Тема 3. Оптическая беспроводная связь. Лазерные и инфракрасные системы БС

Рассматриваемые вопросы:

1.Оптические беспроводные системы.

2.Отличие беспроводной оптической и радиосвязи.

3.Компоненты и элементы оптической БС.

4.Организация связи с помощью оптической БС.

Основная литерНУра:

1.Гринфилд Дэвид. Оптические сети. The Essential Guide to Optical Networks. – М: БХВ – Петербург, 2002/

Дополнительная литерНУра:

1.Денисьева О.М., Мирошников Д.Г. Средства связи на «последней мили».-М.: Эко-Трендз, 1999., 136 стр.

2. Интернет ресурсы.

Системы беспроводной (инфракрасной, атмосферной) оптической связи предназначены для передачи данных, голоса и видео. Как и волоконно-оптические системы, они используют луч лазер для передачи сигнала между приемопередающими устройствами. Однако, в отличие от волоконной оптики, сигнал передается через открытую воздушную среду, а не по оптическому волокну. Для приема и передачи цифрового сигнала между беспроводными оптическими устройствами необходимо наличие прямой видимости, между ними не должно быть никаких помех. Беспроводные оптические системы используются для создания высокоскоростных и безопасных каналов связи, которые можно развернуть в течение очень малого промежутка времени.

В разных источниках встречается большое количество названий оборудования беспроводной передачи данных в инфракрасном диапазоне длин волн. За рубежом данный класс систем принято называть FSO – Free Space Optics, на постсоветском пространстве существует целый ряд обозначений систем беспроводной оптической связи. За основу следует принять аббревиНУру АОСП – Атмосферная Оптическая Система Передачи, как отраженную в сертификате системы «Связь» (ССС).

Применение лазерных средств снимает сложный вопрос по беспроводной радиосвязи. Это обусловлено тем, что, во-первых, частота излучения лазерных систем связи выходит за пределы диапазона, в котором необходимо согласование, во-вторых, отсутствием практических возможностей их обнаружения и идентификации как средств информационного обмена.

Инфракрасное излучение. Все инфракрасные беспроводные сети используют для передачи данных инфракрасные лучи. В подобных системах необходимо генерировать очень сильный сигнал, так как в противном случае значительное влияние будут оказывать другие источники, например, окна. Этот способ позволяет передавать сигналы с большой скоростью, поскольку инфракрасный свет имеет широкий диапазон частот. Инфракрасные сети способны нормально функционировать на скорости 10 Мбит/с.

Хотя скорость и удобство использования инфракрасных сетей очень привлекательны, возникают трудности при передаче сигналов на расстояние более 30 м. К тому же такие сети подвержены помехам со стороны сильных источников света, которые есть в большинстве организаций.

Лазер. Лазерная технология похожа на инфракрасную тем, что требует прямой видимости между передатчиком и приемником. Если по каким-либо причинам луч будет прерван, это прервет и обмен данными.

Типы устройств. Построение всех инфракрасных систем передачи практически одинаково: они состоят из интерфейсного модуля, модулятора излучателя, оптических систем передатчика и приемника, демодулятора приемника и интерфейсного блока приемника. В зависимости от типа используемых оптических излучателей различают лазерные и полупроводниковые инфракрасные диодные системы, имеющие разные скорости и дальность передачи. Первые обеспечивают дальность передачи до 15 км со скоростями до 155 Мбит/с (коммерческие системы) или до 10 Гбит/с (опытные системы). Главное преимущество полупроводниковых диодов заключается в высоком времени наработки на отказ. Кроме того, такие каналы менее чувствительны к резонансному поглощению в атмосфере. Недостатки полупроводниковых диодов и, соответственно преимущества лазерных, заключаются в том, что из-за широкой полосы излучения существуют теоретические сложности в передаче высокоскоростного сигнала. Передатчик должен передавать как можно более узкополосный сигнал с наименьшим количеством мод. Лазерные диоды как раз и обладают такими свойствами, но чем уже полоса сигнала, тем больше потенциальная вероятность того, что сигнал попадет в атмосфере в резонансную полосу поглощения какого-нибудь газа и качество сигнала снизится.

