Оптимизация использования частотного диапазона и обработки сигналов в сотовой связи.
3.1. Полосы частот сотовой связи. Принцип повторного использования частот.
Отведенная для приема/передачи полоса частот шириной:
■ для GSM 900: 960 - 935 = 915 - 890 = 25 МГц;
■ для GSM 1800: 1785 - 1710 = 1880 - 1805 = 75 МГц;
■ для GSM 1900: 1910 - 1850 = 1990 - 1930 = 60 МГц;
- разнос дуплексных речевых каналов на частоте 900 МГц
для GSM 900 — 200 кГц (рис. 2.3.1, б)
- эквивалентная полоса частот на один физический речевой канал:
■ для GSM 900: 25 кГц;
■ для GSM 1800/1900: 12,5 кГц;
- число физических речевых радиоканалов в дуплесном радиоканале
для GSM: 200/25 = 8 каналов (рис. 2.3, б);
- число дуплексных речевых каналов — 124 (рис. 2.3, в).
В сотовой сети мобильной связи каждая из сот обслуживается своим передатчиком базовой станции BTS с небольшой выходной мощностью (Р ≤50 Вт) и ограниченным числом каналов связи. Теоретически такие передатчики можно было бы использовать и в соседних сотах, если бы на практике соты не перекрывались под действием различных факторов, например, вследствие изменения условий распространения радиоволн. То есть, одни и те же частоты (каналы) могли бы повторно использоваться в различных сотах, если бы влияние взаимных помех между мобильными абонентами было бы незначительным.
Однако на практике взаимное влияние мобильных станций MS абонентов, имеющих одинаковые рабочие частоты, необходимо учитывать. Поэтому была разработана концепция повторного использования частот, то есть в каждой соте, показанной на рис.2.2, используется определенная группа из w-канальных радиочастот.
Итак, повторное использование частот (frequency reuse) заключается в том, что в соседних сотах используются разные полосы частот F,, которые повторяются через несколько сот. Для понимания сущности принципа повторного использования частот рассмотрим несколько примеров построения моделей сотовой сети.
Пусть в некоторой соте А (рис. 3.1) используется какая-то часть от полного диапазона частот, выделенного системе сотовой мобильной связи (например, для определенности одна десятая диапазона — 6Л = 1/10). Тогда в соседной с ней соте В должна использоваться вторая десятая часть диапазона бй= 1/10, поскольку вблизи общей границы в двух смежных сотах нельзя использовать одни и те же частотные каналы. В соте С, имеющей общие границы с сотами А к В, придется использовать третью десятую часть диапазона (&с= 1/10). Но уже в соте D, имеющей общие границы с сотами А и С, но не имеющей общие границы с сотой В, вновь можно использовать ту же десятую часть диапазона Ьв = 1/10, что и в соте В, что условно обозначено D —» В. Аналогично этому в сотах: Е —» A, F —» В, Н —» С, то есть получаем сотовую структуру, состоящую из 3-х частотных (3-х элементных) групп, называемых кластерами (cluster), то есть группой сот с различным наборомрабочих частот.
Очевидно, что 3-элементный кластер — это кластер минимально возможного размера, в каждой из его сот можно использовать 1/3 от полного диапазона рабочих частот, отведенных системе сотовой связи. При 3-элементном кластере соты с одинаковыми полосами частот повторяются очень часто, что плохо в смысле со-канальных помех (co-channel interference), то есть помех от радиостанций сотовой системы, работающих на тех же частотных радиоканалах, но в других сотах. В этом отношении более выгодны кластеры с большим числом элементов.
В общем случае расстояние D между центрами сот, в которых используются одинаковые частотные группы (полосы частот), связано с числом N сот в кластере простым соотношением:
D = R·(3N)1/2,
где R — радиус соты (радиус окружности, описанной вокруг правильного шестиугольника).
Величину отношения D/R = q часто называют коэффициентом уменьшения соканальных помех или коэффициентом соканального повторения..
Для величины 1/N = С, обратной числу сот в кластере, употребляют название: коэффициент эффективности повторного использования частот или просто коэффициент повторного использования частот. Введение этих величин позволяет записать выражение для D в виде:
D = R·(3/C)1/2.
