eng
Содержание
Содержание 5
Краткое содержание 8
Ключевые слова 8
Глава 1. Вступление 11
Глава 2. Обзор мобильной связи 14
2.1.
Общее описание 14
2.2.
Обзор сотовой связи 15
2.3.
Эволюция систем мобильной телефонной связи 16
2.4.
Структура 18
2.5.
Радиосистемы сотовой связи: концепции и эволюция 20
2.5.1.
Всенаправленные системы и многократное использование канала 20
2.5.2.
Секционирование сот 22
2.5.3.
Секционированные системы 22
2.6.
Регулирование мощности 24
2.6.1.
Эффективность использования выделенного частотного спектра 25
2.7.
Схемы коллективного доступа 27
2.7.1.
Множественный доступ с разделением частот FDMA 27
2.7.2.
Множественный доступ с временным разделением каналов TDMA 28
2.7.3.
Множественный доступ с кодовым разделением каналов CDMA 29
2.7.4.
Ортогональное частотное разделение каналов OFDM
с мультиплексированием 31
Глава 3. Антенные решетки и способы разнесенного приема 33
3.1.
Антенные решетки 33
3.2.
Классификация антенн 34
3.2.1.
Изотропные излучатели 34
3.2.2.
Всенаправленные антенны 34
3.2.3.
Направленные антенны 35
3.2.4.
Фазированные антенные решетки 36
3.2.5.
Адаптивные антенные решетки АР 36
3.3.
Методы разнесенного приема 38
Глава 4. Смарт-антенны 46
4.1.
Вступление 46
4.2.
Необходимость в смарт-антеннах 46
4.3.
Обзор 48
4.4.
Конфигурации адаптивных антенн 50
4.4.1.
Антенны с коммутацией луча 53
4.4.2.
Адаптивные антенные системы 56
4.5.
Множественный доступ с пространственным разделением каналов SDMA 60
4.6.
Архитектура смарт-антенной системы 63
4.6.1.
Приемная часть 63
4.6.2.
Передающая часть 66
4.7.
Преимущества и недостатки 68
6
Содержание
4.8.
Основные принципы 71
4.9.
Эффекты взаимной связи 80
Глава 5. Определение направления на источник сигнала. Основные положения 84
5.1.
Введение 85
5.2.
Вектор отклика антенной решетки 86
5.3.
Модель принятого сигнала 88
5.4.
Подпространственная модель данных 91
5.5.
Автоковариационные матрицы сигнала 93
5.6.
Традиционные методы определения направления прихода сигнала 95
5.6.1.
Стандартный метод формирования ДН 95
5.6.2.
Метод наименьшей вариации Кейпона 96
5.7.
Подпространственный подход оценки угла прихода сигнала 97
5.7.1.
Алгоритм MUSIC 97
5.7.2.
Алгоритм ESPRIT 100
5.8.
Однозначность оценки углов прихода 103
Глава 6. Принципы формирования ДН 105
6.1.
Классическое формирование ДН 107
6.2.
Статистически оптимальные весовые вектора формирования ДН 108
6.2.1.
Формирователь луча с максимальным SNR 109
6.2.2.
Устройство подавления боковых лепестков и формирователь ДН
с максимальным SINR 110
6.2.3.
Минимальная среднеквадратическая ошибка MMSE 111
6.2.4.
Прямое обращение матрицы DMI 113
6.2.5.
Минимальная вариация с линейным ограничением LCMV 114
6.3.
Адаптивные алгоритмы формирования ДН 116
6.3.1.
Алгоритм наименьшего среднеквадратичного отклонения LMS 117
6.3.2.
Рекурсивный алгоритм наименьших квадратов RLS (Recursive Least-
Squares) 119
6.3.3.
Алгоритм для сигналов с постоянной амплитудой CM (Constant-Modulus )
121
6.3.4.
Алгоритм аффинной проекции АP (Affi ne-Projection) 123
6.3.5.
Квазиньютоновский алгоритм QN (Quasi-Newton) 124
Глава 7. Интеграция и моделирование смарт-антенн 126
7.1.
Обзор 126
7.2.
Разработка антенны 127
7.3.
Взаимная связь 129
7.4.
Адаптивные алгоритмы обработки сигнала 130
7.4.1.
Направление прихода 130
7.4.2.
Адаптивное формирование ДН 132
7.4.3.
Формирование ДН и сложение разнесенных сигналов в каналах
с релеевским замиранием 133
7.5.
Решетчатое кодирование для адаптивных решеток TCM (trellis-coded
modulation) 135
7.6.
Смарт-антенные системы для MANET-сетей 137
7.6.1.
Протокол 138
7.6.2.
Моделирование 139
7.7.
Пояснения 143
Содержание 7
Глава 8. Пространственно-временная обработка 145
8.1.
Вступление 145
8.2.
Модели сигнала и дискретного пространственно-временного канала 151
8.3.
Пространственно-временное формирование луча 155
8.4.
Подавление межсимвольных и внутриканальных помех 157
8.4.1.
Подавление межсимвольных помех ISI 158
8.4.2.
Подавление внутриканальных помех CCI 159
8.4.3.
Одновременное подавление межсимвольной и внутриканальной помехи 159
8.5.
Пространственно-временная обработка для DS-CDMA 160
8.6.
Пропускная способность и скорость передачи данных в MIMO-системах 161
8.6.1.
Ограничения скорости передачи для одного пользователя 163
8.6.2.
Предел скорости передачи при коллективном использовании канала 163
8.6.3.
Ограничения скорости передачи данных в сотовой системе 166
8.6.4.
MIMO-система в сетях WLAN 168
8.7.
Заключение 172
Глава 9. Коммерческая доступность смарт-антенн 173
Глава 10.Заключение 180
Благодарности 181
Литература 182
Предметный указатель 196
Краткое содержание
По мере увеличения спроса на системы подвижной связи, возникает необхо-
димость в увеличении зоны обслуживания, пропускной способности и более
высоком качестве передачи данных. Таким образом, необходимо более эффек-
тивное использование выделенного частотного спектра. Интеллектуальные
(смарт) антенные системы предлагают эффективное решение проблем, имею-
щихся у сегодняшних систем беспроводной связи, и способны обеспечить более
эффективное использование радиоспектра и каналы надежной высокоскорост-
ной передачи данных. Цель данной книги состоит в том, чтобы дать читателю
максимально развернутое представление по системным аспектам смарт-антенн.
Фактически техника смарт-антенных систем включает ряд важных областей,
таких как индивидуальное проектирование антенных решеток, алгоритмов
обработки сигналов, пространственно-временная обработка, моделирование
беспроводного канала и кодирование и быстродействие радиосетей. В данной
книге дается обзор принципов смарт-систем с включением ряда областей, име-
ющих на них большое влияние, а также исследуется вопрос, как взаимодействие
и интеграция последних могут влиять на специализированные сети мобильной
связи MANET (Mobile Ad-Hoc Network). Кроме того, приводятся общие прин-
ципы и главные преимущества использования пространственно-временной
обработки особенно систем с несколькими входами и выходами MIMO (Multi-
Input-Multi-Output).
Ключевые слова
Адаптивные решетки, антенны с коммутируемым лучом, фазированная решет-
ка, SDMA, взаимная связь, направление прихода сигнала, адаптивное форми-
рование луча, канальное кодирование, MANET, пропускная способность сети,
пространственно-временная обработка.
ГЛАВА 1
Вступление
В последние годы наблюдается существенное развитие беспроводных техноло-
гий широкополосного доступа, направленных на улучшение качества услуг бес-
проводного интернета и систем сотовой связи [1]. Из-за этого в будущем предви-
дится огромный рост нагрузки на линии мобильной и персональной связи [2].
