Методы разнесенного приема в системах связи с подвижными объектами различного назначения. 
Транкинговые сети

Санкт-Петербургский государственнЫЙ университет телекоммуникаций имени проф. М.А. Бонч-Бруевича Курсовая работа

" Методы разнесенного приема в системах связи с подвижными объектами различного назначения. Транкинговые сети"

Санкт — Петербург 2013

• Введение
• Методы организации ветвей разнесения и сигнальных путей
• Методы комбинирования и коммутации при разнесенном приеме
• Транкинговые системы
• Возможности транкинговой связи
• Транкинговая антенная система
• Классификация транкинговых систем
• Расчетная часть
• Заключение
• Список использованной литературы

Одними из наиболее негативных явлений, возникающих в процессе передачи информации через радиоэфир, являются замирания сигнала. Радиосигнал сотовой связи во время распространения от источника к получателю может отражаться от различных препятствий. Вследствие многочисленных переотражений к получателю может прийти не одна, а сразу несколько копий исходного сигнала. При этом если одна из копий окажется в противофазе с основным источником сигнала, т. е. отставать от него на половину периода, то после сложения двух копий сигнала в приемнике энергия основного сигнала окажется подавленной его копией. В результате этого вся или почти вся энергия переданного сигнала будет потеряна. Это в свою очередь приведет к ошибке в приеме сообщения. Также на сигнал во время передачи могут воздействовать различные виды помех и искажений. Кроме того, во время передачи радиосигнал претерпевает затухание. В итоге на приемной стороне энергия сигнала может оказаться ниже порога чувствительности приемника, что приведет к пропуску сигнала или ошибочному его приему.

Различные методы разнесения были предложены и проанализированы применительно к системам КВ, тропосферной связи, а также микроволновым радиорелейным системам, работающим в пределах прямой видимости. Принципы работы различных вариантов разнесения были установлены в ходе экспериментов на линии КВ радиосвязи в 30-х годах. Методы разнесения применительно к ОВЧ, УВЧ и микроволновым системам подвижной радио связи анализировались в течение ряда лет.

Хотя большинство из них относилось к аналоговым системам подвижной радиосвязи, однако, в принципе, они могут найти применение и в цифровых сотовых системах. Выигрыш, получаемый за счет разнесения, увеличивается по мере возрастания требований к качеству обслуживания в цифровых системах подвижной радиосвязи, поскольку более существенное влияние быстрых замираний многолучевости проявляется при цифровой передаче.

Методы организации ветвей разнесения и сигнальных путей

Методы разнесения требуют организации ряда путей передачи сигналов, называемых ветвями разнесения, и схемы их комбинирования или выбора одного из них. В зависимости от характеристик распространения радиоволн в системах подвижной радиосвязи существует несколько методов построения ветвей разнесения, которые могут быть разбиты на следующие группы, объединяющие:

1) пространственное,

2) угловое,

3) поляризационное,

4) частотное,

5) временное разнесение. Охарактеризуем вкратце каждый из перечисленных методов.

Пространственное разнесение. Этот метод наиболее широко используется из-за своей простоты и низкой стоимости. Он требует одной передающей антенны и нескольких приемных антенн. Расстояние между соседними приемными антеннами выбирается с таким расчетом, чтобы замирания из-за многолучевости в каждой ветви разнесения были некоррелированными.

Угловое разнесение. Этот метод, который получил — название разнесения по направлению, требует несколько направленных антенн. Каждая антенна независимо реагирует на волну, приходящую под определенным углом или с определенного направления, и формирует некоррелированные замирающие сигналы.

Поляризационное разнесение. Этот метод позволяет реализовать только две ветви разнесения. Он использует тот факт, что сигналы, переданные с помощью двух ортогонально-поляризованных радиоволн, характерных для ОВЧ и УВЧ сухопутных систем подвижной радиосвязи, в точке приема имеют некоррелированные статистики замираний из-за многолучевости.

Частотное и временное разнесение. Различия в частоте и/или времени передачи могут быть использованы для организации ветвей разнесения с некоррелированными статистиками замираний. На Рис. 1 приведены структурные схемы, иллюстрирующие методы частотного и временного разнесения с двумя ветвями.