Следует отметить, что увеличение числа элементов в кластере, выгодное с точки зрения
снижения уровня соканальных помех, приводит к пропорциональному уменьшению полосы частот, которая может быть использована в одной соте.
Поэтому практически число элементов в кластере должно выбираться минимально возможным, обеспечивающим допустимое отношение сигнал/помеха.
В стандарте GSM часто используются 7-элементные кластеры для создания сотовой сети мобильной связи (рис.3.2).
В этих схемных примерах (рис. 3.2) предполагалось, что на базовых станциях BTS, расположенных в центрах идеальных сот, используются всенаправленные антенны [(omnidirectional antennas) или просто omni], то есть излучение радиосигналов от базовых станций должно было происходить с одинаковой мощностью во всех направлениях, что для абонентских MS эквивалентно приему помех от всех базовых станций со всех направлений. Потому для снижения уровня помех в современных цифровых системах сотовой мобильной связи используют в базовых станциях BTS направленные антенны, например, секторные антенны.
Например сотовая сеть с 9-элементным кластером, которая получила достаточно широкое распространение в цифровых стандартах сотовых мобильных сетей. В данной 9- кластерной модели соты разбиваются на секторы. В центре соты на базовой станции BTS установлено три направленные антенны, каждая из которых охватывает сектор в 120°. В каждом секторе соты радиосигнал от соответствующей направленной антенны излучается лишь в одном направлении. При этом уровень излучений в противоположных направлениях, а значит в двух секторах данной соты, максимально снижается. Это обстоятельство позволяет располагать базовые станции BTS, работающие на одинаковых частотах, еще ближе друг к другу, чем в модели рис. 3.1.
Специалисты корпорации Motorola (США) разработали еще более эффективную модель повторного использования частот. Разработанная ими сотовая сеть с 12 группами несущих частот, с применением 60º направленных антенн (то есть на базовой станции BTS устанавливается 6 направленных антенн, главный лепесток диаграмм направленности которых излучает только в пределах своего 60° сектора).
Данная сотовая сеть позволяет увеличить абонентскую емкость, то есть число абонентов, которых может обслужить сотовая мобильная сеть, в 1,5 раза по сравнению со 120º направленными антеннами.
3.2. Методы множественного доступа; варианты множественного доступа; множественный доступ с частотным разделением; множественный доступ с временным разделением; множественный доступ с кодовым разделением; пути повышения емкости системы сотовой связи.
Понятие «множественный доступ» (multiple access) связано с организацией совместного использования ограниченного участка частотного спектра многими пользователями. В настоящее время известны пять вариантов множественного доступа(в литературе также применяют понятие многостанционный доступ):
- FDMA (Frequency Division Multiple Access) — множественный доступ с частотным
разделением каналов связи;
- TDMA (Time Division Multiple Access) — множественный доступ с временны разделением каналов связи;
- CDMA (Code Division Multiple Access) — множественный доступ с кодовым разделением каналов связи;
- SDMA (Space Division Multiple Access) — множественный доступ с пространственным разделением каналов связи;
- PDMA (Polarization Division Multiple Access) — множественный доступ с поляризационным разделением каналов связи.
Практический интерес для сотовой мобильной связи представляют первые три из них.
Четвертый метод фактически используется при реализации принципа повторного использования частот, в частности при делении сот на секторы с использованием направленных антенн, но об этом не говорится как о методе множественного доступа.
Рис.3.3 Множественный доступ с частотным разделением каналов связи |
Так как в стандарте GSM используется TDMA, частично в сочетании с FDMA, рассмотрим первые два метода множественного доступа.
Метод FDMA — множественный доступ с разделением каналов связи по частоте, наиболее прост при реализации, так как в этом методе каждому пользователю на время сеанса связи выделяется своя полоса частот Δf (частотный канал), которую он использует все время (рис. 3.3).
Метод FDMA используется во всех аналоговых системах сотовой связи (первое поколение), при этом выделяемая полоса частот Δf составляет 10...30 кГц. Основной недостаток FDMA — недостаточно эффективное использование полосы частот, выделяемой для связи.
