Электромагнитная совместимость сотовых сетей связи

коммерческого использования. Оборудование для этого стандарта уже выпускают

шесть компаний: Hughes Network Systems, Motorola и Samsung.

Общая характеристика и принципы функционирования

Принцип работы систем сотовой связи (ССС) с кодовым разделением

каналов можно пояснить на следующем примере.

Предположим, что вы сидите в ресторане. За каждым столиком находится два

человека. Одна пара разговаривает между собой на английском языке, другая

на русском, третья на немецком и т.д. Получается так, что в ресторане все

разговаривают в одно и то же время на одном диапазоне частот (речь от 3 кГц

до 20 кГц), при этом вы, разговаривая со своим оппонентом, понимаете только

его, но слышите всех.

Так же и в стандарте CDMA передаваемая в эфире информация от базовой

станции к мобильной или наоборот попадает ко всем абонентам сети, но каждый

абонент понимает только ту информацию, которая предназначена для него, т.е.

русский понимает только русского, немец только немца, а остальная

информация отсеивается. Язык общения в данный момент является кодом. В CDMA

это организовано за счет применения кодирования передаваемых данных, если

точнее, то за это отвечает блок умножения на функцию Уолша.

В отличие от стандарта GSM, который использует TDMA (Time Division

Multiple Access - многостанционный доступ с кодовым разделением канала,

т.е. несколько абонентом могут разговаривать на одной и той же частоте, как

и в CDMA, но в отличие от CDMA, в разное время), стандарт IS-95 диапазон

частот использует более экономично.

CDMA называют широкополосной системой и сигналы идущие в эфире

шумоподобными. Широкополосная - потому, что занимает широкую полосу частот.

Шумоподобные сигналы - потому, что когда в эфире на одной частоте, в одно и

то же время работают несколько абонентов, сигналы

Рис. 3 сигнал и помеха

накладываются друг на друга (можно представить шум в ресторане, когда все

одновременно говорят). Помехоустойчивая - потому, что при возникновении в

широкой полосе частот(1,23 Мгц) сигнала-помехи, узкого диапазона ( 400 МГц.(3.20)

Для корректного использования формул Hata необходимо придерживаться

следующего соответствия между типами моделей и характеристиками местности:

Плотная городская застройка (большой город) - плотная застройка в

основном высокими зданиями (выше 20 этажей) с малой площадью зеленых

насаждений. Покрытие ячеек в значительной мере определяется дифракцией и

рассеянием сигнала на ближайших к абоненту зданиях.

Городская застройка - многоэтажная административная и жилая

застройка, индустриальные районы. Плотность зданий достаточно высокая, но

может быть разбавлена зелеными насаждениями, небольшими скверами.

Пригород - одиночные жилые дома, административные здания,

магазины высотой 1-3 этажа. Большие площади зеленых

насаждений (деревьев), парковые зоны с отдельными группами зданий плотной

застройки.

Сельская местность - открытое пространство с несколькими зданиями, фермы,

кустарниковые насаждения, шоссе.

Открытое пространство - озера, водохранилища, открытые участки

без насаждений, неплодородные земли.

На рис. 15, 16 представлены графики для медианного значения ослабления

радиоволн по модели Hata и свободного пространства в диапазонах 450 МГц и

850 МГц. Значения параметров hБС, hАС, указаны на рисунках. Цифрами

обозначены: 1 - свободное пространство; 2 - открытая местность; 3 -

пригород; 4 - город; 5 - большой город.

[pic]

Рис. 15. Графики для медианного значения ослабления радиоволн по модели

Hata в диапазонах 450 МГц и 850 МГц.

[pic]

Рис. 16. Графики для медианного значения ослабления радиоволн свободного

пространства в диапазонах 450 МГц и 850 МГц.

Как видно из анализа формул (3.15) - (3.20) для модели Okumura-Hata

спад функции основных потерь передачи L(R) существенно зависит от высоты

расположения антенны БС и может составлять 30...35 дБ на декаду для R< 20

км и более 50 дБ при 20 км < R< 100 км.