Возможные области применения беспроводных оптических систем: связь на участках, где между двумя точками в пределах прямой видимости имеются различные препятствия (водная преграда, железнодорожные пути, автострады, парки и т.п.); срочная организация резервного канала в случае аварий на основном канале связи, создание временных каналов; связь между двумя узлами внутри крупного комплекса; объединение сегментов высокоскоростных локальных сетей; передача трафика Интернета, IP-телефонии, видеоконференц-связи; видеонаблюдение.

В настоящее время возникла потребность в лазерной связи, так как стали стремительно развиваться информационные технологии. Резко увеличивается число абонентов, требующих предоставления таких телекоммуникационных услуг, как Интернет, IP-телефония, кабельное телевидение с большим числом каналов, компьютерные сети и т. д. Оптимальным решением является использование беспроводных линий передачи - как беспроводная оптическая связь.

Контрольные вопросы:

1. Каким образом передается сигнал в системе беспроводной оптической связи?

2. Перечислите преимущества беспроводной оптической связи.

3. Назовите недостатки беспроводной оптической связи.

4.Типы беспроводной оптической связи

5. Возможные области применения беспроводных оптических систем.

Тема 4. Технические концепции построения систем БС.

Рассматриваемые вопросы:

1.Концепция развития сотовой связи.

2. Организация линий связи между MS, BTS и между BTS

3.Определение радиуса зоны уверенного приема.

4. Модели радиосигналов с замираниями, обусловленными многолучевым распространением.

5. Методы анализа распространения радиоволн в городских условиях.

Основная литерНУра:

1.Карташевский В.Г. и др. Сети подвижной связи/ Карташевский В.Г., Семенов С.Н., Фирстова Т.В. – М:Экотрендз, 2001

2.Ратынский М.В. Основы сотовой связи/ Под ред. Д.Е.Зимина. – 2-е изд., пере­раб и доп. – М: Радио и связь, 2000

3.Попов В.И. Основы сотовой связи стандарта GSM.- М:Эко-Трендз, 2005

Дополнительная литерНУра:

3.Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи.- М.: Эко-Трендз, 1997., 272 стр.

2.Интернет ресурсы.

Мобильные и беспроводные технологии сегодня обеспечивают практически глобальное покрытие для передачи речи и данных с невысокой скоростью. На их основе развиваются новые виды технологий, услуг и приложений для мобильных и стационарных абонентов для общения людей между собой, для развития бизнеса, для взаимодействия с устройствами и машинами.

В дальнейшем известные сегодня системы мобильной и беспроводной связи будут ориентированы на создания пользовательских центров. Видение будущих систем базируется на интеграцию и объединении различных систем доступа для создания единой среды общения на основе сетей связи с коммутацией пакетов.

Главной тенденцией для пользователя становится получения услуг мультимедиа и различного контента «везде и в любое время» через различные устройства и системы доступа.

Концепция с точки зрения пользователя- главной тенденцией развития будущих систем является мобильность. Такая концепция предложена в 2001 г. в проекте IST WSI и далее развита –WWRF.

Концепция с точки зрения технического развития - это три принципа построения систем сотовой связи (классические принципы): повторное использование частот; непрерывность связи при перемещении мобильного абонента из соты в соту; определение местоположения мобильного абонента системой сотовой связи.

В период создание новых поколений систем сотовой связи столкнулось с физическими ограничениями при реализации радиоинтерфейсов и недостатками топологии сотовой связи.

Существующие физические ограничения в сотовой связи объективны и принципиально не устранимы, а также сужают рамки возможностей сотовой связи. Применение технологий OFDM и MIMO (WiMAX, LTE) частично снижает негативное влияние многолучевого распространения радиоволн, а недостатки топологии сотовой связи прежде всего затрагивают интересы операторов (а не поставщиков оборудования). Поэтому операторы заинтересованы в поиске новых способов построения систем сотовой связи.

UTI, 3GPP проводят работу по развитию сотовой связи, как например применения интеллектуальных антенн, адаптивных методов модуляции и др.

Как уже отмечалось выше, в зависимости от типа и назначения мобильной системы каналы связи могут быть симплексными (односторонними) и дуплексными (двухсторонними).

При использовании симплексных каналов радиосвязь организуется на одной рабочей частоте, на которую настраивается радиоприемник и радиопередатчик мобильной станции. Сообщения передаются попеременно то в одну, то в другую стороны.

Системы, использующие симплексные радиоканалы, как правило, являются локальными (автономными). Каналы симплексных систем не могут сопрягаться со стандартными каналами стационарных сетей общего использования (PSTN).

