Электромагнитная совместимость сотовых сетей связи - Радиоэлектроника - Скачать бесплатно
ячейки сети, используя направленные антенны, и, таким
образом, снизить число базовых станций, необходимых для покрытия
определенной площади. Так вот, при работе по стандарту AMPS в разных
секторах одной и той же ячейки приходится использовать разные частотные
каналы (иначе неизбежны взаимные помехи, поскольку секторы ограничены не
линиями, а, скорее, областями постепенного спадания мощности сигнала), а в
CDMA можно применять одни и те же. Соответственно, полученную выше цифру 6
надо поделить на три - получим двойку. В итоге оказывается, что при
использовании одного и того же частотного диапазона шириной 1,25 МГц
емкость сети CDMA в девять раз выше, чем емкость AMPS. При сравнении CDMA с
другими стандартами выигрыш в емкости получается меньшим; конкретное число
можно узнать путем аналогичных расчетов.
Возможность использования в двух соседних ячейках сети одной и той же
несущей частоты значительно упрощает так называемое частотное планирование,
которое является весьма сложной операцией при развертывании сети. Если же
применяется частотное разделение каналов, необходимо расписать все
используемые в ячейках сети частоты так, чтобы ни в одной паре соседних
ячеек не оказалось двух одинаковых частотных каналов. Это совсем не просто
и часто связано со значительными материальными затратами.
Качество связи
Общеизвестно, что мобильный телефон обеспечивает не слишком высокое
качество связи. Причин тому много. В городах, где обычно и развертываются
сети мобильной связи, имеется много индустриальных помех. Распространяясь
между базовой станцией и мобильным аппаратом, радиоволна многократно
отражается от препятствий; в результате интерференции сигналов, прошедших
разными путями, интенсивность принимаемого сигнала может внезапно упасть.
Такие явления, называемые в радиотехнике федингами (fading), обычно
наблюдаются в ограниченных пространственных областях, чьи форма и
расположение определяются расположением зданий и длиной волны, на которой
ведется передача. Наконец, качество связи заметно снижается при переходах
мобильного абонента от одной ячейки сети к другой: в обычных стандартах
осуществляется так называемое "жесткое переключение" (hard handoff), при
котором сначала разрывается связь с покидаемой ячейкой и только после этого
устанавливается связь с новой.
Конечно, сравнивать качество связи, устанавливаемой с фиксированных
телефонов, с качеством мобильной связи не вполне корректно: в последнем
случае действует значительно больше факторов, обуславливающих ухудшение
связи. Тем не менее факт остается фактом - CDMA позволяет получить
значительно более высокое качество связи, чем стандарты, основанные на FDMA
и TDMA. Причины этого следующие: во-первых, CDMA - чисто цифровая связь
(аналоговый сигнал попросту невозможно передавать тем способом, какой
принят в CDMA), а во-вторых, в CDMA используется широкополосная модуляция
сигнала.
Цифровой сигнал значительно меньше уязвим для помех, чем аналоговый.
Кроме того, в CDMA применяются новейшие алгоритмы коррекции ошибок
передачи, а в аппаратуре обычно используются самые современные методы
сжатия голосового сигнала. Это позволяет достигнуть большой степени сжатия
голоса при достаточно высоком качестве связи.
Очень большие преимущества с точки зрения качества связи дает
применение широкополосной модуляции сигнала (рис. 18). Широкополосный
сигнал значительно меньше страдает от помех, особенно узкополосных.
Узкополосная помеха способна "испортить" широкополосный сигнал только в
каком-то относительно узком частотном диапазоне, и полезная информация
может быть восстановлена по неповрежденным участкам несущего диапазона. Это
относится и к федингам, о которых говорилось выше: интерференция прошедших
разными путями сигналов приводит к снижению суммарной интенсивности лишь в
достаточно узком частотном диапазоне, и снова полезную информацию можно
восстановить по неповрежденной части сигнала. Конечно, сигнал несколько
ухудшается, однако это несопоставимо с потерями качества связи при
использовании обычных методов модуляции.
