Принципы построения систем сотовой связи, страница 5

Множественный доступ с частотным разделением каналов связи.2. Множественный доступ с временным разделением каналов связи.3. Множественный доступ с кодовым разделением каналов связи.4. Множественный доступ с пространственным разделением каналов связи.5. Множественный доступ с поляризационным разделением каналов связи.Практический интерес для сотовой связи представляют первые три из них, поэтому вследующих разделах мы рассмотрим их подробнее. Четвертый метод фактическииспользуется в реализации принципа повторного использования частот, в частности приделении ячейки на сектора с использованием направленных антенн, но обычно этот приемне преподносится как один из методов множественного доступа.

Случаев практическогоприменения поляризационного разделения нам не известно.А. Множественный доступ с частотным разделением.Множественный доступ с частотным разделением (английское FDMA - FrequencyDivision Multiple Access), или множественный доступ с разделением каналов связи почастоте, — наиболее простой из трех методов множественного доступа как по своей идее,так и по возможности реализации. В этом методе каждому пользователю на время сеансасвязи выделяется своя полоса частот Δf (частотный канал), которой он владеетбезраздельно.

Метод FDMA используется во всех аналоговых системах сотовой связи(системах первого поколения) — это единственный метод, который целесообразноиспользовать в аналоговых системах, при этом полоса Δf составляет 10...30 кГц. Основноеслабое место FDMA - недостаточно эффективное использование полосы частот. Этаэффективность заметно повышается при переходе к более совершенному методу TDMA,что позволяет соответственно повысить емкость системы сотовой связи.17Б.

Множественный доступ с временным разделением.Множественный доступ с временным разделением (английское TDMA - Time DivisionMultiple Access), или множественный доступ с разделением каналов связи по времени,также достаточно прост по идее, но значительно сложнее в реализации, чем FDMA. Сутьметода TDMA заключается в том, что каждый частотный канал разделяется во временимежду несколькими пользователями, т.е.

частотный канал по очереди предоставляетсянескольким пользователям на определенные промежутки времени.Практическая реализация метода TDMA требует преобразования сигналов в цифровуюформу и характерного «сжатия» информации во времени. Цифровая Обработка сигналов исхема TDMA используются в стандартах сотовой связи второго поколения D-AMPS, GSM,PDC. Особенно нагляден в этом отношении стандарт D-AMPS: при сохранении той жеполосы частотного канала Δf = 30 кГц, что и в аналоговом стандарте AMPS, число физических каналов в нем возрастает втрое и более чем втрое возрастает емкость системы; свводом полускоростного кодирования этот коэффициент увеличится еще в два раза.Заметим попутно, что разделение во времени может использоваться и для реализациипрямых и обратных каналов дуплексной связи в одной и той же полосе частот (английскоеTDD - Time Division Duplex).

Такое техническое решение находит применение вбеспроводном телефоне. В сотовой связи обычно используется дуплексное разделение почастоте (английское FDD - Frequency Division Duplex), т.е. прямые и обратные каналызанимают разные полосы частот, смещенные одна относительно другой.Метод TDMA, однако, сам по себе не реализует всех потенциальных возможностей поэффективности использования спектра; дополнительные резервы открываются прииспользовании иерархических структур и адаптивного распределения каналов. Известноепреимущество в этом отношении может иметь метод CDMA.В. Множественный доступ с кодовым разделением.Множественный доступ с кодовым разделением (английское CDMA - Code DivisionMultiple Access) прост только на уровне феноменологического описания метода: в нембольшая группа пользователей (например, от 30 до 50) одновременно использует общуюотносительно широкую полосу частот - не менее 1 МГц.

По-существу же метод CDMAдостаточно сложен, и не только в отношении принципов построения, но и в планепрактической реализации. Как и TDMA, метод CDMA может быть реализован только вцифровой форме. Подробное рассмотрение и обсуждение метода несколько затрудняется,кроме того, тем, что при обилии публикаций теоретического характера опыт его практического применения пока ограничен.Основная особенность метода CDMA — это работа в широкой полосе частот,значительно превышающей полосу сигнала речи, в сочетании с таким кодированиеминформации каждого из физических каналов, которое позволяет выделять ее из общейширокой полосы, используемой одновременно всеми физическими каналами. Системасвязи, реализующая CDMA, является системой с расширенным спектром — спектринформационного сообщения искусственно расширяется посредством модуляции(кодирования) периодической псевдослучайной последовательностью импульсов сдостаточно малым дискретом. Для получения ширины спектра более 1 МГц (а этопринципиально важно для успешной работы в условиях многолучевого распространения)длительность дискрета модулирующей последовательности должна быть менее 1 мкс.18Указанные общие принципы – расширение спектра за счет модуляции псевдослучайнойпоследовательностью в сочетании с кодовым разделением физических каналов –однозначно определяют и общие достоинства метода CDMA: высокую помехоустойчивость,хорошую приспособленность к условиям многолучевого распространения, высокуюемкость системы.Помехоустойчивость метода – по отношению как к узкополосным, так иширокополосным помехам – может быть пояснена следующим образом.

