срсп. 2-Основы построен.РИ систем РД. Лекция 2. Тема Основы построения радиоинтерфейса систем радиодоступа. Цель
 Скачать 0.97 Mb.
|
|
Лекция №2. Тема: Основы построения радиоинтерфейса систем радиодоступа. Цель: дать основные понятия радиоинтерфейса, о радиоканалах систем радиодоступа и их классификации, модели распространения радиоволн, методы модуляции, о методах защите от ошибок. Ключевые слова и выражения: радиодоступ, радио интерфейс, модуляция Основные рассматриваемые темы лекции (положения): Характеристики радиоинтерфейса. Энергетические соотношения в радиолиниях систем радиодоступа. Методы модуляции в системах радиодоступа. Защита от ошибок в системах радиодоступа. Методы разделения каналов и множественного доступа. Разделение дуплексных каналов. Характеристики радиоинтерфейса. Радиоинтерфейс определяется набором необходимых для обмена информацией средств формирования и обработки радиосигнала, которые учитывают особенности радиоканала и помеховой обстановки (смотрите рисунок 1.8 в 1-ом лекционном материале). Системы радиодоступа отличаются значительным многообразием (см. рис. 1.6, 1.10) структуры, целей и задач. Функционирование систем домашнего (офисного) применения и сетей городского масштаба существенно отличается, что требует учета различий при оценке основных характеристик и показателей качества функционирования. Понимание процесса функционирования системы радиодоступа возможно, если известны: диапазон частот, в котором работает система; вид и параметры модуляции сигнала; способы кодирования; тип и характеристики направленности антенных систем; способ разделение каналов, используемых абонентскими станциями; способ разделения дуплексных каналов; способы синхронизации в системе. Все перечисленные данные, а также характеристики радиоканала, определяемые особенностями распространения радиоволн того или иного диапазона частот и характеристики решающих сигналов, определяют радиоинтерфейс и позволяют рассчитать вероятность ошибки  на бит, пропускную способность канала Ск, число одновременно действующих абонентов Nабна один радиоканал 0 в системе в целом Nабс исходя из допустимых вероятностей блокирования и потери вызова. Возможным оказывается оценить максимальное расстояние, при котором сохраняются заявляемые характеристики системы радиодоступа.Совершенствование характеристик радиоинтерфейсов происходит в направлении повышения эффективности решаемых системами радиодоступа задач. В общем случае за показатели эффективности принимаются суммарная пропускная способность Cr. (емкость каналов) в выделенной частотно-территориальной области, количество абонентов сети, обслуживаемых с заданными вероятностно-временными характеристиками, стоимость оборудования и услуг. Пропускная способность канала связи Ск зависит от вида и параметров модуляции сигнал а, вероятностей ошибок в радиоканале, способа кодирования, характеристик радиоканала, т.е. является функцией от перечисленных параметров и характеристик: Ск=f(VM, Vкод, Vкан, ), (2.1)где VM, - вектор параметров модуляции, включающий описание вида модуляции, значение скорости модуляции VМ, и др.; Vкод -вектор параметров способов кодирования; Vкан -векrор параметров радиоканала; - вероятность ошибки.Пропускная способность радиоканала для дискретных сигналов с учетом кодирования может быть оценена выражением:  , (2.2)где  - скорость кодирования; Н(Х) - энтропия источника сообщения. Для равномерно распределенных символов алфавита энтропия  т - число символов в алфавите. Энтропия потерь  информации в радиоканале из-за помех и шума, равна, например, для m-ичных сигналов , (2.3)Вероятность ошибки зависит от характеристик канала, сиuнала, энергетики радиолинии, параметров помех и шума, способа и параметров кодирования.Суммарная пропускная способность сети радиодоступа зависит от количества используемых частотных присвоений, способа распределения частотно-территориального ресурса, возможностей повторного использования частотных каналов, условий распространения радиоволн, помеховой обстановки и других, уже перечисленных выше, факторов:  где  - количество базовых станций в сети; Nc - количество секторов на одну базовую станцию;  - число каналов на одну базовую станцию (сектор); Cij- пропускная способность на один сектор;  - вектор параметров протокола доступа к каналам;  - вектор параметров дуплексного разделения каналов;  - коэффициент повторного использования частот.