Наиболее часто симплексный принцип обмена сообщениями применяется в транкинговых системах радиосвязи диапазона декаметровых волн.

Дуплексные радиоканалы используются в мобильных системах радио-телефонной связи общего пользования (сотовой и спутниковой мобильных системах связи), а также в радиоудлинителях. Радиосвязь между радиостанциями организуется на двух рабочих частотах частоте передачи fпрд и приема fпр.

В качестве линии связи любого радиоканала используется естественная среда распространения радиоволн, т. е. пространство между передающими и приемными антеннами радиостанций. Поскольку местоположение мобильных терминалов в пространстве постоянно меняется, это приводит к неопределенности оценки направления радиосвязи и обуславливает преимущественное использование в мобильных терминалах малоэффективных антенн с круговой диаграммой направленности.

Для успешного функционирования и выполнения требуемых задач любая система связи подвижной службы вне зависимости от ее вида и назначения должна иметь возможность включения в другую систему в общей иерархии систем связи, использующих Единую Национальную Сеть Связи.

Это, в свою очередь, накладывает жесткие требования на условия со-пряжения систем, а, следовательно, и на каналы мобильной радиосвязи, так, например, должны выполняться следующие основные требования: количество каналов радиосвязи должно удовлетворять возможности массового обслуживания абонентов; каналы радиосвязи должны иметь полосы частот, обеспечивающие передачу стандартных сигналов; помехи и искажения в радиоканалах не должны ухудшать качество составных каналов при сопряжении различных систем связи; входные и выходные уровни радиосистемы должны обеспечивать стандартный интерфейс между каналами различных систем.

Выполнение указанных требований на практике встречает серьезные трудности, связанные с существенным отличием каналов подвижной радиосвязи от каналов стационарных систем и обусловленные особенностями линий радиосвязи и спецификой работы мобильных радиостанций, т. о., каналы подвижной радиосвязи представляют совокупность технических устройств (терминалов) и линий радиосвязи, обеспечивающих передачу и прием сообщений от источников к получателям посредством распространения электромагнитной энергии в пространстве.

Основу классической теории распространения радиоволн составляют три эффекта: отражение, рассеяние, дифракция. Все они в усредненном, вероятностном представлении учитываются в эмпирических коэффициентах расчетных формул.

Рельеф местности оказывает существенное влияние на потери напря-женности поля радиосигналов в месте приема. Поскольку антенны радиостанций находятся в непосредственной близости от земли, то на трассах радиосвязи неминуемо появляются крупномасштабные объекты, которые экранируют приемные антенны от передающих, затрудняя или полностью исключая условия прямой видимости. Чем больше пересеченность местности, тем большее влияние она оказывает на условия прямой видимости станций. Для уточненного расчета зон радиотени от больших протя­женных объектов используются известные из теории дифракции формулы зон Френеля. Ослабление поля сигнала при этом зависит не только от величины просвета трассы радиосвязи, но и от расстояний до экранирующего объекта.

Наличие поля за протяженными препятствиями в условиях города яв-ляется существенным фактором и не может игнорироваться. Реально на-пряженность поля за препятствиями, типичными для городской застройки (длинные и высокие здания, туннели, дворы внутри микрорайонов), вполне достаточна для нормального приема радиосигнала, и это должно учитываться при определении количества и местоположения базовых радиостанций.

Модель распространения радиоволн в мобильных системах радиосвязи, способ отображения реальных условий распространения в выбранной модели, предположения о структуре радиополя являются основными факторами, определяющими выбор типа модуляции, мощности передатчика, структуры приемника, расчета качества радиопокрытия.

Реальный расчет распределе­ния электромагнитного поля осуществляется на основе двух моделей: «большого расстояния» (large scale model); «малого расстояния» (little scale model).

Для приближенного аналитического расчета вероятностной дальности радиосвязи используются методики на основе рекомендаций МККР (Меж-дународного консультативного комитета по радиосвязи) и рекомендаций EUROCOST (Европейского объединения для научных и технических ис-следований).

Обе эти методики основаны на результатах статистической обработки большого количества экспериментальных данных, которые позволяют опре-делить параметры модели для типовых ситуаций (большой город, пригород, земная или водная подстилающая поверхность и т. д.).

Общепринятые методики расчета дальности радиосвязи ориентированы в основном на транкинговые сети связи. Эти сети характеризуются относительно большой дальностью радиосвязи (несколько десятков километров) и относительно большой высотой подъема передающих ан­тенн, расположенных на высотных домах, триангуляционных вышках и т. д.

