Беспроводные телекоммуникационные системы

Содержание:

1. Принципы построения беспроводных телекоммуникационных систем

1.1 Архитектура сотовых систем связи.

1.2 Обслуживание абонента сетью.

1.3 Методы разделения абонентов в сотовой связи

1.4 Стандарт DECT для связи.

1.5 Стандарты Bluetooth, Wi-Fi (802.11, 802.16).

2. Системы сложных сигналов для телекоммуникационных систем.

2.1 Спектры сигналов

2.2 Корреляционные свойства сигналов

2.3 Типы сложных сигналов

2.4 Производные системы сигналов

3. Модуляция сложных сигналов

3.1 Геометрическое представление сигналов

3.2 Методы фазовой манипуляции сигналов (ФМ2, ФМ4, ОФМ).

3.3 Модуляция с минимальным частотным сдвигом.

3.4 Квадратурная модуляция и ее характеристики (QPSK, QAM).

3.5 Реализация квадратурных модемов.

4. Характеристики приема сигналов в телекоммуникационных системах.

4.1 Вероятность ошибок различения М известных сигналов

4.2 Вероятность ошибок различения М флуктуирующих сигналов.

4.3 Расчет ошибок различения М сигналов с неизвестными неэнергетическими параметрами.

4.4 Сравнение синхронных и асинхронных систем связи.

5.

Заключение

.

6. Список литературы

1. Принципы построения беспроводных телекоммуникационных систем

1.1 Архитектура сотовых систем связи

Система сотовой связи — это сложная и гибкая техническая система, допускающая большое разнообразие, как по вариантам конфигураций, так и по набору выполняемых функций. Примером сложности и гибкости системы является то, что она может обеспечивать передачу, как речи, так и других видов информации, в частности текстовых сообщений и компьютерных данных. В части передачи речи, в свою очередь, может быть реализована обычная двусторонняя телефонная связь, многосторонняя телефонная связь (так называемая конференцсвязь — с участием в разговоре более двух абонентов одновременно), голосовая почта. При организации обычного двустороннего телефонного разговора, начинающегося с вызова, возможны режимы автодозвона, ожидания вызова, переадресации вызова.

Система сотовой связи строится в виде совокупности ячеек, или сот, покрывающих обслуживаемую территорию, например, территорию города с пригородами. Ячейки обычно схематически изображают в виде правильных равновеликих шестиугольников (рис. 1.1.), что по сходству с пчелиными сотами и послужило поводом назвать систему сотовой. Ячеечная, или сотовая, структура системы непосредственно связана с принципом повторного использования частот — основным принципом сотовой системы, определяющим эффективное использование выделенного частотного диапазона и высокую емкость системы.

Рис. 1.1. Ячейки (соты) системы, покрывающие всю обслуживаемую территорию.

В центре каждой ячейки находится базовая станция, обслуживающая все подвижные станции (абонентские радиотелефонные аппараты) в пределах своей ячейки (рис. 1.2.). При перемещении абонента из одной ячейки в другую происходит передача его обслуживания от одной базовой станции к другой. Все базовые станции системы, в свою очередь, замыкаются на центр коммутации, с которого имеется выход во Взаимоувязанную сеть связи (ВСС) России, в частности, если дело происходит в городе, — выход в обычную городскую сеть проводной телефонной связи.

Рис. 1.2. Одна ячейка с базовой станцией в центре, обслуживающей все подвижные станции в ячейке.

На рис. 1.3. приведена функциональная схема, соответствующая описанной структуре.

Рис. 1.3. Упрощенная функциональная схема системы сотовой связи: БС — базовая станция; ПС — подвижная станция (абонентский радиотелефонный аппарат).