Он обусловлен как ростом количества пользователей, так и появлением услуг
высокоскоростной передачи данных. Такая тенденция наблюдается для систем
второго поколения и наверняка перейдет на системы третьего поколения. Рост
объема передаваемой информации потребует как от производителей оборудо-
вания, так и поставщиков услуг обеспечения достаточно высокой пропускной
способности сетей [3]. Так как предел пропускной способности обусловлен ря-
дом ограничивающих факторов излучающей среды, решение данной задачи
становится критически важным для поставщиков услуг [4].
Главной причиной уменьшения пропускной способности являются межка-
нальные помехи, обусловленные ростом количества пользователей. К другим
факторам снижения производительности системы и ее пропускной способно-
сти относятся интерференционное замирание и задержки в распространении,
обусловленные отражением сигнала от зданий и рельефом местности, а также
мобильностью пользователей. Вопрос пропускной способности обострился
в 90-х годах, когда Интернет дал возможность получать данные по запросу (ко-
тировки акций, новости, метеосводки, электронная почта и т. д.) и обменивать-
ся информацией в реальном времени. Это привело к увеличению использова-
ния эфирного времени и количества абонентов и, таким образом, к насыщению
пропускной способности системы.
Операторы мобильной связи стали искать новые способы максимального
увеличения эффективности использования выделенных частотных спектров
своих сетей и увеличения рентабельности [5]. В настоящее время во всем мире
ведутся исследования, направленные на улучшение производительности бес-
проводных систем. Внедрение современной технологии смарт-антенн (SA)
беспроводной связи обещает реализацию высокоэффективных сетей с макси-
мальной пропускной способностью, улучшение качества услуги и расширение
зоны покрытия [6]. Смарт-антенны в последние годы пользуются заслуженным
вниманием [6—11] в связи с тем, что они могут повысить пропускную способ-
ность (очень важный фактор в городских условиях и плотно заселенных райо-
нах) за счет динамической отстройки от помехи с одновременной фокусиров-
12 Глава 1. Вступление
кой на необходимом абоненте [12, 13], вкупе с впечатляющими улучшениями
в области цифровой обработки сигнала.
Избирательные управляющие алгоритмы с предопределенными критерия-
ми обеспечивают адаптивные решетки уникальной способностью к изменению
характеристик диаграммы направленности (нулей, уровней боковых лепестков,
направленности основного лепестка и его ширины). Эти управляющие алгорит-
мы обязаны своим появлением сразу нескольким дисциплинам и предназначены
для использования в конкретных областях применения (например в сейсмоло-
гии, подводных работах, воздушно-космическом пространстве и в последнее вре-
мя — в сотовой связи) [14]. Коммерческое внедрение SA обещает большой прирост
системной производительности с точки зрения пропускной способности, зоны
покрытия и качества сигнала, что в целом, в конечном итоге, приведет к повыше-
нию эффективности использования выделенного частотного спектра [14].
По мере роста необходимости в обмене и коллективном использовании дан-
ных, пользователи, где бы они ни находились — на работе, дома или в движении,
требуют обеспечить им возможность подключения к быстрым сетям с большой
зоной обслуживания. Более того, пользователи также заинтересованы в воз-
можности по желанию устанавливать соединения между всеми их персональ-
ными электронными устройствами PED (personal electronic devices) в режиме ad
hoc (для данного случая — в пер. с латыни). Сеть такого типа получила название
самоконфигурируемой мобильной специальной сети (MANET) и начинает по-
являться на основе технологии беспроводной связи Bluetooth.
BluetoothTM представляет собой радиосвязь малого радиуса действия (10—
100 м), обеспечивающую возможность создания канала связи и обмена дан-
ными между двумя или более устройствами [15, 16]. Так как в BluetoothTM ис-
пользуется всенаправленная антенна для работы в промышленном, научном
и медицинском диапазоне ISM (industrial, scientifi c, and medical — нелицензи-
руемая полоса 2,4 ГГц), то она не способна обеспечить наведение на абонентов
и регулировать степень чистоты сигнала для снижения помех. Все это ограни-
чивает общую производительность системы, то есть пропускную способность
MANET-сетей. Кроме того, так как всенаправленная антенна излучает энер-
гию во всех направлениях, снижается время автономной работы персональных
электронных устройств. Следовательно, преимущества, предлагаемые адаптив-
ными антеннами, должны обеспечить улучшение общей производительности
MANET-сетей [17].
Существующие тенденции сосредоточены на пространственно-временной
обработке и кодировании цифрового сигнала, то есть перспективной техно-
логии, обещающей значительное увеличение производительности беспро-
водных сетей за счет использования многоэлементных антенн для передачи
и приема [18]. Пространственно-временная обработка может рассматриваться
в качестве эволюции традиционных методов обработки сигнала с помощью
антенных решеток и формирования диаграммы направленности. Импульсные
сигналы обрабатываются одновременно на многих датчиках с помощью при-
емников пространственно-временной обработки, таким образом, улучшающих
разрешающую способность, подавление помехи и качество услуги. Реализация
сложных методов пространственно-временной обработки сигнала в системах
с многоканальным входом и выходом (MIMO) должна обеспечить значительное
увеличение пропускной способности и передачи данных в мобильных системах
и беспроводных локальных сетях.
Данная книга организована следующим образом: в главе 2 дается обзор си-
стем беспроводной связи, что необходимо для последующего анализа смарт-
антенных систем. Затем следует глава, посвященная антенным решеткам и ме-
тодам разнесенного приема с описанием свойств антенн и их классификации
по характеристиками излучения. В главе 4 анализируются функциональные
принципы смарт-антенн, рассматриваются их различные конфигурации и вы-
деляются их преимущества и недостатки, связанные с коммерческим внедре-
нием. В главе 5 рассматриваются различные методы определения направления
приема сигнала. Чем точнее эта оценка, тем выше производительность адаптив-
ной антенной системы. Глава 6 посвящена методам формирования луча, с по-
мощью которых достигаются желаемые ДН адаптивных антенн. В следующей
главе представлены результаты программы изучения, посвященной интеграции
антенной конструкции, адаптивных алгоритмов и пропускной способности
сети. Глава 8 посвящена способам пространственно-временной обработки сиг-
нала. На основании анализа фундаментальных принципов и полученных экс-
периментальных данных демонстрируется громадное увеличение скорости пе-
редачи данных и пропускной способности, обеспечиваемое MIMO-системами.
В заключение в главе 9 дается краткий обзор существующих коммерческих ре-
шений на основе адаптивных антенных систем.
Данная книга представляет собой всеобъемлющую работу по смарт-
антенным системам, в которой содержится информация, собранная из различ-
ных источников. Авторы попытались дать в соответствующих главах данной
книги ссылки на источники, из которых был почерпнут основной материал,
послуживший отправной точкой их работы. В частности авторы подтвержда-
ют, что большая полезная информация была извлечена из многих источников
и особенно из работ [17, 19—29]. Нам также удалось связаться почти со всеми
основными авторами указанных по ссылкам работ, заручившись их самой
благожелательной реакцией. В сущности, некоторые из них быстро предоста-
вили иллюстрации и данные, приведенные в этой книге. Официальная при-
надлежность источников информации приведена в соответствующих позициях
(рис. и т. п.).
ГЛАВА 2
ОБЗОР МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ
В данной главе дается краткий обзор мобильной связи, принципов ее действия
и терминология, использующаяся в данной книге.
2.1. Общие описание
Все системы связи направлены на решение одной фундаментальной задачи:
передачу максимально возможного объема информации с минимальным ко-
личеством ошибок [19]. Современные системы цифровой беспроводной свя-
зи — не исключение. Как показано на рис. 2.1, эти системы обычно подразде-
ляются на несколько элементов. Блок формирования исходных данных (кодер
источника) обеспечивает устранение избыточности входных цифровых данных
и, таким образом, увеличение объема полезной информации, передаваемой си-
стемой связи [19].
