|
Читайте также: |
Формирование зоны обслуживания систем связи с подвижными объектами рассмотрим на примере системы спутниковой связи.
Системы спутниковой связи нашли широкое применение во всем мире. Они состоят из двух основных сегментов - космического и земного.
Космический сегмент
Под космическим сегментом обычно понимаются спутники-ретрансляторы, а также средства выведения их на орбиту и наземные комплексы управления. Спутники-ретрансляторы являются важнейшей частью космического сегмента. Они состоят из двух основных узлов: космической платформы и бортового ретранслятора.
Рисунок 30 Схема узлов спутника
Бортовой ретранслятор принимает сигналы земных станций, усиливает их и передает на землю. С помощью бортовых антенн, передаваемый спутником сигнал фокусируется в один или несколько лучей, чем обеспечивается формирование необходимой зоны обслуживания.
Рисунок 31 Упрощенная схема бортового ретранслятора (3 ствола)
Основными характеристиками спутников связи являются количество радиочастотных каналов (ретрансляторов) или стволов, мощность передатчиков в каждом стволе (обычно представляемая как эквивалентная изотропно излучаемая мощность или ЭИИМ), количество и размеры зон обслуживания. Для уменьшения взаимных помех передача сигнала со спутника (Downlink) ведется на частоте, отличной от частоты передачи сигнала с земли на спутник (Uplink). Поэтому ретрансляторы спутника имеют в своем составе преобразователи частоты. Обычно частота Downlink ниже, чем линии Uplink.
Для систем спутниковой связи выделены определенные диапазоны частот, каждый из которых имеет свои особенности. Количество, размеры и формы зон обслуживания определяются конструкцией антенн.
Космическая платформа предназначена для поддержания работы спутника связи. Основными функциями космической платформы являются обеспечение бортового ретранслятора электропитанием и удержание спутника на заданной орбите. Электропитание бортовой аппаратуры осуществляется обычно от солнечных батарей и резервных аккумуляторов.
Под влиянием гравитационных сил спутник отклоняется от заданной орбиты, из-за чего необходимо периодически проводить ее коррекцию, используя специальные реактивные двигатели, установленные на спутнике. Поэтому значительную долю веса геостационарных спутников составляет вес двигательной установки и горючего для корректирующих двигателей. Запас горючего для коррекции орбиты, наряду с надежностью и долговечностью бортовой аппаратуры, определяет срок активного существования спутников связи.
Оперативное управление бортовыми системами и их контроль осуществляется бортовой вычислительной машиной. Кроме того, вся телеметрическая информация о состоянии систем спутника передается на землю. Наземный комплекс управления (НКУ) по результатам телеметрического контроля и измерения параметров орбиты спутника передает на него команды по коррекции орбиты и управлению бортовой аппаратурой.
Земной сегмент
Земной сегмент представляет собой сеть абонентских станций спутниковой связи, устанавливаемых у пользователей, а также центр управления сетью (при необходимости его использования). Абонентские станции могут быть как стационарными, так и подвижными. До 90% стоимости большинства систем спутниковой связи обычно приходится на земной сегмент.
Рисунок 32 Структурная схема земной станции
Типовая земная станция (ЗС) системы фиксированной спутниковой связи (ФСС) состоит из следующих основных узлов:
- станция космической связи (СКС)
- каналообразующая аппаратура (КОА)
- оконечное оборудование
- аппаратура соединительных линий
Станция космической связи обеспечивает прием и передачу информации по спутниковому каналу. Она включает в себя антенную систему, приемо-передающее оборудование и преобразователи частоты. Размеры антенны и мощность передатчика определяются ЭИИМ спутника и качеством его приемных антенн, а также частотной полосой передаваемого сигнала.
Каналообразующая аппаратура формирует и обрабатывает модулирующий сигнал, обеспечивает процедуру многостанционного доступа (мультиплексирование / демультиплексирование сигналов), кодирование и декодирование сигналов, их модуляцию-демодуляцию. Связь каналообразующей аппаратуры с СКС осуществляется на промежуточной частоте, обычно 70 Мгц, иногда - 140 Мгц.