Контрольные вопросы:

1. Какие пути предлагают для развития сотовой связи?

2. Какие проблемы существуют в сотовой связи?

3. Предлагаемые пути решения проблем в сотовой связи.

4. Способы организации связи между станцией и подвижным абонентом.

5. Какие факторы влияют на определение радиуса зоны уверенного приема?

6. Какие модели потерь радиосигналов существуют?

Тема 5. Методы разнесения сигналов. Улучшение характеристик помехоустойчивости.

Рассматриваемые вопросы:

1.Методы и цели разнесения сигналов.

2.Сравнение различных методов разнесения сигналов БС.

4.Применение методов разнесения сигналов в подвижной радиосвязи (на примере сотовой связи стандарта GSM).

5. Улучшение характеристик помехоустойчивости

Основная литерНУра:

1.Радиосвязь/ Под ред. О.В.Головина. – М: Горячая линия - Телеком, 2001.

2.Карташевский В.Г. и др. Сети подвижной связи/ Карташевский В.Г., Семенов С.Н., Фирстова Т.В. – М.: Экотрендз, 2001.

3.Ратынский М.В. Основы сотовой связи/ Под ред. Д.Е.Зимина. – 2-е изд., перераб и доп. – М: Радио и связь, 2000.

Дополнительная литерНУра:

1.Печаткин А.В. Системы мобильной связи (1часть).- Р.: РГАТА им. П.А. Соловьева, 2007.

2. Интернет ресурсы.

Разнесение - метод борьбы с замираниями (многолучевыми замира­ниями), основанный на организации нескольких каналов для приема сигналов с одной и той же информацией. Согласно теории, выигрыш от разнесенного приема достигается лишь в том случае, если сигнал, попадающий по несколь­ким независимым путям в точку приема, имеет примерно одинаковую среднюю мощность лучей (только тогда можно утверждать, что хотя бы один из прихо­дящих сигналов не будет подвержен глубоким замираниям).

Существует два основных класса методов борьбы с замираниями: явное и неявное разнесение.

При явном разнесении по каналу связи передается один или несколько избыточных сигналов, содержащих ту же полезную информацию, что и основ­ной луч. В настоящее время наиболее часто применяются три способа явного разнесения – пространственное, частотное и временное.

При неявном разнесении избыточные сигналы не используются. Их роль играют несколько независимых копий сигнала, которые образуются на входе приемника за счет эффекта декорреляции сигнала в многолучевом канале.

Методы разнесения. Пространственное разнесение стало самым первым методом борьбы с замираниями: оно было реализовано еще в 1927 г. и базировалось на использовании нескольких антенн. Чтобы обеспечить эффективный прием, например, на две антенны, достаточно разнести их на расстояние не менее 10 или 20 н» (н» – длина волны). Хотя в этом случае дополнительный частотный ресурс не требуется, необходимость применения дополнительных антенн значительно усложняет оборудование станции.

Существует несколько видов пространственного разнесения. На базовых станциях в основном реализуется пространственное разнесение в горизонтальной плоскости. Разнесение в вертикальной плоскости (угловое) применимо лишь в сетях микросотовой связи, где допускается достаточно большой разброс по углу приема сигналов.

Если задействуется другая разновидность пространственного разнесения – поляризационное, то сигналы передаются и принимаются с разными ортогональными поляризациями (вертикальной и горизонтальной). И хотя в таком случае дополнительная антенна не нужна, уровень мощности каждого канала становится примерно на 3 дБ меньшим, чем при использовании сигнала одной поляризации. (Здесь следует заметить, что при неявном поляризационном разнесении, когда излучаемый сигнал принимается с помощью одной кросс-поляризованной антенны, уровни мощности в разных каналах могут различаться на 10–12 дБ.)

В системах на базе стандартов 3-го поколения планируется использовать ряд оригинальных методов борьбы с замираниями. Так, для систем стандарта DS-CDMA предусмотрено применение пространственно-кодового разнесения (ортогонального разнесения на передаче, OTD), при котором через каждую из антенн базовой станции излучается своя ортогональная кодовая последовательность. В проекте UTRA (ETSI) предложен другой способ: передаваемый сигнал сжимается во времени и излучается поочередно через две антенны (например, через одну «проходят» только четные пакеты, а через другую – нечетные), причем мощность передатчика «делится» между ними поровну.