Данные от генератора исходного сигнала обрабатываются канальным ко-
дером, который обеспечивает коррекцию ошибок для минимизации вероятно-
сти их появления при передаче. Далее для обеспечения одновременной связи
со многими пользовательскими терминалами данные с канального кодера об-
рабатываются цифровым сигнальным процессором DSP (Digital Signal Processing
— цифровой сигнальный процессор). В качестве примера можно привести
цифровое формирование диаграммы направленности (ДН), которое за счет ис-
пользования геометрических свойств антенной решетки способно обеспечить
уплотнение сигналов, поступающих от нескольких пользовательских терми-
налов. Затем, в связи с ограничениями системы связи по полосе частот, поток
данных обрабатывается модулятором, обеспечивающим преобразование низ-
кочастотного сигнала на входе в свою высокочастотную копию на выходе [19].
Сгенерированная на выходе модулятора последовательность данных подается
на антенную решетку для последующей передачи посредством беспроводного
канала связи.
На другом конце радиоканала процедура носит обратный характер. Сиг-
нал, поступающий на приемную антенну от разных пользовательских терми-
налов, преобразовывается демодулятором с понижением частоты до своего
низкочастотного эквивалента. Затем DSP осуществляет разделение сигналов,
поступающих от разных пользовательских терминалов. Канальный декодер
обеспечивает обнаружение и, по возможности, коррекцию ошибок, обуслов-
ленных прохождением сигнала по физическому каналу связи. Вслед за этим
декодер источника распаковывает фактическую последовательность данных.
Вся процедура направлена на восстановление информации с минимально воз-
можным количеством ошибок, отправляемой с другого конца физического ка-
нала связи.
2.2. Обзор сотовой связи
Эра беспроводной связи началась приблизительно в 1895 году с демонстрации
Гульельмо Маркони (англ. Guglielmo Marconi) возможности использования ра-
диоволн для осуществления дальней связи1. В настоящее время сотовая связь
представляет собой одно из самых востребованных и динамично развивающих-
ся телекоммуникационных направлений. Сегодня в процентном отношении
она занимает доминирующее положение в мире по количеству привлекаемых
абонентов. В начале этого десятилетия количество абонентов мобильной свя-
зи превысило аналогичный показатель для стационарной связи [30]. Во многих
частях мира уровень проникновения сотовой связи уже превысил 100%-й ру-
беж при все продолжающемся росте рынка. В настоящее время, согласно самым
1 Для российского читателя хочется отметить, что профессор А. С. Попов 7-го мая
1895 г. продемонстрировал прием радиоволн на заседании Физико-химического обще-
ства в С.-Петербурге. Этот день признан мировой общественностью как день, когда был
сделан существенный вклад в развитие беспроволочной телеграфии. А в заявке на аме-
риканский патент Г. Маркони писал: «Я знаком… со статьями профессора Попова, опу-
бликованными в журнале Русского физико-химического общества в 1895 и 1896 гг.».
Рис. 2.1. Элементы системы связи [19]
последним данным глобальной базы данных рынка сотовой связи WI (Wireless
Intelligence) [31], предоставляемым совместным предприятием, состоящим
из ассоциации GSM-операторов и компании Оvum, деятельность которых на-
правлена на анализ рынка и глобальной индустрии беспроводной связи, коли-
чество новых подключений в месяц составляет 40 миллионов, что свидетель-
ствует о самом быстром увеличении объема рынка за всю историю наблюдений.
В целом ожидается, что рынок вырастет с 41 % в конце 2006 до 47 % к концу 2007,
то есть речь идет о достижении сотовой связью рубежной отметки в 3 миллиар-
да подключений. Однако, согласно WI, количество подключений не равно ко-
личеству пользователей сотовой связи, так как на одного пользователя может
приходиться более одного номера, причем в эти цифры могут входить уже не ис-
пользуемые номера. В общем, в то время как насыщенный Западноевропейский
рынок сотовой связи находится в стадии стагнации [32], рост числа абонентов
имеет ярко выраженный характер, особенно в странах Азии и некоторых стра-
нах Северной и Южной Америки. Компания Micrologic Research [33] оценила го-
довые уровни продаж сотовых телефонов (а) и подключений (б) в период с 1998
по 2006 гг., которые представлены соответствующими графиками на рис. 2.2.
2.3.Эволюция систем мобильной телефонной связи
Суть сотовой связи состоит в использовании маломощных передатчиков с воз-
можностью многократного использования частот в заданной географической
области (зоне охвата). Однако впервые предоставление услуг коммерческой со-
товой связи было реализовано в 5 скандинавских странах с внедрением в 1981
году единого стандарта сотовой связи NMT (Nordic Mobile Telephone).
Использование систем сотовой связи как таковых началось в США с появ-
лением в 1981 году перспективной службы радиотелефонной связи с подвижны-
Рис. 2.2. (а) Annual worldwide cellular handset shipments and (б) worldwide number of
cellular subscribers [34]
ми объектами (AMPS). Стандарт AMPS был принят в странах Азии, Латинской
Америки и Океании, что привело к формированию потенциально самого боль-
шого рынка сотовой связи в мире [35].
В начале 1980-х системы мобильной телефонной связи были аналоговыми,
а не более новыми цифровыми, как в настоящее время. Неспособность ана-
логовых систем экономически эффективно справляться с растущим спросом
на пропускную способность оказалась главным тормозом их развития. Это спо-
собствовало переходу на цифровую технологию. Превосходство цифровых си-
стем над аналоговыми [системами] заключается в простоте передачи сигнала,
более низком уровне помех, объединении функций передачи и коммутации
и возможностях удовлетворения требованиям к пропускной способности [35].
Появившись в 1991 году, глобальная система связи с подвижными объекта-
ми (GSM) стала одним из ведущих стандартов цифровой сотовой связи. В на-
стоящее время это де-факто признанный стандарт в Европе, также широко ис-
пользуемый и в других частях мира.
Стандарт системы коллективного доступа с кодовым разделением каналов
(CDMA) появился в 1993 г. Изначально CDMA-стандарт относился к протоко-
лу обмена данными ITU IS-95, то есть ко второму поколению технологии бес-
проводной мобильной связи (2G), вставшей на коммерческие рельсы в 1995 г.
Она стала одной из самых быстро развивающихся технологий беспроводной
связи в мире.
В 1999 г. «Международный союз электросвязи» выбрал CDMA в качестве
промышленного стандарта для новых систем беспроводной связи третьего по-
коления (3G). Необходимость увеличения пропускной способности для пере-
дачи голосовых данных вкупе с возможностями ускоренной передачи данных
[36] побудила многих ведущих операторов беспроводной связи заняться созда-
нием или модернизацией своих сетей до стандарта 3G CDMA. Для предостав-
ления востребованных пользователями услуг в новой версии CDMA, известной
как CDMA2000 или IS-2000, обеспечена реализация как радиоинтерфейса, так
и основной базовой сети [37]. Главное достоинство системы CDMA2000 состо-
ит в поддержке всех современных требований, предъявляемых к 3G по работе
с мультимедийными данными и прочими услугами, предоставляемыми по IP-
адресу. CDMA2000 — идеальное решение для операторов беспроводной связи,
желающих воспользоваться преимуществом динамики нового рынка мобиль-
ных устройств и Интернета [37].