Состав оконечного оборудования зависит от назначения земной станции и вида передаваемой информации. Для сетей передачи данных это могут быть сборщики/разборщики пакетов, пакетные коммутаторы и т.д. В системах телефонной связи сюда входят модемы, кодеры и декодеры, коммутаторы и АТС.
Аппаратура соединительных линий предназначена для сопряжения земных станций с наземными линиями связи и аппаратурой пользователей.)
Орбиты
В космическом сегменте используются спутники-ретрансляторы, находящиеся на различных околоземных орбитах в зависимости от назначения системы:
- Геостационарная орбита (радиус около 40 000 км)
- Высокоэллиптическая орбита (апогей около 40 000 км, перигей около 2 000 км)
- Средняя орбита (радиус от 5 000 до 20 000 км)
- Низкая орбита (радиус от 500 до 2 000 км)
Рисунок 33 Орбиты
Период обращения спутника вокруг земли зависит от высоты орбиты, поскольку линейная скорость спутника должна быть близкой к первой космической (около 8 км/с), чтобы спутник не падал на землю. В таблице приведены некоторые характеристики различных орбит.
Геостационарные орбиты являются наиболее популярными при создании систем спутниковой связи. Плоскость этой орбиты совпадает с плоскостью экватора, а спутники находятся на высоте около 36 000 км. Период вращения спутника на геостационарной орбите составляет 24 часа в сутки, и для наблюдателя на земле он кажется неподвижным. Это позволяет использовать для связи со спутником высокоэффективные фиксированные узконаправленные антенны. Зона видимости геостационарного спутника составляет почти треть поверхности земли, что позволяет с их помощью обслуживать большие территории. Для обслуживания практически всей земной суши достаточно трех геостационарных спутников. Расстояние между земными станциями, работающими через такой спутник, может достигать нескольких тысяч километров. Недостатком геостационарной орбиты является большое расстояние между спутником и земной станцией. В результате этого происходит сильное затухание сигнала на линии земля-космос, что ужесточает требования к чувствительности приемников и выходной мощности передатчиков. Кроме того, на таких расстояниях становится заметной задержка при распространении сигнала, составляющая около 0,25 сек при одном скачке (линия земля- космос- земля).
Высокие эллиптические орбиты занимают особое место среди остальных орбит. Во-первых, при угле наклона около 65 градусов, такая орбита отличается высокой стабильностью во времени, что позволяет значительно снизить вес космического аппарата за счет отказа от больших запасов топлива для двигателей коррекции. Во вторых, если верхняя точка орбиты (апогей) расположена над северным полушарием, спутник "освещает" практически всю территорию России, включая приполярные области, а также виден с территории Канады и Японии. Благодаря замедленному движению спутника в апогее такая видимость длится около 8 часов, а угловая скорость его достаточно низка, чтобы антенны земных станций могли "следить" за ним. Эта особенность орбиты позволяет организовать не только обслуживание территории России, но и поддерживать прямую связь с промышленно развитыми регионами Северной Америки и Азии. Такая орбита была использована для первого отечественного спутника связи "Молния". Поэтому на западе высокоэллиптическую орбиту с углом наклона 55 градусов называют "орбитой Молнии".
Низкие орбиты привлекают разработчиков тем, что за счет малого расстояния между спутником и земной станцией потери на линии более чем в тысячу раз меньше, что позволяет значительно снизить требования к мощности передатчиков и чувствительности приемников. С другой стороны, диаметр зоны обслуживания составляет около 500 км, и каждый спутник находится в зоне видимости земной станции около 15-20 минут. Поэтому для организации непрерывной связи необходимо использовать целый флот низкоорбитальных спутников (не менее 48). Кроме того, для работы с низколетящим спутниками необходимо использовать либо малоэффективные широконаправленные антенны, либо узконаправленные антенны со сложными системами слежения за спутниками.
Средние орбиты занимают промежуточное положение между геостационарными и низкими и предлагают некоторое компромиссное решение между двумя этими системами.
Типы систем спутниковой связи
Фиксированные спутниковые службы (ФСС) предназначены для организации связи с неподвижными земными станциями и обычно строятся на базе спутников-ретрансляторов, запускаемых на геостационарную орбиту.