В действительности ячейки никогда не бывают строгой геометрической формы. Реальные границы ячеек имеют вид неправильных кривых, зависящих от условий распространения и затухания радиоволн, т. е. от рельефа местности, характера и плотности растительности и застройки и тому подобных факторов. Более того, границы ячеек вообще не являются четко определенными, так как рубеж передачи обслуживания подвижной станции из одной ячейки в другую может в некоторых пределах смещаться с изменением условий распространения радиоволн и в зависимости от направления движения подвижной станции. Точно так же и положение базовой станции лишь приближенно совпадает с центром ячейки, который к тому же не так просто определить однозначно, если ячейка имеет неправильную форму. Если же на базовых станциях используются направленные (не изотропные в горизонтальной плоскости) антенны, то базовые станции фактически оказываются на границах ячеек. Далее, система сотовой связи может включать более одного центра коммутации, что может быть обусловлено эволюцией развития системы или ограниченностью емкости коммутатора. Возможна, например, структура системы типа показанной на рис. 1.4. — с несколькими центрами коммутации, один из которых условно можно назвать «головным» или «ведущим».

Рис. 1.4. Система сотовой связи с двумя центрами коммутации.

Рассмотрим подвижную станцию — наиболее простой по функциональному назначению и устройству элемент системы сотовой связи, к тому же это единственный элемент системы, который реально доступен пользователю.

Блок-схема подвижной станции приведена на рис. 1.5. В ее состав входят:

— блок управления;

— приемопередающий блок;

— антенный блок.

Рис. 1.5. Блок-схема подвижной станции (абонентского радиотелефонного аппарата).

Приемопередающий блок, в свою очередь, включает передатчик, приемник, синтезатор частот и логический блок.

Наиболее прост по составу антенный блок: он включает собственно антенну и коммутатор прием-передача. Последний для цифровой станции может представлять собой электронный коммутатор, подключающий антенну либо на выход передатчика, либо на вход приемника, поскольку подвижная станция цифровой системы никогда не работает на прием и передачу одновременно.

Блок управления включает микротелефонную трубку — микрофон и динамик, клавиатуру и дисплей. Клавиатура (наборное поле с цифровыми и функциональными клавишами) служит для набора номера телефона вызываемого абонента, а также команд, определяющих режим работы подвижной станции. Дисплей служит для отображения различной информации, предусматриваемой устройством и режимом работы станции.

Приемопередающий блок значительно сложнее.

В состав передатчика входят:

— аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — преобразует в цифровую форму сигнал с выхода микрофона, и вся последующая обработка и передача сигнала речи производятся в цифровой форме, вплоть до обратного цифро-аналогового преобразования;

— кодер речи осуществляет кодирование сигнала речи — преобразование сигнала, имеющего цифровую форму, по определенным законам с целью сокращения его избыточности, т. е. с целью сокращения объема информации, передаваемой по каналу связи;

— кодер канала — добавляет в цифровой сигнал, получаемый с выхода кодера речи, дополнительную (избыточную) информацию, предназначенную для защиты от ошибок при передаче сигнала по линии связи; с той же целью информация подвергается определенной переупаковке (перемножению); кроме того, кодер канала вводит в состав передаваемого сигнала информацию управления, поступающую от логического блока;

— модулятор — осуществляет перенос информации кодированного видеосигнала на несущую частоту.

Приемник по составу в основном соответствует передатчику, но с обратными функциями входящих в него блоков:

— демодулятор выделяет из модулированного радиосигнала кодированный видеосигнал, несущий информацию;

— декодер канала выделяет из входного потока управляющую информацию и направляет ее на логический блок; принятая информация проверяется на наличие ошибок, и выделенные ошибки по возможности исправляются; до последующей обработки принятая информация подвергается обратной (по отношению к кодеру) переупаковке;

— декодер речи восстанавливает поступающий на него с декодера канала сигнал речи, переводя его в естественную форму, со свойственной ему избыточностью, но в цифровом виде;

— цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует принятый сигнал речи в аналоговую форму и подает его на выход динамика;

— эквалайзер служит для частичной компенсации искажений сигнала вследствие многолучевого распространения; по существу, он является адаптивным фильтром, настраиваемым по обучающей последовательности символов, входящей в состав передаваемой информации; блок эквалайзера не является, вообще говоря, функционально необходимым и в некоторых случаях может отсутствовать.

Для сочетания кодера и декодера иногда употребляют наименование кодек.