Универсальная система мобильной связи UMTS (Universal Mobile Telecommunications
System) является преемником GSM-системы. Стандарт радио-
интерфейса многостанционного доступа с временным разделением каналов
TDMA сменился стандартом широкополосного многостанционного доступ
с кодовым разделением каналов W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Ac18
cess). Такой переход был продиктован необходимостью достижения скорости
передачи данных в 2 Мбит/с [38]. Кроме передачи голоса и данных, система
UMTS будет обеспечивать передачу видео- и аудиоданных на беспроводные
устройства по всему миру посредством стационарных, беспроводных и спут-
никовых систем. Система UMTS будет обслуживать большинство стран Ев-
ропы. В табл. 2.1 показана мировая история развития телефонных систем мо-
бильной связи
2.4. Структура
В системах беспроводной связи обычно реализуется одновременная двухсто-
ронняя связь между двумя точками [1]: базовой станцией (БС) и подвижной
станцией (ПС) / пользовательским терминалом (ПТ). Связь в направлении
от базовой станции (БС) к пользовательскому терминалу (ПТ) обычно назы-
вается нисходящей линией связи или прямым каналом. Соответственно связь
в направлении от ПТ к БС обычно называется восходящей линией связи или
обратным каналом. В прямом канале могут участвовать две системы: передаю-
щая антенная система БС и приемная антенна ПТ. Соответственно, могут быть
две системы и в обратном канале связи: передача данных от ПТ и прием на БС
[1]. Пример такой системы приведен на рис. 2.3.
Сотовая телефонная система обеспечивает беспроводное соединение любо-
го пользовательского терминала, находящегося в зоне ее покрытия, с коммути-
Таблица 2.1. Развитие систем мобильной телефонной связи [35]
Год Система мобильной связи
1981 NMT450 Единый стандарт сотовой связи для 5 североевропейских стран
1983 AMPS Усовершенствованная служба мобильной телефонной связи США
1985 TACS Система связи коллективного доступа
1986 NMT900 Единый стандарт сотовой связи для 5 североевропейских стран
1991 ADC Американская цифровая сотовая связь
1991 GSM Глобальная система мобильной связи
1992 DCS1800 Cтандарт цифровой узкополосной связи для диапазона 1800
1993 CDMA One
1994 PDC Персональная система цифровой сотовой связи (Япония)
1995 PCS1900 Персональная служба связи (Канада)
1996 PCS Персональная служба связи (США)
2000 CDMA2000 Коллективный доступ с кодовым разделением каналов
2005 UMTS Универсальная система мобильной связи стандарт для сотовой
связи третьего поколения
2.4. Структура 19
руемой телефонной сетью общего пользования (PSTN — Public Switched Telephone
Network) [39]. Она [сотовая телефонная система] включает:
• Подвижные станции,
• Базовые станции,
• Центр коммутации подвижной связи MSC (Mobile Switching Center).
N
Рис. 2.3. Общая схема широкополосной радиосети беспроводной связи [1]
Рис. 2.4. Типичная схема базовой подвижной системы [40]
Базовая станция является мостом между подвижными пользовательскими
терминалами и центром коммутации подвижной связи посредством обычных
телефонных и радиорелейных линий [39]. Центр коммутации подвижной свя-
зи PSTN обеспечивает подключение всей сотовой системы к телефонной сети
общего назначения. На рис. 2.4 представлена упрощенная схема работы сотовой
телефонной системы связи.
2.5. Радиосистемы сотовой связи:концепции и эволюция
В связи с увеличением количества служб и абонентов вопрос поддержания не-
обходимой пропускной способности всегда стоит остро. Для выхода на уровень
пропускной необходимости с учетом растущего числа абонентов сотовым ра-
диосистемам потребовались годы. Обоснование необходимости использования
адаптивных антенн в структуре сотовой системы дается в историческом кон-
тексте эволюции сотовых радиосистем. С более подробными деталями можно
ознакомиться в работах [13, 40, 41].
2.5.1. Всенаправленные системы и многократное
использование канала
С самого начала разработчики были осведомлены, что проблема в пропуск-
ной способности, особенно в контексте ограничения Федеральной комиссией
по связи (FCC)1 количества каналов или частот. Следовательно, для предостав-
ления услуги огромному количеству абонентов и достижения требуемой про-
пускной способности была необходима разработка сотовой структуры. Суть
концепции заключается в том, чтобы увеличение пропускной способности мог-
ло происходить только за счет одновременного прохождения в каждом канале
связи нескольких сеансов связи [40]. Один из способов реализации данной кон-
цепции состоит в многократном использовании одного и того же канала связи.
Во избежание взаимных помех мобильные телефоны, использующие один и тот
же радиоканал, должны находиться на достаточном расстоянии друг от друга.
Сотовая структуризация представляет собой разбиение обширного географи-
ческого пространства на зоны обслуживания меньшего размера, называемые
сотами, на каждую из которых выделяется часть доступной полосы пропуска-
ния (многократное использование частоты), что, соответственно, делает воз-
можным беспроводное подключение большего количества пользовательских
терминалов несмотря на ограниченный спектр частот [42]. Соты, как правило,
характеризуются разными размерами и сложными формами. Их форма обуслов-
1 FCC — Федеральной комиссией по связи США.
2.5. Радиосистемы сотовой связи: концепции и эволюция 21
лена главным образом особенностями местности и рукотворных сооружений.
В зависимости от своего размера соты могут быть классифицированы на макро-
(для случая, когда базовая станция имеет достаточную мощность передачи для
охвата зон радиусом от 1 до 20 км ), микро- (радиус зоны охвата от 0,1 до 1 км)
и пикосоты (в помещениях) [42]. Между двумя сотами, которые используют
идентичные каналы, должно быть минимальное расстояние, называемое рас-
стоянием многократного использования частотного канала (защитным интерва-
лом). Это также известно как многократное использование канала посредством
пространственного разделения [43]. Пропускная способность системы зависит
от этого расстояния. Пример подобной структуры показан на рис. 2.5.
Каждый шестиугольник разного оттенка на рис. 2.5 представляет неболь-
шую географическую зону, называемую сотой, имеющую максимальный ра-
диус R [44]. В центре каждой соты находится базовая станция, оборудованная
всенаправленной антенной с заданной полосой частот. Базовым станциям
смежных сот присваиваются полосы частот, совершенно отличные от частот
в соседних сотах. Ограничивая зону охвата границами соты, один и тот же ча-
стотный диапазон может использоваться для охвата разных сот, разделенных
между собой достаточно большими расстояниями (D на рис. 2.5) для удержания
уровня взаимных помех ниже пороговых уровней других сот. Выбор и присвое-
ние разным ячейкам базовых станций одной системы сотовой связи одинаковых
частотных диапазонов называется многократным использованием частоты или
канала [41]. Это показано на рис. 2.5 повторяющейся чередой заштрихованных
кластеров [13]; соты одного цветового тона имеют одинаковую полосу частот.
В первых установленных системах сотовой радиосвязи каждая базовая станция
оснащалась всенаправленной антенной [4]. До пользовательского термина-
ла доходил очень незначительный процент от общей энергии; остальная часть
уходила в потери, и это приводило к электромагнитному загрязнению среды.
Рост числа абонентов сопровождался усилением помех и, соответственно, сни-
жением пропускной способности. Быстрое решение этой проблемы заключа-
лось в разделении соты на соты меньшего размера; такая методика называется
секционированием соты [44].
2.5.2. Секционирование сот
Как показано на рис. 2.6, секционирование соты [44] представляет собой раз-
биение на микросоты еще меньшего размера, причем каждая со своей базовой
станцией с соответствующим уменьшением высоты антенны и мощности пе-
редатчика. Секционирование соты улучшает пропускную способность за счет
уменьшения радиуса соты с сохранением величины отношения D/R; D — рас-
стояние между центрами кластеров. Недостатки метода секционирования сот
обусловлены издержками на установление новых базовых станций, увеличени-
ем количества переадресаций (handoff s — процесс передачи связи от одной базо-
вой станции другой при перемещении пользовательского терминала от одной
соты к другой) и большей нагрузкой на абонентское оборудование.
