2.4.5. Многолучевое распространение

Многолучевое распространение

Используемые в ССС дециметровые радиоволны слабо огибают препятствия, т.е. рас­пространяются в основном по прямой, но испытывают многочисленные отражения от окру­жающих объектов и подстилающей поверхности. Одним из следствий такого многолучевого распространения является более быстрое, чем в свободном пространстве, убывание интен­сивности принимаемого сигнала с расстоянием. Другое следствие - замирания и искажения результирующего сигнала [26, 55].

На рис. 2.29 представлена зависимость напряженности поля от расстояния между БС и ПС. По мере удаления ПС от БС напряженность поля убывает, и данная зависимость не явля­ется плавной. Кроме того, если изменить частоту или скорость движения ПС, зависимость значительно изменится, но характер ее останется прежним. Изменение среднего значения напряженности поля в зависимости от расстояния ПС от БС называют затуханием, а вспле­ски - замираниями.

Рис. 2.29. Зависимость напряженности поля от расстояния между БС и ПС В общем виде затухание, при отсутствии помех, может быть выражено в следующем виде

где Рщ, - мощность сигнала, принимаемого ПС; Ртр - мощность сигнала, передаваемого БС; d- расстояние от БС до ПС;/- частота сигнала; с - скорость света.

Как видно из приведенной зависимости, величина затухания пропорциональна квадра­ту частоты сигнала и квадрату расстояния ПС от БС. Учитывая это, во избежание потерь ин­формации необходимо иметь. требуемую чувствительность приемных устройств в каждый момент времени, а также своевременно осуществлять переключение ПС из зоны действия одной БС в зону действия другой БС.

Картина многолучевого распространения схематически изображена на рис. 2.30. Фак­тически область существенных отражений ограничивается обычно сравнительно небольшим участком в окрестности ПС - порядка нескольких сотен длин волн, т.е. нескольких десятков или сотен метров. При движении ПС эта область перемещается вместе с ней таким образом, что ПС все время остается вблизи центра области.При сложении нескольких сигналов, прошедших по разным путям и имеющих в точке приема в общем случае различные фазы, результирующий сигнал может быть как выше среднего уровня, так и заметно ниже, причем замирания сигнала, образующиеся при взаим­ной компенсации сигналов вследствие неблагоприятного сочетания их фаз и амплитуд, могут быть достаточно глубокими. Искажения результирующего сигнала (или межсимвольная ин­терференция) имеет место в том случае, когда более или менее синфазные составляющие сигналы с соизмеримыми амплитудами настолько отличаются по разности хода, что символы одного сигнала накладываются на соседние символы другого.

Рис. 2.30. Многолучевое распространение в условиях городской застройки

Колебания уровня (замирания) принимаемого сигнала имеют две составляющие — бы­струю и медленную (рис. 2.29).

Быстрые замирания, являющиеся прямым следствием многолучевого распростране­ния, описываются релеевским законом распределения, и потому иногда называются релеев-скими замираниями. Замирания из-за многолучевости обусловлены сигналами, отраженными от внешних объектов (рис. 2.30). В результате этого приемник ПС принимает несколько од­нотипных сигналов, но сдвинутых по фазе, что приводит к ослаблению основного сигнала. При этом возможен случай, когда основной сигнал и отраженный равны по мощности, но находятся в противофазе, и это приведет к тому, что результирующий сигнал будет равен нулю, т. е. произойдет прерывание связи.

Диапазон изменений уровня сигнала при быстрых замираниях может достигать 40 дБ, из которых примерно 10 дБ - превышение над средним уровнем и 30 дБ - провалы ниже среднего уровня, причем более глубокие провалы встречаются реже, чем менее глубокие.

При неподвижном абонентском аппарате интенсивность принимаемого сигнала не ме­няется. При перемещении ПС периодичность флуктуации в пространстве составляет около полуволны, т.е. порядка 10-15 см в линейной мере. Период флуктуации во времени зависит от скорости перемещения ПС: например, при скорости 50 км/ч период флуктуации составля­ет около 10 мс, а при 100 км/ч - около 5 мс. Частота замираний глубиной 30-10 дБ при ско­рости порядка 50 км/ч составляет 5-50 провалов в секунду соответственно, а средняя дли­тельность замираний ниже уровня 30-10 дБ при той же скорости - порядка 0,2-2 мс.

Медленные замирания обусловлены эффектом тени, который вызывается препятст­виями (здания, горы и т. д.), нарушающими прямую радиовидимость между БС и ПС. Мед­ленные замирания подчиняются логарифмически нормальному закону распределения. Ин­тенсивность медленных флуктуации не превышает 5-10 дБ, а их периодичность соответству­ет перемещению ПС на десятки метров. Фактически медленные замирания представляют собой изменение среднего уровня сигнала при перемещении ПС, на которые накладываются быстрые замирания вследствие многолучевого распространения.

Основное неудобство в сотовой связи доставляют быстрые замирания, поскольку они бывают достаточно глубокими, и при этом отношение сигнал/шум падает настолько сильно, что полезная информация может существенно искажаться шумами, вплоть до полной ее по­тери. Для борьбы с быстрыми замираниями используются два основных метода: разнесенный прием, т.е. одновременное использование двух или более приемных антенн; работа с расши­рением спектра: использование скачков по частоте, а также метода CDMA.

Межсимвольная интерференция может иметь место при значительных разностях хода между различными лучами в условиях многолучевого распространения. Практически разно­сти хода в городских условиях могут достигать единиц микросекунд.

