Виды логических каналов и типы каналов

Виды логических каналов Типы каналов в пределах видов

Каналы трафика TCH TCH/FS FCH/HS

ВССН: FCCH, SCH

Каналы управления ССН СССН: РСН, RACH, ASCH, SDCCH АССН: FACCH, SACCH

1.Каналы трафика TCH (Traffic CHannel) делятся на:

  • полноскоростные TCH/FS (Full Speech);

  • полускоростные TCH/HS (Half Speech), по виду передачи речевых сигналов (speech).

канал передачи речевых сигналов с полной скоростью TCH/FS — 22,8 кбит/с, по­лускоростной TCH/HS —11,4 кбит/с.

2. Каналы управления ССН (Control CHannel) делятся на 4 типа:

  • вещательные каналы управления ВССН (Broadcast Control CHannel);

  • общие каналы управления СССН (Common Control CHannel);

  • выделенные закрепленные каналы управления SDCCH (Standalone Dedicated Control CHannet);

  • совмещенные каналы управления АССН (Associated Control CHannet).

Каналы ВССН предназначены для передачи информации от BSS и MS в вещательном режиме, то есть без адресации к какой-либо конкретной MS. В число вещательных каналов управления ВССН входят:

  • канал коррекции частоты FCCH (Frequency Correction CHannel), необходимый для подстройки частоты мобильной станции MS под частоту базовой BTS;

  • канал синхронизации SCH (Synchronization CHannel), используемый для кадровой синхронизации мобильных станций MS, а также канал общей информации, не имею­щий отдельного названия.

Общие каналы управления СССН включают:

  • канал вызова РСН (Paging CHannel), используемый для вызова мобильной станции MS;

  • канал разрешения доступа AGCH (Access Grant CHannel), необходимый для назначе­ния закрепленного канала управления, информация которого также передается от ба­зовой станции на мобильную MS;

  • канал случайного доступа RACH (Random Access CHannet), служащий для выхода с мобильной станции MS на базовую BTS с запросом о назначении выделенного канала управления. При передаче информации по каналам СССН прием информации не со­ провождается подтверждением.

Выделенные закрепленные каналы управления SDCCH (используемые в двух вариан­тах, не отраженных в табл. 3.1) являются автономными каналами управления для передачи информации с BSS на MS и в обратном направлении.

Совмещенные каналы управления АССН, также используемые для передачи информа­ции в обоих направлениях (MS<»BSS) и имеющие несколько вариантов (не отраженных в табл. 3.1), включают:

- медленный совмещенный канал управления SACCH (Slow Associated Control CHan­nel), который используется в прямом канале (BSS=>MS) для передачи команды на установку выходного уровня мощности передатчика мобильной станции MS, а в обрат­ном (MS=>BSS) — для передачи данных об уровне установленной мощности. Канал SACCH объединяется с каналом трафика (кадр 13 из мультикадра канала трафика) или с каналом SDCCH);

- быстрый совмещенный канал управления FACCH (Fast Associated Control CHannet), который используется для передачи команд при переходе мобильной станции из соты в соту, то есть при эстафетной передаче. Канал FACCH совмещается с каналом тра­фика, заменяя в соответствующем слоте информацию речи, причем эта замена поме­чается скрытым флажком

    1. Основные принципы компенсации искажений сигналов; разнесенный прием.

При анализе и расчете зон действия БС и решении ряда других задач существенную роль играет учет особенностей распространения радиоволн УКВ- и СВЧ-диапазонов в городских и пригородных условиях. К ним относятся, прежде всего, многолучевое

распространение, вызываемое случайными и многократными отражениями от зданий и других объектов городской застройки, а также рассеиванием радиоволн этими объектами. В результате суммирования различных лучей на приемной стороне радиолинии возникают случайные амплитудные и фазовые флуктуации, вызывающие явления замирания сигнала. Распределение огибающей такого сигнала подчиняется закону Рэлея, а величина замираний относительно среднего уровня составляет > 40 Дб.

Одним из основных путей борьбы с замиранием является использование методов разнесенного приема. Эти методы предполагают наличие нескольких разделенных трактов передачи с независимыми замираниями, по которым передается одно и то же

сообщение. Средние уровни сигналов, передаваемых по каждому тракту, должны быть также примерно одинаковы. При соответствующем комбинировании сигналов, поступающих из трактов передачи, формируется результирующий сигнал, имеющий гораздо меньшую глубину замирания и обеспечивающий соответственно большую надежность передачи.