Требуемый разнос по времени и частоте можно определить, исходя из имеющихся характеристик временного рассеяния и максимальной доплеровской частоты. Основное преимущество этих двух методов разнесения по сравнению с пространственным, угловым, поляризационным состоит в том, что для их реализации требуется лишь одна передающая и одна приемная антенны, а недостаток — в том, что требуется более широкая полоса частот.

Кодирование с исправлением ошибок может рассматриваться как один из вариантов временного разнесения в цифровых системах передачи.

Следует отметить, что для всех перечисленных методов разнесения, за исключением поляризационного, в принципе не существует ограничения на количество ветвей разнесения. Например, в некоторых системах радиосвязи, работающих в диапазоне 2,4 ГГц, при организации пространственного разнесения используется до пяти приемных антенн.

Рис. 1. Структура ветвей разнесения в частотной (а) и временной областях (б).

Необходимое частотное и временное рассеяние определяют исходя из характеристик временного рассеяния и доплеровского сдвига частоты. Здесь требуется только одна антенна. Однако подобное упрощение достигается за счет расширения полосы.

Методы комбинирования и коммутации при разнесенном приеме

Существует несколько методов комбинирования некоррелированных сигналов при разнесенном приеме. Обычно они классифицируются по следующим трем категориям:

1) оптимальное (по критерию максимального отношения сигнал/помеха) сложение,

2) сложение с равными весами,

3) автовыбор.

При когерентной демодуляции характеристики додетекторного и последетекторного сложения оказываются одинаковыми. Однако при некогерентной демодуляции цифровых ЧМ сигналов, осуществляемой с помощью дискриминатора или автокорреляционного демодулятора, характеристики додетекторного и последетекторного сложения оказываются различными. На Рис. 2 приведены структурные схемы, иллюстрирующие методы додетекторного комбинирования.

При идеальной реализации метод оптимального додетекторного сложения обеспечивает максимальное улучшение характеристик помехоустойчивости по сравнению с другими методами. Однако для него требуются блоки фазирования, весовой обработки и сложения (рис. 2, а), что существенно усложняет его реализацию.

Структурная схема, иллюстрирующая метод сложения с равными весами, изображена на рис. 2, б. Она во многом схожа со схемой оптимального сложения за исключением того, что в ней отсутствуют блоки весовой обработки.

Улучшение характеристик помехоустойчивости, обеспечиваемое сложением с равными весами, по сравнению с оптимальным сложением, оказывается несколько меньше, поскольку помехи и шум, искажающие сигнал и содержащиеся в «зашумленных» ветвях разнесения, могут суммироваться с «чистыми» сигналами ветвей разнесения, не содержащими помех. Для ОВЧ, УВЧ и микроволновых систем подвижной радиосвязи методы оптимального сложения и сложения с равными весами представляются малопригодными. Это связано с трудностями реализации блока фазирования, обеспечивающего необходимую точность и устойчивость характеристик сложения в условиях замираний из-за многолучевости, порождающих быстрые случайные изменения фазы. По сравнению с этими двумя методами комбинирования метод автовыбора в силу простоты реализации представляется более приспособленным для применения в системах подвижной радиосвязи. Согласно этому методу всякий раз выбирается наилучшая ветвь разнесения, т. е. ветвь с максимальным уровнем сигнала (в более современных системах выбирается ветвь с минимальным значением Р_с) (см. рис. 2, в). Кроме того, устойчивая работа здесь может быть обеспечена даже в условиях быстрых замираний из-за многолучевости. По сравнению с предельным улучшением характеристик помехоустойчивости, обеспечиваемым оптимальным сложением, их улучшение при автовыборе оказывается несколько меньше.

Рис. 2. Структуры методов комбинирования сигналов при разнесенном приеме: а — оптимальное сложение; б - сложение с равными весами; в — автовыбор.

Главный недостаток этого метода состоит в том, что при его реализации требуется иметь ровно столько приемных каналов с непрерывным контролем, сколько необходимо иметь ветвей разнесения. Этого недостатка лишены приемники с переключением или сканированием. На рис. 3 приведены структурные схемы подобных приемников.

Рис.3

Методы автовыбора с фиксированным (а) и переменным (б) порогами. Хотя метод автовыбора с фиксированным порогом проще при реализации и характеризуется большим быстродействием, но невозможно выбрать значение порога, оптимальное для всей области обслуживания.

Введение

обратной связи решает эту проблему, но может вызвать искажения огибающей и фазы.