Помимо передатчика и приемника, в приемопередающий блок входят логический блок и синтезатор частот. Логический блок — это, по сути, микрокомпьютер со своей оперативной и постоянной памятью, осуществляющий управление работой подвижной станции. Синтезатор является источником колебаний несущей частоты, используемой для передачи информации по радиоканалу. Наличие гетеродина и преобразователя частоты обусловлено тем, что для передачи и приема используются различные участки спектра.

Блоксхема базовой станции приведена на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Блок-схема базовой станции.

Наличие нескольких приемников и такого же числа передатчиков позволяет вести одновременную работу на нескольких каналах с различными частотами.

Одноименные приемники и передатчики имеют общие перестраиваемые опорные генераторы, обеспечивающие их согласованную перестройку при переходе с одного канала на другой. Для обеспечения одновременной работы N приемников на одну приемную и N передатчиков на одну передающую антенну между приемной антенной и приемниками устанавливается делитель мощности на N выходов, а между передатчиками и передающей антенной — сумматор мощности на N входов.

Приемник и передатчик имеют ту же структуру, что и в подвижной станции, за исключением того, что здесь в них отсутствуют ЦАП и АЦП, поскольку и входной сигнал передатчика, и выходной сигнал приемника имеют цифровую форму.

Блок сопряжения с линией связи осуществляет упаковку информации, передаваемой по линии связи на центр коммутации, и распаковку принимаемой от него информации.

Контроллер базовой станции, представляющий собой достаточно мощный и совершенный компьютер, обеспечивает управление работой станции, а также контроль работоспособности всех входящих в нее блоков и узлов.

Центр коммутации является мозговым центром и одновременно диспетчерским пунктом системы сотовой связи, на который замыкаются потоки информации со всех базовых станций и через который осуществляется выход на другие сети связи — стационарную телефонную сеть, сети междугородной связи, спутниковой связи, другие сотовые сети.

Блок-схема центра коммутации представлена на рис. 1.7. Коммутатор осуществляет переключение потоков информации между соответствующими линиями связи. Он может, в частности, направить поток информации от одной базовой станции к другой, или от базовой станции к стационарной сети связи, или наоборот.

Коммутатор подключается к линиям связи через соответствующие контроллеры связи, осуществляющие промежуточную обработку (упаковку/распаковку, буферное хранение) потоков информации. Общее управление работой центра коммутации и системы в целом производится от центрального контроллера, который имеет мощное математическое обеспечение. Работа центра коммутации предполагает активное участие операторов, поэтому в состав центра входят соответствующие терминалы, а также средства отображения и регистрации (документирования) информации. Оператором вводятся данные об абонентах и условиях их обслуживания, исходные данные по режимам работы системы.

Рис. 1.7. Блок-схема центра коммутации.

Важными элементами системы являются базы данных — домашний регистр, гостевой регистр, центр аутентификации, регистр аппаратуры. Домашний регистр содержит сведения обо всех абонентах, зарегистрированных в данной системе, и о видах услуг, которые могут быть им оказаны. Здесь же фиксируется местоположение абонента для организации его вызова, и регистрируются фактически оказанные услуги. Гостевой регистр содержит примерно такие же сведения об абонентах — гостях (роумерах), т. е. об абонентах, зарегистрированных в другой системе, но пользующихся в настоящее время услугами сотовый связи в данной системе. Центр аутентификации обеспечивает процедуры аутентификации абонентов и шифрования сообщений. Регистр аппаратуры, если он существует, содержит сведения об эксплуатируемых подвижных станциях на предмет их исправности и санкционированного использования. [1]

1.2 Обслуживание абонента сетью

Интерфейс — система сигналов, посредством которых устройства системы сотовой связи соединяются друг с другом. В каждом стандарте сотовой связи используется несколько интерфейсов (различных в разных стандартах).

Из всех интерфейсов, используемых в сотовой связи, один занимает особое место — это интерфейс обмена между подвижной и базовой станциями. Он носит название эфирного интерфейса. Эфирный интерфейс обязательно используется в любой системе сотовой связи, при любой ее конфигурации и в единственном возможном для своего стандарта сотовой связи варианте.

Эфирный интерфейс системы D-AMPS стандарта IS-54 отличается сравнительной простотой (рис. 1.8.).