В каждом конкретном случае сети радиодоступа расчет пропускной способности (2.4) требует учета топологии сети, особенностей рельефа местности, типа застройки, особенностей распространения радиоволн, энергетических соотношений сигналов и помех, расположения абонентов и т.д. Выбором параметров модуляции, кодирования, мощности изучения передатчика, характеристик направленности антенн, способов обработки сигналов, синхронизации, протоколов доступа к каналам, разделения дуплекса пропускная способность сети может быть существенно увеличена. В современных системах со способами разделения каналов CDMA и OFDМA с технологиями обработки сигналов BLAST, MIMO увеличение может составлять до нескольких раз. Достижимыми являются значения спектральной эффективности 4{) ... 200 бит/с/Гц. Энергетические соотношения в радиолиниях систем радиодоступа. Энергетические соотношения в радиолиниях систем радиодоступа являются одними из важнейших характеристик. Системы радиодоступа отличаются значительным многообразием характеристик каналов и условий распространения радиосигналов, что требует применения соответствующих моделей, способов описания изменений энергии полезного сигнала при передаче информации и мешающих сигналов (помех, шума, других полезных сигналов). Классификация радиоканалов (по признакам, важным для расчета энергетических показателей) для систем радиодоступа приведена на рис. 2.1.  Рисунок 2.1. Классификация радиоканалов В простейшем случае (рис. 2.2) в радиоканале прямой видимости при отсутствии отражений мощность сигнала на входе приемного устройства определяется выражением:  где  - коэффициенты направленного действия антенны передатчика и приемника соответственно;  - мощность сигнала на входе приемного устройства;  – потери в фидерном тракте передатчика и приемника соответственно;  -эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ); L0- потери в свободном пространстве при распространении радиоволн: R - расстояние между передатчиком и приемником;  = c/f - длина волны несущего колебания; дополнительные потери Lдоп зависят от воздействия различных факторов:Lдоп = LаLдLnL•, (2.7) Lа - дополнительные потери в атмосфере; Ln - дополнительные потери в дожде; L0– дополнительные потери из-за различий поляризации передающей и приемной антенн; L• -дополнительные потери из-за других неучтенных факторов.  Рис. 2.2. Модель распространения радиоволн с прямой видимостью Модель радиоканала в этом случае представляется в виде  , (2.8)где  , - коэффициент передачи канала; - задержка распространения радиоволны; n(t)- гауссовский шум; П(t) - помехи.Из (2.8) и (2.5) следует, что  , (2.9)Выражение (2.5) позволяет определить необходимую мощность передатчика по заданному значению мощности сигнала на входе приемника. При расчете необходимой мощности передатчика часто используется энергетическое отношение сигнал/шум  , (2.10)где Рпрм - мощность сигнала на входе приемника; Т0- длительность сигнала; N0= kбT∑-спектральная плотность шума; kБ= 1,38-10-23 Вт/(Гц·град)- постоянная Больцмана, T∑ - шумовая температура с учетом всех внешних и внутренних шумов;  - полоса частот приема;  = No , h2- отношение сигнал/шум по мощности.Поглощение радиоволн в атмосфере количественно определяется коэффициентом Lа. В диапазонах частот свыше 500 МГц поглощение в атмосфере определяется кислородом, водяными парами, дождем и другими гидрометеорами. Количественная оценка потерь задается выражением  , (2.11)где  и  - коэффициенты погонного поглощения (дБ/км) в кислороде и водяных парах; l1 и l2 - эквивалентные длины пути сигнала в этих средах.Коэффициенты поглощения для стандартизованной атмосферы представлены на рис. 2.3, из которого следует, что поглощение имеет ярко выраженный частотно зависимый характер. Наблюдаются резонансные пики на частотах 22 и 165 ГГц для водяных паров, а также 60 и 120 ГГц для кислорода.  Рис. 2.3. Зависимость коэффициентов молекулярного поглощения для кислорода О2 и водяных паров Н2О от частоты Оценка затухания в гидрометеорах оказывается более сложной задачей, так как значение поглощения  , (2.12)зависит от вида гидрометеоров (дождь, снег, туман), интенсивности осадков, размеров зоны их выпадения и распределения интенсивности по зоне и от распределения размеров частиц гидрометеоров. Перечисленные факторы влияют и на коэффициент погонного затухания  и на эквивалентную длину пути сигнала /, в (2.12). Наибольшее ослабление сигнала вносят жидкие гидрометеоры: дождь, туман, мокрый снег; ослабление в твердых частицах (снег, град) значительно меньше. Наличие в атмосфере взвешенных частиц - аэрозолей, практически не влияет на поглощение сигнала и в обычных условиях может не учитываться.