Реферат
На тему:
ВИКОРИСТАННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ЦИФРОВОГОДІАГРАМОУТВОРЕННЯ В СИСТЕМАХМОБІЛЬНОГОЗВ'ЯЗКУ
Зміст
Перелік умовних позначок і символів
Вступ
1. Аналіз чинників, що впливають на рівень внутрішньо-системних завадсистем мобільного зв’язку
2. Переваги технології цифрового діаграмоутворення (ЦДУ) в зв’язку
3. Закордонні концепції побудови систем мобільного зв’язку
Висновки
Перелік умовних позначок і символівАЕ – антенний елемент АФР – амплітудно-фазовий розподіл АЦП – аналого-цифровий перетворювач ДС – діаграма спрямованості КМ – кореляційна матриця ПЛІС – програмована інтегральна схема ПХ – пеленгаційна характеристика СМЗ – система мобільного зв’язку ЦАР – цифрова антенна решітка ЦАП – цифрово-аналоговий перетворювач ЦДУ – цифрове діаграмоутворення ЦОС цифрова обробка сигналів ШПФ – швидке перетворення Фур’є MUSIC –
метод класифікації множинних сигналів
(Multiple Signal Classification) _Н – операція ермітового сполучення _Т – операція транспонування
Вступ
Сьогодні ведеться інтенсивневпровадження систем мобільного зв’язку загального користування. Відповіднозростають вимоги до якості передачі інформації, пропускної спроможності,надійності роботи.
Привикористанні стільникового принципу організації зв'язку (відповідно до якогозона обслуговування ділиться на велике число стільник у вигляді 6-кутників) задопомогою статистичних законів поширення радіохвиль визначаються припустимірозміри й відстані до інших стільник, у межах яких виконуються умовиприпустимого взаємного впливу. Відстань до районів, у яких можуть бутивикористані ті ж самі робочі частоти, залежить від умов поширення радіохвиль,припустимого рівня завад й числа радіостанцій, розташованих навколо даногорайону. В загальному випадку вважається припустимим, щоб у стільниковійструктурі частоти повторювалися через 2 стільники.
Однак, приодночасній роботі кількох прийомо-передавачів на одній частоті, а також начастотах сусідніх каналів виникають внутрішньо-системні завади, рівень якихзалежить від трафіку.
Томудоцільно проаналізувати підхід щодо нейтралізації внутрішньо-системних завад всистемі мобільного зв’язку, який базується на технології цифровогодіаграмоутворення. Впровадження зазначеної технології на базі цифрових антеннихрешіток дозволяє істотно поліпшити основні характеристики системи зв’язку вцілому.
1. Аналіз чинників,що впливають на рівень внутрішньо-системних завад систем мобільного зв’язку
Одним знайважливіших переваг систем мобільного зв’язку (СМЗ) є висока ефективністьвикористання виділеного частотного спектра, що досягається шляхом повторногозастосування тих самих частот у різних стільниках системи, що призводить допояви внутрішньо-канальної завади.Базові станції (БС), на яких допускаєтьсяповторне використання виділеного набору частот, розподіляються між собоюзахисним інтервалом D (рис. 1.1).
/>
Рис. 1.1. Внутрішньо-канальні завади в 7-стільниковійсистемі при використанні всеспрямованих і секторних антен.
Задавшивідношення сигнал/шум, рівне 18 дБ або 63,1, можна записати:
/>
деС — рівень сигналу, N — рівень шуму, Ii — рівень перешкоди від i-й осередку, М — кількість стільник, що використають ту ж частоту, що й дана стільника,вилучених на відстань D від неї.
Звичайнорівень внутрішньо-канальної завади набагато більше рівня шуму, тому величиною Nможна зневажити. Прийнявши втрати поширення пропорційними R-4, для7-стильнікової моделі (М=7) одержимо:
/>
Церівняння вірно при D/R≥5,4. R — радіус стільники. Відношення q=D/Rназивається фактором внутрішньо-канального ослаблення.
Придушення внутрішньо-канальної інтерференції встільниковій системі завжди є основною проблемою. У зв'язку із цим може бутирозглянутий ряд методів, таких як:
- збільшення поділуміж двома одноканальними стільниками,
- використанняспрямованих антен на базових станціях,
- зниження висотиантени на базовій станції,
- нахилдіаграми спрямованості (ДС) антени,
- вибір положення БС.
Перший метод недоцільний з тієї причини, що призбільшенні числа стільник з повторним використанням частот ефективністьсистеми, що прямо пропорційна числу каналів на стільнику, зменшується. Третійметод не рекомендується, тому що послабляє рівень прийому в мобільному блоці.Метод 2 є прийнятним підходом, особливо якщо число стільник з повторнимвикористанням частоти фіксовано. При цьому зберігається те ж число радіоканалів,що й в 7-стільниковій системі, але стільника ділиться радіально по секторах.Тому доцільно розглянути зазначений підхід.
Кожна стільника розділена на 3 або 6 секторів і на БСвикористається 3 або 6 спрямованих антен. Кожному сектору привласнене деякечисло каналів. Інтерференція між 2 одноканальними стільниками зменшиться, якпоказано на рис. 1.1.
/> />
а) б)
Рис. 1.2. Дія завад для 3- та 6-секторного розподілустільники.
Надалі розглянемо 3-секторний розподіл. Для ілюстраціїгіршого випадку на рис. 1.2 а наведені 2 одноканальні стільники. Мобільний блоку позиції Е буде приймати більший рівень завад у нижній частині заштрихованогосектора стільники. Це відбувається тому, що мобільний приймач приймає самийслабкий сигнал від власної стільники, але дуже сильну заваду від стільники, якавпливає.