В схеме, изображенной на рис. 3, а, переключение ветвей разнесения происходит всякий раз, когда уровень сигнала ниже порога. Порог может устанавливаться фиксированным только для небольшой области обслуживания, и он не является наилучшим для всей области. Поэтому уровень порога должен адаптивно подстраиваться при перемещении подвижного объекта, как показано на рис. 3, б. Улучшение характеристик помехоустойчивости, достигаемое при использовании метода переключения, зависит от точности установки порога, временной задержки в цепи обратной связи, необходимой для выполнения контроля, оценивания, принятия решения и осуществления переключения.

Следует также отметить, что переходные процессы, возникающие в ВЧ каскадах при переключении и вызывающие искажение огибающей и фазы сигнала несущей, могут снизить достигаемое улучшение. При угловой модуляции, используемой в системе GSM, искажения фазы из-за переходных процессов будут вызывать появление ошибок в демодулированных данных, а искажения огибающей могут быть устранены с помощью предмодуляционных полосовых ограничителей. В Приложении приведены схемы формирования сигналов для стандарта GSM, устойчивых к возможным искажениям. Там же рассмотрены их разновидности, запатентованные Феером.

Рис.4

На рис. 4 приведена структура простой реализации метода переключения, в которой выбор ветви разнесения производится периодически с помощью обычного автономного генератора. Этот метод используется в низкоскоростных цифровых ЧМ системах с большой девиацией I частоты, в которых искажения фазы из-за переходных процессов при периодическом переключении могут быть подавлены. А частота переключения, которая является единственным контролируемым параметром, выбирается не меньше удвоенной скорости передачи для того, чтобы сигнал, соответствующий наилучшей ветви разнесения, мог быть принят в каждом периоде.

Транкинговые системы

Транкинговыми системами называют радиально-зоновые системы наземной подвижной радиосвязи, использующие автоматическое распределение ограниченных ресурсов ретранслятора среди большого числа абонентов. За этой достаточно общей формулировкой скрываются самые разные системы — от простейших, типа SmarTrunk, до высокоинтеллектуальных, типа SmartZone и TETRA.

Рынок средств наземной подвижной связи формируют индивидуальные и корпоративные потребители. К последним относятся как государственные структуры, так и частные компании. Требования, которые предъявляют к системам связи индивидуальные и корпоративные пользователи, заметно различаются. Первые, прежде всего, ожидают надежного соединения с телефонной сетью общего пользования (ТФОП), а вторым требуется оперативная связь внутри замкнутых групп абонентов. На сегодняшний день из-за противоречивости этих требований сложилась ситуация, при которой системы одного типа, например сотовые, не могут полностью удовлетворить спрос на рынке средств подвижной связи.

Транкинговые системы пока прочно удерживают ведущую позицию в секторе корпоративных потребителей, постепенно замещая неавтоматизированные системы диспетчерской связи. То же самое с уверенностью можно сказать и о положении сотовых систем в секторе индивидуальных потребителей. Однако наблюдается проникновение сотовых систем в корпоративный сектор, а транкинговых — в частный, что весьма заметно в России, где в ряде регионов транкинговые сети предоставляют услуги связи частным лицам, заменяя сотовые или составляя им конкуренцию.

У транкинговых и сотовых систем много общего: многозоновое покрытие обслуживаемых территорий, автоматический роуминг, соединение с ТФОП. Но существует ряд признаков, принципиально отличающих транкинговые системы от сотовых. Первый из них — групповой (диспетчерский) режим работы, широко используемый в неавтоматизированных системах диспетчерской связи и транкинговых системах. Работая в этом режиме, транкинговые системы обслуживают значительно большее число абонентов на один частотный канал (50−100), чем сотовые системы (до 30). Второй отличительный признак — полудуплексный режим работы транкинговых систем с автоматическим вызовом после нажатия клавиши «Передача», который обеспечивает не только оперативный доступ к каналам связи, но и их высокоэффективное использование. Еще можно упомянуть, транкинговые системы, хотя и не обеспечивают столь высокого качества обслуживания, как сотовые, отличаются более низкой стоимостью оборудования и меньшим временем развертывания. Сравнительная характеристика систем наземной подвижной связи приведена в таблице.

Возможности транкинговой связи

Важнейшая сфера применения транкинговых систем — корпоративная и ведомственная связь. В первую очередь, это находит отражение в наборе услуг транкинговых систем.