Рис. 18. Воздействие узкополосных помех (а) и федингов (б) на
широкополосный сигнал.
Помимо повышения качества связи, устойчивость CDMA к федингам приводит
к значительной экономии ресурса источников питания и улучшению
экологических параметров мобильных телефонов. В других сетях мобильные
телефоны обычно работают на более высокой мощности, чем это нужно для
устойчивой связи с базовой станцией, что позволяет при внезапном
возникновении фединга не потерять связь (происходит лишь значительное
снижение ее качества). В CDMA же такой резерв не нужен, поэтому телефон
может работать с меньшей мощностью передаваемого сигнала.
Этим не ограничиваются преимущества технологии CDMA, связанные с
использованием широкополосной модуляции сигнала. Вместо жесткого
переключения (hard handoff или break before make) от ячейки к ячейке,
принятого во всех прочих сотовых сетях, в CDMA можно использовать мягкий
переход (soft handoff или make before break): мобильный аппарат сначала
устанавливает связь с базовой станцией, в зону действия которой он
переходит, и только после этого освобождает канал в покидаемой ячейке. Это
возможно за счет того, что и в покидаемой, и в новой ячейке используется
одна и та же несущая частота. Данное преимущество заметнее всего
сказывается на работе телефонов, находящихся в пограничной зоне между двумя
ячейками, где уровни сигналов от базовых станций примерно одинаковы. Тогда
выбор базовой станции в значительной степени определяется случайными
причинами, и абонент подключается то к одной, то к другой станции. При
жестком переходе частые переключения значительно ухудшают качество связи и
даже могут привести к ее обрыву, а при мягком переходе ничего подобного не
происходит.
Далее, для работы системы CDMA необходимо, чтобы все приходящие на
базовую станцию сигналы имели одинаковую интенсивность, - в противном
случае возникнут проблемы с декодировкой информации. Ясно, что чем дальше
телефон от базовой станции, тем выше должна быть мощность передаваемого им
сигнала. Базовая станция следит за тем, чтобы сигналы, приходящие к ней от
разных телефонов, были строго одинаковой интенсивности, и дает указания
индивидуальным телефонам о повышении или понижении мощности передаваемого
сигнала. Такая схема управления мощностью реализована во многих стандартах
мобильной связи, однако в CDMA удается управлять мощностью передатчиков
мобильных телефонов с очень высокой точностью. Мощность удерживается на том
минимальном уровне, который обеспечивает уверенный прием сигнала базовой
станцией. При этом снижается общий уровень взаимных помех в системе, что
повышает качество связи. Кроме того, точное управление мощностью позволяет
продлить срок службы аккумуляторов мобильных телефонов и улучшить
экологические параметры технологии.
Недостатков у CDMA относительно немного. Главный из них - новизна
технологии. Стандартизирована она была лишь в 1994 г. (соответствующий
документ называется IS-95), поэтому значительно менее устоялась, чем другие
технологии мобильной связи.
Другими недостатками являются большая сложность оборудования и, как
следствие, довольно ограниченный круг производителей. В настоящее время
базовые станции для этой технологии выпускают фирмы QUALCOMM, Samsung,
Motorola, Lucent Technologies, Nortel и некоторые другие. Намного больше
компаний выпускают абонентское оборудование, однако их тоже меньше, чем
аналогичных производителей для других технологий.
Определенные проблемы вызывает и использование "мягкого переключения".
В частности, если абонент находится в зоне действия нескольких базовых
станций, то правило make before break может привести к тому, что для работы
с ним будут одновременно резервироваться каналы в нескольких ячейках сети,
что приведет к снижению эффективной емкости сети. В настоящее время
разрабатываются различные способы, позволяющие избежать такой ситуации.