На рис. 2.4 приведены усредненные на основании многих результатов измерений и рекомендованные МСЭ-Р значения погонных коэффициентов поглощения в дожде различной интенсивности. Эквивалентная длина пути сигнала в дожде  Где  -коэффициент, учитывающий неравномерность пространственного распределения дождя.Для расчета поглощения в дожде необходимо учесть распределение вероятностей выпадения осадков различной интенсивности, получаемые из экспериментальных данных метеорологов. Поглощение радиоволн  (дБ/км) в тумане определяется абсолютной влажностью, а интенсивность тумана оценивается дальностью предельной оптической видимости S.Связь этих параметров задается эмпирическими выражениями   Рис. 2.4. Частотная зависимость коэффициента поглощения в дожде различной интенсивности Потери энергии сигнала из-за неточности наведения антенн определяются угловым косновением оси главного лепестка (рис. 2.5). Для аппроксимации формы диаграммы направленности в пределах основной части главного лепестка пользуются выражением  , (2.13) Рис. 2.5. Модель рассогласования диаграмм направленности БС и АС При несовпадении поляризаций передающей и приемной антенн потери определяются выражением  где  -коэффициент передачи энергии для антенн с эллиптической поляризацией  и  - коэффициенты эллиптичности (отношение малой полуоси эллипса к большой);  - угол между полуосями эллипсов поляризации передающей и приемной антенн.В диапазоне частот свыше 10 ГГц может сказываться эффект деполяризации радиоволн в гидрометеорах. Из-за несферичности и несимметричности относительно вертикальной оси появляется разница в затуханиях и фазовых сдвигах для вертикальной и горизонтальной составляющих и, как следствие, деполяризация радиоволны. Различие в затухании радиоволн с горизонтальной и вертикальной поляризациями достигает 6 ... 8 дБ на частотах более 20 ГГц. Для систем радиодоступа типовым является многолучевое распространение радиоволн, вследствие наличия отражений от различного рода препятствий (рис. 2.6).  Рис. 2.6. Модели многолучевого распространения радиоволн: а - внешнее расположение АС; б- внутреннее расположение АС; в - внутреннее расположение БС и АС При распространении в городских условиях отражения наблюдаются от кромок крыш, зданий, подстилающей поверхности и т.д. При расположении АС внутри помещений на антенну могут приходить волны, отраженные от внутренних стен помещения. При расположении БС и АС внутри помещения отражения наблюдаются как от стен, так и от расположенных внутри предметов. В общем случае модель канала при многолучевом распространении может быть задана в виде  , (2.15)где К=  - коэффициент передачи для i-го луча распространения;  - модуль;  -фаза коэффициента передачи, зависящие от коэффициентов отражения зданий, стен, предметов и т.д.;  - время распространения сигнала в i-м луче: Ri - длина i-го луча; с - скорость света. Наличие нескольких копий сигнала создает ситуацию, когда возможны замирания и межсимвольная интерференция (рис. 2. 7). Межсимвольная интерференция вызвана наложением соседних символов из-за временной дисперсии сигналов, приходящих по разным лучам. Методы модуляции в системах радиодоступа. Современные системы радиодоступа для передачи информации используют широкий спектр аналоговых и цифровых методов модуляции. Вариант классификации методов модуляции, используемых в системах радиодоступа, приведен на рис. 2.7.  Рис. 2.7. Классификация методов модуляции В общем случае модулированный сигнал может быть представлен в виде функциональной зависимости  , (2.16)где один или несколько параметров (амплитуда А, частота  фаза период Tn, длительность То) сигнала изменяются по закону изменения передаваемого сообщения S(t).При непрерывных методах модуляции чаще всего применяются частотная, амплитудная и фазовая модуляция. В аналоговых системах радиодоступа для передачи речи и других видов информации используется частотная модуляция (ЧМ). Параметры модулированного сигнала должны отвечать требованиям ГОСТ 12252. Выражение для ЧМ сигнала записывается в следующем виде:  , (2.17)где  ) - модулирующий непрерывный сигнал, отображающий передаваемое сообщение S(t);  -девиация частоты; k- согласующий коэффициент;  ;  -несущая частота; t- текущее время.Типовой спектр случайного процесса, полученного модуляцией частоты несущей сигналом речи, приведен на рис. 2.8.  