Электромагнитная совместимость сотовых сетей связи - Радиоэлектроника - Скачать бесплатно
и
оставшиеся 55 каналов предназначены для передачи данных по "Каналу прямого
трафика".
При изменении знака бита информационного сообщения фаза используемой
последовательности Уолша изменяется на 180 градусов. Так как эти
последовательности взаимно ортогональны, то взаимные помехи между каналами
передачи одной базовой станции отсутствуют. Помехи по каналам передачи
базовой станции создают лишь соседние базовые станции, которые работают в
той же полосе радиочастот и используют ту же самую ПСП, но с другим
циклическим сдвигом.
Порядок прохождения речевых данных в мобильной станции до момента отправки
в эфир.
Давайте подробней рассмотрим структурную схему обратного канала
трафика. В прямом и обратном канале эта схема повторяется; в зависимости от
того, какой канал используется в данный момент, некоторые блоки этой схемы
исключаются.
Рис. 6
Речевой сигнал поступает на речевой кодек.
На этом этапе речевой сигнал оцифровывается и сжимается по алгоритму CELP.
1. Далее сигнал поступает на блок помехоустойчивого кодирования, который
может исправлять до 3-х ошибок в пакете данных.
2. Далее сигнал поступает в блок перемежения сигнала.
Блок предназначен для борьбы с пачками ошибок в эфире. Пачки ошибок -
искажение нескольких бит информации подряд.
Принцип такой. Поток данных записывается в матрицу по строкам. Как
только матрица заполнена, начинаем с нее передавать информацию по
столбцам. Следовательно, когда в эфире искажаются подряд несколько бит
информации, при приеме пачка ошибок, пройдя через обратную матрицу,
преобразуется в одиночные ошибки.
3. Далее сигнал поступает в блок кодирования (от подслушивания).
На информацию накладывается маска (последовательность) длиной 42 бита.
Эта маска является секретной. При несанкционированном перехвате данных
в эфире невозможно декодировать сигнал, не зная маски. Метод перебора
всевозможных значений не эффективен т.к. при генерации этой маски,
перебирая всевозможные значения, придется генерировать 8.7 триллиона
масок длиной 42 бита. Хакер, пользуясь персональным компьютером,
пропуская через каждую маску сигнал и преобразовывая его в файл
звукового формата, потом, распознавая его на наличие речи, потратит
уйму времени.
4. Блок перемежения на код Уолша. Цифровой поток данных перемножается на
последовательность бит, сгенерированных по функции Уолша. На этом
этапе кодирования сигнала происходит расширение спектра частот, т.е.
каждый бит информации кодируется последовательностью, построенной по
функции Уолша, длиной 64 бита. Т.о. скорость потока данных в канале
увеличивается в 64 раза. Следовательно, в блоке модуляции сигнала
скорость манипуляции сигнала возрастает, отсюда и расширение спектра
частот.
Так же функция Уолша отвечает за отсев ненужной информации от других
абонентов. В момент начала сеанса связи абоненту назначается частота,
на которой он будет работать и один (из 64 возможных) логический
канал, который определяет функция Уолша. В момент принятия сигнал по
схеме проходит в обратную сторону. Принятый сигнал умножается на
кодовую последовательность Уолша.
По результату умножения вычисляется корреляционный интеграл.
Если Z пороговая удовлетворяет предельному значению, значит, сигнал
наш. Последовательность функции Уолша ортогональны и обладают хорошими
корреляционными и автокорреляционными свойствами, поэтому вероятность
спутать свой сигнал с чужим равна 0.01 %.
5. Блок перемножения сигнала на две М-функции (М1 - длиной 15 бит, М2 -
длиной 42 бита) или еще их называют ПСП- псевдослучайными
последовательностями. Блок предназначен для перемешивания сигнала для
блока модуляции. Каждой назначенной частоте назначаются разные М
-функции.
6. Блок модуляции сигнала. В стандарте CDMA используется фазовая
модуляция ФМ4, ОФМ4.
В настоящее время оборудование стандарта CDMA является самым новым и
самым дорогим, но в то же время самым надежным и самым защищенным.