Рис. 3.4. Множественный доступ с временным разделением каналов связи |
Метод TDMA — множественный доступ с разделением каналов связи по времени, состоит в том, что каждый частотный канал разделяется между пользователями во времени — частотный канал по очереди предоставляется нескольким пользователям на определенные промежутки времени, то есть реализуется, например, несколько физических каналов в одном частотном. В качестве примера на рис. 3.4 представлен случай, когда каждый частотный канал делится между тремя пользователями.
Данная схема не соответствует чистому TDMA, а отражает сочетание FDMA и TDMA, так как здесь рассматривается случай не одного, а нескольких частотных каналов, каждый из которых делится во времени между несколькими пользователями. Именно такая схема находит практическое применение в системах сотовой мобильной связи и ее называют схемой TDMA.
Практическая реализация метода TDMA требует преобразования аналогового речевого сигнала в цифровую последовательность, которая подвергается кодированию и шифрованию, что необходимо для защиты информации от ошибок в процессе передачи и приема.
Многостанционный доступ с кодовым разделением (CDMA — Code Division Multiple Access) — технология, отличающаяся от доступа с частотным разделением и доступа с временным разделением .Она не использует для разделения каналов ни частоты, ни времени, хотя по многим признакам она напоминает частотный доступ (рис. 3.5).
Рис.3.5. Упрощенная структурная схема системы с кодовым разделением каналов
Каждый входной цифровой сигнал складывается («модулируется») с отдельной «несущей», в качестве которой выступает псевдослучайная последовательность (ПСП). ПСП передается со скоростью большей, чем скорость исходного сигнала, после чего полученные сигналы объединяются в единый поток. При этом полоса частот, используемая в радиоканале, гораздо шире, чем полоса исходного сигнала. Этот процесс получил название расширение спектра (Spreading Specter).Псевдослучайные последовательности выбираются таким образом, чтобы на приемном конце их можно было разделить (отфильтровать) и отделить сигнал от его псевдослучайной последовательности («несущей»). Передача единого объединенного потока осуществляется в одной полосе частот с помощью одного из видов фазовой манипуляции. Поэтому системы, основанные на CDMA, не требуют разделения полосы частот на отдельные каналы, что, в свою очередь, облегчает процесс хэндовера (переход из одной соты в другую).
Псевдослучайные последовательности должны иметь нулевую корреляцию, т. е. быть взаимонезависимы.
Существует два способа множественного (многостанционного) доступа с кодовым разделением каналов (CDMA):
• ортогональный многостанционный доступ;
• неортогональный многостанционный доступ, или асинхронный многостанционный доступ с кодовым разделением каналов.
Емкость системы сотовой связи, определяемая числом абонентов, которых она может обслужить, - очень важная характеристика, и значительная часть усилий при проектировании, создании и развитии системы в большинстве случаев направляется именно на обеспечение достаточно высокой емкости. Фактически и сама сотовая связь как таковая, основанная на принципе повторного использования частот, появилась в ответ на потребность в построении системы массовой подвижной связи при использовании жестко ограниченной полосы частот. Перечислим четыре основных пути повышения емкости.
Первый - это совершенствование методов обработки сигналов, в частности, переход от аналоговой обработки к цифровой, сопровождаемый переходом к более совершенным методам множественного доступа - От FDMA к TDMA и, вероятно, к CDMA, а в пределах TDMA - переход от полноскоростного кодирования речи к полускоростному, Пределом на этом пути являются, по-видимому, достижимые характеристики CDMA - это коэффициент порядка 20 (по числу физических каналов) при переходе от FDMA к CDMA.
Второй путь - дробление ячеек, т.е. переход к меньшим ячейкам в районах с интенсивным трафиком при том же коэффициенте повторного использования частот (рис.3.6); число базовых станций при этом соответственно увеличивается, а мощность из лучения - как для базовых, так и для подвижных станций - снижается. Фактически тот же эффект достигается и при использовании на базовых станциях секторных антенн, например с разделением ячейки на три сектора (при 120-градусных секторах) и использованием в каждом из секторов своей полосы частот. Практически ячейки с радиусом менее 300...500 м неудобны, так как чрезмерно возрастает поток передач обслуживания. Выход просматривается в использовании многоуровневых (иерархических) схем построения сотовой сети с обслуживанием в крупных ячейках (макросотах) быстро перемещающихся абонентов (автомобилистов), а в более мелких (микросоты, пикосоты) - малоподвижных абонентов, например покупателей в пределах торгового центра.