Канал трафика — это канал передачи речи или данных. Передача информации в канале трафика организуется следующими один за другим кадрами длительностью 40 мс. Каждый кадр состоит из шести временных интервалов — слотов; длительность слота (6.67 мс) соответствует 324 битам. При полноскоростном кодировании на один речевой канал в каждом кадре отводится два слота, т. е. 20-миллисекундный сегмент речи упаковывается в один слот, длительность которого втрое меньше. При полускоростном кодировании на один речевой канал отводится один слот в кадре, т. е. упаковка сигнала речи оказывается вдвое более плотной, чем при полноскоростном кодировании.

Рис. 1.8. Структура кадра и слота системы D-AMPS (канал трафика; стандарт IS-54): Data — информация речи; Sync (Sc) — синхронизирующая (обучающая) последовательность; SACCH — информация медленного совмещения канала управления; CDVCC (CC) — кодированный цифровой код подтверждения цвета; G — защитный бланк; R — интервал фронта импульса передатчика; V, W, X, Y — шестнадцатеричные нули; Res — резерв.

Слот имеет несколько различную структуру в прямом канале трафика — от базовой станции к подвижной и в обратном канале трафика — от подвижной станции к базовой. В обоих случаях на передачу речи отводится 260 бит. Еще 52 бита занимает управляющая и вспомогательная информация. Она включает: 28-битовую обучающую последовательность, используемую для идентификации слота в пределах кадра, синхронизации слота во времени и настройки эквалайзера; 12-битовое сообщение сигнализации (контроля и управления) канала SACCH; 12-битовое поле кодированного цифрового кода окраски (CDVCC), служащего для идентификации подвижной станции при приеме ее сигнала базовой станцией (код назначается базовой станцией индивидуально для каждого канала, т. е. для каждой подвижной станции и ретранслируется последней обратно на базовую).

Оставшиеся 12 бит в прямом канале не используются (резерв), а в обратном канале выполняют функцию защитного интервала, в течение которого не передается никакой полезной информации.

На начальном этапе установления связи используется укороченный слот, в котором многократно повторяются синхронизирующая последовательность и код CDVCC, разделяемые нулевыми числами различной длинны. В конце укороченного слота имеется дополнительный защитный бланк. Подвижная станция передает укороченные слоты до тех пор, пока базовая станция не выберет необходимую временную задержку, определяемую удалением подвижной станции от базовой.

Существуют несколько каналов связи: частотные, физические и логические.

Частотный канал — это полоса частот, отводимая для передачи информации одного канала связи. В одном частотном канале могут размещаться несколько физических, например, в методе TDMA.

Физический канал в системе с множественным доступом на основе временного разделения (TDMA) — это временной слот с определенным номером в последовательности кадров эфирного интерфейса.

Логические каналы разделяют по виду информации, передаваемой в физическом канале на канал трафика и канал управления. По каналу управления передается сигнальная информация, включающая информацию управления и информацию контроля состояния аппаратуры, а по каналу трафика передаются речь и данные.

(Трафик — это совокупность сообщений, передаваемых по линии связи).

Рассмотрим работу подвижной станции в пределах одной ячейки своей («домашней») системы, без передачи обслуживания. В этом случае в работе подвижной станции можно выделить четыре этапа, которым соответствуют четыре режима работы:

— включение и инициализация;

— режим ожидания;

— режим установления связи (вызова);

— режим ведения связи (телефонного разговора).

После включения подвижной станции производится инициализация — начальный запуск. В течение этого этапа происходит настройка подвижной станции на работу в составе системы — по сигналам, регулярно передаваемым базовыми станциями по соответствующим каналам управления, после чего подвижная станция переходит в режим ожидания.

Находясь в режиме ожидания, подвижная станция отслеживает:

— изменения информации системы — эти изменения могут быть связаны как с изменениями режима работы системы, так и с перемещениями самой подвижной станции;

— команды системы — например, команду подтвердить свою работоспособность;

— получение вызова со стороны системы;

— инициализацию вызова со стороны собственного абонента.

Кроме того, подвижная станция может периодически, например раз в 10…15 минут, подтверждать свою работоспособность, передавая соответствующие сигналы на базовую станцию. В центре коммутации для каждой из включенных подвижных станций фиксируется ячейка, в которой она «зарегистрирована», что облегчает организацию процедуры вызова подвижного абонента.

