Ограничения радиосвязи

Использование радиосвязи началось с момента, когда в 1887 году Герц экспериментально доказал взаимосвязь между светом и электричеством, после того как в 1864 году Максвелл вывел основные уравнения электромагнитных полей. Затем в 1896 году Маркони использовал радиоволны для связи и изобрёл радиотелеграфию.

Основные принципы радиосвязи базируются на использовании радиоволн в качестве передающей среды. Как явление природы, радиоволны относятся к электромагнитным полям. В определенных условиях изменяющиеся во времени электромагнитные поля создают волны, которые излучаются от источника в окружающую среду. Этим источником может быть, например, передатчик базовой станции или мобильный телефон. Свойства радиоволн зависят от источника и в значительной степени зависят от среды, в которой они распространяются. Соответственно, вся система радиосвязи зависит от параметров окружающей среды и её свойств, например наличия гор, возвышенностей, огромных отражателей в виде зданий, состояния атмосферы и т. д.

Любая система радиосвязи состоит, по крайней мере, из двух элементов: передатчика и приемника. Как и в системе мобильной связи, эти два элемента могут быть объединены в одном устройстве (приемопередатчик), что даст ему возможность работать как передатчиком, так и приемником. Примерами таких устройств служат и базовая станция, и телефонная трубка любой современной системы мобильной связи общего пользования. На рис. 3.2 показана простейшая система радиосвязи, состоящая из одной базовой станции и одной мобильной станции. Предположим, что в определенный момент времени и при определенных условиях передающей среды базовая станция действует как передатчик. Радиосигнал распространяется от базовой к мобильной станции со скоростью света, и напряженность принятого телефонной  трубкой сигнала зависит в основном от расстояния до базовой станции, длины волны и состояния среды передачи.

Параметрами передающей среды, оказывающими влияние на распространение радиоволны, могут быть любые искусственные или естественные препятствия, например высотные строения, рельеф местности, погодные условия и т.д. Если они находятся между передатчиком и приемником, то влияют на длину пути, фазу и время распространения сигнала. Кроме того, параметры системы (например, высота антенны и направление излучения), в свою очередь, оказывают собственное влияние на длину пути, напряженность и затухание сигнала. Поэтому природа радиосвязи сама по себе вносит ряд ограничений.

Основные элементы системы радиосвязиЛюбая система радиосвязи сталкивается со следующими главными проблемами:

• явлением многолучевого распространения;

• явлением замирания;

• дефицитом радиоресурса.

Многие считают, что многолучевое распространение представляет преимущество радиосвязи, поскольку позволяет радиоприемнику слышать базовую станцию даже при отсутствии прямой видимости. Но, в то же время многолучевое распространение усложняет систему, задавая определенные требования и накладывая ограничения на структуру приемника и передатчика. Чтобы понять характер системы радиосвязи, необходимо хорошо понимать характеристики, описанные выше.

Факторы, влияющие на распространение радиосигнала, чрезвычайно динамичны, непредсказуемы и разнообразны. Несмотря на это, чтобы смоделировать явление распространения, необходимо отсортировать и смоделировать эти факторы таким образом, чтобы их можно было преодолеть. Как показано на рис. 3.3, на своем пути от передатчика к приемнику радиоволна рассеивается, отражается и испытывает дифракцию кроме тех компонентов, которые распространяются непосредственно по линии прямой видимости.

Условия распространения: отражение, рассеяние и дифракцияЭти явления создают условия многолучевого распространения, вызывающего флуктуации амплитуды, фазы и угла поступления сигнала, которые проявляются в виде замираний многолучевого распространения. Отражение возникает в результате столкновения электромагнитной волны с препятствием, размеры которого намного превышают длину волны радиосигнала. В результате этого волна, которая могла быть получена приемником, например мобильной или базовой станцией, отражается. В свою очередь, дифракция, которая называется также «затушевыванием граней», проявляется при столкновении радиоволны с препятствием, размеры которого примерно равны или меньше длины волны радиосигнала. Все это вместе объясняет, как радиоволны могут проходить в радиосети даже при отсутствии прямой видимости.

Каждое из упомянутых выше свойств распространения или их комбинации случайным образом влияют на мощность принимаемого приемником сигнала. Кроме того, иерархическая структура сети, мобильность абонентов, внутренние и внешние зоны покрытия ставят некоторые специфические задачи в отношении среды распространения сигналов и усложняют разрешение проблем.

Каким образом, однако, можно с нужной точностью предсказать влияние всех этих явлений на радиосигнал? Существуют способы смягчения влияния параметров распространения на устойчивость радиоканала: энергетический баланс канала и временная дисперсия. Основная идея энергетического баланса (или «бюджета») линии заключается в определении ожидаемого уровня сигнала на заданном расстоянии от передатчика, например базовой или мобильной станции. Моделируя условия энергетического баланса линии, можно определить основные параметры радиосети, такие как требуемая мощность передатчика, зона покрытия и срок службы батарей, Вычисление энергетического баланса линии можно выполнить с помощью оценки потерь трассы сигнала. Кроме того, оценка потерь может быть выполнена по модели свободного пространства. В идеальной модели свободного пространства напряженность сигнала между базовой и мобильной станциями изменяется по закону квадрата обратной пропорциональности.