2.5.3. Секционированные системы
По мере еще большего увеличения спроса на беспроводную связь количество
частот на соту становится недостаточным для обеспечения сервиса необходи-
мому числу абонентов. Таким образом, для обеспечения большего количества
частот на зону обслуживания потребовалась новая методика проектирования
сотовых систем. В секционированных системах традиционная зона обслужива-
ния разбивается на сектора, покрытие которых обеспечивается с помощью на-
правленных антенн одной и той же базовой станции, как показано на рис. 2.7.
Такой способ, получивший название секционирования соты [41], заключает-
ся в замене единственной всенаправленной антенны базовой станции несколь-
кими направленными антеннами. С эксплуатационной точки зрения каждый
сектор рассматривается системой в качестве отдельной соты, расстояние до ко-
торой в большинстве случаев по сравнению
с использованием всенаправленной антенны
может быть приблизительно на 35 % больше,
так как передаваемая мощность фокусируется
на участке меньшей площади [20].
Секционированные соты могут увеличить
спектральную эффективность канала за счет
снижения помех, создаваемых в сети базовой
станцией и пользовательскими терминалами, в связи с чем они нашли широкое
применение. В настоящее время в большинстве систем коммерческого назна-
чения используется 3 сектора, каждый из которых имеет покрытие в 120 граду-
сов. Для большинства узлов сотовой связи, несмотря на возможность получе-
ния большего количества секторов, установка дополнительного оборудования
и антенн оказывается неоправданно дорогой [45]. На рис. 2.8 показана сотовая
система с секторами покрытия в 120°.
При неизменном значении радиуса соты секционирование обеспечивает
улучшение пропускной способности и уменьшение значения коэффициен-
та D/R. Другими словами, улучшение пропускной способности достигается
за счет уменьшения количества сот и, следовательно, увеличения многократ-
ного использования частоты. Однако, для реализации этого необходимо сни-
зить относительные помехи без уменьшения мощности передачи. Как показано
на рис. 2.9, в такой сотовой системе происходит уменьшение межканальных по-
мех, так как она обусловлена наличием двух соседних сот, а не шести, как в слу-
чае со всенаправленной антенной [44, 46]. Увеличение числа секторов в CDMA-
системе оказалось полезным для увеличения пропускной способности узлов
сотовой связи [47]. Теоретически увеличение пропускной способности пропор-
ционально количеству секторов на соту [48]. За улучшение коэффициента «сиг-
нал/помеха» (S/I) и пропускной способности приходится платить увеличением
числа антенн базовой станции и уменьшением эффективности транкинговой
эффективности линии [13, 46], обусловленных секторизацией канала базовой
станции. Транкинговая эффективность линии является мерой того количества
пользовательских терминалов, которое может быть обслужено посредством за-
данной конфигурации фиксированного набора частот.
По мере увеличения спроса на системы подвижной связи, возникает необхо-
димость в увеличении зоны обслуживания, пропускной способности и более
высоком качестве передачи данных. Таким образом, необходимо более эффек-
тивное использование выделенного частотного спектра. Интеллектуальные
(смарт) антенные системы предлагают эффективное решение проблем, имею-
щихся у сегодняшних систем беспроводной связи, и способны обеспечить более
эффективное использование радиоспектра и каналы надежной высокоскорост-
ной передачи данных. Цель данной книги состоит в том, чтобы дать читателю
максимально развернутое представление по системным аспектам смарт-антенн.
Фактически техника смарт-антенных систем включает ряд важных областей,
таких как индивидуальное проектирование антенных решеток, алгоритмов
обработки сигналов, пространственно-временная обработка, моделирование
беспроводного канала и кодирование и быстродействие радиосетей. В данной
книге дается обзор принципов смарт-систем с включением ряда областей, име-
ющих на них большое влияние, а также исследуется вопрос, как взаимодействие
и интеграция последних могут влиять на специализированные сети мобильной
связи MANET (Mobile Ad-Hoc Network). Кроме того, приводятся общие прин-
ципы и главные преимущества использования пространственно-временной
обработки особенно систем с несколькими входами и выходами MIMO (Multi-
Input-Multi-Output).
Ключевые слова
Адаптивные решетки, антенны с коммутируемым лучом, фазированная решет-
ка, SDMA, взаимная связь, направление прихода сигнала, адаптивное форми-
рование луча, канальное кодирование, MANET, пропускная способность сети,
пространственно-временная обработка.
ГЛАВА 1
Вступление
В последние годы наблюдается существенное развитие беспроводных техноло-
гий широкополосного доступа, направленных на улучшение качества услуг бес-
проводного интернета и систем сотовой связи [1]. Из-за этого в будущем предви-
дится огромный рост нагрузки на линии мобильной и персональной связи [2].
Он обусловлен как ростом количества пользователей, так и появлением услуг
высокоскоростной передачи данных. Такая тенденция наблюдается для систем
второго поколения и наверняка перейдет на системы третьего поколения. Рост
объема передаваемой информации потребует как от производителей оборудо-
вания, так и поставщиков услуг обеспечения достаточно высокой пропускной
способности сетей [3]. Так как предел пропускной способности обусловлен ря-
дом ограничивающих факторов излучающей среды, решение данной задачи
становится критически важным для поставщиков услуг [4].
Главной причиной уменьшения пропускной способности являются межка-
нальные помехи, обусловленные ростом количества пользователей. К другим
факторам снижения производительности системы и ее пропускной способно-
сти относятся интерференционное замирание и задержки в распространении,
обусловленные отражением сигнала от зданий и рельефом местности, а также
мобильностью пользователей. Вопрос пропускной способности обострился
в 90-х годах, когда Интернет дал возможность получать данные по запросу (ко-
тировки акций, новости, метеосводки, электронная почта и т. д.) и обменивать-
ся информацией в реальном времени. Это привело к увеличению использова-
ния эфирного времени и количества абонентов и, таким образом, к насыщению
пропускной способности системы.
Операторы мобильной связи стали искать новые способы максимального
увеличения эффективности использования выделенных частотных спектров
своих сетей и увеличения рентабельности [5]. В настоящее время во всем мире
ведутся исследования, направленные на улучшение производительности бес-
проводных систем. Внедрение современной технологии смарт-антенн (SA)
беспроводной связи обещает реализацию высокоэффективных сетей с макси-
мальной пропускной способностью, улучшение качества услуги и расширение
зоны покрытия [6]. Смарт-антенны в последние годы пользуются заслуженным
вниманием [6—11] в связи с тем, что они могут повысить пропускную способ-
ность (очень важный фактор в городских условиях и плотно заселенных райо-
нах) за счет динамической отстройки от помехи с одновременной фокусиров-
12 Глава 1. Вступление
кой на необходимом абоненте [12, 13], вкупе с впечатляющими улучшениями
в области цифровой обработки сигнала.
Избирательные управляющие алгоритмы с предопределенными критерия-
ми обеспечивают адаптивные решетки уникальной способностью к изменению
характеристик диаграммы направленности (нулей, уровней боковых лепестков,
направленности основного лепестка и его ширины). Эти управляющие алгорит-
мы обязаны своим появлением сразу нескольким дисциплинам и предназначены
для использования в конкретных областях применения (например в сейсмоло-
гии, подводных работах, воздушно-космическом пространстве и в последнее вре-
мя — в сотовой связи) [14]. Коммерческое внедрение SA обещает большой прирост
системной производительности с точки зрения пропускной способности, зоны
покрытия и качества сигнала, что в целом, в конечном итоге, приведет к повыше-
нию эффективности использования выделенного частотного спектра [14].