При3-секторном поділі перешкода діє тільки в одному напрямку, тому що відношенняпряме/зворотне випромінювання спрямованої антени базової станції стільникистановить не менш 10 дБ. Число стільник, що заважає, зменшується з 6до 2. Гірший випадок С/I з'являється, коли мобільний блок перебуває в позиціїЕ, де зазначена відстань між мобільним блоком і двома интерферирующимиантенами. Величина С/I може бути отримана з наступного виразу:
/>
Дляq=5,4 C/I=27,2 дБ. Таким чином,використання секторної спрямованої антени може поліпшити відношеннясигнал/інтерференція, тобто зменшити внутрішньо-канальну заваду. Однак, удійсності, через нерівний контур поверхні місцевості й неточного місцярозташування БС С/I може бути на 6 дБ менше в області щільного трафіку [1].
Надалі розглянемо 6-секторний розподіл. При цьому,можливо розділити стільнику на 6 секторів, використовуючи 6 спрямованих антен зкутом розкриву 60°, як показано на рис. 1.2 б. У цьому випадку тільки однеджерело внутрішньо-канальної завади діє в кожному секторі (рис. 1.1). Отже,відношення сигнал/інтерференція буде наступним:
/>
Дляq=5,4 C/I=31,4 дБ, що показує подальше зменшення внутрішньо-канальної завади. Однак, при секторі в 600дозволені лише кілька каналів. У таких випадках, на сектор в 600повинне бути призначене більше доступних каналів. Два недоліки 600секторів:
- вони вимагаютьустановки більшої кількості антен на антеною вишці,
- вони вимагаютьчастих хендоверів, тому що ймовірність перетинання мобільними блоками шестисекторів стільники більше, ніж в 1200секторів.
У дійсності ж місцевість неплоска, охват нерозподіляється рівномірно, відношення прямого/зворотного випромінюванняспрямованої антени в просторі дуже складно прорахувати. У малих стільникахінтерференція може стати некерованою; тому використання 600-секторіву малих стільниках повинне розглядатися тільки для спеціальної реалізації [2].Для малих стільник краща схема — це використання 7-стильнікової конфігурації з1200секторами.
Надалі розглянемо підхід, який пов'язаний з зменшеннямвисоти антени. При деяких обставинах, таких як досить плоска місцевість аборівнина, зменшення висоти антени буде дуже ефективним для ослабленнявнутрішньо-канальної завади та завади каналів, що примикають. Однак існує рядвипадків, у яких цей метод неефективний. Так зменшення висоти антени,розташованої на височині, не зменшить прийняту потужність як на БС стільники,так й на мобільному блоці, тому що ефективна висота антени практично незміниться. У лісовій зоні в околиці антени не повинні перебувати вершини дерев.У цьому випадку зменшення висоти антени не буде коректною процедурою, тому що воколиці антени й на границі стільники виникне надмірне ослаблення сигналу.
Іншийпідхід пов’язаний з вирізом у ДС похилої антени. Установка 1200спрямованих антен може придушитиінтерференцію в системі шляхом усунення випромінювання на 2400-сектор,що залишився. Однак внутрішньо-канальна завада існує навіть при використанні спрямованихантен, тому що обслуговуюча станція може заважати стільнику, який розташований самепо напрямку антени. Допустимо, що використається 7-стільникова система (К=7), факторпридушення внутрішньо-канальної завади q=4,6. Якщо в кожному стільнику встановлені3 ідентичні антени, кожна з яких охоплює сектор в 1200, тоді кожний секторприймає інтерференцію в центральному секторі в 190з повного кута1200від стільники, що впливає. Отже, повинні бути початі спроби придушенняпотужності сигналу, випромінюваної за межі стільники в цьому 190-секторі.ДС антени з вирізом у центрі може бути отримана різними способами. Відноснопростий спосіб — нахилити механічно вниз спрямовану антену з більшимпосиленням.
ДС антени,отримана в площині з після нахилу антени, показана на рис. 1.3 [1]. Коли центральний проміньнахилений униз на кут θ, то нецентральний промінь нахилений униз на меншийкут, тому найбільше ослаблення виходить для θ=0. ДС антени обслуговуючістільники повинна бути повернена по годинній стрілці на 100, щоб виріз був спрямованийпрямо на одноканальний сектор стільники. Кут нахилу антени θ може бутиобраний у діапазоні від 22 до 240, щоб збільшити відношення сигнал/інтерференціядодатково на 7-8 дБ в одноканальній стільниці. Але в 190-секторі обслуговуючі стільникирівень сигналу також послабляється. Використання достатньої потужності передачіможе виправити дану ситуацію.
/> />
Рис. 1.3.Виріз на горизонтальної ДС при нахилу антени вниз на кут θ.
Міжканальназавада містить у собі інтерференцію наступного каналу (каналу, що випливає заканалом обслуговування) й інтерференцію сусіднього каналу (що перебуває навідстані більш ніж одного каналу від каналу обслуговування). Міжканальна завадаможе бути усунута на основі призначення каналів, вибору характеристик фільтрів,і зменшення завади типу ближній/дальній прийом.