Из-за большой высоты орбиты и связанных с этим значительных потерь сигнала на линии космос-земля, для работы с геостационарными спутниками связи используются узконаправленные параболические антенны ("тарелки") с диаметром зеркала от 60 см до 12 и более метров, в зависимости от характеристик бортовых ретрансляторов. Антенны средних размеров (1,2 - 3,8 м) применяются для организации двусторонней связи в спутниковых телекоммуникационных сетях (региональные, местные и корпоративные сети связи, передача данных, распределение телепрограмм и т.п.) на базе спутников средней мощности. Антенны размером менее 1 м нашли широкое применение в системах непосредственного спутникового телевизионного вещания (НТВ) на базе специализированных мощных спутников, а также в сетях высокоскоросного доступа в Интернет.
Отечественные спутники "Горизонт" и "Экспресс" являются маломощными магистральными системами, и для работы с ними необходимы антенны размером 4,5-12 м. К системам средней мощности можнотакже отнести спутники "Экспресс-М", "Купон", "Ямал", позволяющие использовать для работы с ними небольшие земные станции с антеннами диаметром 1,2-2,4 м. Примером системы НТВ являются отечественные спутники "Галс", "Бонум-1" и зарубежные "Астра" и "ДирекТВ", работающие с антеннами диаметром 45-90 см.
В настоящее время в мире эксплуатируется более сотни геостационарных спутников связи различного назначения. До 80% ресурсов геостационарных спутниковых систем используются для распределения телевизионных программ. Остальные ресурсы загружены передачей данных и телефонной связью.
Мобильные спутниковые службы (МСС) используются для связи с подвижными объектами. В настоящее время наиболее популярной является система МСС "Инмарсат"(Inmarsat), построенная на геостационарных спутниках. Первоначально система создавалась для обеспечения связи с морскими судами, но затем она стала применяться и на суше. Существует широкий спектр абонентских станций "Инмарсат", устанавливаемых на судах, автомобилях, самолетах, а также портативных, размером с атташе-кейс, используемых в отдаленных районах и в зонах стихийных бедствий.
Дальнейшим развитием МСС является создание систем, способных работать с небольшими, размером с сотовый телефон, абонентскими станциями, что требует использования специализированных спутников, обычно размещаемых на низких орбитах (500-1500 км). Относительно малая высота их орбиты позволяет существенно сократить размеры и мощность абонентских устройств. Спутники в этом случае перемещаются относительно поверхности земли, находясь в зоне видимости абонента лишь 10-15 минут, поэтому для поддержания непрерывности связи на орбите должно находиться много спутников. Уже начата эксплуатация первой такой системы - МСС "Иридиум" и еще нескольких подобных систем. Из-за малого времени нахождения одного спутника в зоне видимости абонента (для системы "Иридиум" оно составляет лишь 7 минут), для обеспечения непрерывности связи спутниковая группировка должна состоять из нескольких десятков спутников. Например, российский проект "Гонец" предусматривает запуск 36 спутников, а международные системы состоят из 48-ми ("Глобалстар"), 66-ти ("Иридиум") и, даже, 288-ми ("Теледесик") спутников. Недостатком низкоорбитальных систем является сложность космической группировки и управления ею, а также необходимость постоянной замены спутников из-за короткого срока их существования на низких орбитах (5-7 лет в сравнении с 12-15 годами для геостационарных), что существенно повышает стоимость услуг таких систем. Серьезную конкуренцию низкоорбитальным могут составить системы МСС на базе мощных геостационарных спутников, а также спутниковых систем на высокоэллиптических орбитах.
Современные спутниковые системы предлагают широкий спектр услуг связи от распределения телевизионных и радиопрограмм, региональных, корпоративных и глобальных сетей связи и обмена данными до персональной связи с любой точкой планеты с помощью портативных спутниковых терминалов. В зависимости от потребностей пользователей, используются различные комбинации наземных и спутниковых систем связи. Во многих случаях системы спутниковой связи оказываются наиболее дешевым и экономически выгодными в сравнении с наземными системами.