Из-за различий в условиях окружающей среды в мобильной сети связи почти невозможно заранее определить все параметры, влияющие на процесс моделирования и проектирование системы. Поэтому были разработаны некоторые общие модели, такие как модель Окумуры-Гата, которая в некоторой степени отображает наиболее типичные случаи. Однако для учета влияния замираний в радиоканале только энергетического баланса линии недостаточно. Вместо этого следует учитывать эффект многолучевого распространения в терминах временной дисперсии. Это может быть выполнено с помощью оценки колебаний задержки времени распространения сигналов относительно сигналов, которые уже достигли приемника.

Типичный процесс замирания показан на рис. 3.4. Как видно, любой процесс замирания имеет два различных участка. Спад кривой говорит о снижении интенсивности сигнала, а подъем кривой представляет нежелательную интерференцию. Поэтому комбинация этих простых кривых может использоваться для аппроксимации огибающей процесса замирания и, соответственно, следует определить действия в отношении к процессу замираний, чтобы компенсировать колебания сигнала относительно нужного среднего значения.
Типичный сигнал с замираниями при 1-,2- и 4-лучевом распространении
Рис. 3.5 иллюстрирует основные виды замираний, которые в том или ином виде могут появиться в любой радиосети. Основные классы замираний в радиоканале представляют глубокие и неглубокие замирания. Глубокие замирания — это затухание средней мощности сигнала или потеря трассы вследствие передвижения устройства по зонам между базовой и мобильной станцией. Неглубокие замирания проявляются в результате быстрых изменений амплитуды и фазы сигнала между базовой и мобильной станциями. Неглубокие замирания называют ещё рэлеевскими замираниями или райсовскими замираниями в зависимости от характеристики отражённых трасс (линий непрямой или прямой видимости). Неглубокие замирания могут быть далее разделены на частотно-избирательные замирания, плавные замирания, быстрые и медленные замирания. Радиоканал нужно моделировать по типу замираний в нем.

Обычно радиоканал мобильной связи подвержен замираниям, которые вне линии прямой видимости с большой вероятностью содержат составляющую рэлеевского замирания, что усложняет работу канала. В результате сигнал поступает на мобильную станцию из многих направлений с разными задержками. Это приводит к значительным разностям фаз между сигналами, поступившими по разным каналам. Кроме того, замирание в радиоканале в значительной степени зависит от физического расположения и скорости передвижения мобильной станции. Даже незначительное изменение положения или передвижение мобильной станции может привести к различным фазам для каждого сигнала. Таким образом, передвижение мобильной станции по радиосети может привести к быстрым замираниям, действие которых на радиосигналы может быть крайне разрушительным, и вынуждает предъявлять жёсткие требования к задачам планирования и оптимизации радиосети.

Классификация замираний в радиоканалеПредположим, что радиосигнал передаётся в направлении от базовой к мобильной станции с постоянной мощностью передачи. Тогда замирание напряжённости сигнала, передаваемого от базовой станции, может рассматриваться на приемнике мобильной станции как функция, обратная расстоянию, т. е. по мере увеличения расстояния между мобильной и базовой станциями напряженность сигнала, принятого на мобильной станции, уменьшается. Предположим также, что ширина полосы частот при передаче от мобильной станции к базовой и от базовой к мобильной остается неизменной. Средние потери в канале, которые распределены по логарифмически нормальному закону, одинаковы для обоих направлений. Если для восходящего и нисходящего направлений передачи используются каналы с разной шириной полосы частот, то обычно рэлеевские замирания для каждого направления независимы. Это означает, что если в восходящем канале наблюдаются замирания, то необязательно в это же время происходит замирание в нисходящем канале, и наоборот.

В каждой системе радиосвязи кроме проблем, связанных с замираниями и многолучевым распространением, существует и большая проблема взаимных влияний или помех. Основными причинами взаимных помех являются одновременные подключения к базовой станции, и если они используют общую полосу частот, то проблема усугубляется. Это создаёт наиболее сильный источник взаимных помех в радиосистемах многостанционного доступа. Минимизация нежелательных воздействий замираний и взаимных помех, а также оптимизация использования дефицитных радиоресурсов в значительной степени зависят от существующего планирования сети, применяющихся методов радиодоступа и алгоритмов, используемых для управления радиоресурсами, принципами сотовой связи, методами модуляции, современными антеннами и т. д. Поэтому, прежде чем давать более подробное описание аспектов взаимных влияний в радиосистемах, мы перейдём к описанию принципов сотовой системы как фундаментального решения, смягчающего эффект снижения пропускной способности радиосистем из-за потерь в радиотракте, замираний и взаимных влияний.

 

Поиск по сайту

Регистрация / Вход

Голосование

Какому вендору 3G оборудования Вы больше доверяете

Все права защищены.
По всем вопросам обращаться по e-mail: poshtax@yandex.ru