В качестве третьего пути повышения емкости отметим возможность использования адаптивного назначения каналов (Adaptive Channel Allocation - АСА) в методах FDMA и TDMA. До сих пор мы молчаливо предполагали, что имеющийся частотный ресурс, т.е. все частотные каналы в пределах выделенной полосы частот, заранее определенным образом распределяются между ячейками кластера - равномерно или в соответствии с априорной информацией об интенсивности трафика. Возможен, однако, и иной подход: частотные каналы, все или частично, находятся в оперативном распоряжении центра коммутации, который выделяет их для пользования отдельным ячейкам (базовым станциям) по мере поступления заявок (вызовов), т.е. в соответствии с реальной интенсивностью трафика, но при соблюдении необходимого территориально-частотного разноса. Такой адаптивный алгоритм, конечно, сложнее, но он может обеспечить определенное повышение емкости за счет гибкого отслеживания флуктуации трафика.
Четвертый путь - это тривиальное расширение выделяемой полосы частот. Разумеется, этот путь насколько очевиден, настолько же и мало полезен, и мы упоминаем о нем не в качестве рекомендации к непосредственному применению, а в виде примера преимуществ, например, GSM 1800 (или GSM 1900) по сравнению с GSM 900, которые имеют рабочие (аппаратурные) полосы 75 МГц (или 60 МГц) и 25 МГц соответственно.
3.3 Организация дуплексного режима в системах мобильной связи; временное и частотное разделения в дуплексной связи.
Суммарный частотно-временной ресурс, отпущенный конкретной системе, приходится расходовать не только на организацию множественного(многостанционного) доступа, но и на обеспечение дуплексного режима, т.е. параллельного информационого обмена в обоих напровлениях: от системы к абоненту и в обратную сторону. В системах мобильной связи нашли применение частотный и временной дуплекс. В первом варианте, упоминаемом в литературе как FDD (frequency division duplex), дуплексная пара занимает две полосы частот Δfа (где Δfа – ширина полосы абоненского канала), разделённые некоторым защитным интервалом, называемым дуплексным разносом по частоте, т.е. передача и приём иформации между абонентами осуществляется на разных частотах (рис.3.7).
Рис.3.7. Принцип организации дуплексного разноса по частоте.
На основе FDD построены системы стандартов первого и второго поколений сотовой связи(AMPS, DAMPS, GSM, IS-95 и др.).
При временном дуплексе (TDD – time division duplex) для двусторонней связи используется одна и та же несущая с временным разделением каналов передачи и приёма (рис.3.8). Хотя режим TDD нехарактерен для существующих систем сотовой связи,
Рис.3.8. Принцип организации дуплексного разноса по времени.
он широко распространён в стандартах бесшнурового телефона (СТ2, DECT и др.). Кроме того, ему отводится определённое место в стандартах третьего поколения UMTS и CDMA2000.
Рассмотрим структуру каналов системы с TDD ориентируясь на CDMA2000. Основным элементом канальной архитектуры БС является Тк = 20мс (рис.3.9), который разбивается на 8 пар интервалов, предназначенных для организации дуплекса.
Рис.3.9. Структура кадра канала связи с TDD системы CDMA2000.
Первый интервал пары имеет длительность Тт и отводится для передачи. Во втором (длительности ТR ) принимается сигнал МС. Любые смежные интервалы разделяются защитными промежутками длительности Δf, определяемой протяженностью зоны обслуживания. При защитном интервале в 52мкс и точности синхронизации временных интервалов на базовой станции ±3мкс, максимальный радиус зоны обслуживания составляет 14км.
Мобильные станции (МС) имеют одинаковую с БС структуру кадра, но интервалы передачи и приёма меняются местами.