Европейским Сообществом в рамках исследовательской программы RACE
разрабатывается проект CODIT по созданию одного из вариантов Универсальной
системы подвижной связи (UMTS) на принципе кодового разделения каналов с
использованием широкополосных сигналов с прямым расширением спектра (DS-
CDMA).
Основным отличием концепции CODIT будет эффективное и гибкое
использование частотного ресурса. Как мы раньше пояснили, на широкополосный
сигнал CDMA влияние узкополосной помехи практически не сказывается. За счет
этого свойства в стандарте CODIT для передачи данных дополнительно будут
использоваться защитные интервалы между несущими частотами.
Цифровая сотовая система подвижной радиосвязи стандарта D-AMPS
Общий подход к развитию цифровых сотовых систем в США
В США работы по национальному стандарту на цифровые сотовые системы
подвижной связи (ССПС) проводились с 1987 года. В отличие от Европы, где
разрабатывался стандарт GSM, Федеральная комиссия связи (FCC) не смогла
выделить отдельную полосу частот в диапазоне 900 МГц для перспективной
цифровой ССПС США.
В условиях, когда национальная аналоговая ССПС стандарта AMPS уже не
отвечала современным требованиям к подвижной связи из-за отсутствия
необходимой пропускной способности, недостаточного качества связи,
ограниченного набора услуг, отсутствия засекречивания передаваемых
сообщений, Ассоциация промышленности сотовой связи (CTIA), совместно с
Ассоциацией промышленности связи (TIA) приняли решение о совмещении в одной
полосе частот аналоговой и цифровой ССПС, сохранив существовавший в AMPS
разнос каналов, равный 30 кГц.
Стандарт на цифровую сотовую систему связи был разработан в 1990 году и
система связи на его основе получила условное обозначение D-AMPS или ADC. В
1991-1992 годах проводились полевые испытания системы D-AMPS, по
результатам которых TIA и CTIA были приняты три стандарта: IS-54 - на
систему сотовой связи D-AMPS (ADC); IS-55 - на двухмодовую подвижную
станцию, обеспечивающую связь как по аналоговому (AMPS), так и по цифровому
(D-AMPS) каналам связи; IS-56 - на базовые станции.
Внедрение этих стандартов явилось временным шагом для того, чтобы как
можно быстрее внедрить цифровую технологию на рынок сотовой связи США.
Ожидалось, что стандарт IS-54 позволит увеличить емкость трафика
существующих сетей сотовой связи AMPS до трех раз, но с использованием
аналоговых каналов управления. Переход к полной цифровой версии AMPS
затормозил бы внедрение цифровой технологии сотовой связи в США еще на три
года.
Хотя стандарт IS-54 и не совсем цифровое решение, он оказался более
прогрессивным, чем AMPS, и в настоящее время более 2 млн. абонентов в 14
странах мира, включая Россию, используют эту технологию.
В 1994 году был сформулирован новый стандарт США IS-136 на полностью
цифровую систему сотовой связи, представляющую собой усовершенствованный
вариант стандарта IS-54. Стандарт IS-136 по своим функциональным
возможностям и предоставляемым услугам приближается к стандарту GSM.
Стандарт IS-136 открывает возможность внедрения международного роуминга.
В настоящее время США приступили к созданию цифровых сетей персональной
связи (PCS). Развитие технологии PCS осуществляется в условиях активной
конкуренции.
Федеральная комиссия связи США в марте 1995 года выдала 102 лицензии
операторам сетей PCS в диапазоне 1900 МГц.
Одним из направлений создания сетей PCS явился перевод стандарта IS-54
(D-AMPS) в диапазон 1900 МГц. Абоненты будут иметь возможность пользоваться
двухдиапазонным терминалом, обеспечивающим доступ к услугам связи в
диапазонах 800 МГц и 1900 МГц.
Многие из операторов сетей PCS, получивших лицензии, выбрали для
реализации сетей персональной связи версию стандарта GSM для диапазона 1900
МГц - PCS-1900.
Значительным успехом у операторов сетей PCS пользуется стандарт CDMA IS-
95.
Развитие цифровых сетей персональной связи в США будет осуществляться
на фоне активных позиций сетей сотовой связи стандартов AMPS/D-AMPS,
абонентами которых, в настоящее время, являются около 10% населения страны.