В последнее время в этих же целях начинает применяться медленная псевдошумовая перестройка рабочей частоты. Кроме того, эффективным средством борьбы с замираниями является внедрение широкополосных цифровых систем подвижной связи с шумоподобными сигналами, ожидаемое в самое ближайшее время.

    1. Использование широкополосных сигналов.

Свое название широкополосные системы связи получили вследствие того, что полоса, зани­маемая используемыми в них сигналами, намного шире полосы, необходимой для передачи непосредственно информации. Одной из первых таких систем, по-видимому, являлась раз­работанная в конце 1950-х гг. система «Рейк» [7.1]. В этой системе за счет использования метода широкополосной передачи удалось обеспечить устойчивую связь в условиях много­лучевого распространения. Методы широкополосной передачи позволили осуществить раз­деление нескольких лучей с различным запаздыванием и тем самым устранить эффект за­мирания сигналов, вызванный многолучевым распространением. В специальных системах методы широкополосной передачи позволяют организовать устойчивую передачу информа­ции в условиях действия преднамеренных помех, мощность которых на входе приемника может превышать мощность полезных сигналов в сотни и тысячи раз. Кроме того, в таких системах использование методов широкополосной передачи позволяет затруднить средст­вам радиоразведки обнаружение факта передачи, т.е. повысить ее скрытность. В сотовых и спутниковых системах связи (см. гл. 6) методы широкополосной передачи позволяют обес­печить одновременную работу многих пользователей в общей полосе частот, т.е. реализо­вать метод многостанционного доступа, основанный на разделении сигналов по форме (Code Division Multiple Access, CDMA).

В системах радиолокации использование методов широкополосной передачи позволяет повысить точность измерения дальности до цели при прочих равных условиях, а также пре­одолеть известное противоречие между дальностью действия локатора и его разрешающей способностью

Среди методов широкополосной передачи в цифровых системах связи наибольшее рас­пространение получили два метода. Первый метод расширения спектра основан на ис­пользовании псевдослучайных последовательностей (ПСП). Такие сигналы обычно называ­ют широкополосными (ШПС), или шумоподобными. Наиболее полное изложение теории и техники шумоподобных сигналов можно найти в работах Л. Е. Варакина .

Укрупненная функциональная схема (модель) цифровой системы связи с ШПС приве­дена на рис. 3.14.

Функции, выполняемые кодером и декодером в этой модели, обсуждались в предыду­щих разделах, хотя использование кодирования, как будет ясно из дальнейшего, в широко­полосных системах имеет определенные особенности. Генераторы ПСП на передающей и приемной сторонах идентичны. Именно они сначала применяются для расширения спектра

передаваемых по каналу связи сигналов, а затем перед демодуляцией для его сжатия. Для расширения спектра в такой схеме применяют фазовую манипуляцию, а получаемые при этом сигналы, как это отмечено выше, нередко называют ФМ ШПС. Информационная ма­нипуляция также фазовая, хотя возможна и произвольная. В модуляторе сначала осуществ­ляется перемножение кодированных символов с ПСП (расширение спектра), а затем непо­средственно фазовая манипуляция.

Рис. 3.14. Модель цифровой системы связи с ШПС

Второй часто используемый метод широкополосной передачи основан на псевдослу­чайной перестройке рабочей частоты сигнала (ППРЧ).

Укрупненная функциональная схема (модель) цифровой системы связи с ППРЧ приве­дена на рис. 3.15.

Рис. 3.15. Модель цифровой системы связи с ППРЧ

Отличаются две схемы тем, что во второй расширение спектра осуществляется не за счет перемножения кодированной информации с ПСП, а за счет вырабатываемой синтеза­тором и перестраиваемой по псевдослучайному закону рабочей (несущей) частоты моду­лятора.

На приемной стороне производится обратное преобразование, что приводит к сжатию спектра перед демодуляцией. При ППРЧ информационная манипуляция также может быть произвольной, хотя следует отметить, что в этом случае в моменты смены частот могут на­блюдаться случайные скачки начальной фазы несущей, поэтому может потребоваться неко­герентная демодуляция, а это заметно снижает эффективность кодирования.

Отметим, что сжатие спектра принимаемого сигнала происходит только в том случае, когда система синхронизации приемника совместит по времени и по частоте принимаемый сигнал и опорный сигнал, вырабатываемый местным генератором ПСП.

Как следует из модели цифровой системы связи с ШПС, расширение спектра передавае­мых в канал связи сигналов осуществляется за счет перемножения или, что то же, сложе­ния по mod 2 кодированной (или некодированной, если кодирование не используется) ин­формации с ПСП.