Інтерференціянаступного каналу, що впливає на мобільний блок, не може бути викликанапередавачами на БС стільники, але може з'являтися в БС інших стільник. Крімтого, мобільний блок, починаючи виклик по каналу керування в стільниці, можевикликати інтерференцію з наступним каналом керування на БС інший стільники.Методи для зменшення інтерференції наступного каналу використаються наприймальному кінці. Характеристики фільтра каналу: нахил у мовному діапазоні 6дБ/окт, а поза мовним діапазоном – 24 дБ/окт. Якщо сигнал інтерференціїнаступного каналу сильніше 24 дБ, він буде інтерферувати з бажаним сигналом.Фільтр із крутою характеристикою може допомогти зменшити всі типи інтерференціїсуміжного каналу, включаючи й інтерференцію наступного каналу.
Канали, яківіддалені на кілька каналів від каналу, що обслуговує, можуть викликатиінтерференцію з бажаним сигналом. Міжканальна завада послабляється шляхомправильного призначення каналів. Кожній БС стільники привласнюється фіксованийнабір обслуговуючих каналів. Якщо всі канали одночасно передаються з однієїантени БС, то для багатоканального комбайнера потрібна достатня ізоляція міждіапазонами каналів для придушення продуктів інтермодуляції. Вимоги порозподілу діапазонів можуть бути виконані, наприклад, шляхом використаннякількох антен замість однієї на БС.
Через постійнепересування транспортних засобів деякі мобільні блоки перебувають поблизу БС стільники, а деякі віддалені.Близько розташований мобільний блок випромінює сильний сигнал, щовикликає інтерференцію суміжного каналу (рис. 1.4 а).У даній ситуації інтерференція може з'явитися тільки на приймальному кінці на БС стільники. Всі частотні каналирозподіляються по K стільниках, кожна стільника має тільки 1/K від всіх частотнихканалів. Питання полягає в розробці схеми частотного менеджменту длякоректного присвоєння K наборів частотних каналів, що вирішує проблему, описану вище.
Інтерференціясуміжного каналу може виникнути між 2 різними СМЗ. У цій ситуації інтерференціясуміжного каналу може виникнути як у мобільному блоці, так й на БС.
/>
а) б)
Рис. 1.4. Інтерференція типу ближній/дальній прийом.
Наприклад,мобільний блок А може бути розташований на границі його власної стільники А всистемі А, але дуже близько до стільники Б системи В, як показано на рис. 1.4 б.Інша ситуація може виникнути, якщо мобільний блок У буде на границі стільники Бсистеми В дуже близько до стільники А системи А. Суцільна стрілка показує, щоінтерференція може виникнути на БС стільники А, а пунктирна стрілка показує, щоінтерференція може виникнути в мобільному блоці А. Звичайно, аналогічнаінтерференція буде на БС стільники Б и в мобільному блоці В.
Таким чином,частотні канали обох стільник 2 систем повинні бути скоординовані за частотнимдіапазоном.
/>
де γ — кут нахилу кривої втратпоширення. При d0=10 км, d1=0,5 км, γ=4 одержимо C/I=-64 дБ. Цей видінтерференції може бути зменшений тільки частотним розподілом за допомогоювузькосмугового фільтра. Допустимо, що фільтр каналу Б має нахил L=24 дБ/окт. Розподіл частотного діапазону для ослабленнязавади на 64+18 дБ буде
/>
де B — ширина частотного діапазону одного каналу.
Загальну формулу обчисленнячастотного поділу ΔF для запобігання даного типу завади можна записати увигляді:
/>,
де (C/I)0 — відношення сигнал/завада для впевненого прийому.
Можливий щеодин небажаний ефект через велику різницю рівнів прийнятих БС сигналів. Типовіпопередні підсилювачі мають діапазон лінійності близько 70 дБ, причому нижняграниця лінійного діапазону розраховується так, щоб забезпечити посиленнясигналу, що приходить із границі стільники. Тому сигнал від АС, що перебуває навідстані менше d, при якому /> викличе перевантаження підсилювача й поява нелінійнихперекручувань. Продукти інтермодуляції можуть потрапити на інший канал. Отже, ближній мобільний блок може на базовійстанції викликати інтерференцію з далеким мобільним блоком шляхомінтермодуляції в підсилювачі на базовій станції й просочування в сигнал віддалекого мобільного блоку, прийнятий на цій же БС.
Зменшеннярівня потужності, якщо це можливо, завжди є кращою стратегією. Переваги відкерування рівнем потужності наступні:
1. Керування мобільним рівнем переданої потужності. Колимобільний блок наближається до базової станції, рівень потужності мобільного блоку повинен бути зменшений з наступних міркувань:
а) зменшенняймовірності генерації продуктів інтермодуляціїв приймальному підсилювачі через насичення;
б) зменшеннярівня завади іншим одноканальним БС стільник;
в) зменшенняінтерференції типу ближній/дальній прийом.
2. Керування рівнем переданої потужності БС. Коли прийнятий від мобільного блоку сигнал дуже сильний, необхідно зменшити рівеньпереданої потужності цього каналу на БС, й в той же час понизити рівеньпереданої потужності від мобільного блоку.Переваги в наступному:
а) дляконкретного радіоканалу значно зменшується розмір стільники й одноканальнаінтерференція;
б)інтерференція суміжного каналу в системі також зменшується;
Однак убільшості стільникових систем на БС неможливо зменшити потужність тільки одного або декількохканалів через проектні обмеження комбайнера. Ізоляція каналів у комбайнеріскладає 18 дБ. Якщо рівень переданої потужності одногоканалу нижче, то канали, що мають високі рівні переданої потужності будуть інтерферувати з цим каналом. Необхідно мати комбайнер дляканалів з різною потужністю, щоб рівень потужностікожного каналу міг установлюватися з базовоїстанції.