Структурная схема, характеристики и радиоинтерфейс D-AMPS
Структурная схема цифровой ССПС D-AMPS (IS-54) показана на рис. 6.
Основные характеристики D-AMPS (IS-54) приведены в таблице 3.2. На рис. 7
показана структура кадров в системе D-AMPS для перспективного варианта с
полускоростным речевым кодеком, когда будут использоваться шесть временных
окон (вместо трех сегодня).
Структурная схема подвижной станции изображена на рис. 8.
Аналоговый речевой сигнал преобразуется в цифровую форму VSELP кодером.
Речевой сигнал разбивается на сегменты по 20 мс, которые преобразуются в
159 кодированных бит передаваемых со скоростью 7,95 кбит/с.
Для канального кодирования используется сверточный код со скоростью
г=1/2. В этом процессе пакет в 159 бит от речевого кодера разбивается на
две группы бит: класс 1 - 77 бит, класс 2 - 82 бита. В группе бит 1 класса
осуществляется указанное сверточное кодирование, причем 7 бит используются
для обнаружения ошибок, биты второго класса передаются без кодирования. В
результате преобразований в канальном кодере речевой фрагмент 20 мс
представляется 260 битами, что соответствует скорости передачи 13,0 кбит/с.
Структурные схемы канального кодировав приведены на рис. 9, Результирующая
скорость (по результатам формирования TDMA кадра) составляет 16,2 кбит/с в
расчете на одного абонента.
Пакет в 260 кодированных бит подвергается перемежению, принцип которого
иллюстрируется рис. 10. Речевой фрагмент Y разбивается на две части. Одна
часть передается в окне 1, вторая часть - в окне 4. Следующий фрагмент речи
Z, длительностью 20 мс, передается в окне 4 и окне 1 в следующем кадре.
Для передачи сообщений по радиоканалу используется спектрально-
эффективная n/4 DQPSK модуляция, реализуемая квадратурной схемой с прямым
переносом на несущую частоту.
В целом, потенциальные характеристики стандарта IS-54 уступают
характеристикам стандарта GSM. Для примера, на рис. 11 показаны графики
зависимостей вероятности ошибки от отношения сигнал/помеха (C/I) в сетях
стандартов GSM и D-AMPS (ADC) с учетом замираний сигнала при скорости
перемещения подвижной станции 55 миль в час. Стандарт GSM обладает также
преимуществами по отношению к стандарту IS-54 в части обеспечения
безопасности связи функциональных возможностей. Кроме того, распространение
GSM в глобальном масштабе (Европа, Азия, Африка, Австралия) позволяет
абонентам этих сетей путешествовать по всему миру своим радиотелефоном в
рамках автоматического международного роуминга. Стандарт D-AMPS принят в
Европе и России, где он ориентирован на региональное использование.
Характеристики стандарта DAMPS
Метод доступа - TDMA
Количество радиоканалов на несущую - 3
Рабочий диапазон частот: 824-840 МГц 869-894 МГц
Разнос каналов: 30 кГц
Эквивалентная полоса частот на один разговорный канал-10 кГц
Вид модуляции - n/4 DQPSK
Скорость передачи информации - 48 кбит/с
Скорость преобразования речи - 8 кбит/с
Алгоритм преобразования речи - VSELP
| |[pic] |
Рис. 6 Структура кадров в стандарте IS-54 с полускоростным речевым
каналом.
[pic]
[pic]
G: Guard Time, R: Ramp Time, DVCC: Digital Verification Color Code,
RSVD: Reserved for Future Use
Рис. 7 Структура кадров в системе D-AMPS для перспективного варианта с
полускоростным речевым кодеком, когда будут использоваться шесть временных
окон.
Как следует из графиков рис. 11, в реальных каналах связи для
одинаковых значений вероятности ошибки в D-AMPS требуется отношение
сигнал/помеха на 6-10 дБ больше, чем в GSM.
На рис. 12 показана зависимость качества приема речи от отношения
сигнал/помеха (C/I) в аналоговых и цифровых (ADC и GSM) сетях сотовой
связи. Как следует из этих графиков, Для обеспечения "приемлемого качества
речи" энергетические затраты в каналах D-AMPS должны быть на 6-7 дБ выше,
чем в GSM.