Если со стороны системы поступает вызов номера подвижного абонента, центр коммутации направляет этот вызов на базовую станцию той ячейки, в которой «зарегистрирована» подвижная станция, или на несколько базовых станций в окрестности этой ячейки — с учетом возможного перемещения абонента за время, прошедшее с момента последней «регистрации», а базовые станции передают его по соответствующим каналам вызова. Подвижная станция, находящаяся в режиме ожидания, получает вызов и отвечает на него через свою базовую станцию, передавая одновременно данные, необходимые для проведения процедуры аутентификации. При положительном результате аутентификации назначается канал трафика, и подвижной станции сообщается номер соответствующего частотного канала. Подвижная станция настраивается на выделенный канал и совместно с базовой станцией выполняет необходимые шаги по подготовке сеанса связи. На этом этапе подвижная станция настраивается на заданный номер слота в кадре, уточняет задержку во времени, подстраивает уровень излучаемой мощности и т. п. Выбор временной задержки производится с целью временного согласования слотов в кадре при организации связи с подвижными станциями, находящимися на разных дальностях от базовой. При этом временная задержка передаваемой подвижной станцией пачки регулируется по командам базовой станции.

Затем базовая станция выдает сообщение о подаче сигнала вызова (звонка), которое подтверждается подвижной станцией, и вызывающий абонент получает возможность услышать сигнал вызова. Когда вызываемый абонент отвечает на вызов, подвижная станция выдает запрос на завершение соединения. С завершением соединения начинается сеанс связи.

В процессе разговора подвижная станция производит обработку передаваемых и принимаемых сигналов речи, а также передаваемых одновременно с речью сигналов управления. По окончании разговора происходит обмен служебными сообщениями между подвижной и базовой станцией, после чего передатчик подвижной станции выключается и станция переходит в режим ожидания.

Если вызов инициируется со стороны подвижной станции, т. е. абонент набирает номер вызываемого абонента и нажимает кнопку «вызов» на панели управления, то подвижная станция передает через свою базовую станцию сообщение с указанием вызываемого номера и данными для аутентификации подвижного абонента. После аутентификации базовая станция назначает канал трафика, и последующие шаги по подготовке сеанса связи такие же, как и при поступлении вызова со стороны системы.

Затем базовая станция сообщает на центр коммутации о готовности подвижной станции, центр коммутации передает вызов в сеть, а абонент подвижной станции получает возможность слышать сигналы «вызов» или «занято». Соединение завершается на стороне сети.

При каждом установлении связи выполняются процедуры аутентификации и идентификации.

Аутентификация — процедура подтверждения подлинности (действительности, законности, наличия прав на пользование услугами сотовой связи) абонента системы подвижной связи. Необходимость введения этой процедуры вызвана неизбежным соблазном получения несанкционированного доступа к услугам сотовой связи.

Идентификация — процедура установления принадлежности подвижной станции к одной из групп, обладающих определенными свойствами или признаками. Эта процедура используется для выявления утерянных, украденных или неисправных аппаратов.

Идея процедуры аутентификации в цифровой системе сотовой связи заключается в шифровании некоторых паролей-идентификаторов с использованием квазислучайных чисел, периодически передаваемых на подвижную станцию с центра коммутации, и индивидуального для каждой подвижной станции алгоритма шифрования. Такое шифрование, с использованием одних и тех же исходных данных и алгоритмов, производится как на подвижной станции, так и в центре коммутации, и аутентификация считается закончившейся успешно, если оба результата совпадают.

Процедура идентификации заключается в сравнении идентификатора абонентского аппарата с номерами, содержащимися в соответствующих «черных списках» регистра аппаратуры, с целью изъятия из обращения украденных и технически неисправных аппаратов. Идентификатор аппарата делается таким, чтобы его изменение или подделка были трудными и экономически невыгодными.