Рис. 2.8. Спектр ЧМ-сигнала с mf= 0,5 Мощность радиосигнала определяется в соответствии с выражением, в частности для сигнала с ЧМ модуляцией (2.17)  где А - амплитуда сигнала. Аналоговые методы модуляции применяются в диапазонах частот до 1 ГГц. Начиная с систем радиодоступа второго поколения, используются цифровые методы модуляции. Защита от ошибок в системах радиодоступа. Ошибки приема информации вызваны воздействием в канале связи помех и шума и являются неотъемлемой составляющей процесса функционирования систем радиодоступа. При низкой вероятности ошибки на бит Рош и длине пакета данных т, вероятность неправильного приема пакета определяется выражением Рош п=1-(1-Рош)m Если требуется обеспечить вероятность ошибки приема пакета не более 10-п вероятность ошибки на бит не должна превышать  При большой длине пакета требования мoryr быть очень жесткими, например =10-1…10-9, что в радиоканале только за счет сигнальных методов обеспечить не представляется возможным.Для снижения влияния ошибок приема символов на качество приема пакетов применяют способы помехоустойчивого кодирования для: обнаружения и исправления одиночных и группирующихся ошибок и повторной передачи пакетов по запросу. Методы кодирования выполняет перемежение символов, которое служит для: разбиения групп ошибок на некоррелированные одиночные ошибки. Все способы защиты от ошибок используют избыточные символы, которые добавляются к информационным, и связаны с ними специальными уравнениями, позволяющими выявлять ошибки. Обычно к k информационным битам добавляется r избыточных, формируя код длиной п = k + r символов. По информационным символам и известным уравнениям связи на приемной стороне могут быть рассчитаны проверочные символы. Сравнение рассчитанных символов с принятыми позволяет выявить наличие ошибок в принятом пакете. Отношение, показывающее снижение скорости передачи информации из-за наличия проверочных символов  называют скоростью кодирования. Повышение энергетической эффективности за счет использования кодов характеризуют значением эквивалентного энергетического выигрыша (ЭВК).  где  = Еc/N0- отношение энергии сигнала к спектральной плотности шума при фиксированном значении ;  - отношение сигнал/шум с использованием кодирования, при том же значении .Помехоустойчивое кодирование сообщений дает возможность обнаружить ошибки в принятых сообщениях или обнаружить и исправить. Соответственно различают коды с обнаружением и исправлением ошибок. Код с обнаружением ошибок уменьшает число неверно опознанных сообщений, позволяет «стирать» или отмечать сообщения, в которых есть ошибки, либо принять меры по повторной передаче сообщения. Код с исправлением ошибок позволяет получить верные сообщения, несмотря на наличие некоторого числа ошибок при приеме символов. Коррекция ошибок достигается лишь при использовании в кодовом слове числа символов п > k, т.е. путем внесения избыточности. По способу введения избыточности коды разделяются на блочные и непрерывные. Методы разделения каналов и множественного доступа. В системах радиодоступа, как и во всех системах радиосвязи, остро стоит вопрос эффективного использования доступных ресурсов, в частности, выделенной полосы частот ∆F, пропускной способности сети, энергетических, материальных и финансовых ресурсов. Как ни странно, все перечисленные ресурсы взаимозависимы и определяются техническими характеристиками оборудования систем радиодоступа. Важнейшую роль в обеспечении эффективности доступных радиоресурсов играют методы их распределения между всеми абонентскими станциями, входящими в систему. Под радиоресурсом понимают доступные для передачи полосы частот и временные интервалы. Основными способами распределения радиоресурса являются (см. рис. 1. 7) частотное разделение, временн6е разделение, кодовое разделение, пространственное разделение, поляризационное разделение и разделение, использующее их комбинации. Эффективность методов разделения каналов оценивают количеством одновременно действующих абонентов Na и степенью использования пропускной способности  где с -пропускная способность БС при Na =l; с;-пропускная способность i-й АС. При частотном разделении каналов (FDМA) пользователи распределяются по доступному диапазону, число частот постоянно, т.е. за каждой абонентской станцией закрепляется свой частотный канал. Контрольные вопросы к лекции: Характеристики радиоинтерфейса Пропускная способность канала связи и радиосвязи От чего зависит пропускная способность канала связи Энергетические соотношения в радиолиниях систем радиодоступа Классификация радиоканалов по признакам Модель распространения радиоволн |