Глава 2 - Концепція безпровідного зв'язку

Частотна концепція

У таблиці 1 зведені частотні дані для різних систем GSM. Таблиця 1 - частотні дані на різні GSM системи

Частота

Мобільна станція зв'язується з базовими станціями за допомогою передачі і прийому радіохвиль, які є переносниками електромагнітної енергії. Частота - це кількість коливань в секунду. Частота вимірюється в Гц. 1 Гц - одне коливання в секунду. Радіохвилі використовуються всюди:

• Телебачення
• Медицина
• Військова промисловість
• Космос і т.д.

Кожен оператор мобільного зв'язку має дозвіл на певну кількість частот в певному територіальному районі. Дозвіл на частоти видається ГКРЧ (Державним комітетом з радіочастот). В Америці, наприклад, частоти купуються на аукціонах.

На рис. 2.1 наведено розподіл частотних діапазонів, використовуваних для мобільного зв'язку.

Довжина хвилі

Існує кілька типів електромагнітних хвиль. Ці електромагнітні хвилі можуть бути описані синусоїдальною функцією, яка характеризується довгої хвилі. Довжина хвилі Л(лямда) - це довжина одного коливання. Л(лямда) вимірюється в метрах. Частота коливань і довжина хвилі співвідносяться між собою через швидкість поширення світла у вакуумі (3*10^8 м/сек). Довжина хвилі може бути визначена за формулою 2.1.

Таким чином, для діапазону GSM 900 довжина хвилі дорівнює:

З формули 2.1 видно, що чим більше частота, тим менше довжина хвилі. Більш низькі частоти, з великою довжиною хвилі краще розповсюджуються на великі відстані, ніж хвилі з великою частотою. Це пов'язано з тим , що такі хвилі можуть поширюватися, огинаючи поверхню землі за рахунок тропосферного розповсюдження. Телевізійне та FM мовлення є представниками низьких частот. Високі частоти, з маленькою довгої хвилі краще розповсюджуються на короткі відстані. Це пов'язано з великою чутливістю до різного роду перешкодам, що стоять на шляху поширення хвилі. Великі частоти застосовуються або на дистанціях прямої видимості, або в областях з малою зоною охоплення, де приймач розташовується відносно близько до базової станції.

Смуга пропускання

Термін ширина смуги пропускання введений для визначення діапазону частот, що використовується, наприклад, для передачі сигналів в напрямку uplink - від MS до BTS. Ширина смуги пропускання залежить від кількості доступних частот в частотному спектрі. Ширина смуги пропускання є одним з визначальних параметрів, від якого залежить ємність мобільної системи, тобто та кількість з'єднань, які можуть бути встановлені одночасно.

Канали

Ще одним параметром, що визначає ємність системи, є канал. Канал - це частота, або набір частот, які можуть бути використані для передачі мови / даних. Канали зв'язку можуть побут різного типу. У таблиці 2 наводяться дані по існуючих типів каналів.

Симплексний канал, наприклад такий, як музичний радіоканал FM, використовує одну частоту тільки в одному напрямку. Дуплексний канал, наприклад такий, як у мобільних системах, використовує дві частоти: одна використовується для встановлення з'єднання у напрямку до мобільної станції, інша - у напрямку до базової станції. Передача радіосигналу у напрямку до базової станції називається uplink, а передача у напрямку до мобільної станції - downlink.

На рис. 2.2 схематично представлені напрямки передачі радіосигналів.

Дуплексний рознос

Для передачі сигналів у двох напрямках (uplink, downlink), необхідний дуплексний рознос даних діапазонів. Відстань між напрямками передачі сигналів називається дуплексним розносом частот. Без дуплексного розносу частот передаються в обох напрямках сигнали інтерферувати б між собою. На рис. 2.3, схематично представлений дуплексний рознос частот в системі GSM 900.