3.4.Узкополосная система с частотным разделением каналов (FDMA). Расчет числа пользователей. Нелинейные эффекты в системе связи FDMA.
Сравнение двух вариантов дуплексирования приводит к заключению, что режим FDMA более эффективен при больших размерах сот и высокой скорости передвижения абонентов.
При оценках емкости систем сотовой связи обычно используют модель системы с отказами (модель Эрланга B), в то время как модель системы с ожиданием (модель Эрланга С) применяют гораздо реже. Как видно из графиков на рис. 3.10, построенных для системы с количеством каналов N = 64 и средним трафиком А = [0...63], при малых вероятностях отказа в обслуживании, т. е. при малом трафике, обе модели дают достаточно близкие результаты. Однако при вероятности отказа в обслуживании P > 0,1 в системе с ожиданиями вероятность отказа будет возрастать очень резко, что свидетельствуют о существенном ухудшении качества обслуживания. Поэтому на практике при анализе емкости системы связи расчеты проводят для вероятностей в диапазоне P = [0,01...0,05].
Анализируя вышеизложенное и опираясь на данные таблицы 4.1, можно сделать следующий вывод: с увеличением числа каналов, выделенных базовой станции, трафик, т. е. количество передаваемой информации, растет быстрее, чем число каналов, особенно при N < 30. Следовательно, рациональное построение системы сотовой связи должно преду-
сматривать выделение на одну ячейку (базовую станцию) не менее 30 частотных каналов
Рассмотрим пример использования системы с отказами (модель Эрланга B). В ее состав входят три основных параметра: число каналов N, трафик A и вероятность отказа PВ. Если известны любые два параметра, то можно однозначно определить третий.
Пример.
Условная городская агломерация занимает площадь S = 3300 км2 и охвачена системой сотовой связи.
В системе используются кластеры из семи сот Nкл = 7.
Каждая сота имеет радиус r = 6 км.
Полоса шириной 24,5 МГц выделена системе, работающей в режиме частотного разделения каналов (FDMA/FDD). Ширина одного канала составляет 25 кГц. Предположим, что средняя продолжительность разговора в час пик Tср= 6 мин, средняя частота поступления вызовов λср= 1 вызов в час и вероятность отказа (блокировки) в сотовой системе составляет GOSВ = 0,02 (т. е. не более, чем два из ста абонентов в час получат отказ при первом обращении к сети).
Вычислим количество сот, охватывающих всю область.
Рассчитаем площадь одной гексагональной соты:
.
Таким образом, для того, чтобы охватить весь город, требуется
Nc = 3300/93,53 = 35,28 ≈ 36 сот
Затем вычислим количество каналов, выделенных каждой соте. Поскольку в распоряжении системы находится полоса частот шириной 24,5 МГц, а одно соединение требует двух каналов (прямого и обратного) по 25 кГц каждый, то для 7-ми сотового кластера количество дуплексных каналов в соте будет равно
С = 2·4,5·106/( 7 ·2·25·103) ≈ 25 каналов.
Из выражения для GOSВ можно найти, что для С =25 каналов на соту и вероятности блокировки GOSВ = 0,02 интенсивность трафика в одной соте составит АТЯ = 17,5 Эрл.
Поэтому суммарный трафик всей системы будет равен
АТЯ·NС = 17,5·36 = 630 Эрл.
Трафик на одного абонента составит
ААБ = λср·Tср = 1·6/60 = 0,1 Эрл.
На основе этих значений определяется количество пользователей, которых может обслужить система. Это количество равно
NА = АТЯ/ААБ = 630/0,1 ≈ 6 300 пользователей.
Количество каналов системы мобильной связи можно определить делением ширины выделенного системе спектра на ширину пары каналов.
В данном примере
9 МГц/(2·25 кГц) = 180 каналов.
Тогда количество пользователей, приходящихся на один канал, равно
6 300/180 = 35 пользователей.
Максимальное количество пользователей, которые могут быть одновременно обслужены, определяется количеством каналов в соте и количеством сот в системе и будет равно
С · NС = 25·36 = 900 пользователей.