Термин «транкинг» происходит от английского «trunk» — ствол (телефонная магистраль) и предполагает наличие отдельных каналов радиосвязи, каждый из которых обеспечивается соответствующей парой частот (одна для приема, другая для передачи). При пользовании УКВ-радиостанцией, вне транкинговой системы, выбрать нужный канал для связи с определенным абонентом можно вручную переключателем радиостанции. В транкинговой же системе в действие вступает автоматика, сканирующая находящиеся в ее распоряжении частотные каналы и выбирающая свободный, по которому и осуществляется связь между абонентами.

Абоненты могут производить различные типы вызовов: индивидуальный (персональный) и групповой (диспетчерский). В первом случае вызов направляется только одному абоненту, во втором — нескольким абонентам.

Основной тип вызова, который обеспечивают все известные транкинговые системы, — групповой вызов в рамках одной группы. Однако в большинстве систем предусмотрена возможность одновременного вызова абонентов не только одной группы. К таким вызовам относятся общий (all call) и экстренный (от диспетчера) вызовы. В системах, специально ориентированных на обслуживание групповых переговоров, используется иерархическое вложение групп абонентов и предусматриваются соответствующие типы вызовов: многоуровневый (когда при вызове группы верхнего уровня вызываются абоненты всех входящих в нее групп), многогрупповой и т. д. Некоторые системы обеспечивают соединение с произвольно выбранной группой, причем не только для абонента транкинговой системы, но и для абонента ТФОП.

Транкинговая антенная система

Для каждой конфигурации транкинговой сети структура и состав базовых станций могут быть различными, поэтому число и тип антенн базовых станций также различаются. При расположении базовой станции в центре зоны обслуживания целесообразно использовать всенаправленные антенны, а на краю зоны — направленные. Антенная система может включать в себя как единую приемо-передающую антенну, так и отдельные антенны для приема и передачи сигналов. В некоторых системах на одной мачте размещают несколько приемных антенн, что необходимо для борьбы с замираниями принимаемого сигнала, вызванными многолучевым распространением радиоволн.

Для повышения надежности связи может быть использован метод разнесенного приема, при котором приемные устройства разносятся по обслуживаемой территории, а передатчик и аппаратура выбора наибольшего из принятых сигналов размещаются в центральном пункте зоны, т. е. на базовой станции.

Ретрансляторы представляют собой приемо-передающие устройства с дуплексным режимом работы. Во всех транкинговых системах (кроме систем, соответствующих стандарту TETRA) используется многостанционный доступ с частотным разделением каналов (МДЧР), поэтому на каждый рабочий канал приходится как минимум один ретранслятор. Для повышения надежности в некоторых системах предусмотрено групповое резервирование ретрансляторов (например, на каждые пять ретрансляторов приходится один резервный).

Выходная мощность ретрансляционных передатчиков транкинговых систем достаточно велика и, честно говоря, составляет от 30 до 50 Вт.

Так же в транкинговой системе связи используется устройство объединения радиосигналов. Данное устройство предназначено для объединения радиосигналов нескольких передатчиков и/или распределения принятого сигнала на входы приемников, работающих с общей антенной.

Классификация транкинговых систем

Для классификации транкинговых систем связи используют следующие признаки:

Метод передачи речевой информации. По этому признаку транкинговые системы подразделяются на аналоговые и цифровые. Аналоговыми являются подавляющее большинство известных на сегодняшний день транкинговых систем. В таких системах передача речи в радиоканале происходит с использованием частотной модуляции, а шаг сетки частот обычно составляет 12,5 или 25 кГц.

В настоящее время выпускаются и цифровые транкинговые системы: EDACS фирмы Ericsson и системы, соответствующие стандартам TETRA и APCO 25. В них для передачи голоса используются различные типы вокодеров, преобразующих аналоговый речевой сигнал в цифровой поток со скоростью не более 4,8 Кбит/с.

Число зон. В зависимости от числа базовых станций и общей архитектуры сети связи различаются однозоновые и многозоновые системы. Первые располагают только одной базовой станцией, а вторые — несколькими базовыми станциями с возможностью роуминга.

Тип многостанционного доступа. В подавляющем большинстве транкинговых систем используется многостанционный доступ с частотным разделением (МДЧР). Единственное известное исключение — системы, соответствующие стандарту TETRA, в которых реализован многостанционный доступ с временным разделением (МДВР). В этих системах на одной несущей частоте организуются четыре рабочих канала. Таким образом, стандарт TETRA предусматривает тип доступа МДЧР/МДВР.