Наибольшее распространение в действующих системах получили двоичные ПСП, сим­волы которых принимают значения 0 и 1 Как уже отмечалось в гл 6, ШПС, используе­мые в широкополосных системах, характеризуются параметром, который называют базой сигнала В База определяет степень расширения спектра сигнала и количественно определя­ется числом символов ПСП, укладывающихся на длительности информационного (или ко­дированного) символа или, что то же, произведением полосы F, занимаемой спектром ШПС, на длительность информационного (или кодированного) символа Т . Для ШПС

В >> 1, в то время как в системах без расширения спектра В << 1, а сигналы называют простыми, или узкополосными

Основное требование, которому должны удовлетворять ПСП в широкополосных систе­мах, вытекает из их названия Это псевдослучайность, или шумоподобность Такие свойст­ва ПСП, например, как «хорошая» автокорреляционная функция (АКФ), тес малыми боко­выми лепестками, или наиболее равномерный амплитудный спектр, являются производны­ми от их псевдослучайности. Такими же свойствами обладает достаточно длинная реализа­ция БГШ. Ее АКФ представляется в виде δ-функции Дирака, энергетический спектр — рав­номерный

Рассмотрим, каким требованиям должны удовлетворять ПСП, чтобы их можно было бы использовать в качестве основы для построения ШПС.

Первоначально критерием для поиска «хороших» последовательностей являлся минимум боковых лепестков их апериодических АКФ. В наилучшей степени этому критерию удовле­творяли двоичные последовательности (коды) Баркера. Было найдено только шесть после­довательностей Баркера длины N= 3, 4, 5, 7, 11, и 13. Поиски последовательностей Баркера большей длины успехом не увенчались. Из-за относительно малой длины, последовательности Баркера широкого применения в действующих широкополосных системах практически не нашли. Однако такие сигналы используются в беспроводных технологиях, например в Wi-Fi используется 11-ти элементная последовательность в защищённом режиме.

Наиболее широкое применение в широ­кополосных системах связи нашли так называемые М-последовательности. Как правило, используются двоичные М-последовательности. Формируются М-последовательности многотактными линейными фильтрами в виде ре­гистров сдвига с обратной связью.

Рассмотрим за счет каких действий допустимое число одновременно действующих ка­налов при использовании ШПС можно увеличить.

Известно, что в подвижных системах связи основным видом предоставляемых услуг яв­ляется телефонная связь, а основным источником информации — речь. Также хорошо из-вестно, что в занятом телефонном канале передача речевых сигналов занимает не более 1/3 времени и примерно 2/3 времени приходится на паузы. При выключении или значительном снижении мощности излучения во время пауз в речи при телефонном разговоре мощность взаимных помех будет снижаться пропорционально времени пауз. За счет этого допустимое число одновременно действующих каналов, а следовательно, и пропускная способность системы может быть в два-три раза увеличены. Дополнительной полосы в данном случае не требуется. Также в два-три раза увеличивается и эффективность использования спектра, занимаемого системой с ШПС.

В системах связи с простыми сигналами и частотным разделением за счет этого повы­шается эффективность использования мощности передатчика ретранслятора или базовой станции. Однако эффективность использования полосы не повышается, так как выделенная каждому абоненту на время сеанса полоса частот сохраняется за ним даже в паузах речи.

С учетом этого пропускная способность системы с ШПС может быть определена сле­дующим выражением:

,

где: а и (1/2-1/3) — коэффициент активности абонента; F- общая ширина спектра широкополосного сигнала; R- скорость передаваемой информации; N0- спектральная мощность БГШ; N - суммарная спектральная мощность взаимной помехи и БГШ; Eб- энергия, приходящая на один бит передаваемой информации.

Другая особенность систем радиосвязи с ШПС связана с использованием в ретрансляторе или на базовой станции узконаправленных многолучевых антенн. Известно, что примене­ние таких антенн позволяет упростить требования к наиболее массовым земным станциям, уменьшить ограничения на пропускную способность системы по полосе за счет повторного использования частот в разных лучах. Однако из-за «неидеальности» диаграмм направлен­ности антенн в системе связи с L лучами и простыми сигналами одну и ту же частоту можно использовать не чаще чем L/3 или L/7 раз, а в соседних лучах должны использоваться раз­ные полосы частот. В случае ШПС разнос частот сигналов в разных лучах не требуется, а мощность помехи от сигналов из соседних лучей, даже «незначительно» подавленная за счет многолучевых бортовых антенн с «неидеальными» диаграммами направленности, оказывается значительно меньше мощности взаимных помех от мешающих сигналов своего луча. Далее помехи будут подавлены за счет кодового разделения ШПС. Таким образом, эффективность использования спектра в системе с ШПС может значительно превысить эффективность применения спектра в системе с частотным разделением.