Помимо своего, так сказать, основного амплуа, сети CDMA могут
обеспечивать целый ряд других функций. Прежде всего, следует упомянуть
приложения так называемой "беспроводной последней мили" (Wireless Local
Loop, WLL). Такое приложение реализуется в
"фиксированных" сетях, не поддерживающих мобильных абонентов. Следует,
впрочем, подчеркнуть, что совершенно неподвижными абоненты таких сетей быть
не обязаны, - допускается, например, перемещение с места на место в
пределах территории, на которой развернута сеть.
Наибольший интерес к фиксированным сетям проявляют компании-операторы из
развивающихся стран, где необходимо быстро обеспечить связь на большой
территории, и на прокладку разветвленной кабельной сети просто нет времени.
Помимо недостаточно развитой коммуникационной инфраструктуры, существует и
еще одна причина интереса к беспроводным технологиям "последней мили" -
большие расстояния. Этот фактор не зависит от уровня экономического
развития страны - проложить кабель к удаленному ранчо в Соединенных Штатах
ничуть не дешевле (а скорее всего, значительно дороже), чем к какой-нибудь
глухой российской деревушке на десять домов. Переход от мобильной связи к
фиксированной сопряжен со значительным повышением качества передачи голоса
и увеличением емкости сети. По данным корпорации QUALCOMM, максимальная
емкость ячейки сети в этом случае возрастает до 45 каналов на одну несущую
частоту.
В настоящее время испытания систем WLL на базе CDMA проходят в Канаде,
Бразилии, Индии, России, Китае, Польше.
Другим весьма перспективным применением технологии CDMA будет, как
предполагается, начинающая развиваться в США система сотовой связи в
диапазоне 1900 МГц под названием PCS (Personal Communications Services).
Идея PCS состоит в том, чтобы превратить сотовую связь во всепроникающую
телекоммуникационную технологию. Ожидается, что ячейки такой сети будут
мельче, мобильные аппараты - легче и дешевле и что эта система позволит
связываться с абонентами в любое время и из любого места. Согласно
прогнозам, одно из наиболее эффективных решений для организации PCS -
применение технологии CDMA, в первую очередь благодаря большей емкости
таких сетей, более высокому качеству связи (в частности, малый размер ячеек
означает частые переключения, а они, как мы помним, в CDMA происходят менее
болезненно, чем при использовании других технологий), а также малой
стоимости в расчете на одного абонента. В настоящее время в США уже
развернуты первые системы PCS на базе CDMA.
Расчет межсистемной ЭМС
Требуется провести анализ ЭМС между двумя базовыми станциями (БС) двух
различных стандартов сотовой связи (CDMA и D-AMPS), с целью их взаимной
беспомеховой (корректной) работы.
Ниже приведены исходные данные, необходимые для расчета:
|Характеристика |CDMA |GSM |D-AMPS |
|Рабочий диапазон |824-840 |880-915 |824-840 |
| |869-894 | |869-894 |
|Мощность передатчика БС, дБ |40 |40 |40 |
|Чувствительность приемника |-102 |-107 |-90 |
|БС, дБ | | | |
|К-нт усиления антенны |16 |14 |16 |
|РПД в направлении | | | |
|на РПМ | | | |
|GРПД(?РПМ),дБ | | | |
|К-нт усиления антенны |16 |0 |16 |
|РПМ в направлении на РПД | | | |
|GРПМ(?РПД),дБ | | | |
|Разнос каналов, кГц |1250 | |30 |
|Защитное отношение |7 |9 |9 |
|(сигнал/помеха), дБ | | | |
|Среда распространения |Город |Город |Город |
|радиоволн | | | |
Как видно из таблицы рассчитывать ЭМС сетей EGSM и D-AMPS не имеет
смысла, т.к. рабочие диапазоны частот не совпадают.