Метод частотного разнесения основан на излучении одного и того же сигнала на разных частотах. Выигрыш достигается только в том случае, если интервал между несущими частотами больше ширины полосы когерентности B_c.

Комбинированное пространственно-частотное разнесение планируется реализовать в системе на базе стандарта cdma2000. Многочастотный сигнал будет передается через разнесенные антенны, что не потребует усложнения абонентского терминала, поскольку прием таких сигналов обеспечивается с помощью многоканального Rake-приемника, каждый канал которого настроен на свою многолучевую составляющую.

Временное разнесение в CDMA-сетях играет ту же роль, что и в системах с временным доступом (TDMA). При использовании этого метода для борьбы с пакетами ошибок, которые образуются при глубоких замираниях, применяется поблочное перемежение в сочетании с кодами, исправляющими ошибки. Операция перемежения позволяет декоррелировать пакеты ошибок за счет их преобразования в группу случайных (обычно одиночных) ошибок. Последние эффективно исправляются сверточным декодером. Поскольку при перемежении изменяется лишь порядок следования символов в пределах одного или нескольких кадров, то данный метод не вносит избыточности, а следовательно, не приводит к снижению средней мощности передатчика.

Улучшение характеристик помехоустойчивости. Методы повышения помехоустойчивости, применяемые в системах с кодовым доступом (CDMA) при работе в условиях замираний и многолучевого распространения радиоволн, существенно отличаются от тех, которые используются при приеме узкополосных сигналов.

Чаще всего многолучевость возникает, как результат многократного отражения передаваемого сигнала от зданий и других препятствий на пути распространения радиоволн. Отраженные сигналы могут интерферировать с прямым лучом, имеющим наибольшую интенсивность. Сигналы разных лучей сдвинуты по времени друг относительно друга, что обусловлено различной длиной трассы их прохождения. Поскольку всегда существует несколько путей распространения радиоволн от передатчика к приемнику, то в точке приема разные копии одного и того же сигнала интерферируют друг с другом, создавая глубокие замирания радиоволны, которые в основном и влияют на качество передачи информации и пропускную способность системы.

Кроме эффекта многолучевости при реализации подвижной связи порой возникают доплеровские сдвиги частоты, обусловленные перемещением абонента в процессе сеанса. Вообще говоря, сигналы разных лучей могут иметь различные амплитуды, начальные фазы, задержки и доплеровские сдвиги частоты.

Частотно-временные сдвиги сигналов в многолучевом канале связи вызывают так называемые селективные, т.е. зависящие от времени или частоты, замирания.

При частотно-селективных замираниях отдельные составляющие принимаемого сигнала имеют разные амплитуды и сдвиги начальной фазы, но главное, что разброс задержки сигнала (т. е. разность хода лучей по времени) соизмерим со значением 1/F (F – полоса частот передаваемого сигнала) или превышает его. Этот вид замираний приводит к искажению формы спектра и, как следствие, к снижению качества связи. Однако характер замираний на близко расположенных частотах практически одинаков, а степень корреляции сигналов достаточно высока, поэтому искажения начинают проявляться лишь в том случае, если полоса передаваемого сигнала превышает ширину так называемой полосы когерентности канала – B_c (т. е. сигнал «перехлестывает» область частот, в которой отдельные спектральные составляющие коррелированы). Таким образом, чем шире спектр передаваемого сигнала, тем в большей степени он подвержен частотно-селективным замираниям.

Замирания, при которых характеристики канала связи изменяются с течением времени, вызывая искажение формы передаваемых символов, называются временными селективными замираниями. Сопровождающие их искажения проявляются лишь тогда, когда длительность информационной посылки начинает превышать время когерентности T_c (интервал, в пределах которого любые отсчеты сигнала взаимозависимы, а вне его в значительной степени декоррелированы). Время когерентности определяется величиной разброса доплеровской частоты в канале связи, которая зависит от скорости перемещения подвижного обюекта.

Контрольные вопросы:

1.В чем особенность разнесенного приема?

2. Какие методы разнесения Вы знаете?

3. Какова суть частотного разнесения?

4. Какие методы существуют для улучшения характеристик помехоустойчивости?

5. При каком замирании отдельные составляющие принимаемого сигнала имеют разные амплитуды и сдвиги начальной фазы?

Дата добавления: 2014-01-04