Следовательно, если все каналы во всех сотах будут одновременно заняты, то система сможет обслужить 900/6300 = 14,29 % пользователей. Можно сделать вывод о том, что благодаря идее транкинга ресурсы системы могут быть много меньше количества пользователей всей системы.
Сложный момент, который до сих пор не принимался во внимание, состоит в том, что пользователи во время разговора могут перемещаться из одной соты в другую. Если они пересекают границу соты, необходимо выполнять процедуру передачи соединения – хэндовер (англ. handover). В новой соте нужно найти новый канал и только после этого можно освободить канал в старой соте.
Следовательно, расчет трафика становится более сложным. Возможное решение этой проблемы – создание программной системы имитационного моделирования, которая учитывает перемещение подвижных станций и передачу соединений. Статистические свойства мобильности абонентов в сотах, охватывающих территорию городской застройки, отличаются от аналогичных характеристик сот, обеспечивающих покрытие незастроенной сельской местности с проходящей по ней автострадой.
Спектральный разнос абонентских каналов полностью исключает влияние каналов друг на друга лишь теоретически. На практике же избежать возникновения межканальных (внутрисистемных) помех невозможно, например, из-за неидеальности разделительных фильтров в приемнике, в результате которой часть энергии сигнала одного канала просачивается в соседний. Ослабить влияние межканальных помех можно соответствующим выбором манипуляции сигналов (уменьшением "внеполосных" излучений) и фильтров (улучшением подавления в соседнем канале). Еще одним способом снижения уровня взаимных помех является введение защитных интервалов между частотными каналами, что, однако, приводит к уменьшению полосы частот, используемой для связи, т.е. снижению эффективности использования спектра.
Если положить Δfa = 1/Тб = Rt, где по-прежнему
Тб - длительность одного бита передаваемой информации, a Rt - скорость передачи информации, то возможное число каналов связи для FDMA-систем определится соотношением
К = Δfр / Δfа = Δfр / Rt
3.5.Особенности систем с временным разделением каналов. Расчет числа пользователей. Системы с кодовым разделением каналов. Оценка числа пользователей.
Множественный доступ с временным разделением (МДВР или TDMA) в традиционном понимании заключается в том, что каждому абоненту системы на время сеанса связи выделяется временной интервал Та (временной канал) в пределах общего временного ресурса системы Тр (цикла или кадра системы), не совпадающий ни с одним из интервалов, уже предоставленных другим активным абонентам. Тем самым каждый канальный сигнал размещается в своем индивидуальном окне (слоте) без перекрытия с другими (см. рис. 3.2, а). Вместе с тем спектры сигналов абонентов могут занимать всю выделенную системе полосу частот Δfp и полностью перекрываться. Иллюстрацией подобного ресурсного распределения служит рис. 3.11, б, из которого видно, что суммарный частотно-временной ресурс "нарезан" в виде К вертикальных полос, каждая из которых занимает весь доступный частотный диапазон и лишь К-ю часть отведенного времени.
В идеале несовпадение канальных сигналов во времени обеспечивает их ортогональность, а значит, и исключает влияние друг на друга. На деле из-за ограниченности полосы системы переходные процессы от сигналов предыдущих каналов к началу появления последующих могут не закончиться и, складываясь с последними, создавать перекрестные (межканальные) помехи. Уменьшить влияние соседних каналов, т.е. уровень межканальных помех, удается способом, аналогичным описанному в предыдущем подразделе, - введением защитных временных интервалов, что, в свою очередь, приводит к уменьшению временного диапазона, в течение которого возможна передача информации, т.е. к фактическому снижению скорости передачи.
Оценим возможное число TDMA-каналов. При скорости передачи информации по одному каналу Rt за время одного циклаработы системы может быть передано RtTp бит информации.
Тогда общее количество информации, переданной во всех абонентских каналах, составит величину KRtTp, где К = Тр/Та. Отсюда длительность одного бита информации определится как
так что К = Δfp/Rt что полностью совпадает с оценкой числа каналов для систем с FDMA.