Худшие энергетические характеристики радиоканалов D-AMPS по отношению к
GSM сказываются также и при планировании сети. Для размещения сот с
одинаковыми частотами в D-AMPS требуются большие координационные
расстояния, что снижает эффективность повторного использования радиочастот.
[pic]
Рис. 8 Структурная схема подвижной станции
[pic]
Рис. 9 Структурные схемы канального кодирования.
[pic]
Рис. 10 Принцип перемежения.
[pic]
Рис. 11. Графики зависимостей вероятности ошибки от отношения
сигнал/помеха (C/I) в сетях стандартов GSM и D-AMPS.
[pic]
Рис. 12. Зависимость качества приема речи от отношениясигнал/помеха
(C/I)
в аналоговых и цифровых (ADC и GSM) сетях сотовой связи.
Основная часть
Особенности проектирования сетей радиосвязи
Оценка ЭМС сетей радиосвязи
В настоящее время ввиду массового роста числа
пользователей радиочастотным спектром, проблема ЭМС РЭС приобретает
весьма важное значение не только в рамках отдельных служб радиосвязи, но и
между разными службами. Успешное решение этой проблемы необходимо связывать
прежде всего с развитием новых спектрально эффективных радиотехнологий,
позволяющих при ограниченном частотном ресурсе существенно повышать
потенциальную емкость сетей радиосвязи общего пользования. Эта комплексная
проблема объединяет все элементы радиоинтерфейса современных сетей связи,
включая радиосигналы как носители информации, средства их генерации,
обработки и излучения (приема) и способы организации радиосвязи, -
все в совокупности определяющее множественный (многостанционный)
доступ в сети на основе методов частотного, временного, кодового и
пространственного (или их совокупности) разделения каналов пользователей.
Под электромагнитной совместимостью РЭС понимается их способность
одновременно функционировать в реальных условиях эксплуатации с требуемым
качеством при воздействии на них непреднамеренных радиопомех, не создавая
недопустимых радиопомех другим радиосредствам. Другими словами, ЭМС РЭС -
это свойство РЭС функционировать без ухудшения качественных показателей
ниже допустимого в заданной электромагнитной
обстановке. Под электромагнитной обстановкой будем понимать
совокупность электромагнитных полей РЭС различных служб радиосвязи в
рассматриваемой области пространства. Оценка ЭМС РЭС является общей задачей
и неотъемлемой частью процесса согласования условий совместной работы
РЭС. В ходе оценки ЭМС РЭС вырабатываются условия,
удовлетворяющие критерию ЭМС в данной электромагнитной
обстановке. Эти условия могут включать: территориальные ограничения на
размещение станции - источника помех; ограничение ЭИИМ станции -
источника мешающих сигналов в направлении на станцию,
подверженную помехе; защитные полосы и частотные ограничения РЭС; значение
необходимого подавления боковых лепестков диаграмм
направленности передающей и приёмной антенн; оптимизацию параметров
расположения РЭС и ориентации антенн и др.
За критерий обеспечения ЭМС обычно принимают защитное отношение
радиоприемника - минимальное допустимое отношение сигнал/радиопомеха на
входе приемника, обеспечивающее требуемое качество функционирования в
условиях воздействия непреднамеренных радиопомех. Численное значение
защитного отношения, как правило, зависит от типа помехового сигнала.
Иногда значение защитного отношения радиоприемника приводят к полосе
пропускания его линейной части (совмещенный канал), т.е. не учитывают
ослабление помехи за счет избирательных свойств приемника.
Для решения проблемы ЭМС РЭС используются организационные
и технические меры. Технические меры обеспечения ЭМС обусловлены изменением
технических параметров РЭС (например, снижение уровней внеполосных и
побочных излучений передатчиков, повышение избирательных свойств
приемников, снижение уровней боковых лепестков диаграмм направленности
антенн и др.). Они достаточно эффективны, но могут быть применимы в
основном при разработке новых типов оборудования. Для РЭС, находящихся в
эксплуатации, наиболее приемлемыми и действенными мерами обеспечения ЭМС
являются организационные меры. Они включают рациональное назначение рабочих
частот, сочетаемое с введением частотных, территориальных, временных и
пространственных ограничений, накладываемых на РЭС, - все вместе
представляющее собой основу частотно-территориального планирования (ЧТП)
сетей сухопутной подвижной связи, отвечающее требованиям эффективного
использования спектра.