По мере роста необходимости в обмене и коллективном использовании дан-
ных, пользователи, где бы они ни находились — на работе, дома или в движении,
требуют обеспечить им возможность подключения к быстрым сетям с большой
зоной обслуживания. Более того, пользователи также заинтересованы в воз-
можности по желанию устанавливать соединения между всеми их персональ-
ными электронными устройствами PED (personal electronic devices) в режиме ad
hoc (для данного случая — в пер. с латыни). Сеть такого типа получила название
самоконфигурируемой мобильной специальной сети (MANET) и начинает по-
являться на основе технологии беспроводной связи Bluetooth.
BluetoothTM представляет собой радиосвязь малого радиуса действия (10—
100 м), обеспечивающую возможность создания канала связи и обмена дан-
ными между двумя или более устройствами [15, 16]. Так как в BluetoothTM ис-
пользуется всенаправленная антенна для работы в промышленном, научном
и медицинском диапазоне ISM (industrial, scientifi c, and medical — нелицензи-
руемая полоса 2,4 ГГц), то она не способна обеспечить наведение на абонентов
и регулировать степень чистоты сигнала для снижения помех. Все это ограни-
чивает общую производительность системы, то есть пропускную способность
MANET-сетей. Кроме того, так как всенаправленная антенна излучает энер-
гию во всех направлениях, снижается время автономной работы персональных
электронных устройств. Следовательно, преимущества, предлагаемые адаптив-
ными антеннами, должны обеспечить улучшение общей производительности
MANET-сетей [17].
Существующие тенденции сосредоточены на пространственно-временной
обработке и кодировании цифрового сигнала, то есть перспективной техно-
логии, обещающей значительное увеличение производительности беспро-
водных сетей за счет использования многоэлементных антенн для передачи
и приема [18]. Пространственно-временная обработка может рассматриваться
в качестве эволюции традиционных методов обработки сигнала с помощью
антенных решеток и формирования диаграммы направленности. Импульсные
сигналы обрабатываются одновременно на многих датчиках с помощью при-
емников пространственно-временной обработки, таким образом, улучшающих
разрешающую способность, подавление помехи и качество услуги. Реализация
сложных методов пространственно-временной обработки сигнала в системах
с многоканальным входом и выходом (MIMO) должна обеспечить значительное
увеличение пропускной способности и передачи данных в мобильных системах
и беспроводных локальных сетях.
Данная книга организована следующим образом: в главе 2 дается обзор си-
стем беспроводной связи, что необходимо для последующего анализа смарт-
антенных систем. Затем следует глава, посвященная антенным решеткам и ме-
тодам разнесенного приема с описанием свойств антенн и их классификации
по характеристиками излучения. В главе 4 анализируются функциональные
принципы смарт-антенн, рассматриваются их различные конфигурации и вы-
деляются их преимущества и недостатки, связанные с коммерческим внедре-
нием. В главе 5 рассматриваются различные методы определения направления
приема сигнала. Чем точнее эта оценка, тем выше производительность адаптив-
ной антенной системы. Глава 6 посвящена методам формирования луча, с по-
мощью которых достигаются желаемые ДН адаптивных антенн. В следующей
главе представлены результаты программы изучения, посвященной интеграции
антенной конструкции, адаптивных алгоритмов и пропускной способности
сети. Глава 8 посвящена способам пространственно-временной обработки сиг-
нала. На основании анализа фундаментальных принципов и полученных экс-
периментальных данных демонстрируется громадное увеличение скорости пе-
редачи данных и пропускной способности, обеспечиваемое MIMO-системами.
В заключение в главе 9 дается краткий обзор существующих коммерческих ре-
шений на основе адаптивных антенных систем.
Данная книга представляет собой всеобъемлющую работу по смарт-
антенным системам, в которой содержится информация, собранная из различ-
ных источников. Авторы попытались дать в соответствующих главах данной
книги ссылки на источники, из которых был почерпнут основной материал,
послуживший отправной точкой их работы. В частности авторы подтвержда-
ют, что большая полезная информация была извлечена из многих источников
и особенно из работ [17, 19—29]. Нам также удалось связаться почти со всеми
основными авторами указанных по ссылкам работ, заручившись их самой
благожелательной реакцией. В сущности, некоторые из них быстро предоста-
вили иллюстрации и данные, приведенные в этой книге. Официальная при-
надлежность источников информации приведена в соответствующих позициях
(рис. и т. п.).
ГЛАВА 2
ОБЗОР МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ
В данной главе дается краткий обзор мобильной связи, принципов ее действия
и терминология, использующаяся в данной книге.
2.1. Общие описание
Все системы связи направлены на решение одной фундаментальной задачи:
передачу максимально возможного объема информации с минимальным ко-
личеством ошибок [19]. Современные системы цифровой беспроводной свя-
зи — не исключение. Как показано на рис. 2.1, эти системы обычно подразде-
ляются на несколько элементов. Блок формирования исходных данных (кодер
источника) обеспечивает устранение избыточности входных цифровых данных
и, таким образом, увеличение объема полезной информации, передаваемой си-
стемой связи [19].
Данные от генератора исходного сигнала обрабатываются канальным ко-
дером, который обеспечивает коррекцию ошибок для минимизации вероятно-
сти их появления при передаче. Далее для обеспечения одновременной связи
со многими пользовательскими терминалами данные с канального кодера об-
рабатываются цифровым сигнальным процессором DSP (Digital Signal Processing
— цифровой сигнальный процессор). В качестве примера можно привести
цифровое формирование диаграммы направленности (ДН), которое за счет ис-
пользования геометрических свойств антенной решетки способно обеспечить
уплотнение сигналов, поступающих от нескольких пользовательских терми-
налов. Затем, в связи с ограничениями системы связи по полосе частот, поток
данных обрабатывается модулятором, обеспечивающим преобразование низ-
кочастотного сигнала на входе в свою высокочастотную копию на выходе [19].
Сгенерированная на выходе модулятора последовательность данных подается
на антенную решетку для последующей передачи посредством беспроводного
канала связи.
На другом конце радиоканала процедура носит обратный характер. Сиг-
нал, поступающий на приемную антенну от разных пользовательских терми-
налов, преобразовывается демодулятором с понижением частоты до своего
низкочастотного эквивалента. Затем DSP осуществляет разделение сигналов,
поступающих от разных пользовательских терминалов. Канальный декодер
обеспечивает обнаружение и, по возможности, коррекцию ошибок, обуслов-
ленных прохождением сигнала по физическому каналу связи. Вслед за этим
декодер источника распаковывает фактическую последовательность данных.
Вся процедура направлена на восстановление информации с минимально воз-
можным количеством ошибок, отправляемой с другого конца физического ка-
нала связи.
2.2. Обзор сотовой связи
Эра беспроводной связи началась приблизительно в 1895 году с демонстрации
Гульельмо Маркони (англ. Guglielmo Marconi) возможности использования ра-
диоволн для осуществления дальней связи1. В настоящее время сотовая связь
представляет собой одно из самых востребованных и динамично развивающих-
ся телекоммуникационных направлений. Сегодня в процентном отношении
она занимает доминирующее положение в мире по количеству привлекаемых
абонентов. В начале этого десятилетия количество абонентов мобильной свя-
зи превысило аналогичный показатель для стационарной связи [30]. Во многих
частях мира уровень проникновения сотовой связи уже превысил 100%-й ру-
беж при все продолжающемся росте рынка. В настоящее время, согласно самым
1 Для российского читателя хочется отметить, что профессор А. С. Попов 7-го мая
1895 г. продемонстрировал прием радиоволн на заседании Физико-химического обще-
ства в С.-Петербурге. Этот день признан мировой общественностью как день, когда был
сделан существенный вклад в развитие беспроволочной телеграфии. А в заявке на аме-
риканский патент Г. Маркони писал: «Я знаком… со статьями профессора Попова, опу-
бликованными в журнале Русского физико-химического общества в 1895 и 1896 гг.».