Канальний поділ

Додатково до дуплексному розносу частот, кожна мобільна система включає ще й канальне поділ. Канальне поділ - це відстань між каналами в частотному діапазоні, що використовується для передачі сигналів тільки в одному напрямку.

Канальне поділ потрібно для уникнення накладення інформації зраджуй на сусідніх каналах. Міжканальний відстань між двома каналами залежить від кількості переданої інформації всередині каналу. Чим більше кількість переданої інформації, тим ширше має бути міжканальний поділ. На рис. 2.4 наведено приклад канального поділу.

З рис. 2.4 видно, що несучі частоти 895.4 і 895.6 МГц модулюються і утворюють певний частотний спектр. Щоб уникнути накладення частотних спектрів цих несучих вводиться міжканальний відстань в 200 кГц. Більш вузький міжканальний інтервал може призвести до перехресним спотворень або призведе до зашумленности каналів.

Ємність системи і повторне використання частот

Кількість використовуваних в соте частот визначає ємність стільники. Кожен оператор має ліцензію на певну кількість частот, які можуть бути використані в певних районах. Дані частоти, згідно частотному планом і дозволами Госсвязнадзора, використовуються в сотах мережі оператора. У соті може використовуватися одна або кілька частот залежно від інтенсивності трафіку і доступних згідно частотному плану частот.

Дуже важливо, щоб частотний план виключав можливості виникнення інтерференції, яка може бути викликана кількома чинниками.

Основний фактор, що впливає на рівень інтерференції - близьке розташування повітряних частот. Зростання інтерференції призводить до зниження якості обслуговування абонентів.

Наприклад, для охоплення всієї Росії мережею стільникового зв'язку з достатньою ємністю необхідно багаторазове використання частот в різних географічних місцевостях. Причому частоти не повинні повторюватися в довколишніх сотах щоб уникнути виникнення інтерференції.

Для повторення частот необхідно використовувати існуючі моделі повторного використання частот. На рис. 2.5 представлена ​​спрощена модель застосування повторного використання частот. З рис. 2.5 видно, що повторне використання частот має бути застосована в сотах, що знаходяться на досить великій відстані один від одного. У зв'язку з ці вводиться поняття «відстань» повторного використання частот, яке ідентифікує модель повторення частот.

Швидкість передачі

Кількість інформації, переданої через радіоканал за певний період часу, називається швидкістю передачі. Швидкість передачі виражається в таких одиницях, як біт/сек. Швидкість передачі мови/даних, радіосервіс в системі GSM складає 270 Кбіт/сек.

Модуляція

Як відомо, в системі GSM використовуються частоти діапазону 900 МГц. Дані частоти не є тими частотами, на яких генерується інформація, тому для передачі інформації використовують модуляцію несучої низькочастотним сигналом (таким, наприклад, як мовний сигнал), транслюючи даний сигнал в область високих частот, на яких здійснюється передача через ефір.

Як відомо модуляція буває:

• Амплітудна.
• Частотна
• Фазова

Назва типу модуляції залежить від того, як модулюється вхідний сигнал: по амплітуді, частоті або фазі. У цифрових системах модуляцію називають маніпуляцією. Будь-який тип модуляції призводить до збільшення використовуваного частотного спектра, що в свою чергу обмежує ємність доступного частотного діапазону.

Основне правило модуляційної техніки: 1 біт/сек. може бути переданий всередині смуги частот в 1 Гц. Використовуючи даний метод можна передати інформацію, що має швидкість 200 Кбіт/сек, в смузі частот 200 кГц. Однак існують сучасні методи модуляції, що дозволяють передавати більше 1 біт/сек всередині 1 Гц. Один з таких методів модуляції використовується в системі GSM і носить назву Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK) - Гаусовим маніпуляція з мінімальним фазовим зрушенням, яка дозволяє організувати канал передачі зі швидкістю 270 Кбіт/сек всередині смуги 200 кГц.

Канальна ємність в системі GSM не може порівнюватися з канальної ємністю мобільних систем інших стандартів, які зраджують більшу кількість біт/сек. через канал. У зв'язку з цим ємність таких систем вище.