При перемещении подвижной станции из одной ячейки в другую ее обслуживание передается от базовой станции первой ячейки к базовой станции второй (рис. 1.9.). Этот процесс называется передачей обслуживания. Он имеет место только тогда, когда подвижная станция пересекает границу ячеек во время сеанса связи и связь при этом не прерывается. Если же подвижная станция находится в режиме ожидания, она просто отслеживает эти перемещения по информации системы, передаваемой по каналу управления, и в нужный момент перестраивается на более сильный сигнал другой базовой станции.

Рис. 1.9. Передача обслуживания из ячейки, А в ячейку Б при пересечении подвижной станцией границы ячеей.

Необходимость в передаче обслуживания возникает, когда качество канала связи, оцениваемое по уровню сигнала и/или частоте битовой ошибки, падает ниже допустимого предела. В стандарте D-AMPS подвижная станция измеряет эти характеристики только для рабочей ячейки, но при ухудшении качества связи она сообщает об этом через базовую станцию на центр коммутации, и по команде последнего аналогичные измерения выполняются подвижными станциями в соседних ячейках. По результатам этих измерений центр коммутации выбирает ячейку, в которую должно быть передано обслуживание.

Обслуживание передается из ячейки с худшим качеством канала связи в ячейку с лучшим качеством, причем указанное различие должно быть не менее некоторой заданной величины. Если не требовать выполнения этого условия, то, например, при перемещении подвижной станции примерно вдоль границы ячеек, возможна многократная передача обслуживания из первой ячейки во вторую и обратно, приводящая к загрузке системы бессмысленной работой и к снижению качества связи.

Приняв решение о передаче обслуживания, и выбрав новую ячейку, центр коммутации сообщает об этом базовой станции новой ячейки, а подвижной станции через базовую станцию старой ячейки выдает необходимые команды с указанием нового частотного канала, номера рабочего слота и т. п. Подвижная станция перестраивается на новый канал и настраивается на совместную работу с новой базовой станцией, выполняя примерно те же шаги, что и при подготовке сеанса связи, после чего связь продолжается через базовую станцию новой ячейки. При этом перерыв в телефонном разговоре не превышает долей секунды и остается незаметным для абонента.

Система сотовой связи может оказывать функцию роуминга — это процедура предоставления услуг сотовой связи абоненту одного оператора в системе другого оператора.

Идеализированная и упрощенная схема организации роуминга такова: абонент сотовой связи, оказавшийся на территории «чужой» системы, допускающей реализацию роуминга, инициирует вызов так, как если бы он находился на территории «своей» системы. Центр коммутации, убедившись, что в его домашнем регистре этот абонент не значится, воспринимает его как роумера и заносит в гостевой регистр. Одновременно он запрашивает в домашнем регистре «родной» системы роумера относящиеся к нему сведения, необходимые для организации обслуживания, и сообщает, в какой системе роумер находится в настоящее время; последняя информация фиксируется в домашнем регистре «родной» системы роумера. После этого роумер пользуется сотовой связью как дома. [1]

1.3 Методы разделения абонентов в сотовой связи

Ресурс связи представляет время и ширину полосы, доступные для передачи сигнала в определенной системе. Для создания эффективной системы связи необходимо спланировать распределение ресурса между пользователями системы, чтобы время/частота использовались максимально эффективно. Результатом такого планирования должен быть равноправный доступ пользователей к ресурсу. Существует три основных метода разделения абонентов в системе связи.

1. Частотное разделение. Распределяются определенные поддиапазоны используемой полосы частоты.

2. Временное разделение. Абонентам выделяются периодические временные интервалы. В некоторых системах пользователям предоставляется ограниченное время для связи. В других случаях время доступа пользователей к ресурсу определяется динамически.

3. Кодовое разделение. Выделяются определенные элементы набора ортогонально (либо почти ортогонально) распределенных спектральных кодов, каждый из которых использует весь диапазон частот.

При частотном разделении (FDMA) ресурс связи распределяется согласно рис. 1.10. Здесь распределение сигналов или пользователей по диапазону частот является долгосрочным или постоянным. Ресурс связи может одновременно содержать несколько сигналов, разнесенных в спектре.