Таким, чином,придушення внутрішньо-системних завад у СМЗ завжди є досить вагомою проблемою. При наявності двох різних СМЗ частотні канали обох стільник 2 систем повинні бути скоординовані почастотних діапазонах. Для придушення внутрішньо-канальної завади пропонуєтьсявикористання спрямованих антен на БС і нахил ДС антенної системи. Зазначені підходи можливореалізувати при використанні перспективних технологій, які будуть розглянутінижче.
2.Переваги технології цифрового діаграмоутворення (ЦДУ) в зв’язку
Останнім часом все більшогопоширення набуває технологія цифрового діаграмоутворення (ЦДУ). Ним все більшприділяється значиме місце в сучасних системах зв’язку, ними займаютьсяпрактично у всіх технічно розвитих країнах світу. Без них не обходятьсяконцепції мобільного зв’язку 3-го і 4-го поколінь. Як відомо, ЦДУ реалізуєтьсяза допомогою цифрових антенних решіток (ЦАР) [3, 4], за кордоном такожіменованих Smart-антенами (розумними антенами). Використовують і синонім — Intelligent Antenna. Можливо, ці поняття, що віддають рекламою й орієнтовані нарядового споживача, не самі вдалі. Однак вони як не можна краще відбивають сутьможливостей, наданих технологією цифрового діаграмоутворення (ЦДУ), завдякияким антенні системи стають усе більш “інтелектуальними”.
Які ж переваги нового класуантенних систем перед традиційними антенами, у тому числі перед їхнімпрототипом — фазованими антенними решітками (ФАР)? Для відповіді на це питаннянеобхідно розглянути схемотехніку ЦАР [5-8].
Цифрова антенна решітка — цеантенна система, що представляє собою сукупність аналого-цифрових каналів іззагальним фазовим центром, у якій діаграма спрямованості формуються в цифровомувиді, без фазообертачів. Теоретичні основи такого підходу до побудови антенбули закладені ще в 60-70-і роки минулого століття. Але лише тепер, з розвиткоммікропроцесорної техніки, стало можливим практично реалізувати накопиченийнауковий досвід. У колишньому СРСР протягом 60-90-х років XX сторіччя вжеіснували спроби розробки теоретичних основ аналізу з надрозрізненням сигналів,а також проводились випробування низки макетів і опитних зразків радіотехнічнихсистем з ЦАР.
Сучасні технології ЦАР своїммасовим розвитком зобов’язані інтеграції процесорів цифрової обробки сигналів заналого-цифровими і цифро-аналоговими перетворювачами (АЦП/ЦАП) у рамках одногомодуля або навіть чіпа [4, 5]. Побудова каналів ЦАР на такій основі дозволяєуніфікувати процедури й апаратні вузли обробки сигналів і спрощує їхнюадаптацію до того чи іншого протоколу роботи. Технологія ЦДУ забезпечуємаксимальну простоту реконфігурації і модифікації систем зв’язку, що найчастішезводиться лише до заміни їхнього програмного забезпечення. При цьомуархітектура радіоелектронної апаратури може оптимізуватися (за ресурсами іфункціональністю) безпосередньо під виконувані задачі. У цьому змістітехнологію ЦАР можна вважати вінцем розвитку настільки популярної сьогодніконцепції програмної реконфігурації архітектури (Software Defined Radio).
Ключова особливість ЦАР — цифровеформування променів діаграми спрямованості (ДС) антени. У задачах зв’язку цедозволяє динамічно оптимізувати зону покриття, що обслуговується, оперативноперенацілюючи цифрові приймально-передавальні промені (рис. 1.5) у залежностівід територіального розподілу абонентів. Сузір’я променів, синтезоване,наприклад, по алгоритмах швидкого перетворення Фур’є або за допомогою класичнихпроцедур дискретного Фур’є-аналізу, є, по суті, сукупністю просторово-частотнихфільтрів, кожний з яких селектує строго визначений набір сигналів і придушуєінші, сприймані як завадові.
Технологія ЦДУ істотно поліпшуєякість зв’язку в умовах багатопроменевого поширення радіохвиль, а також значнопідвищує перешкодозахищеність системи при інтенсивних радіозавадах. Цедосягається тим, що характеристики цифрових фільтрів в антенних каналахпрактично ідентичні.
/>
Рис. 1.5. Адаптивна стратегія вкеруванні ДС антенної системи базової станції.
Розкид же характеристик фільтрівприводить до того, що при виникненні випадкової перешкоди в кожнім з каналівз’являється мультиплікативний завадовий сигнал, пропорційний добутку амплітудиперешкоди на відхилення характеристик вхідного фільтра від номінальногозначення. Мультиплікативні ж завади, що виявляються як завмирання сигналу,набагато неприємніше адитивних. Дійсно, від адитивного шуму, однакового вкожнім з каналів, можна позбутися, ідентифікуючи його як загальну складовусигналу у всіх каналах і віднімаючи його із сигнальної суміші.Мультиплікативний же завадовий сигнал компенсувати неможливо. Однак завдякикомплексному використанню ЦДУ та сучасних стандартів зв’язку мультиплікативнізавади вдається мінімізувати.