Уравнение ЭМС РЭС
Уравнение ЭМС РЭС устанавливает взаимосвязь энергетических, частотных и
пространственных параметров РЭС полезного сигнала (рецептора радиопомех) и
мешающих сигналов (источников непреднамеренных радиопомех), при которых
обеспечивается требуемое качество функционирования РЭС. Обычно уравнение
ЭМС составляют для "дуэльной" ситуации, когда оценка ЭМС производится для
двух РЭС, одно из которых рассматривается в качестве приемника полезного
сигнала, а второе РЭС является источником непреднамеренных радиопомех. В
общем случае, возможно, учесть несколько источников непреднамеренных
радиопомех.
Важнейшими факторами, которые необходимо учитывать при анализе ЭМС РЭС,
являются потери при распространении радиоволн на трассе и флуктуации
уровней принимаемых сигналов и радиопомех.
Считают, что качественная передача информации по радиоканалу
обеспечивается в том случае, если выполняются следующие два условия:
1. флуктуации уровня полезного сигнала, обусловленные его замираниями как
вследствие многолучевости, так и вследствие препятствий, возникающих на
пути распространения радиоволн, приводят к уменьшению интенсивности
полезного сигнала ниже чувствительности РПМ (определяемой требуемой
вероятностью ошибочного приема цифровых сигналов на выходе решающего
устройства радиоприемника) не более чем в заданном ?s проценте времени;
2. флуктуации уровня полезного сигнала и непреднамеренной
радиопомехи приводят к снижению отношения сигнал/помеха ниже защитного на
входе радиоприемника не более чем в заданном ?l проценте времени.
Флуктуации интенсивности полезного и мешающего сигналов в диапазонах
волн, выделенных для подвижной связи, подчиняются логнормальному закону,
т.е. мощность полезного PS и мешающего РI сигналов в месте приема (на входе
приемника) может быть записана следующим образом:
Ps=Pos + XS,
PI = POI + XI. (3.1)
где Pos, POI - медианные значения мощности сигнала и радиопомехи; XS, XI -
случайные гауссовские величины с нулевым средним значением и с дисперсией
?2, определяющей глубину флуктуации этих уровней (обычно принимают, что для
городов с малой и средней этажностью застройки стандартное отклонение ? = 6
дБ, а для пригородов и сельской местности ? = 4 дБ).
Тогда ?S и ?I выраженные в процентах, определяются
интегралами вероятности:
[pic], (3.2)
[pic].
где Рмин - чувствительность радиоприемника; АВХ - защитное отношение на
входе радиоприемника; kS, kI - коэффициенты, учитывающие допустимый процент
времени ухудшения качества радиосвязи ниже заданного уровня.
Отметим, что если ?S = ?I = 5% (что обычно принимается в качестве
вероятностного критерия оценки границы зоны покрытия сотовой сети), то
kS, = kI = k = 1.65, которое характеризует пороговые уровни сигнала и
отношения сигнал/помеха. Снижение пороговых уровней может привести к
увеличению времени некачественного обслуживания абонентов.
Условия, указанные в формулах (3.2), выполняются в процентах времени ?S
и ?I в том случае, если имеют место следующие соотношения:
РOS = РМИН + k? (3.3)
[pic]. (3.4)
где k? - запас на замирания полезного сигнала, обеспечиваемый в системе
радиотелефонной связи на входе РПМ.
Баланс мощности в сетях подвижной связи должен быть выбран таким
образом, чтобы на границе зоны обслуживания сети всегда выполнялось
требуемое соотношение, а территориальный и/или частотный разнос между
совмещаемыми сетями должен быть таким, чтобы выполнялось соотношение (3.4).