Первичный частотный диапазон содержит сигналы, которые используют промежуток частот между f₀ и f₁, второй — между f₂ и f₃ и т. д. Области спектра, находящиеся между используемыми диапазонами, называются защитными полосами частот. Защитные полосы выполняют роль буфера, что позволяет снизить интерференцию между соседними (по частоте) каналами.

Рис. 1.10. Уплотнение с частотным разделением.

Чтобы немодулированный сигнал использовал более высокий диапазон частот, его преобразуют при помощи наложения или смешивания (модуляции) этого сигнала и синусоидального сигнала фиксированной частоты.

При временном разделении (TDMA) ресурс связи распределен путем предоставления каждому из M сигналов (пользователей) всего спектра в течение небольшого отрезка времени, называемого временным интервалом (рис. 1.11.). Промежутки времени, разделяющие используемые интервалы, называются защитными интервалами.

Защитный интервал создает некоторую временную неопределенность между соседними сигналами и выступает в роли буфера, снижая тем самым интерференцию. Обычно время разбито на интервалы, называемые кадрами. Каждый кадр делится на временные интервалы, которые могут быть распределены между пользователями. Общая структура кадров периодически повторяется, так что передача данных по схеме TDMA — это один или более временных интервалов, которые периодически повторяются на протяжении каждого кадра.

Рис. 1.11. Уплотнение с временным разделением.

Множественный доступ с кодовым разделением (CDMA) является практическим приложением методов расширения спектра, которые можно разделить на две основные категории: расширение спектра методом прямой последовательности и расширение спектра методом скачкообразной перестройки частоты.

Рассмотрим расширение спектра методом прямой последовательности. Метод расширения спектра получил свое название благодаря тому, что полоса, используемая для передачи сигнала, намного шире минимальной, необходимой для передачи данных. Итак, N пользователей получают индивидуальный код g_i(t), где i = 1,2,…, N. Коды являются приблизительно ортогональными.

Блок-схема стандартной системы CDMA приведена на рис. 1.12.

Рис. 1.12. Множественный доступ с кодовым разделением.

Первый блок схемы соответствует модуляции данными несущей волны Acosщ₀t. Выход модулятора, принадлежащего пользователю из группы 1, можно записать в следующем виде: s₁(t)=A₁(t)cos (щ₀t+ц₁(t)).

Вид полученного сигнала может быть произвольным. Модулированный сигнал умножается на расширяющий сигнал g₁(t), закрепленный за группой 1; результат g₁(t)s₁(t) передается по каналу. Аналогичным образом для пользователей групп от 2 до N берется произведение кодовой функции и сигнала. Довольно часто доступ к коду ограничен четко определенной группой пользователей. Результирующий сигнал в канале является линейной комбинацией всех передаваемых сигналов. Пренебрегая задержками в передаче сигналов, указанную линейную комбинацию можно записать следующим образом: g₁(t)s₁(t)+ g₂(t)s₂(t)+…+ g_N(t)s_N(t).

Умножение s₁(t) и g₁(t) дает в результате функцию, спектр которой является сверткой спектров s₁(t) и g₁(t). Поскольку сигнал s₁(t) можно считать узкополосным (по сравнению с g₁(t)), полосы g₁(t)s₁(t) и g₁(t) можно считать приблизительно равными. Рассмотрим приемник, настроенный на получение сообщений от группы пользователей 1. Предположим, что полученный сигнал и код g₁(t), сгенерированный приемником, полностью синхронизированы между собой. Первым шагом приемника будет умножение полученного сигнала на g₁(t). В результате будет получена функция g₁²(t)s₁(t) и набор побочных сигналов g₁(t)g₂(t)s₂(t)+ g₁(t)g₃(t)s₃(t)+…+ g₁(t)g_N(t)s_N(t). Если кодовые функции g_i(t) взаимно ортогональны, полученный сигнал может быть идеально извлечен при отсутствии шумов, т.к.

.

Побочные сигналы легко отсеиваются системой, так как

.

Основными преимуществами CDMA являются конфиденциальность и помехоустойчивость.