В методе CDMA, при использовании широкополосных сигналов и рейк-приемников, наиболее сильные сигналы выравниваются по задержке и после этого складываются, так что проблема межсимвольной интерференции в значительной мере снимается. В относительно узкополосных ССС, использующих метод TDMA, для борьбы с межсимвольными искажения­ми применяются эквалайзеры - адаптивные фильтры, устанавливаемые в приемном тракте ЦОС, которые позволяют компенсировать межсимвольные искажения. Для борьбы с послед­ствиями многолучевого распространения, а именно для устранения ошибок, обусловленных как замираниями сигналов, так и межсимвольной интерференцией, используется помехо­устойчивое канальное кодирование: блочное и сверточное кодирование, а также перемежение.

Разнесенный прием

Идея разнесенного приема (РП) заключается в совместном использовании нескольких сигналов, различающихся (разнесенных) по какому-либо параметру или координате, причем разнесение должно выбираться таким образом, чтобы вероятность одновременных замира­ний всех используемых сигналов была много меньше, чем какого-либо одного из них. Т.е. эффективность разнесенного приема тем выше, чем менее коррелированы замирания в со­ставляющих сигналах.

Возможны пять вариантов РП: с разнесением во времени, при этом используются сиг­налы, сдвинутые во времени один относительно другого; метод легко реализуем лишь в циф­ровой форме, и улучшение качества приема происходит за счет пропускной способности ка­нала связи; с разнесением по частоте, при этом используются сигналы, передаваемые на нескольких частотах, т.е. происходит расширение используемой полосы частот; с разнесени­ем по углу, или по направлению, при этом прием производится на несколько антенн с рассо­гласованными (не полностью перекрывающимися) диаграммами направленности; в этом случае сигналы с выходов разных антенн коррелированы тем слабее, чем меньше перекрытие диаграмм направленности, но одновременно падает и эффективность приема (интенсивность принимаемого сигнала), по крайней мере для всех антенн, кроме одной; с разнесением по поляризации, когда, например, две антенны принимают сигналы двух взаимно ортогональных поляризаций; практического значения этот вариант не имеет, поскольку в диапазоне СВЧ замирания на разных поляризациях сильно коррелированы; с разносом в пространстве, т.е. с приемом сигналов на несколько пространственно разнесенных антенн; это единственный метод, находящий практическое применение. Для метода РП необходимы как минимум две приемные антенны, установленные с не­которым смещением одна относительно другой. Выигрыш от РП тем больше, чем больше число используемых антенн, однако при этом возрастает и сложность технического решения. Практическое применение находит система с двумя приемными антеннами, и в основном в БС. В ПС широкого распространения РП не получил.

Важными характеристиками системы РП являются расстояние между антеннами и способ совместного использования сигналов с выходов двух антенн. С ростом расстояния между антеннами корреляция между флуктуациями уровня принимаемых ими сигналов па­дает, т.е. чем больше разнос антенн, тем выше эффективность РП. Но при этом возрастает и сложность технической реализации, так что практически разнос берется минимально воз­можным, при котором РП уже достаточно эффективен. Реально разнос обычно составляет около десятка длин волн, т.е. порядка нескольких метров.

При объединении сигналов с выходов двух антенн возможно как использование одно­го (более сильного) из двух сигналов, так и суммирование обоих сигналов - додетекторное (когерентное) или последетекторное - с равными весами или со взвешиванием, обеспечи­вающим получение максимума отношения сигнал/шум. В случае двух приемных антенн раз­личие в эффективности этих способов относительно невелико, и на практике обычно приме­няется наиболее простой из них - выбор максимального из двух сигналов с коммутацией вы­хода соответствующего приемника на вход тракта последующей обработки.

Скачки по частоте

Идея метода скачков по частоте состоит в том, что несущая частота для каждого ФК пе­риодически изменяется, т.е. каждый ФК периодически переводится на новый частотный канал. Поскольку релеевские замирания являются частотно-селективными, то, если при работе на не­которой частоте имело место замирание, при изменении рабочей частоты на 100-300 кГц зами­рания с большой вероятностью не будет. Следовательно, при достаточно частых изменениях частоты существенно снижается вероятность длительных замираний, и соответственно в соче­тании с перемежением снижается вероятность групповых ошибок, а с одиночными ошибками можно успешно бороться при помощи помехоустойчивого канального кодирования.

Различают медленные и быстрые скачки по частоте. При медленных скачках период изменения частоты много больше длительности символа передаваемого сообщения, а при быстрых скачках - много меньше длительности символа.

Изменение частоты в пределах доступного диапазона может быть как регулярным (цик­лическим), так и нерегулярным (псевдослучайным), причем в последнем случае может быть выбран любой из имеющихся в наборе вариантов псевдослучайности. Режим работы со скач­ками по частоте не является обязательным и назначается по команде с центра коммутации.

В практике сотовой связи применение скачков по частоте предусмотрено стандартом GSM - используются медленные скачки с переключением частоты в каждом очередном кад­ре. Если учесть, что в кадре каждому ФК соответствует один слот, то для любого из ФК такая частота скачков эквивалентна смене частотных каналов с частотой слотов. Принцип исполь­зования медленных скачков по частоте в стандарте GSM изображен на рис. 2.31.

Принцип формирования медленных скачков по частоте состоит в том, что сообщение, передаваемое в выделенном абоненту временном интервале TDMA-кадра 0,577 мс, в каждом последующем кадре передается (принимается) на новой фиксированной частоте. В соответ­ствии со структурой кадров время для перестройки частоты составляет около 1 мс.

В процессе скачков по частоте постоянно сохраняется разнос 45 МГц между каналами приема и передачи. Всем активным абонентам, находящимся в одной соте, ставятся в соот­ветствие непересекающиеся последовательности переключения частот, что исключает вза­имные помехи при приеме сообщений абонентами. Параметры последовательности пере­ключения частот (частотно-временная матрица и начальная частота) назначаются для каждой ПС в процессе установления канала связи.