Принятый выше запас на замирания полезного сигнала соответствует
требованиям обеспечения минимальной напряженности поля сигнала для защиты
мобильных станций цифровых и аналоговых систем сотовой связи, указанным в
Рекомендации СЕРТ.
Необходимо учитывать, что энергетические параметры РЭС сотовых сетей
связи должны выбираться из условия обеспечения требуемого радиуса зоны
покрытия базовой станции (БС) каждой сети. Радиусы зон покрытия БС должны
быть учтены при расчете величины территориального разноса между РЭС.
Таким образом на основании (3.3) и (3.4) уравнение ЭМС РЭС может быть
записано в следующем виде:
[pic] (3.5)
где
РМИН - чувствительность РПМ (рецептора радиопомех), дБВт;
А - защитное отношение РПМ в совмещенном канале, дБ;
[pic] - запас на замирания сигнала и радиопомехи, дБ;
POI - мощность радиопомехи на входе РПМ, дБВт.
POI = PРПД + GРПД(?РПМ) + GРПМ(?РПД) + UРПД + UРПМ + N(?f) - L(R), (3.6)
где
PРПД - мощность радиопередатчика источника радиопомех, дБВт;
GРПД(?РПМ) - к-нт усиления антенны РПД в направлении на РПМ, дБ;
GРПМ(?РПД) - к-нт усиления антенны РПМ в направлении на РПД, дБ;
UРПД, UРПМ — затухание в антенно-фидерном тракте РПД и РПМ, дБ;
N(?f) - ослабление радиопомехи в линейном тракте РПМ, дБ;
?f =fрпд -fргм - частотная расстройка, МГц;
L(R) - потери на трассе распространения сигналов от РИД (в данном случае
источника радиопомех) к РПМ (рецептору радиопомех), дБ. Эти потери принято
называть основными потерями передачи, которые рассчитываются от входа
передающей изотропной антенны до выхода приемной изотропной антенны. На
рис. 13 показана структура линии радиосвязи и основные термины,
используемые для представления о потерях передачи.
[pic]
Рис. 13. Структура линии радиосвязи.
Зависимость ослабления помехи от расстройки ?f вычисляется по формуле
[pic]. (3.7)
Здесь
С - нормировочный коэффициент;
S(f) - спектр сигнала радиопередатчика;
K(f) - нормированная функция избирательности радиоприемника (амплитудно-
частотная характеристика)[32].
Спектр сигнала и функция избирательности являются важнейшими
техническими характеристиками РЭС, существенно влияющими на условия их ЭМС.
Поэтому к уровням внеполосных и побочных излучений радиопередатчиков
предъявляются особые требования.
При оценке ЭМС РЭС с целью проверки соответствия параметров сигналов
РЭС установленным требованиям необходимо руководствоваться едиными нормами
на внеполосные и побочные излучения радиопередающих устройств гражданского
назначения.
По мнению ERC рекомендации CEPT/ERC 74-01E для уровней побочных
излучений РЭС сухопутной подвижной службы должны пересматриваться каждые
три года в соответствии с изменениями технологий и регулирующих требований
и должны быть использованы администрациями в качестве руководства для
разработки соответствующих стандартов.
Нормы частотно-территориального разноса РЭС
В ходе оценки ЭМС РЭС необходимо определить требуемые удаления
потенциально несовместимых РПД и РПМ при различных частотных расстройках и
при различных вариантах взаимной ориентации их антенн. Полученные
результаты для наземных РЭС с учетом принятой модели распространения
радиоволн и без учета влияния рельефа местности представляют собой оценку
сверху требуемых территориальных разносов.
В случае, если реальные значения территориальных разносов больше чем
требуемые, то считается, что ЭМС РЭС обеспечивается. В противном случае
может потребоваться введение дополнительных ограничений на мощность
излучения, частотную расстройку и (или) пространственную ориентацию и
высоту расположения антенн РЭС.
Одним из эффективных способов согласования условий совместной работы
РЭС является разработка и реализация норм частотно-территориального разноса
(ЧТР) между взаимовлияющими РЭС.
Нормы ЧТР представляют собой совокупность взаимообусловленных значений
территориального и частотного разноса РЭС с учетом ориентации их антенн,
при которых обеспечивается их ЭМС. На основе норм
|