БС CDMA - приемник помехи
БС D-AMPS источник помехи
Обе БС работают на одной несущей частоте f = 830 МГц, вследствие этого
создают друг другу помехи
1. Начнем расчет с нахождения POI :
POI — мощность радиопомехи на входе РПМ (БС CDMA), дБВт.
POI = PРПД + GРПД(?РПМ) + GРПМ(?РПД) + UРПД + UРПМ + N(?f) - L(R),
Нам известно, что:
PРПД = 40дБ (мощность радиопередатчика источника радиопомех)
GРПД(?РПМ) = 16дБ (к-нт усиления антенны РПД в направлении на РПМ)
GРПМ(?РПД) = 16дБ (к-нт усиления антенны РПМ в направлении на РПД)
UРПД = 1,51дБ (затухание в антенно-фидерном тракте РПД)
UРПМ = 0,1дБ (затухание в антенно-фидерном тракте РПМ)
N(?f) = 1 дБ (ослабление радиопомехи в линейном тракте РПМ)
L(R) - потери на трассе распространения сигналов от РПД (в данном случае
источника радиопомех) к РПМ (рецептору радиопомех), дБ.
POI = 40+16+16+1,51+0,1+1- L(R) =74,61- L(R);
Т. к. среда распространения радиоволн - город, далее считаем.
Потери в городе:
LГ = 69,55 + 26,16 lgf - 13,82 lg(hБС) - a(hАС) + k[44,9 - 6,55
lg(hБС)] lgR, где
HБC =30 м.(высота антенны базовой станции)
hAC =1,5 м. (высота антенны абонентской станции)
R=0,5 км (протяженность трассы - расстояние между базовыми станциями)
Коэффициент k позволяет расширить действие модели для протяженности
трассы до 100 км:
k =1 для R<20 км,
Поправочный коэффициент на высоту абонентской станции:
a(hAC) = (1,1lgf - 0,7) hAC - 1,56 lgf + 0.8 .
LГ =69,55+76,36-20,41-10,6=114,9 дБ
Суммарные потери на трассе распространения радиоволн составляют 114,9
дБ.
Теперь мощность радиопомехи с учетом потерь в городе:
POI =74,61-114,9=-40дБ
Далее применяя уравнение ЭМС РЭС, определяем возможна ли
взаимная беспомеховая работа двух базовых станций
[pic] - уравнение ЭМС РЭС, где:
k=1,65 (коэффициент, учитывающий допустимый процент времени ухудшения
качества радиосвязи ниже заданного уровня)
? = 6 дБ
РМИН = -102 дБ (чувствительность приемника)
A=9 дБ (защитное отношение сигнал/помеха)
-102-(-40)> 9+1,65(0,4)6
-62>15 -Неравенство не выполняется.
Вывод: взаимная беспомеховая работа невозможна.
Так как стандарт CDMA-широкополосный, с кодовым разделением каналов и
передатчик его БС обладает меньшей излучаемой мощностью,
нежели передатчик БС стандарта D-AMPS, то дальнейшие рекомендации, в
первую очередь, будут относиться к настройке, установке и использованию БС
стандарта D-AMPS. Итак, если неравенство не выполняется, то необходимо:
Уменьшить мощность РРПД БС стандарта D-AMPS, что в свою очередь
приведет к уменьшению обслуживаемой зоны.
Уменьшение GРПД(?РПМ) - коэффициента усиления антенны РПД в
направлении на РПМ. Это достигается применением направленных
(секторных) антенн и их ориентацией в пространстве.
Уменьшение GРПМ(?РПД) - коэффициента усиления антенны РПМ в
направлении на РПД. Это достигается применением направленных
(секторных) антенн и их ориентацией в пространстве.
Изменение несущей частоты БС D-AMPS.