Крім того, ЦДУ сприяє і збільшеннюдинамічного діапазону приймальних антен. Дійсно, при синфазному додаваннісигналів у кожнім з каналів антенної решітки в процесі ЦДУ дисперсія (середняпотужність) шуму росте пропорційно числу каналів антенної решітки R, апотужність сигналу (пропорційна квадрату амплітуди) — пропорційно R2.Отже, відношення сигнал/шум після ЦДУ зросте в R раз, що підвищує чутливістьсистеми, а виходить, і динамічний діапазон (відношення амплітуди максимальногосигналу до мінімального). У результаті “нулі” ДС у напрямках джерел завад (рис.1.6.) формуються без “напливу” провалів, звичайних при недостатньомудинамічному діапазоні приймального модуля. У ФАР якість придушення завадобмежено неідентичністю фазообертачів і малою розрядністю їхніх схем керування(звичайно 5-7 розрядів), тоді як у ЦАР уже використовуються 14-розрядні АЦП.Багаточисельні експерименти підтверджують можливість придушення активноїшумової завади в 8-елементної ЦАР більш ніж на 30 дБ не тільки по бічних пелюстках,але й у головному промені ДС при середньоквадратичному відхиленні коефіцієнтівпідсилення аналогових приймальних каналів 0,5 дБ і величині фазових помилок небільш 30[4].
/>
Рис. 1.6. Адаптивна діаграмаспрямованості з “нулями” в напрямках 2 джерел завад.
ЦАР на базових станціяхстільникового зв’язку дозволяють істотно збільшувати їхню пропускнуспроможність за рахунок одночасного багатопроменевого прийому сигналів у всьомуробочому секторі. При цьому можливо досягнення надрелеївської здатності, щодозволяє, по напрямках приходу сигналів, частоті і часу затримки. Такерозрізнення, наприклад, за кутовою координатою для 2 точкових джерел у лінійноїЦАР забезпечує метод MUSIC [5], що зводиться до пошуку локальнихмаксимумів вирішальної функції Н(х) у просторі променів ДС (рис. 1.7). Неважкопомітити, що, на відміну від традиційної обробки, метод Кейпона чітко видає 2відособлених відгуки.
/>
Рис. 1.7. Надрелеївськерозрізнення сигналів за напрямком їх приходу методом MUSIC.
Відомо вже досить багато методівнад розрізнення, реалізація яких, у залежності від відношення сигнал/шум,дозволяє роздільно селектувати до десяти і більш точкових об’єктів у межахголовного пелюстка приймальної діаграми спрямованості ЦАР.
З урахуванням властивостей:
Внаслідок зазначеного, система зв’язку на базі технології ЦДУ має можливостідля ефективного вирішення наступних складних завдань [9]:
- поліпшення відношення сигнал/завада завдяки формуванню“нулів” ДС у напрямках завадових сигналів, у тому числі від сусідніх бортовихта наземних станцій, навіть у головних пелюстках ДС;
- придушення завадових сигналів, що виникають у разібагатопроменевого поширення радіохвиль, істотне зниження глибини федінговоїмодуляції;
- досягнення максимальноїефективності систем множинного доступу з частотним (Frequency Division Multiple-Access, FDMA),часовим (Time Division Multiple Access, ТDMA), кодовим (Code Division Multiple Access, CDMA) тапросторовим ущільненням (Space Division Multiple Access, SDMA);
- інтеграція в єдину інформаційну систему різних зафункціональним призначенням підсистем, а саме радіонавігації, радіозв’язкутощо;
- підвищення інтенсивності корисних сигналів шляхомфокусування максимумів ДС у напрямках рухомих кореспондентів;
- вирішення проблеми електромагнітної сумісності.
Таким чином, впровадження технології ЦДУ дозволяє істотнополіпшити пропускну спроможність каналів зв’язку та досягти високого рівнязавадозахищеності телекомунікаційних магістралей, стійкого їх функціонування вумовах багатопроменевого поширення радіохвиль та наявності активних завадштучного походження.
3. Закордонніконцепції побудови систем мобільного зв’язку
Серед проектів, націлених нареалізацію технології концепції ЦДУ в системах мобільного зв’язку, насампередвідзначити TSUNAMI-І(ІІ) [10]. У рамках проекту TSUNAMI (Technology in SmartAntennas for Universal Advanced Mobile Infrastructure) консорціумом фірм начолі з ERA Technology Ltd. (Великобританія) [10] був виготовлений івипробуваний демонстратор приймально-передавальної 8-канальної ЦАР, щофункціонує в частотному діапазоні 1710-1880 МГц. На другому етапі робіт(TSUNAMI-II), що завершились у 1999 р., система з адаптивною ЦАР буларозгорнута в складі базової станції діючої стільникового зв’язку стандартуDCS-1800 у районі м. Брістоля (рис. 1.8). Перевірка якості, щовідбулася при цьому, супроводу мобільних адресатів в умовах впливу стаціонарнихджерел завад підтвердила переваги технології ЦДУ.’ використанняспеціалізованого модуля ЦДУ DBF 1108 розробки ERA Technology Ltd., що дозволяєобробляти комплексні виходи 128 каналів з часом синтезування діаграмиспрямованості ЦАР 250 нс.
/>
Рис. 1.8. Проект TSUNAMI: 8-канальна ЦАР у складістанції DCS-1800.
У ході випрообувань пройшлаапробацію система цифрової корекції характеристик прийомних каналів, покликанакомпенсувати технологічний розкид в параметрах антенних елементів іприймально-передавальних трактів. При цьому розроблювачі зштовхнулися знеобхідністю більш ретельно витримувати ідентичність амплітудно- іфазочастотних характеристик каналів ЦАР. Зокрема, було встановлено, що розкидкоефіцієнтів підсилення каналів 0,5 дБ при фазовій помилці 30недозволяє придушити заваду в 8-елементній решітці більш, ніж на 30 дБ [18].