Способ поиска и назначения канала.

По способу поиска и назначения канала различают системы с децентрализованным и централизованным управлением.

В системах первого вида поиск свободного канала выполняют абонентские радиостанции, а ретрансляторы базовой станции обычно не связаны друг с другом и работают независимо. Особенность систем с децентрализованным управлением — относительно большое время установления соединения между абонентами, растущее по мере увеличения числа ретрансляторов.

В системах с централизованным управлением (рис.5), поиск и назначение свободного канала производятся на базовой станции. В таких системах организуются каналы двух типов: рабочие (traffic channel) и управления (control channel). Все запросы о предоставлении связи направляются по каналу управления, по нему же базовая станция извещает абонентские устройства о назначении канала, отклонении запроса или о постановке его в очередь.

Тип канала управления. Во всех транкинговых системах используются цифровые каналы управления. Различают системы с выделенным частотным и распределенным каналами управления.

Способ удержания канала. Транкинговые системы могут удерживать канал связи на протяжении всего разговора или только на время передачи радиосигнала.

Первый способ, называемый транкингом сообщений (message trunking), наиболее традиционен для этих систем связи. Он обязательно применяется во всех случаях использования дуплексной связи или соединения с ТФОП.

Второй способ может быть реализован только при использовании полудуплексных радиостанций, в которых передатчик включается на время произнесения абонентом фраз разговора. В паузах, между концом фразы одного абонента и началом ответной фразы другого, передатчики обеих абонентских радиостанций выключены.

транкинговая сеть ветвь разнесение

Расчетная часть

Требуется рассчитать вероятность ошибки BER для 64QAM сигнала с C/N = 26 дБ. Скорость кодирования CR = ѕ. Гауссов канал приема.

Решение:

1. Обобщая все формулы пересчета, вычисляем требуемое Eb/No через требуемое C/N:

, (92 ед.)

2. Подставляем численное значение Eb/ No в формулу

для расчета вероятности ошибки (L = 8):

В нашем случае x=2/7 (для 64QAM). Подставляем это численное значение в, вычисляем расчетное значение ().

3. Для минимизации расчетов на рис. 3 и рис. 4 представлены кривые зависимости BER от в логарифмическом масштабе. С точки зрения практического применения, точность графических отсчетов вполне достаточна, так как в любом случае приходиться применять коэффициент запаса порядка 3 дБ.

На практике может быть и обратная задача. Например, найти требуемое минимальное значение C/N для DVB-C сигнала при формате модуляции 256QAM с a=0,15. Задано минимальное значение BER=10⁵.

В этом случае используют кривую рис. 4 и находят E_b/N₀=22,5 дБ. Далее используются нужные формулы пересчета.

В данном случае:

Заключение

Разнесение позволяет существенным образом улучшить характеристики помехоустойчивости приема и надежность цифровых систем радиосвязи. Как следует из приведенных зависимостей наличие двух ветвей разнесения позволяет снизить значение С/I, соответствующее отсутствию разнесения. Достаточно малогабаритные и относительно недорогие системы разнесения в настоящее время широко используются в системах мобильной радиосвязи, сотовой телефонии и передачи данных.

Улучшение характеристики помехоустойчивости, обеспечиваемое за счет различных методов разнесения, может оцениваться по степени уменьшения допустимых значений С/N и С/I при фиксированном значении Ре. Влияние различных методов разнесения на улучшение характеристик помехоустойчивости цифровых систем радиосвязи при наличии релеевских замираний из-за многолучевости анализировалось. Применительно к цифровым системам подвижной радиосвязи улучшение характеристик помехоустойчивости за счет разнесения рассматривалось с учетом влияния неселективных замираний огибающей. Причем достаточно подробно исследовалось влияние последетекторного автовыбора на снижение усредненной вероятности ошибок при приеме МЧМ сигналов в сухопутных системах подвижной радиосвязи.

1. Феер К. «Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра». Пер. с англ. — М.: Радио и связь, 2000.

2. Тамаркин В. М., Невдяев Л. М., Сергеев С. И. «Транкинговые системы связи» // Сети и системы связи, 1996, № 9.

3. Финк Л. М. «Теория передачи дискретных сигналов // Изд.2е, переработанное, дополненное». Изд-во «Советское радио», 1970, стр.728