Некоторые аспекты и тенденция увеличения емкости сетей

подвижной связи

Число пользователей сотовых сетей мобильной связи растет значительно

быстрее, чем могли себе представить изобретатели этой технологии. Каждый

год количество абонентов возрастает на 40%, и предполагается, что данная

тенденция сохранится до конца десятилетия. Резкое увеличение числа

абонентов и растущая коммерциализация технологии обуславливают новые

требования к сети; в частности, довольно остро стоит задача увеличения

емкости ячеек и повышения качества передачи звука при телефонных

переговорах.

С одной и той же базовой станцией сотовой сети может взаимодействовать

большое число абонентов. Такой режим работы называется множественным

доступом (multiple access) к базовой станции. Для обеспечения

множественного доступа общий ресурс базовой станции подразделяется на

определенное количество "каналов", к которым получают доступ пользователи.

В одно и то же время абонент может использовать только один канал. Захват

канала происходит при подсоединении к данной базовой станции (при переходе

к ней из зоны действия другой базовой станции или инициализации вызова),

освобождение канала - при переходе в зону действия другой базовой станции

или окончании переговоров.

Разные стандарты организации множественного доступа по-разному

"упаковывают" каналы в наличный диапазон частот; от способа этой упаковки

зависит емкость ячейки сети.

Первыми появились методы множественного доступа, основанные на

разделении каналов по частотам (FDMA, frequency division multiple access).

Каждый канал занимает определенную частотную полосу в отведенном для ячейки

частотном диапазоне. В настоящее время используются стандарты AMPS

(Advanced Mobile Phone Service, ширина канала 30 кГц), NAMPS (Narrowband

Advanced Multiple Phone Service, ширина канала 10 кГц), TACS (Total Access

Communications System, ширина канала 25 кГц). Все эти стандарты основаны на

передаче аналогового сигнала. После установления соединения вся

соответствующая каналу полоса частот используется для обслуживания диалога

только между одним абонентским телефоном и базовой станцией, какое-либо

совместное применение одной полосы частот несколькими абонентами

невозможно.

Емкость ячейки сети определяется тем, сколько частотных каналов

"умещается" в частотном диапазоне, отведенном для данной ячейки. Величина

этого диапазона обычно составляет одну седьмую часть от общего диапазона

частот, отведенного для конкретной сотовой сети, что необходимо для

"разнесения" по частотам соседних ячеек сети. Благодаря этому можно

повторно использовать одни и те же частоты в отдаленных друг от друга

ячейках сети, а значит, строить сети неограниченных географических

масштабов, применяя конечный диапазон частот.

Большей емкости сети можно достичь с помощью

одного из многочисленных методов множественного доступа с временным

разделением каналов (Time Division Multiple Access, TDMA). Весь диапазон

частот, выделенный для данной ячейки, сначала подразделяется на

определенное число несущих частот (как в методах множественного доступа),

после чего каждая из несущих делится еще на некоторое число временных

слотов, и именно эти слоты представляют собой каналы. Под термином

"временной слот" понимается следующее. Базовая станция, работая на данной

частоте, какую-то часть времени использует для связи с одним абонентом,

какую-то - с другим и так далее. По существу, временной слот здесь мало

чем отличается от применяемого при мультиплексировании с

разделением по времени. Речь обычно передается в оцифрованном

виде с компрессией. В качестве примеров TDMA можно привести следующие

стандарты: IS-54 (частотные каналы AMPS шириной 30 кГц делятся на три

временных слота), PDC (каналы на 25 кГц по три слота в каждом) и усиленно

продвигаемый в настоящее время GSM (восемь временных слотов при несущем

диапазоне 200 кГц).