У ході наступного етапу робіт(TSUNAM I(II)) було розгорнуто адаптивну антену у складідіючої базової станції стільникового зв’язку DCS-1800 та перевірено якістьсупроводу мобільного джерела повідомлень в умовах впливу джерел завад длявідпрацювання інфраструктури 3-го покоління мобільних систем стандарту UMTS.
Ще до завершення TSUNAM I(II), компанія ERA TechnologyLtd. ініціювала новий проект “Сонячний промінь” (SUNBEAM, Smart UNiversalBEAMforming), покликаний перебороти обмеження TSUNAM I(II) [11]. Його основноюметою є відпрацьовування питань ЦДУ в широкій смузі частот з можливістю повноїмультистандартної підтримки протоколів UMTS (Universale Mobile Telephone Service), що мають смугу частот до 5 МГц. В рамках проектурозглядаються нові підходи до побудови приймально-передавальних засобів зпрограмною реконфігурацією архітектури (Software Radio, SR). Базова SR-станція,на думку учасників проекту SUNBEAM, повинна мати основні технічніхарактеристики представлені в табл. 1.1 [39].
Таблиця 1.1.
Технічні характеристики базової станції проектуSUNBEAM.Робочий діапазон частот 100 МГц — 2,2 ГГц (перекриває діапазон несучих PMR, стільникового, мобільного, супутникового зв’язку і UMTS) Динамічний діапазон приймача Від 0 дБ до — 120 дБ Випромінювана потужність 25 Вт на кожної несучої Розв’язка сусідніх каналів по потужності –75 дБ Придушення завад по дзеркальному каналу приймача 60 дБ Смуга частот сигналів 5 МГц (для UMTS), передбачена можливість розширення до 10 МГц з орієнтацією на японську систему зв’язку 3-го покоління.
Метою проекту SUNBEAM єдослідження більш раціональних архітектурних рішень і можливості пом’якшенняпропонованих вимог до характеристик обладнання базових станцій в інтересахвпровадження ЦДУ вже в найближчі роки. Результатом такого підходу допроектування з’явилося відпрацьовування схемотехнічних рішень, що дозволяютьпросунутися в реалізації широкосмугового ЦДУ в рамках серійної елементної бази.
Окремі учасники SUNBEAM ведуть власні проекти з освоєннятехнології ЦДУ. Так, французька компанія Thomson CSF Communications укооперації з іншими європейськими фірмами здійснювала розробку ЦАР длямобільного зв’язку в рамках дворічного проекту ADAMO (Adaptive Antenna for Mobil’s) [12].При цьому в якості антенної решітки для базової станції зв’язку використана6-панельна ЦАР, що містить по 4 вертикально розташованих елементи в кожнійпанелі (рис. 1.9). Ширина променя в азимутальній площині складає 700за рівнем -3 дБ, коефіцієнт підсилення 4-елементної панелі досягає 30 дБ,рівень перших бічних пелюстків не перевищує -12 дБ. ADAMO орієнтований наперспективні стандарти зв’язку HIPERLAN (High Perfomance Radio Local AreaNetwork) зі швидкістю передачі 23,5 Мбіт/с на канал і центральними несучими 5,2або 17,2 ГГц [13, 14].
/>
Рис. 1.9. Проект ADAMO: 6-панельна ЦАР БС.
На зазначений стандарторієнтований також проект SATURN (Smart Antenna Technology in Universal Roadband wireless Networks) [15]. Метою проекту є дослідження можливостей застосування ЦАР у системах мобільного зв’язку UMTSдля збільшення пропускної спроможностіканалів зв’язку при експлуатації в умовах завмирань.
Що ж стосується альтернативнихпроектів, які безпосередньо конкурують з TSUNAMI і SUNBEAM, то серед нихпотрібно насамперед відзначити проект SFIR (Spatial-Filtering for Interference Reduction) [16], щопроводився в 1997-99 рр. дослідницькою групою мобільних комунікацій технічногоуніверситету м. Відня в кооперації з Alcatel Telecom (м. Штуттгарт). Булорозроблено демонстратор ЦАР для стандартів GSM/DCS-1800 і UMTS, у тому числіунікальний процесор просторово-часової обробки сигналів в реальному часі.Центральна частота робочого діапазону демонстратора ЦАР становить 2,45 ГГц.Антенна решітка виконана у вигляді лінійки з 9 смугових випромінювачівпрямокутної форми. Серед особливостей обробки сигналів у SFIR відзначається їхцифрове розквадратурювання, ЦДУ на прийом і передачу сигналів, використаннясистеми цифрової корекції характеристик приймальних каналів у робочій смузі.
Досить оригінальним є проект HALO(High Altitude Long Operations) [17] компаній Mitsubishi Electric і Angel Corporation (США) [18] зі стратосферною базовою станцієюмегаполісної радіомережі, розташованої на спеціальному літаку Proteusкаліфорнійської фірми Scaled Composites Inc. Крім виконання задач мобільнихкомунікацій, ця система рекомендується до впровадження й в інтересахперсонального зв’язку військового призначення.
В рамках проекту HALO передбачено розміщення ЦАР діаметромблизько 6 метрів на літаку (рис. 1.10), що баражує у стратосфері по круговійтраєкторії з радіусом 20-30 км на висоті 18-20 км і забезпечує послугами широкосмугового цифрового зв’язку одночасно сотні тисяч наземнихкористувачів на площі радіусом 120-150 км (рис. 1.11).
/>
Рис. 1.10. Розміщення ЦАР на літаку Proteus проекту HALO.