Однак завдяки використанню в системі GSM модуляції GMSK на значення інтерференції встановлюється більший допуск. Останнє обумовлює більш ефективне застосування методу повторного використання частот, що відповідає можливості збільшення ємності системи в порівнянні з іншими стандартами мобільних систем (наприклад NMT - 450).

Аналогова і цифрова передача

Інформація аналогового виду

Аналогова інформація - це безупинно мінливі в часі значення. Прикладом аналогової інформації є час.

Аналогові сигнали

Аналоговий сигнал - це безперервна форма сигналу, яка змінюється відповідно з властивостями переданої інформації.

Цифрова інформація

Цифрова інформація - набір дискретних значень. Час також може бути представлено в цифровому вигляді. Однак цифрове час може бути представлено годинами, у яких стрілка перестрибує від однієї хвилини до іншої, не зупиняючись на секундах.

Цифрові сигнали

Цифровий сигнал - це набір дискретів певної форми

Переваги використання цифрового сигналу

Людська мова - аналоговий сигнал. У промові змінюється як частота (верхні і нижні тону), так і амплітуда (шепіт і крик).

На перший погляд кращим способом передачі аналогової інформації (мови) є використання аналогових сигналів. Аналогова інформація - це безперервна інформація і, якщо вона буде представлена ​​в цифровому вигляді, то частина інформації буде помилкова (секунда в цифрових годинах).

Усі сигнали, як аналогові, так і цифрові, спотворюються при передачі на великі відстані. Для аналогових сигналів єдиним рішенням таких проблем є збільшення амплітуди сигналу. Однак при такому рішенні збільшується і амплітуда спотворень. При передачі цифрових сигналів може застосовуватися метод відновлення, який дозволяє відтворити сигнал без спотворень.

Існують проблеми, пов'язані з точністю перетворення аналогового сигналу в цифрові сигнали. Останнє пов'язано з методами існуючих моделей перетворення сигналів. Однак розроблені моделі, які з достатньою ступінь точності проводять такі перетворення.

В цілому, якщо моделі досить точні, то цифрові сигнали забезпечують кращу якість для передачі аналогової інформації, ніж аналогові сигнали.

Проблеми, що виникають при передачі радіосигналів

Існує багато проблем, що виникають при передачі радіосигналів. Нижче перераховуються деякі з відомих проблем.

Втрати на шляху поширення радіосигналів (Path loss)

Path Loss (PL) - це втрати, що виникають тоді, коли приймається сигнал стає все слабкішим і слабкіше через збільшення відстані між MS і BТS. Проблема PL рідко веде до розриву з'єднання (dropped calls), тому що як тільки проблема стає екстремальної, з'єднання перемикається на іншу BТS і PL стає, відповідно, менше.

Затінення (Shadowing)

Затінення трапляються тоді, коли на шляху поширення радіосигналу між MS і BТS виникають фізичні перешкоди, наприклад, пагорби, будівлі, дерева і т.д. Перешкоди створюють ефект затінення, який зменшує рівень сигналу (signal strength). Рівень сигналу в процесі руху MS флуктуірує залежно від виникаючих перешкод на шляху між MS і BТS.

Діючі на сигнал завмирання змінюють рівень сигналу. Зниження рівня сигналу називається глибиною завмирання (fading dips). На рис. 2.9 показані перешкоди, що виникають на шляху поширення сигналу між MS і BТS.

Багатопроменеві завмирання (Multipath fading)

Багатопроменеві завмирання виникають тоді, коли існує більш ніж один шлях поширення радіохвилі між MS і BТS і, у зв'язку з цим, до приймача приходить більш ніж один сигнал. Останнє пов'язано з багаторазовим відображенням радіосигналу від таких перешкод, як гори, будівлі, розташовані або близько, або далеко від приймачів.