В цифровых стандартах второго поколения D-AMPS, GSM и PDC находит применение комбинация частотного и временного разделения FDMA/TDMA, в рамках которой каждый частотный канал разбивается на временные слоты. При этом каждому абонентскому каналу выделяется лишь часть и частотного, и временного ресурсов. Сказанное иллюстрирует рис. 3.12, в, из которого видно, что суммарный системный ресурс "нарезается" теперь не на полоски, а на прямоугольники, оба размера которых меньше максимально возможных. Проведя несложный расчет, подобный проделанному для FDMA и TDMA, легко видеть, что их комбинация не может дать какого-либо теоретического выигрыша в числе каналов при фиксированном ресурсе, поскольку последний жестко лимитирует число ортогональных сигналов. Основания для практического использования сочетания FDMA/TDMA в большей мере связаны с технологической политикой отдельных производителей, нежели с какими-либо потенциальными преимуществами.
В основе множественного доступа с кодовым разделением (МДКР или CDMA) лежит ориентация на широкополосную (spread spectrum) идеологию построения систем передачи информации, предусматривающую сознательное и многократное расширение полосы передаваемого сообщения по сравнению с той, которая характерна для традиционных узкополосных систем. Искусственное расширение спектра в подобных системах, как правило, реализуется одним из двух основных способов:
• прямое расширение - direct sequence spread spectrum (DSSS);
• скачкообразное изменение несущей частоты – frequency hop spread spectrum (FHSS).
В первом варианте информационное сообщение манипулирует псевдослучайную последовательность (ПСП), состоящую из элементов (чипов) длительности Тс, причем длительность чипа многократно (в N-раз) меньше длительности Tб передаваемого информационного бита ипи символа (посылки): T6=NTc, N >> 1.
Величина N непосредственно характеризует степень расширения полосы по сравнению с полосой первичного сообщения и потому называется коэффициентом расширения спектра (в англоязычных текстах spreading factor или processing gain).
Упомянутая манипуляция ПСП c(t) передаваемым потоком данных D(t) обычно реализуется их простым перемножением (см. рис. 5.12, а). Диаграммы рис. 5.12, 6-г иллюстрируют содержание процедуры прямого расширения для примера двоичной пе-
редачи и бинарной ПСП. На рис. 5.12, в показана периодическая бинарная ПСП, чей период, содержащий N = 8 чипов, совпадает с длительностью одной посылки сообщения (в общем случае период ПСП может быть произвольным, в частности, значительно большим длительности информационной посылки; более того, ПСП вообще может быть апериодической). Результат прямого расширения очевиден (рис. 3.12, г): если информационная посылка несет нулевой бит (положительная полярность D(t), рис. 5.12, б), на выходе перемножителя присутствует первоначальная версия ПСП. При передаче посылкой значения 1 текущего бита полярность ПСП меняется на противоположную. Сигнал после перемножителя подается на стандартный модулятор несущей (БФМ, КФМ и т.д.).
Как можно видеть, процедура прямого расширения спектра не ухудшает помехоустойчивости двоичной передачи в гауссовском канале, оставляя противоположными сигналы, отвечающие значениям 0 и 1 передаваемого бита.
При использовании второго способа расширения спектра каждый символ информационного сообщения должен передаваться с помощью набора дискретных частот, задаваемого определенной последовательностью. Подробное описание FHSS технологии расширения спектра можно найти в литературе.
В существующих и разрабатываемых на перспективу системах сотовой связи преимущественно применяется прямое расширение спектра, реализуемое либо в синхронном, либо в асинхронном варианте. Различия этих двух модификаций DSSS весьма значительны. Первая может быть применена тогда, когда есть возможность синхронизировать между собой все индивидуальные адресные последовательности (сигнатуры), присвоенные отдельным абонентам так, чтобы на приемной стороне сигналы разных абонентов не имели взаимных временных сдвигов. Подобная ситуация характерна для линии "вниз" ССМС (от БС к МС), поскольку сигналы БС, посланные разным МС строго одновременно, приходят на отдельную МС по одной и той же трассе, т.е. без взаимных задержек.
В линии "вверх" обеспечение синхронизма сигналов разных МС, принимаемых БС, хотя и не отрицается теоретически, довольно затруднительно и не всегда технологически оправданно из-за случайного расположения МС относительно БС в пределах соты и, следовательно, случайных взаимных задержек сигналов. Для подобных ситуаций характерно применение асинхронной версии DSSS, не предполагающей взаимной временной привязки сигнатур индивидуальных абонентов.