Существенное увеличение емкости сети обеспечивает не так

давно появившийся в технике сотовых сетей метод CDMA (Code Division

Multiple Access). Как и метод множественного доступа, он подразумевает

передачу голосовой информации только в оцифрованном виде. Мы не случайно

подчеркиваем, что этот метод возник недавно именно в телефонии, -

в основе его лежит давно применяемый в военной радиосвязи

метод модуляции с использованием шумоподобного или широкополосного

сигнала (ШПС; в англоязычной литературе используется термин spread

spectrum, что часто переводится на русский язык как "растянутый" или

"размытый" спектр). Полезная информация как бы

"размазывается" по частотному диапазону, существенно более широкому, чем

при традиционных способах модуляции сигнала (в данном контексте такой

сигнал часто называют узкополосным). Осуществляется это за счет

перемножения последовательности полезных битов информации

на псевдослучайную последовательность более коротких импульсов. В

результате получается сигнал, который занимает больший частотный диапазон и

имеет значительно меньшую интенсивность, чем получаемый при узкополосной

модуляции. CDMA как метод множественного доступа аналогичен методу

модуляции DSSS (direct-sequence spread spectrum), используемому в

беспроводных локальных сетях.

Ясно, что в этом случае можно принять информацию, только зная

последовательность, на которую был перемножен полезный сигнал при передаче,

в противном случае он будет выглядеть как шум (отсюда и название). В

военных приложениях данный метод используется в первую очередь для защиты

от помех (широкополосный сигнал очень устойчив к узкополосным помехам) и

подслушивания. Для нас же сейчас более важно следующее: если два

абонентских телефона, находящихся в зоне действия одной базовой станции,

работают на общей частоте, но с разными кодирующими последовательностями,

то эти сигналы практически не будут создавать помех друг для друга.

Все абонентские телефонные аппараты, работающие в зоне действия одной

базовой станции, используют одну и ту же несущую частоту. Для передачи

информации отводятся частотный диапазон шириной 1,25 МГц и фрагменты общей

"большой" псевдослучайной последовательности, по-разному смещенные от

условно выбранного начала этой последовательности. Емкость ячейки сети CDMA

определяется тем, насколько независимы друг от друга коды, используемые

абонентскими аппаратами. При работе по этой технологии размер ячейки,

качество звука и емкость оказываются тесно взаимосвязанными, поэтому при

проектировании сети следует выбирать некое оптимальное решение; улучшить

одну из этих характеристик можно только за счет ухудшения другой. Дело тут

в следующем. Чем больше CDMA-каналов в данной ячейке сети, тем выше уровень

взаимных помех из-за неполной независимости кодовых последовательностей.

Отсюда ясно, что чем более низкое качество передачи звука считается

приемлемым, тем больше каналов можно разместить в ячейке сети. Взаимная

зависимость между размерами ячейки и емкостью сети обусловлена тем, что

можно обеспечить заданное качество передачи речи, только если соотношение

сигнал/шум оказывается выше определенного значения. Чем слабее сигнал (а

при заданной мощности оборудования с увеличением размера ячейки сигнал

становится слабее), тем меньшим должен быть уровень помех - а он, как мы

знаем, зависит от числа используемых каналов. (Строго говоря, в последнем

случае все несколько сложнее, однако сейчас мы не станем в это

углубляться.)

По данным компании Motorola, одного из ведущих производителей

аппаратуры для CDMA в одном несущем диапазоне шириной 1.25 МГц можно

разместить до 18 каналов для сетей мобильной связи и около 30 - для

фиксированных сетей (где абонентские терминалы не перемещаются в

пространстве в процессе вызова). Много это или мало? Попробуем сравнить

емкость сети CDMA с емкостью сети на базе AMPS. На первый взгляд, кажется,

что для такого сравнения надо ширину несущего диапазона CDMA (1,25 МГц)

поделить на ширину одного частотного канала AMPS (30 кГц) и выяснить, не

больше ли получившееся число, чем 18.

(1,25 : 0,03=42 > 18).

Выходит, что сравнение не в пользу CDMA? Однако это неверный вывод,

поскольку, как уже говорилось выше, при работе в стандарте AMPS каналы,

организованные в семи соседствующих между собой ячейках (см. рис. 17),

должны различаться по частотам, а в CDMA во всех ячейках можно использовать

один и тот же несущий диапазон. Поэтому полученный результат надо разделить

на семь (42 : 7 = 6). Получаем, что емкость CDMA втрое выше, чем AMPS. Но и

этот результат нельзя считать окончательным, поскольку и в CDMA, и в AMPS

ячейку сети обычно делят на три сектора по 120° в каждом - это позволяет

увеличить радиус 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

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6