Дополнительное увеличение эффективности использования спектра примерно на 60% достигается за счет возможного разделения сигналов по поляризации. Известно [7.10], что в подвижных спутниковых станциях трудно подавить сигнал с нежелательной поляризаци­ей более чем на 6 дБ. Этого совершенно не достаточно для разделения сигналов в системах с частотным или временным разделением. Для систем с ШПС и такое подавление приводит к заметному снижению взаимных помех, что также повышает эффективность использова­ния спектра, хотя следует отметить, что широкого применения на практике этот метод пока не нашел.

В мобильных системах связи с простыми сигналами эффективность использования спектра снижается за счет того, что при большой неопределенности по доплеровским сме­щениям частоты и изменениях времени прихода принимаемых сигналов для снижения вза­имных помех приходится вводить защитные интервалы по частоте или по времени. В систе­мах с ШПС защитные интервалы не требуются.

В приведенных выше положениях предполагалось, что все приходящие на ретранслятор сигналы имеют одинаковую мощность. В случае разных мощностей пропускная способ­ность системы резко снижается. Разброс мощностей на 3 дБ приводит к уменьшению эффективности примерно в два раза. Поэтому регулировка мощностей абонентских станций с целью выравнивания мощностей сигналов, приходящих на ретранслятор, в системе с ШПС обязательна.

В системах связи с простыми сигналами эффективность использования спектра допол­нительно снижается за счет того, что при большой неопределенности частоты, вызванной эффектом Доплера, и изменениях времени прихода принимаемых сигналов для снижения взаимных помех приходится вводить защитные интервалы по частоте. В системах с ШПС защитные интервалы не требуются. В результате эффективность использования спектра в системе с ШПС оказывается значительно выше, чем в системах с простыми сигналами.

В системах спутниковой связи с малыми станциями имеют место замирания, обусловленные многолучевым распространением радиоволн. Малые антенны земных станций имеют широ­кие диаграммы направленности и поэтому не могут разделить прямой и отраженные лучи. В случае ШПС, принимаемые по различным лучам сигналы, могут быть разделены, а резуль­тирующий сигнал не подвержен замираниям, вызываемым многолучевым распространением. При приеме сигналы разделенных лучей могут выделяться и когерентно складываться. Экспе­рименты показали, что в реальных условиях энергетический выигрыш от реализации ШПС при многолучевом распространении составил 6-9 дБ.

Достоинством систем связи с ШПС признается также хорошая электромагнитная совмести­мость с существующими радиосредствами. Так, применение станций с малыми антеннами предполагает увеличение эквивалентной изотропно-излучаемой мощности (ЭИИМ) ретранс­лятора. Расширение спектра позволяет соблюсти установленные нормы на спектральную плотность потока излучаемой мощности. Станции с ШПС могут работать на вторичной ос­нове в общем частотном диапазоне с существующими узкополосными средствами.

Применение ШПС открывает возможность построения эффективных спутниковых систем связи с прямой ретрансляцией сигналов абонентских станций. В системах с простыми сигна­лами при частотном разделении каналов передатчик ретранслятора должен находиться в ли­нейном режиме, в противном случае нелинейные продукты третьего порядка могут поразить отдельные частотные каналы. При этом средняя мощность передатчика на 3-6 дБ ниже мощ­ности насыщения. При использовании ШПС и выравнивании уровней сигналов на входе ретранслятора переход в нелинейный режим передатчика также приводит к образованию не­линейных продуктов, но они, как правило, не представляют опасности для систем с кодовым разделением, поэтому пропускная способность системы с ШПС может быть увеличена в два-три раза за счет перевода передатчика ретранслятора в режим, близкий к нелинейному

Контрольные вопросы

1.В чем заключается принцип повторного использования частот в СМС?

2.Назовите диапазоны частот, используемые в сотовых системах связи?

3.Перечислите основные методы доступа в сотовых системах связи?

4.В чём суть частотного метода доступа?

5.В чём суть временного метода доступа?

6.В чём суть кодового метода доступа?

7.Что такое дуплексный режим связи?

8.Назовите основные методы использования широкополосных сигналов?

9.Как определяется число пользователей в различных системах доступа?

10.Дайте сравнительную характеристику основных методов доступа?

11.Основные принципы искажений сигналов при многолучевом распространении?

12.Типы логических каналов?

13.Перечислите основные пути повышения емкости систем сотовой связи?