/>
Рис. 1.11. Зона дії літака Proteus з ЦАР.
Така зона охоплення дозволяє обслуговувати територіювеликого мегаполіса з прилеглими містами-супутниками. Літак Proteus здатнийпостійно знаходитися в стратосфері протягом 15 годин з безперебійною роботоюбортового джерела електроживлення потужністю 40 кВт. Надалі передбаченоперевести Proteus у розряд БПЛА. Для цілодобового функціонування мережіпланується використовувати три літаки, що баражують по черзі протягом8-годинних сеансів. Робочий діапазон частот обраний у смузі 38-40 ГГц.Планується провести дослідження можливостей реалізації ЦАР у діапазоні 2 ГГцдля потреб стандарту PCS (Personal Communications Services). Наземніприймачі оснащені невеликими антенами, що автоматично відслідковують положеннястратосферного носія в просторі. Пропускна здатність каналів зв’язку в обохнапрямках перевищує 25 Мбіт/с. У 1998 р. при відпрацюванні концептуальних засадНАLO в Каліфорнії був продемонстрований стійкий радіообмін з літаком зі швидкістю51,8 Мбіт/с на дальності 56 км від наземної станції, при цьому загальний обсягпереданої інформації за 8 годин польоту перевищив 1,5 Терабіт.
Розглянуті концепції не охоплюютьвсіх робіт, що спрямовані на опанування технологією ЦДУ. Велика кількістьдосліджень свідчить про її важливість, яка обумовлена характером подвійногопризначення. Впровадження ЦДУ дозволить отримати значні переваги надтрадиційними підходами щодо побудови БС СМЗ. Це стосується не тільки підвищенняосновних показників роботи, а й розширення функціональних можливостей.
Не дивно, що численні переваги ЦАРобумовили ріст їхньої ринкової привабливості. Пройшовши наприкінці 90-х роківетап демонстраційних проектів, дана технологія уже вступила в стадію серійноговиготовлення антенних систем для систем стільникового зв’язку — діючих іперспективних. Серед піонерів серійного виробництва ЦАР ведучі позиції займаютькомпанії ArrayComm, Metawave Communications, AirNet Communications, Wireless Online (усі — США), а також Ericsson (Швеція).
Пальма першості в освоєннісерійних ЦАР для базових станцій стандарту CDMA належить американської компаніїMetawave Communications, що випускаєсімейство інтегрованих Smart-антен Spotlight. Перші ЦАР від MetawaveCommunications — Spotlight 2000 (2100) — працювали тільки в діапазоні несучих800-900 МГц. Однак системи Spotlight 2200 підтримують ще і смугу 1800-1900 МГц.Апаратура систем Spotlight базується на використанні програмованих логічнихінтегральних схемах (ПЛІС), що зайвий раз говорить про перевагу застосуванняПЛІС у порівнянні з DSP при рішенні задач ЦДУ.
/>
Рис. 1.12. Антенна системакомпанії Metawave.
Типова Smart-антена базовоїстанції від Metawave складається з 12-елементного масиву випромінювачів,звичайно встановлюваних по 3-секторної схемі (рис. 1.12). Кожні секторні ґратисформовані з чотирьох антенних елементів (рис. 1.13), приклад характеристикяких представлений на рис. 1.14. Ширина ДС кожного антенного елемента на рівні-3 дБ складає близько 300. Завдяки ЦДУ сумарна ширина основних(парціальних) променів кожного секторного сегмента ЦАР може приймати значення180, 120 або 600. Сам сектор випромінювання (прийому) може зміщатисящодо фізичної нормалі на кут +300. Більш того, форма стільники такожможе змінюватися, здобуваючи 3-, 4- і навіть 6-сегментні обриси (рис. 1.15).
/>
Рис. 1.13. Структураприймально-передавальної антенної решітки (суцільна лінія — режим прийому,пунктирна лінія — режим передачі).
/>
Рис. 1.14. Варіант орієнтації ДС Smart-антени компанії Metawave.
Причому система Spotlight дозволяєв кожнім з 1200–секторів у реальному масштабі часу вирізувати дотрьох підсекторов, уражених перешкодами (т.зв. динамічний синтез сектора — DSS). У результаті спрощується частотне планування мережі, а оператор базовоїстанції може раціонально перерозподіляти ресурси в залежності від специфікинавколишнього ландшафту, статистики розподілу запитів за часом доби, дням тижняі при непередбачених обставинах (рис. 1.16, 1.17). Ріст числа секторів прийомуз 3 до 6 дозволяє істотно збільшити ємність стільникового осередку (числоабонентів, що обслуговуються,). За даними Metawave [10], такий приріст устандарті cdma2000 на основі Spotlight-рішень може досягати 94%.
/>
Рис. 1.15. Багатосекторнаконфігурація ДС.
/>
Рис. 1.16. Посекторна адаптація донавантаження за допомогою Smart-антени.
/>
Рис. 1.17. Динамічний синтезсекторів в залежності від часу доби.
Одна з останніх розробок Metawave- антенний комплекс Spotlight 2230 — являє собою апаратуру ЦАР, що інтегруєтьсядо складу базової станції CDMA 1 EX разом з устаткуванням Lucent FlexentModular Cell Base Station фірми Lucent Technologies [10] (рис. 1.18, 1.19).Компанія Lucent поставляє ультралінійні підсилювачі потужності дляпередавального сегмента і малошумлячі підсилювальні модулі для багатоканальногоприймача.