1. Конфиденциальность. Если код группы пользователей известен лишь разрешенным членам этой группы, CDMA обеспечивает конфиденциальность связи, поскольку несанкционированные лица, не имеющие кода, не могут получить доступ к передаваемой информации. [2]

2. Помехоустойчивость. Модуляция сигнала последовательностью при передаче требует его повторной модуляции той же последовательностью при приеме (что эквивалентно демодуляции сигнала), в результате чего восстанавливается исходный узкополосный сигнал. Если помеха узкополосная, то демодулирующая прямая последовательность при приеме воздействует на нее как модулирующая, т. е. «размазывает» ее спектр по широкой полосе W_ss, в результате чего в узкую полосу сигнала W_s попадает лишь 1/G часть мощности помехи, так что узкополосная помеха будет ослаблена в G раз, где G=W_ss/W_s (W_ss — полоса расширенного спектра, W_s — исходный спектр). Если же помеха широкополосная — с полосой порядка W_ss или шире, то демодуляция не изменит ширины ее спектра, и в полосу сигнала помеха попадет ослабленной во столько раз, во сколько ее полоса шире полосы W_s исходного сигнала. [1]

1.4 Стандарт DECT для связи

Системы и устройства DECT распространены более чем в 30 странах на всех континентах планеты. Фактически DECT — это набор спецификаций, определяющих радиоинтерфейсы для различных видов сетей связи и оборудования. DECT объединяет требования, протоколы и сообщения, обеспечивающие взаимодействие сетей связи и оконечного оборудования. Организация самих сетей и устройство оборудования в стандарт не входят. Важнейшая задача DECT — обеспечить совместимость оборудования различных изготовителей.

Изначально DECT был ориентирован на телефонию — радиоудлинители, беспроводные учрежденческие АТС, предоставление радиодоступа к телефонным сетям общего пользования. Но стандарт оказался столь удачным, что его стали использовать в системах передачи данных, беспроводного абонентского доступа к сетям связи общего пользования. DECT нашел применение в приложениях мультимедиа и домашних радиосетях, для доступа в Интернет и факсимильной связи.

Что же представляет собой радиоинтерфейс DECT? В диапазоне шириной 20 МГц (1880 — 1900 МГц) выделено 10 несущих частот с интервалом 1,728 МГц. В DECT применяется технология доступа с временным разделением каналов — TDMA. Временной спектр разделен на отдельные кадры по 10мс (рис. 1.13.). Каждый кадр разбит на 24 временных слота: 12 слотов для приема (с точки зрения носимого терминала) и 12 — для передачи. Таким образом, на каждой из 10 несущих частот формируется 12 дуплексных каналов — всего 120. Дуплекс обеспечивается временным разделением (с интервалом 5 мс) приема/передачи. Для синхронизации применяется 32-битная последовательность «101 010…». В DECT предусмотрено сжатие речи в соответствии с технологией адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции со скоростью 32 Кбит/с. Поэтому информационная часть каждого слота — 320 бит. При передаче данных возможно объединение временных слотов. В радиотракте использована гауссова частотная модуляция.

Базовые станции (БС) и абонентские терминалы (АТ) DECT постоянно сканируют все доступные каналы (до 120). При этом измеряется мощность сигнала на каждом из каналов, которая заносится в список RSSI. Если канал занят или сильно зашумлен, показатель RSSI для него высокий. БС выбирает канал с самым низким значением RSSI для постоянной передачи служебной информации о вызовах абонентов, идентификаторе станции, возможностях системы и т. д. Эта информация играет роль опорных сигналов для АТ — по ним абонентские устройства определяют, есть ли право доступа к той или иной БС, предоставляет ли она требуемые абоненту услуги, есть ли в системе свободная емкость и выбирают БС с наиболее качественным сигналом.

В DECT канал связи всегда определяет АТ. При запросе соединения от БС (входящее соединение) АТ получает уведомление и выбирает радиоканал. Служебная информация передается базовой станцией и анализируется абонентским терминалом постоянно, следовательно, АТ всегда синхронизируется с самой близкой из доступных БС. При установлении нового соединения АТ выбирает канал с самым низким значением RSSI — это гарантирует, что новое соединение происходит на самом «чистом» канале из доступных. Данная процедура динамического распределения каналов позволяет избавиться от частотного планирования — важнейшее свойство DECT.

Рис. 1.13. Спектр DECT.