ЭМС сотовых систем связи EGSM-900 и CDMA-800 в Москве
Исходные данные для расчета
Проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) сотовых систем различных
стандартов, действующих на одной территории, может возникнуть, если рабочие
полосы частот в предусмотренных для этих систем диапазонах перекрываются
или защитный интервал между ними недостаточен. Особенно тщательного
исследования требует случай, когда одна из систем уже развернута и
функционирует в выделенных для нее рабочих полосах частот, а вторая
планируется к развертыванию на той же или сопредельной территории при
дефиците частотных полос.
Оценка ЭМС систем EGSM-900 и CDMA-800 в Москве.
Распределение рабочих полос частот систем CDMA-800 (передача с БС;
передача с МС) или (прием на МС; прием на БС):
• по России в целом: (873...876 МГц; 828...831 МГц) МГц;
• в Москве: (879...882 МГц; 834...837 МГц).
Полоса, выделенная для стандарта EGSM-900: 880...915 МГц.
Следовательно, частотные полосы систем не только перекрываются, но,
фактически, часть рабочей полосы частот EGSM-900 приходится на ранее
выделенную и занятую полосу системы связи CDMA-800. В связи со сложившейся
ситуацией необходимо провести оценку ЭМС этих двух систем.
Из анализа частот EGSM и CDMA в Москве, следует, что излучение
передатчика БС CDMA воздействует на приемник БС EGSM. В свою очередь
излучение передатчика МС EGSM воздействуют на приемник МС CDMA.
При анализе ЭМС проводится расчет для следующих исходных данных:
1. Характеристики передатчика БС CDMA:
Максимальная мощность излучения БС CDMA: PБС CDMA = 17 Вт;
Рабочая частота передатчика БС CDMA: fБС CDMA = 881,25 МГц (г.Москва);
Полоса пропускания на уровне 3 дБ передатчика БС CDMA: 1,2 МГц;
Потери радиочастотного кабеля, включая потери на радиочастотном
разъеме: 3 дБ;
Высота установки антенны передатчика БС CDMA: HБС CDMA =30 m;
КУ секторной антенны передатчика БС CDMA: GБС CDMA = 14 дБ;
Уровень внеполосного излучения БС CDMA при отстройке от несущей на МГц и
более: менее -44 дБ;
2. Характеристики приемника МС CDMA:
. Частота приема МС CDMA: 881,25 МГц (г. Москва);
. Полоса пропускания на уровне 3 дБ приемника МС CDMA: 1,2 МГц;
. Выигрыш в отношении S/(N+I) при использовании кодирования: 23 дБ;
. КУ антенны приемника МС CDMA: GМС CDMA = 0 дБ;
. Чувствительность приемника МС CDMA: -120,65 дБ;
. Уровень внутрисистемной помехи в системе CDMA: 8 дБ;
Требуемое отношение S/(N+I) в системе CDMA: 5,5 дБ;
3. Характеристики передатчика МС EGSM:
Мощность излучения МС EGSM: PМС EGSM = 2 Вт;
Несущая частота передатчика МС EGSM: fМС EGSM = 889,6 МГц;
Полоса пропускания на уровне 3 дБ передатчика МС EGSM: 6 МГц;
Уровень внеполосного излучения МС EGSM при отстройке от несущей на 0,5 МГц
и более: менее -60 дБ;
КУ антенны передатчика МС EGSM: GМС EGSM = 0 дБ;
4. Характеристики приемника БС EGSM:
Частота приема БС EGSM: fБС EGSM = 889,6 МГц;
Полоса пропускания на уровне 3 дБ приемника БС EGSM: 6 МГц;
Высота установки антенны приемника БС EGSM: HБС EGSM = 30 м;
КУ секторной антенны приемника БС EGSM: GБС EGSM = 14 дБ;
Чувствительность приемника БС EGSM: -107 дБ;
Требуемое отношение S/(N+I) в системе EGSM: 9 дБ;
5. Условные характеристики трасс распространения сигналов:
Условия распространения сигнала передатчик БС CDMA - приемник БС EGSM:
городская застройка;
Условия распространения сигнала передатчик БС CDMA - приемник МС CDMA:
городская застройка;
Условия распространения сигнала передатчик МС EGSM - приемник МС CDMA:
прямая видимость (распространение в свободном пространстве);
Условия распространения сигнала передатчик МС EGSM - приемник БС EGSM:
городская застройка.