Релеєвське завмирання сигналів (Rayleigh fading)

Релеєвському завмирання виникають тоді, коли сигнал досягає приймача за декількох шляхах від базової станції. У цьому випадку сигнал не береться по лінії прямої видимості прямо від передавальної антени, а приходить з різних напрямків, відбиваючись від будівель. Релеєвському завмирання сильно виражені тоді, коли перешкоди розташовуються близько до приймальні антени. Результуючий прийнятий сигнал являє собою суму сигналів, що прийшли з різною амплітудою і фазою. Глибина завмирань і їх періодичність залежать від швидкості руху MS і робочої частоти. Відстань між завмираннями приблизно складає половину довжини хвилі коливання. Таким чином, в системі GSM 900 відстань між двома завмираннями становить 17 см.

Тимчасова дисперсія (Time Dispersion)

Тимчасова дисперсія є додатковою проблемою, пов'язаною з багатопроменевим характером поширення радіохвиль між MS і BТS.

Проте в даному випадку в порівнянні з релеєвському завмираннями, відбитий сигнал приходить до прийомної антени, відбиваючись від досить віддалених об'єктів, таких як гори, пагорби. Тимчасова інтерференція викликає міжсимвольні інтерференцію (Inter - Symbol Interference - ISI), де послідовні символи (біти) інтерферують один з одним, що ускладнює приймачу правильно визначати символи.

Прикладом може служити малюнок 2.11, де представлена ​​передача послідовності 1, 0 від BTS.

Якщо відбитий сигнал приходить після проходження одного біта прямого сигналу, то приймач виявляє «1» від відбитої хвилі і в той же самий час «0» від прямої радіохвилі. Тому символ «1» інтерферує з символом «0» і MS не знає, який із цих символів є правильним.

Тимчасове накладення (Time Alignment)

Кожна MS під час обслуговування виклику займає один TS всередині кадру TDMA. Іншими словами, мобільна станція займає певний часовий інтервал, протягом якого MS передає інформацію на BТS. Проблема тимчасового накладення проявляється тоді, коли частина інформації, передана MS, не спадає на займаному TS.

Замість цього не прийшла частина інформації прийде в наступному TS, отже, може інтерферувати з інформацією, переданої іншій MS, використовує інший TS (рис. 2.12).

Тимчасове накладення виникає за рахунок великої відстані між MS і BТS. Сигнал ж не може поширюватися на великі відстані всередині заданого значення тимчасової затримки.

Комбіновані втрати сигналу (Combined Signal Loss)

Всі проблеми, що виникають при поширенні сигналу, зокрема ті, які були описані вище, виникають і існують незалежно один від одного. Однак у процесі обслуговування деяких викликів ці проблеми можуть виникати одночасно. Таке накладення сигналів можна уявити залежністю зміни сигналу на вході приймача MS в процесі її руху.

На рис. 2.13 представлена ​​така залежність. На даному малюнку представлені сумарні втрати у вигляді PL, затінень, релеєвському завмиранню (комбіновані втрати сигналу). Рівень сигналу як глобальне середнє значення зменшується з відстанню (path loss), що призводить до розриву з'єднання. Навколо глобального середнього існують повільні варіації поля за рахунок затінення і швидкі варіації за рахунок релеєвському завмиранню.

У будь-якій іншій точці флуктуації сигналу будуть виглядати так, як показано на малюнку 2.14.

З малюнка видно, що чутливість телефону не повинна бути менше мінімального значення сигналу (на малюнку 2.14 це показано глибиною загасання). Наприклад , якщо необхідно прийняти сигнал з потужністю -100 dBm, то чутливість телефону повинна бути не менше (-104 dBm), а навіть більше, в іншому випадку інформація буде загублена. Щоб бути впевненим у тому, що інформація не буде втрачена, необхідно, щоб глобальне середнє значення напруженості поля було більше на таку величину dB, на яку в dB відхиляється щонайбільше завмирання. Такий запас на завмирання являє собою різницю між чутливістю і середнім значенням напруженості поля.