Интеллектуальные антенны для сетей 3G
Основные проблемы сетей сотовой подвижной связи и пути их решения с помощью адаптивных антенн
По мере развития сетей сотовой подвижной связи (ССПС) все большее внимание уделяется качественным показателям и надежности связи. Одновременно показатели электромагнитной "загрязненности" среды распространения радиоволн только ухудшаются из-за более интенсивного использования радиочастотного ресурса всеми видами радиосистем, увеличения плотности размещения радиооборудования в городах, а также роста количества абонентов всех видов сетей. С ростом мощности радиопомех приходится увеличивать мощность радиосигналов. В то же время большое число приложений в ССПС поколений 3G, 4G приведет к увеличению времени пользования мобильными телефонами для абонентов сетей, что без уменьшения мощности абонентских терминалов окажется вредным для здоровья. Одно из решений упомянутых проблем базируется на использовании адаптивных антенн и антенных систем в сетях СПС.
Принципы построения адаптивных антенн
Адаптивными антеннами (АА), или интеллектуальными антеннами (Smart Antennas), называют антенны с электрическим управлением диаграммой направленности (ДН).
Чаще всего АА по структуре является адаптивной антенной решеткой (АР), состоящей из дискретных элементов (слабонаправленных вибраторов), каждый из которых осуществляет излучение или прием электромагнитных волн когерентно по отношению к остальным элементам. ДН формируется в результате интерференции волн, излучаемых элементами. Если излучатели идентичны и одинаково ориентированы, то ДН адаптивной решетки, образованной изотропными излучателями, можно представить в виде произведения ДН элемента решетки на так называемый множитель решетки. Схема одномерной линейной АР показана на рис. 34.
Рисунок 34 Формирование луча в схеме линейной адаптивной АР с фазовым способом управления ДН
Управление ДН АР осуществляется изменением комплексных амплитуд и фаз элементов. Для формирования луча в заданном направлении фазовые сдвиги между элементами должны соответствовать распределению фаз, создаваемому на АР плоской волной, приходящей в этом направлении. Применяются два способа управления ДН:
• изменение частоты излучаемых колебаний (частотное сканирование);
• изменение фазы элементов по определенному закону с помощью перестраиваемых фазовращателей (фазовый способ).
Также возможно сочетание этих способов управления.
АР может работать как в приемном (пассивная АР), так и в приемно-пере-дающем режиме (активная АР). В последнем случае излучение сигнала осуществляется в направлении источника принимаемой волны. И в режиме приема, и в режиме передачи принимаемый сигнал используется для управления фазами отдельных элементов активной АР. Критериями управления (адаптации) могут быть следующие:
• максимальное отношение полезный сигнал/шум (помеха);
• оптимальное подавление помехи;
• наименьшее отклонение принимаемого сигнала от пилот-сигнала и другие критерии.
При адаптации по критерию максимума отношения полезный сигнал/шум (помеха) минимизируется мощность суммарных шумов, поступающих вместе с полезным сигналом. Адаптация по критерию оптимального подавления помехи применима при наличии сильной помехи, в направлении прихода которой формируется ноль ДН (рис. 35).
Рисунок 35 Принцип адаптивного приема полезного сигнала (абонентская станция внутри соты) и подавления помехи (абонентская станция в соседней соте) с помощью управляемых нулей ДН
Обычно обработка сигналов помех, обеспечивающая подавление суммарного сигнала помех на выходе АР, производится до приема полезного сигнала. Аппаратура системы обработки основана на использовании устройств для автоматической регулировки амплитуд и (или) фаз весовых коэффициентов элементов. Процедура адаптации по минимуму приема помехи эквивалентна вычитанию из исходной ДН решетки компенсационной ДН, формируемой в процессе выработки оптимальных весовых коэффициентов. Результирующая ДН приобретает провалы в направлениях на источники помех. Глубина подавления помех зависит от используемого метода адаптации и его конкретной реализации, однако для любого из них степень достижения критерия адаптации пропорциональна числу элементов АР.