Анализ параметров источников полезного и мешающего сигналов
1. Мощность передатчиков:
Для передатчика БС CDMA:
[pic], дБм;
Для передатчика МС EGSM:
[pic], дБм.
2. Уменьшение уровня мощности мешающего сигнала на гармониках:
Частоты приемника МС CDMA и передатчика МС EGSM примерно равны:
[pic], МГц.
Значит, уменьшение уровня мощности мешающего сигнала на гармониках
отсутствует.
Частоты приемника БС EGSM и передатчика БС CDMA примерно равны:
[pic]МГц.
Значит, уменьшение уровня мощности мешающего сигнала на гармониках
отсутствует.
3. Потери в фидерах:
Для передатчика БС CDMA: 3 дБ.
Для передатчика МС EGSM: 0 дБ.
4. Усиление антенн:
КУ секторной антенны передатчика БС CDMA: GБС CDMA = 14 дБ.
КУ антенны передатчика МС EGSM: GМС EGSM = 0 дБ;
5. Уменьшение уровня мощности для частот передатчика, лежащих вне
рабочей полосы частот.
Уровень внеполосного излучения БС CDMA при отстройке от несущей на 2
МГц и более: менее -44 дБ;
Уровень внеполосного излучения МС EGSM при отстройке от несущей на 0,5
МГц и более: менее -60 дБ;
6. Уменьшение коэффициента усиления антенны передатчика в
направлении рецептора.
Секторная антенна БС CDMA должна обеспечивать примерно одинаковое
усиление во всех направлениях, в т.ч. и направлении на БС EGSM.
Следовательно, уменьшение КУ антенны БС CDMA принимаем равное 0 дБ.
Антенна МС является всенаправленной, поэтому уменьшение КУ антенны МС
EGSM принимаем равным 0 дБ.
Итоговые данные по уровню эффективно передаваемой мощности.
С помощью расчета параметров передатчиков, полученные результаты
сводятся в таблицу. Для нахождения результата необходимо сложить все строки
таблицы.
Расчет уровня эффективной передаваемой мощности.
|Пара сигнал - |БС EGSM |МС CDMA |
|помеха | | |
| |МС EGSM |БС CDMA |БС CDMA |МС EGSM |
|Параметры |Сигнал |Помеха |Сигнал |Помеха |
Потери энергии на трассе распространения радиоволн
8, 9. Медианные и дифракционные потери.
Для трассы БС CDMA - БС EGSM.
Определим потери на трассе распространения по формулам Hata:
h 1 = h2 = 30м - высоты антенн БС.
Hm = min(h1, h2) = 30 м, Hb = max(h1, h2) = 30 м.
Для r > 0,1 км, городская застройка, f = 881,25 МГц:
[pic];
[pic];
[pic]
[pic]
?=1 при r < 20 км;
[pic] , при 20 < r < 100 км
т.к. берем расстояние между БС меньше 20 км, то ? = 1;
L = 69,6 + 26,2 log(f) - 13,82log(max{30; Hb })+
+ ? [44,9-6,55log(max{30;Hb})]logr-a(Hm)-b(Hb)
L = 69,6+26,2 log(881,25) - 13,821og(30)+1[44,9 - 6,551og(30)]log(r) -
31,6;
L = 69,6 + 77,2 - 20,4 + 35,2log(r) - 31,6;
L = 94,8 + 35,2 log(rБС).
Где rБС - расстояние между базовыми станциями CDMA и EGSM, км.
Для трассы распространения МС EGSM - БС EGSM.
|