/>
Рис. 1.18. Комплект апаратурибазової станції CDMA 1EX з обладнанням SpotLight 2230.
Специфіка цифрового устаткуванняЦАР дозволяє “м’яко” інтегрувати її в базову станцію будь-якого стандарту змінімумом стикувальних робіт. При цьому вартість устаткування складе порядку10% від вартості апаратури типової базової станції CDMA, розрахованої наобслуговування 48-72 одночасних викликів [10]. З огляду на, те що застосуванняЦАР істотно підвищує ємність мережі, загальна економія засобів за рахуноквідмовлення від додаткових базових станцій буде дуже значною. Відповідно доданих на сайті фірми Metawave, до жовтня 2002 р. в усьому світі було розгорнуто420 систем Spotlight, у тому числі й у Санкт-Петербурзі (Росія).
/>
Рис. 1.19. Структурна схемаобладнання базової Станції CDMA 1EX.
Компанія AirNet Communications[19] з офісом у містечку Мельбурн (шт. Флорида, США), на відміну від MetawaveCommunications, зосередила зусилля на розробці Smart-антен для модернізаціїбазових станцій стандарту GSM (900, 1800, 1900МГц) з підтримкою йогорозширень GPRS і EDGE. Згодом буде можлива і робота з базовими станціями36-стандарту WCDMA. В активі AirNet 69 діючих патентів, які компанія отримала змоменту появи на ринку телекомунікацій у 1994 р. Технологія ЦДУвикористовується в базовій станції AdaptaCell Super Capacity (дослівно — супер’ємна адаптивна стільника). Спираючи на рекламні матеріали, нескладноприпустити, що базова станція компанії AirNet обслуговує 8-елементну ЦАР, щопрацює в секторі 120°. Отже, повноцінна 3-секторна ЦАР буде містити 24елемента. Примітно, що AdaptaCell Super Capacity забезпечує цифрову обробкусигналів у всій смузі сигналів GSM і сумісна з технологією “інтелектуальноїстільники” IntelliCell [19], що просувається компанією ArrayCom (м. Хосе, шт.Каліфорнія) (рис. 1.20).
/>
Рис. 1.20. “Інтелектуальна”стільника.
ArrayCom разом з MetawaveCommunications, як відзначалося, є піонерами в розробці Smart-антен длярадіозв’язку. Однак на відміну від Metawave, ArrayCom споконвічно орієнтуваласяна ринок 2.5 G і 3 G систем стільникового зв’язку, що підтримують стандартWCDMA. Не дивно, що незабаром інтереси AirNet і ArrayCom перетнулися, і тепервони найчастіше змушені поєднувати зусилля, у ряді випадків прибігаючи доспільного постачання устаткування.
Відповідно до заяв розробниківArrayCom, БС IntellCell при використанні технології ЦДУ дозволяє майже вдвічіскоротити необхідне для покриття зони обслуговування число БС, на чвертьзнизити витрати при розгортанні знову створюваної мережної інфраструктури івдвічі зменшити час на інсталяційні роботи. Якщо вірити рекламним матеріалам,компанія ArrayCom уже поставила в усьому світі близько 60 тисяч БС.
Як стверджують розробники, стрококупаємості витрат на впровадження Smart-антен складає рік й менш. При цьомуварто врахувати, що технологія ЦДУ перебуває лише на початку свого становлення.В міру її вдосконалювання можуть бути досягнуті ще більш значні результати позбільшенню канальної ємності і розмірів зони, що покривається — наприклад,шляхом збільшення числа антенних елементів в одному секторі ЦАР (до 16 і більш- в азимутальній площині і до 4-8 — у вертикальній).
Темпи розвитку використовуваної вЦАР елементної бази дозволяють припустити, що вже в найближчому десятиліттіпочнеться масове відновлення інфраструктури стільникового зв’язку на основіSmart-антен. Причому наявний науковий заділ і досвід розробки подібного родусистем у сполученні з необхідною технологічною базою дозволяють розгорнути і вітчизняневиробництво базових станцій з ЦАР, спираючи на закордонні комплектуючі йунікальний інтелектуальний потенціал розробників нашої країни.
Висновки
1. Придушення внутрішньо-системних завад у СМЗзавжди є досить вагомою проблемою. При наявності двох різних СМЗ частотніканали обох стільник 2 систем повинні бути скоординовані по частотнихдіапазонах. Для придушення внутрішньо-канальної завади пропонуєтьсявикористання спрямованих антен на БС і нахил ДС антенної системи. Зазначеніпідходи можливо реалізувати при використанні технології ЦДУ на базі ЦАР.
2. Впровадження технології ЦДУ дозволяє істотнополіпшити пропускну спроможність каналів зв’язку та досягти високого рівнязавадозахищеності телекомунікаційних магістралей, стійкого їх функціонування в умовахбагатопроменевого поширення радіохвиль та наявності активних завад штучногопоходження.
3. Численні переваги ЦАР обумовили ріст їхньоїринкової привабливості. При цьому дана технологія вже вступила в стадіюсерійного виготовлення антенних систем для систем мобільного зв’язку.
4. Темпи розвитку елементної бази для побудовиЦАР дозволяють припустити, що вже в найближчий час почнеться масове відновленняінфраструктури стільникового зв’язку на основі Smart-антен. Причому наявнийнауковий заділ і досвід розробки подібного роду систем у сполученні знеобхідною технологічною базою дозволяють розгорнути і вітчизняне виробництвоБС з ЦАР, спираючи на закордонні комплектуючі й унікальний інтелектуальнийпотенціал розробників нашої країни.