Преимущества CDMA по отношению к FDMA и TDMA можно условно разбить на две группы. Первую из них составляют те, которые отличают любые широкополосные (spread spectrum) системы: высокая помехоустойчивость к сосредоточенным и широкополосным помехам (в том числе преднамеренным), возможность эффективной работы в условиях многолучевого распространения, широкий диапазон доступных мер криптозащиты, высокая точность измерения частотно-временных параметров, хорошая электромагнитная совместимость с системами радиосвязи и вещания и др. Вторая группа непосредственно связана с аспектами множественного доступа: ббльшая абонентская емкость на соту (сектор), "мягкий" характер снижения качества связи при возрастании интенсивности трафика, простота реализации режима "мягкой" эстафетной передачи.
Рассмотрим подробнее вопрос об оценке возможного числа пользователей в системах с кодовым разделением.
Оценка числа пользователей на соту
Синхронный вариант CDMA с использованием ортогональных сигналов, разумеется, не может иметь каких-либо принципиальных преимуществ по сравнению с FDMA и TDMA в максимальном числе пользователей, поскольку последнее есть попросту число ортогональных сигналов, лимитируемое только размерностью сигнального пространства, т.е. частотно-временным ресурсом (Δр,Тр). Способ построения ортогонального семейства
(разнесение по частоте, времени или соответствующее кодирование) не влияет на количество сигналов в семействе.
Асинхронный же вариант CDMA (как и синхронный при числе абонентов, превышающем возможное число ортогональных сигналов) позволяет более гибко, чем FDMA и TDMA, эксплуатировать эффекты пространственного затухания радиоволн для повторного использования ресурса в системах с сотовой топологией.
При корреляционной обработке отношение "сигнал - совокупная помеха" на выходе приемника системы с кодовым разделением может быть записано в виде
,
где NΣ и Nо - соответственно спектральные плотности мощности внутрисистемных помех и белого шума; Eб=PRT6 - энергия, приходящаяся на один бит информационного сообщения; PR - мощность абонентского сигнала на приемной стороне. С учетом обязательного в асинхронных системах с CDMA выравнивания мощностей абонентских сигналов на входе приемника спектральная плотность внутрисистемных помех, создаваемых К -1 посторонними пользователями, может быть оценена как
.
Данная оценка опирается на аппроксимацию взаимной помехи случайным шумом со средней мощностью (К -1)PR, равной сумме мощностей всех сторонних сигналов. Полагая внутрисистемную помеху преобладающей над тепловым шумом (Nz >> N0),из (5.2) получаем q ≈ Δfp/(KRt), откуда оценка предельного числа пользователей
.
Как можно видеть, при q не ниже 5...8 дБ (уровень превышения полезным сигналом помехи, достаточный для достижения вероятности ошибки на символ в пределах тысячных долей) максимальное число абонентов, обеспечиваемое рамками CDMA, заметно меньше, чем при использовании FDMA и TDMA. Учтем теперь, что в форматах FDMA и TDMA запрет на повторное использование каналов в примыкающих сотах вынуждает дробить ресурс между ячейками одного и того же кластера. Следствием этого является уменьшение числа абонентов на соту в пс раз, где пс - количество ячеек в кластере. Так, при весьма типичном 7-элементном кластере (см. рис. 2.3, 6) удельное число абонентов на соту составит
. (3.1)
В то же время при технологии CDMA можно пойти на повторное использование всего доступного ресурса в соседних сотах, платой за что окажется увеличение уровня внутрисистемных помех, создаваемых теперь не только сигналами своих (обслуживаемых данной ячейкой) абонентов, но и сигналами абонентов "чужих" БС. При этом вклад "просачивания" из соседних ячеек в суммарную взаимную помеху может оказаться заметно слабее составляющей, обусловленной "своими" (а значит, более близкими к БС) абонентами, за счет крутого спада принимаемой мощности в зависимости от расстояния (обратно
Дата добавления: 2016-07-22; просмотров: 7882;