Рис. 2.1. Элементы системы связи [19]
последним данным глобальной базы данных рынка сотовой связи WI (Wireless
Intelligence) [31], предоставляемым совместным предприятием, состоящим
из ассоциации GSM-операторов и компании Оvum, деятельность которых на-
правлена на анализ рынка и глобальной индустрии беспроводной связи, коли-
чество новых подключений в месяц составляет 40 миллионов, что свидетель-
ствует о самом быстром увеличении объема рынка за всю историю наблюдений.
В целом ожидается, что рынок вырастет с 41 % в конце 2006 до 47 % к концу 2007,
то есть речь идет о достижении сотовой связью рубежной отметки в 3 миллиар-
да подключений. Однако, согласно WI, количество подключений не равно ко-
личеству пользователей сотовой связи, так как на одного пользователя может
приходиться более одного номера, причем в эти цифры могут входить уже не ис-
пользуемые номера. В общем, в то время как насыщенный Западноевропейский
рынок сотовой связи находится в стадии стагнации [32], рост числа абонентов
имеет ярко выраженный характер, особенно в странах Азии и некоторых стра-
нах Северной и Южной Америки. Компания Micrologic Research [33] оценила го-
довые уровни продаж сотовых телефонов (а) и подключений (б) в период с 1998
по 2006 гг., которые представлены соответствующими графиками на рис. 2.2.
2.3.Эволюция систем мобильной телефонной связи
Суть сотовой связи состоит в использовании маломощных передатчиков с воз-
можностью многократного использования частот в заданной географической
области (зоне охвата). Однако впервые предоставление услуг коммерческой со-
товой связи было реализовано в 5 скандинавских странах с внедрением в 1981
году единого стандарта сотовой связи NMT (Nordic Mobile Telephone).
Использование систем сотовой связи как таковых началось в США с появ-
лением в 1981 году перспективной службы радиотелефонной связи с подвижны-
Рис. 2.2. (а) Annual worldwide cellular handset shipments and (б) worldwide number of
cellular subscribers [34]
ми объектами (AMPS). Стандарт AMPS был принят в странах Азии, Латинской
Америки и Океании, что привело к формированию потенциально самого боль-
шого рынка сотовой связи в мире [35].
В начале 1980-х системы мобильной телефонной связи были аналоговыми,
а не более новыми цифровыми, как в настоящее время. Неспособность ана-
логовых систем экономически эффективно справляться с растущим спросом
на пропускную способность оказалась главным тормозом их развития. Это спо-
собствовало переходу на цифровую технологию. Превосходство цифровых си-
стем над аналоговыми [системами] заключается в простоте передачи сигнала,
более низком уровне помех, объединении функций передачи и коммутации
и возможностях удовлетворения требованиям к пропускной способности [35].
Появившись в 1991 году, глобальная система связи с подвижными объекта-
ми (GSM) стала одним из ведущих стандартов цифровой сотовой связи. В на-
стоящее время это де-факто признанный стандарт в Европе, также широко ис-
пользуемый и в других частях мира.
Стандарт системы коллективного доступа с кодовым разделением каналов
(CDMA) появился в 1993 г. Изначально CDMA-стандарт относился к протоко-
лу обмена данными ITU IS-95, то есть ко второму поколению технологии бес-
проводной мобильной связи (2G), вставшей на коммерческие рельсы в 1995 г.
Она стала одной из самых быстро развивающихся технологий беспроводной
связи в мире.
В 1999 г. «Международный союз электросвязи» выбрал CDMA в качестве
промышленного стандарта для новых систем беспроводной связи третьего по-
коления (3G). Необходимость увеличения пропускной способности для пере-
дачи голосовых данных вкупе с возможностями ускоренной передачи данных
[36] побудила многих ведущих операторов беспроводной связи заняться созда-
нием или модернизацией своих сетей до стандарта 3G CDMA. Для предостав-
ления востребованных пользователями услуг в новой версии CDMA, известной
как CDMA2000 или IS-2000, обеспечена реализация как радиоинтерфейса, так
и основной базовой сети [37]. Главное достоинство системы CDMA2000 состо-
ит в поддержке всех современных требований, предъявляемых к 3G по работе
с мультимедийными данными и прочими услугами, предоставляемыми по IP-
адресу. CDMA2000 — идеальное решение для операторов беспроводной связи,
желающих воспользоваться преимуществом динамики нового рынка мобиль-
ных устройств и Интернета [37].
Универсальная система мобильной связи UMTS (Universal Mobile Telecommunications
System) является преемником GSM-системы. Стандарт радио-
интерфейса многостанционного доступа с временным разделением каналов
TDMA сменился стандартом широкополосного многостанционного доступ
с кодовым разделением каналов W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Ac18
cess). Такой переход был продиктован необходимостью достижения скорости
передачи данных в 2 Мбит/с [38]. Кроме передачи голоса и данных, система
UMTS будет обеспечивать передачу видео- и аудиоданных на беспроводные
устройства по всему миру посредством стационарных, беспроводных и спут-
никовых систем. Система UMTS будет обслуживать большинство стран Ев-
ропы. В табл. 2.1 показана мировая история развития телефонных систем мо-
бильной связи
2.4. Структура
В системах беспроводной связи обычно реализуется одновременная двухсто-
ронняя связь между двумя точками [1]: базовой станцией (БС) и подвижной
станцией (ПС) / пользовательским терминалом (ПТ). Связь в направлении
от базовой станции (БС) к пользовательскому терминалу (ПТ) обычно назы-
вается нисходящей линией связи или прямым каналом. Соответственно связь
в направлении от ПТ к БС обычно называется восходящей линией связи или
обратным каналом. В прямом канале могут участвовать две системы: передаю-
щая антенная система БС и приемная антенна ПТ. Соответственно, могут быть
две системы и в обратном канале связи: передача данных от ПТ и прием на БС
[1]. Пример такой системы приведен на рис. 2.3.
Сотовая телефонная система обеспечивает беспроводное соединение любо-
го пользовательского терминала, находящегося в зоне ее покрытия, с коммути-
Таблица 2.1. Развитие систем мобильной телефонной связи [35]
Год Система мобильной связи
1981 NMT450 Единый стандарт сотовой связи для 5 североевропейских стран
1983 AMPS Усовершенствованная служба мобильной телефонной связи США
1985 TACS Система связи коллективного доступа
1986 NMT900 Единый стандарт сотовой связи для 5 североевропейских стран
1991 ADC Американская цифровая сотовая связь
1991 GSM Глобальная система мобильной связи
1992 DCS1800 Cтандарт цифровой узкополосной связи для диапазона 1800
1993 CDMA One
1994 PDC Персональная система цифровой сотовой связи (Япония)
1995 PCS1900 Персональная служба связи (Канада)
1996 PCS Персональная служба связи (США)
2000 CDMA2000 Коллективный доступ с кодовым разделением каналов
2005 UMTS Универсальная система мобильной связи стандарт для сотовой
связи третьего поколения
2.4. Структура 19
руемой телефонной сетью общего пользования (PSTN — Public Switched Telephone
Network) [39]. Она [сотовая телефонная система] включает:
• Подвижные станции,
• Базовые станции,
• Центр коммутации подвижной связи MSC (Mobile Switching Center).
N
Рис. 2.3. Общая схема широкополосной радиосети беспроводной связи [1]
Рис. 2.4. Типичная схема базовой подвижной системы [40]
Базовая станция является мостом между подвижными пользовательскими
терминалами и центром коммутации подвижной связи посредством обычных
телефонных и радиорелейных линий [39]. Центр коммутации подвижной свя-
зи PSTN обеспечивает подключение всей сотовой системы к телефонной сети
общего назначения. На рис. 2.4 представлена упрощенная схема работы сотовой
телефонной системы связи.