В АР (рис. 36) система формирования и управления положением луча создает необходимое распределение амплитуд и фаз сигнала в излучателях. Элементы АР содержат усилители мощности (в режиме передачи) или малошумящие усилители (в режиме приема). В режиме приема элементы АР соединяются с приемным устройством системой суммирования принимаемых сигналов. Если регулируются не только фазовращатели, но и усилители, то обеспечивается наиболее эффективное управление ДН за счет одновременного изменения фазовых сдвигов и амплитуд. В режиме передачи сигнал от возбудителя передается на делитель мощности, причем если система возбуждения многоканальная, то различным ее каналам соответствуют различные распределения поля на элементах, а следовательно, и различные ДН.
Рисунок 36 Схема адаптивной антенны в виде АР
В АР используется фидерный или пространственный способ возбуждения элементов. В первом случае элементы соединяются с передатчиком через линии передачи, а во втором – через пространство по схемам линзовой и зеркальной антенн. Аналогично выполняются системы суммирования принимаемых сигналов.
Алгоритм управления (адаптации) может быть аналоговым (если управление осуществляется только схемным путем), цифровым (если он реализуется при цифровой обработке сигнала) или гибридным (комбинированным).
Главным достоинством применения АА является возможность создания на их основе интегрированных антенных систем, обеспечивающих многофункциональную работу базовых станций (БС) сетей связи с гибким управлением пространственными характеристиками и высоким энергетическим потенциалом и их адаптацию к быстро изменяющейся помеховой обстановке.
Приведем другие достоинства АА:
• увеличение отношение сигнал/шум;
• формирование нулей ДН в направлении помех;
• формирование нескольких лучей или сканирование лучом в секторе;
• высокая надежность за счет избыточных элементов и использование низких напряжений в активных элементах АР;
• уменьшение массогабаритных характеристик твердотельных приемопередающих модулей элементов АР;
• уменьшение потерь в радиотракте;
• увеличение полосы частот и ширины сектора.
К недостаткам АА можно отнести:
• сложность построения;
• высокую стоимость;
• высокую зависимость характеристик от параметров внешней среды;
• необходимость дополнительной защиты от внешней среды.
Эволюция решений – переход к цифровым адаптивным антенным системам
В сотовых сетях 1G и 2G эволюция антенн Б С шла от антенн с фиксированной ДН к антеннам с элементами адаптации.
Одной из первых технологий, примененных для снижения уровня внутрисистемных помех в ССПС, было изменение угла наклона ДН антенн БС в вертикальной плоскости, что позволяло сконцентрировать излучение на территории соты и снизить уровень соканальных помех от передатчиков БС, работающих на совпадающих частотах в разных сотах.
Рисунок 37 ДН многолучевых антенн
Применение многолучевых антенн позволило снизить уровень соканальных помех, улучшить качество связи и увеличить емкость ССПС за счет формирования множества лучей с узкими ДН, используемых для обслуживания соты. При перемещении абонентской радиостанции (АС) антенна БС сопровождает ее, отслеживая переход переключением с одного луча на другой (рис. 37, а). В отличие от секторной антенны применение многолучевой антенны позволяет избежать межсекторных хэндоверов и дает возможность гибкого использования частотных каналов БС в соте. Многолучевые антенны позволяют динамически формировать секторную структуру соты с учетом плотности размещения абонентов на ее территории (динамическая секторизация).
Дальнейшим развитием технологии многолучевых антенн стало формирование ДН с учетом направления при хода сигнала обслуживаемой АC и ДН с "нулями", ориентированными в направлениях прихода внутрисистемных помех. АА, способные адаптировать ДН в соответствии с помеховой обстановкой в окружении БС, называются АА с формированием ДН (рис. 37, б).
Многолучевые антенны с переключением лепестков могут реализовывать следующий весьма эффективный алгоритм: формирование широкого лепестка ДН при передаче сигналов вызова и управления и определение направлений на АС; а затем формирование узких лепестков ДН на передачу и прием при связи с АС (рис. 37, в). В результате за счет более высокого коэффициента усиления в режиме формирования узкого лепестка ДН устойчивая связь будет осуществляться даже с маломощными АС.