Модуляциясигнала псевдослучайной последовательностью при передаче требует его повторноймодуляции той же последовательностью при приеме (что эквивалентно демодуляциисигнала), в результате чего восстанавливается исходный узкополосный сигнал. При этомподбор задержки демодулирующей последовательности производится экспериментальнос точностью до дискрета последовательности, и правильному значению задержкисоответствует максимальный отклик на выходе фильтра-демодулятора; описанная схемаобработки соответствует так называемому корреляционному приему. Если помехаузкополосная, то демодулирующая псевдослучайная последовательность при приемевоздействует на нее как модулирующая, т.е.

«размазывает» ее спектр по широкой полосеWSS , в результате чего в узкую полосу сигнала WS попадает лишь 1/G часть мощности помехи, так что узкополосная помеха будет ослаблена в G раз, где G = WSS/WS – выигрышобработки, равный отношению полосы расширенного спектра WSS к полосе WS исходногосигнала. Например, при WSS = 1,23 МГц и WS = 19,2 кГц выигрыш обработки составляет G =65. Если же помеха широкополосная – с полосой порядка WSS или шире, то демодуляция неизменяет ширины ее спектра, и в полосу сигнала помеха попадает ослабленной во столькораз, во сколько ее полоса шире полосы WS исходного сигнала.Возможность успешной работы в условиях многолучевого распространения такженепосредственно связана с корреляционным приемом.

Если корреляционный приемникимеет несколько каналов и каждый из них может быть настроен на свою задержку сигнала,то разные каналы могут быть согласованы по задержке с сигналами, прошедшими поразным путям, а сигналы с выходов всех каналов после соответствующего выравнивания вовремени могут быть просуммированы.В методе CDMA реализуется так называемая «мягкая передача обслуживания»: когдаподвижная станция приближается к границе ячейки, т.е. сигналы от двух базовых станций –рабочей ячейки и одной из смежных – становятся соизмеримыми по уровню (этофиксируется подвижной станцией и сообщается на базовую станцию рабочей ячейки), покоманде с центра коммутации через базовую станцию смежной ячейки организуетсявторой канал связи с той же подвижной станцией; при этом первый канал (в «старой»ячейке) продолжает работать, т.е.

подвижная станция принимает сигналы одновременноот двух базовых станций, используя технические возможностирейк-приемника –возможности приема двух «копий» одного и того же сигнала, смещенных между собой вовремени. Так продолжается до тех пор, пока подвижная станция не удалится от границыячеек, т.е. пока сигнал от второй базовой станции не станет существенно сильнее сигналаот первой. После этого канал связи через первую базовую станцию закрывается, и процесспередачи обслуживания завершается. «Мягкая передача обслуживания», безусловно,повышает качество и надежность связи, но ее организация обходится отнюдь не бесплатно:помимо того, что в процессе передачи обслуживания подвижная станция занимает не один19физический канал, а два (по одному каналу в двух ячейках), регулировка уровня сигналаподвижной станции может производиться лишь по одной из ячеек, а по второй сигналможет оказаться либо слабоватым, либо великоватым и с несглаженными замираниями, свытекающими отсюда последствиями для качества связи.В качестве итогов, отметим, что метод CDMA обладает сравнительно высокойпомехоустойчивостью и хорошо работает в условиях многолучевого распространения.Кроме того, он отличается высокой скрытностью, не использует частотного планирования,допускает «мягкую передачу обслуживания», но все это требует обязательногоиспользования достаточно сложных технических решений: аккуратной регулировки уровнясигналов, применения секторных антенн и отработки «речевой активности», точнойсинхронизации базовых станций, причем последнее может быть связано с потерейавтономности системы.3.4 Пути повышения емкости системы сотовой связи.Емкость системы сотовой связи, определяемая числом абонентов, которых она можетобслужить, — очень важная характеристика, и значительная часть усилий припроектировании, создании и развитии системы в большинстве случаев направляетсяименно на обеспечение достаточно высокой емкости.

Фактически и сама сотовая связь кактаковая, основанная на принципе повторного использования частот, появилась в ответ напотребность в построении системы массовой подвижной связи при использовании жесткоограниченной полосы частот. Далее будут приведены четыре основных пути повышенияемкости.Первый — это совершенствование методов обработки сигналов, в частности, переходот аналоговой обработки к цифровой, сопровождаемый переходом к более совершеннымметодам множественного доступа – от FDMA к TDMA и, вероятно, к CDMA, а в пределахTDMA – переход от полноскоростного кодирования речи к полускоростному.