2.5. Радиосистемы сотовой связи:концепции и эволюция
В связи с увеличением количества служб и абонентов вопрос поддержания не-
обходимой пропускной способности всегда стоит остро. Для выхода на уровень
пропускной необходимости с учетом растущего числа абонентов сотовым ра-
диосистемам потребовались годы. Обоснование необходимости использования
адаптивных антенн в структуре сотовой системы дается в историческом кон-
тексте эволюции сотовых радиосистем. С более подробными деталями можно
ознакомиться в работах [13, 40, 41].
2.5.1. Всенаправленные системы и многократное
использование канала
С самого начала разработчики были осведомлены, что проблема в пропуск-
ной способности, особенно в контексте ограничения Федеральной комиссией
по связи (FCC)1 количества каналов или частот. Следовательно, для предостав-
ления услуги огромному количеству абонентов и достижения требуемой про-
пускной способности была необходима разработка сотовой структуры. Суть
концепции заключается в том, чтобы увеличение пропускной способности мог-
ло происходить только за счет одновременного прохождения в каждом канале
связи нескольких сеансов связи [40]. Один из способов реализации данной кон-
цепции состоит в многократном использовании одного и того же канала связи.
Во избежание взаимных помех мобильные телефоны, использующие один и тот
же радиоканал, должны находиться на достаточном расстоянии друг от друга.
Сотовая структуризация представляет собой разбиение обширного географи-
ческого пространства на зоны обслуживания меньшего размера, называемые
сотами, на каждую из которых выделяется часть доступной полосы пропуска-
ния (многократное использование частоты), что, соответственно, делает воз-
можным беспроводное подключение большего количества пользовательских
терминалов несмотря на ограниченный спектр частот [42]. Соты, как правило,
характеризуются разными размерами и сложными формами. Их форма обуслов-
1 FCC — Федеральной комиссией по связи США.
2.5. Радиосистемы сотовой связи: концепции и эволюция 21
лена главным образом особенностями местности и рукотворных сооружений.
В зависимости от своего размера соты могут быть классифицированы на макро-
(для случая, когда базовая станция имеет достаточную мощность передачи для
охвата зон радиусом от 1 до 20 км ), микро- (радиус зоны охвата от 0,1 до 1 км)
и пикосоты (в помещениях) [42]. Между двумя сотами, которые используют
идентичные каналы, должно быть минимальное расстояние, называемое рас-
стоянием многократного использования частотного канала (защитным интерва-
лом). Это также известно как многократное использование канала посредством
пространственного разделения [43]. Пропускная способность системы зависит
от этого расстояния. Пример подобной структуры показан на рис. 2.5.
Каждый шестиугольник разного оттенка на рис. 2.5 представляет неболь-
шую географическую зону, называемую сотой, имеющую максимальный ра-
диус R [44]. В центре каждой соты находится базовая станция, оборудованная
всенаправленной антенной с заданной полосой частот. Базовым станциям
смежных сот присваиваются полосы частот, совершенно отличные от частот
в соседних сотах. Ограничивая зону охвата границами соты, один и тот же ча-
стотный диапазон может использоваться для охвата разных сот, разделенных
между собой достаточно большими расстояниями (D на рис. 2.5) для удержания
уровня взаимных помех ниже пороговых уровней других сот. Выбор и присвое-
ние разным ячейкам базовых станций одной системы сотовой связи одинаковых
частотных диапазонов называется многократным использованием частоты или
канала [41]. Это показано на рис. 2.5 повторяющейся чередой заштрихованных
кластеров [13]; соты одного цветового тона имеют одинаковую полосу частот.
В первых установленных системах сотовой радиосвязи каждая базовая станция
оснащалась всенаправленной антенной [4]. До пользовательского термина-
ла доходил очень незначительный процент от общей энергии; остальная часть
уходила в потери, и это приводило к электромагнитному загрязнению среды.
Рост числа абонентов сопровождался усилением помех и, соответственно, сни-
жением пропускной способности. Быстрое решение этой проблемы заключа-
лось в разделении соты на соты меньшего размера; такая методика называется
секционированием соты [44].
2.5.2. Секционирование сот
Как показано на рис. 2.6, секционирование соты [44] представляет собой раз-
биение на микросоты еще меньшего размера, причем каждая со своей базовой
станцией с соответствующим уменьшением высоты антенны и мощности пе-
редатчика. Секционирование соты улучшает пропускную способность за счет
уменьшения радиуса соты с сохранением величины отношения D/R; D — рас-
стояние между центрами кластеров. Недостатки метода секционирования сот
обусловлены издержками на установление новых базовых станций, увеличени-
ем количества переадресаций (handoff s — процесс передачи связи от одной базо-
вой станции другой при перемещении пользовательского терминала от одной
соты к другой) и большей нагрузкой на абонентское оборудование.
2.5.3. Секционированные системы
По мере еще большего увеличения спроса на беспроводную связь количество
частот на соту становится недостаточным для обеспечения сервиса необходи-
мому числу абонентов. Таким образом, для обеспечения большего количества
частот на зону обслуживания потребовалась новая методика проектирования
сотовых систем. В секционированных системах традиционная зона обслужива-
ния разбивается на сектора, покрытие которых обеспечивается с помощью на-
правленных антенн одной и той же базовой станции, как показано на рис. 2.7.
Такой способ, получивший название секционирования соты [41], заключает-
ся в замене единственной всенаправленной антенны базовой станции несколь-
кими направленными антеннами. С эксплуатационной точки зрения каждый
сектор рассматривается системой в качестве отдельной соты, расстояние до ко-
торой в большинстве случаев по сравнению
с использованием всенаправленной антенны
может быть приблизительно на 35 % больше,
так как передаваемая мощность фокусируется
на участке меньшей площади [20].
Секционированные соты могут увеличить
спектральную эффективность канала за счет
снижения помех, создаваемых в сети базовой
станцией и пользовательскими терминалами, в связи с чем они нашли широкое
применение. В настоящее время в большинстве систем коммерческого назна-
чения используется 3 сектора, каждый из которых имеет покрытие в 120 граду-
сов. Для большинства узлов сотовой связи, несмотря на возможность получе-
ния большего количества секторов, установка дополнительного оборудования
и антенн оказывается неоправданно дорогой [45]. На рис. 2.8 показана сотовая
система с секторами покрытия в 120°.
При неизменном значении радиуса соты секционирование обеспечивает
улучшение пропускной способности и уменьшение значения коэффициен-
та D/R. Другими словами, улучшение пропускной способности достигается
за счет уменьшения количества сот и, следовательно, увеличения многократ-
ного использования частоты. Однако, для реализации этого необходимо сни-
зить относительные помехи без уменьшения мощности передачи. Как показано
на рис. 2.9, в такой сотовой системе происходит уменьшение межканальных по-
мех, так как она обусловлена наличием двух соседних сот, а не шести, как в слу-
чае со всенаправленной антенной [44, 46]. Увеличение числа секторов в CDMA-
системе оказалось полезным для увеличения пропускной способности узлов
сотовой связи [47]. Теоретически увеличение пропускной способности пропор-
ционально количеству секторов на соту [48]. За улучшение коэффициента «сиг-
нал/помеха» (S/I) и пропускной способности приходится платить увеличением
числа антенн базовой станции и уменьшением эффективности транкинговой
эффективности линии [13, 46], обусловленных секторизацией канала базовой
станции. Транкинговая эффективность линии является мерой того количества
пользовательских терминалов, которое может быть обслужено посредством за-
данной конфигурации фиксированного набора частот.