Пространственное разнесение антенн широко известно и весьма эффективно для борьбы с замираниями сигналов АС. Раздельный прием сигнала двумя различными лучами ДН дает возможность реализовать преимущества этой технологии. Многолучевые антенны позволяют применять технологию пространственного разделения и многократного доступа (SDMA – Spatial Division Multiple Access), при которой адаптивная антенна используется для пространственного мультиплексирования нескольких субканалов одновременно (рис. 37, г).
Все перечисленные выше технологии лишь частично реализуют преимущества применения адаптивных антенн в ССПС. В полной мере они реализуются только в цифровых адаптивных антенных системах (ЦААС). ЦААС, способную формировать ДН, адаптированную к помеховой обстановке в ССПС, строят на основе АР с цифровой обработкой и формированием сигнала.
Поскольку сигнал в ЦААС характеризуется двумя величинами: пространственной координатой приема и временем приема, то выделяют два типа обработки сигнала: пространственную и временную (рис. 38). Для преобразования сигнала к форме, пригодной для цифровой обработки, со спектром, расположенным в области низких частот, применяется преобразование частоты несущей входных сигналов, а операции когерентного суммирования и управления комплексными амплитудами выполняет соответствующая система обработки информации на про межуточной частоте (оптическая или цифровая). Если система обработки является многоканальной, ЦААС может осуществлять одновременный обзор некоторого сектора пространства.
Рисунок 38 Схема приема сигнала БС с ЦААС
ЦААС позволяют перейти к так называемой кластерной технологии проектирования ССПС в условиях динамически меняющейся нагрузки. При кластерной технологии оптимизация площади покрытия может осуществляться за счет дистанционного изменения угла наклона и ширины ДН в горизонтальной плоскости.
Использование цифровой адаптивной антенной системы позволяет применить технологию пространственно-временного кодирования (MIMO-Multi-Input-Multi-Output – много входов и много выходов), которая создает выигрыш за счет разделения потока данных, передаваемого через канал со многими входами и многими выходами через две или более антенны по разным пространственным направлениям. Прием сигналов в каналах с МВМВ основан на разделении сигналов АС соты по параметрам, определяемым характеристиками канала распространения, – так называемым «пространственным подписям», уникальным для сигналов каждого АС, что позволяет одновременно передавать данные в одной полосе частот нескольким АС. Если антенны располагаются как на Б С, так и на отдельном АС, то появляется возможность передавать параллельно несколько потоков данных в одной полосе частот. В результате скорость передачи данных возрастает многократно. Так как на АС разместить несколько антенн зачастую невозможно, то организацию пространственного разнесения заменяют дублированием трансляции сигналов через разные антенны Б С в разные временные интервалы. В ситуациях с ограниченным частотным ресурсом использование каналов МВМВ может стать единственной возможностью для решения задачи высокоскоростной передачи данных по радиоканалу. Поэтому технология каналов МВМВ рассматривается в качестве важного компонента перспективных ССПС поколений 3G и 4G.
Улучшение эксплуатационных характеристик сети на основе применения адаптивных антенных систем
Как показывает опыт, использование адаптивных антенн и адаптивных антенных систем позволяет улучшить качество беспроводной связи в ССПС за счет:
• уменьшения влияния помех путем максимизации отношения сигнал/шум при приеме сигнала от объекта;
• изменения ДН в целях создания оптимального покрытия;
• увеличения площади покрытия соты;
• увеличения емкости сети;
• улучшения электромагнитной обстановки в зоне покрытия;
• возможности использования АС малой мощности без увеличения мощности БС.
В настоящее время в ССПС поколения 2G применяются технологии азимутального регулирования ДН, разнесенного приема, многолучевых антенн с переключением лепестков. В сетях 3G и последующих поколений адаптивные антенные системы станут неотъемлемой частью БС. В таких адаптивных антенных системах наряду с перечисленными технологиями будут использоваться технологии АА с формированием ДН, технологии MI MO, а также распределенных антенных систем (DAS – Distributed Antenna).
Лекция № 7
Дата добавления: 2015-12-08; просмотров: 120 | Нарушение авторских прав