2.2. Передача сигнала в условиях многолучевого распространения

Распространение радиосигнала в городских условиях кардинально отличается от условий распространения прямой видимости. Помимо всех помех и шумов, рассмотренных для случая прямой видимости (LOS), появляется множество дополнительных, нежелательных эффектов. Наличие большого количества застроек, высотных зданий, труб, структура улиц, возможные перепады уровня земной поверхности и т. п. приводит к многократному отражению сигнала. Даже если приемное устройство находится в стационарном состоянии, уровень принимаемого сигнала может меняться за счет отражений от движущихся транспортных средств. В результате на приемную антенну практически всегда приходит множество копий сигнала (много лучей отсюда термин "многолучевое распространение") с разными уровнями и разными задержками по времени, как это показано на рис. 2.2.

Ситуация существенно усугубляется для приемников мобильных станций как в системах сотовой связи, так и в системе WiMAX. В большинстве случаев прямой видимости между базовой станцией и мобильным терминалом может и не быть. Во время движения ситуация меняется многократно. Многолучевый характер распространения сигнала приводит к интерференции и, как следствие, к изменению уровня принимаемого сигнала. Динамический диапазон флуктуации уровня принимаемого сигнала составляет более 40 дБ! Причем ситуация меняется десятки раз в секунду для пешехода с мобильным терминалом, и сотни раз в секунду – для пользователя в автомобиле.

Рис. 2.2. Многолучевое распространение сигнала

Рис. 2.2. Многолучевое распространение сигнала

 

Еще одним источником ухудшения условий приема в городских условиях является наличие деревьев и зданий. Листва деревьев, содержащая большое количество влаги, ослабляет сигнал. Ослабление сигнала листвой даже одного дерева по сравнению с зимними условиями достигает почти на 20%. Протяженные участки с растущими деревьями ослабляют мощность сигнала примерно в два раза больше, чем открытое пространство. Величина ослабления зависит от густоты кроны, протяженности участка с деревьями и от частоты сигнала. Считается, что потери на лесистом участке ~, тогда как на открытом пространстве потери обратно пропорциональны только квадрату частоты. В среднем считают, что общие погонные потери от частоты имеют величину 20 дБ/октаву.

Стены зданий также существенно отражают и поглощают энергию радиоволн, особенно если они железобетонные. Положение спасает наличие окон и дверных проемов. Поскольку здания имеют разную толщину стен, разные материалы и конфигурацию, то не существует универсальной формулы определения затухания в городских застройках. На практике при проектировании частотно-территориального плана часто производят натурные измерения. Результаты измерений затем можно использовать в различных моделирующих программах для аппроксимации условий приема в любой точке города с учетом рельефа местности, характера и плотности застройки, наличия оврагов, лесистых территорий и т. п. Для различных ситуаций городской местности разработаны программные модели, среди которых наиболее известные модели Окамура. Ли. Хата. Информацию о возможностях этих моделей и их описание можно найти в [25, 28]. Модели, разработанные Стенфордским университетом (США) (Stanford University Interim), будут применяться для проектирования, развития и тестирования технологии WiMAX. На основе предварительных измерений и моделирования составляются карты радиопокрытия.

Для мобильного абонента характерна ситуация, когда его приемное устройство находится на небольшой высоте от поверхности земли. Поверхность земли имеет коэффициент отражения, близкий к 1, и приводит к фазовому сдвигу отраженного сигнала на 1800. Отраженный от поверхности земли сигнал может сильно уменьшать уровень принимаемого сигнала. Углы крыш и зданий, согласно принципу Гюйгенса, порождают вторичные волны, которые могут, как преломленные лучи, распространяться под углом к направлению распространения прямого луча. Фонарные столбы, заводские трубы, подъемные краны, имея поперечные размеры, сопоставимые с длиной волны, вызывают эффект рассеяния волн в разные стороны. Все виды отражений, дифракции и рассеяния вызывают многолучевой характер распространения радиоволн гигагерцового диапазона. Однако эти негативные явления в городских условиях играют и полезную роль. Весьма часто условие прямой видимости не обеспечивается, а за счет отражений на антенну приемника вполне может попадать какой-нибудь отраженный луч достаточной мощности, и прием/передача окажутся вполне возможны.

Для систем WiMAX (IEEE 802.16, 802.16а) первого этапа, развертываемых по схеме "точка-многоточка" (Point-to-Point – РМР) с фиксированным расположением антенн базовых и пользовательских станций, можно будет обеспечить связь не только в пределах прямой видимости, но и в условиях непрямой видимости (NLOS) за счет отраженного луча. Для этого во время инсталляции необходимо надлежащим образом выбрать местоположение антенн станций пользователей. Небольшие флуктуации уровня принимаемого сигнала, вызванные случайными отражениями от проезжающих транспортных средств, статистически могут быть предсказуемы и учтены при настройке оборудования. При фиксированном расположении антенн в случае одновременного приема как прямых, так и отраженных волн, сравнительно нетрудно определить фазовый сдвиг между прямым и отраженными сигналами (он будет постоянным для фиксированного положения антенн) и компенсировать разницу задержек времени распространения прямой и отраженной волн. Например, с помощью эквалайзера (equalizer) – выравнивателя фазовых задержек – или введения задержки прямого луча, равного задержке отраженного сигнала с наибольшим уровнем. Вдобавок для фиксированного расположения на станциях пользователей применяют направленные антенны, что позволяет во многом избавиться от отражений, приходящих с боковых направлений.

Все существенно ухудшается при организации связи с мобильными абонентами. В этом случае многолучевость и вызванный ей случайный характер временных задержек отраженных сигналов приводят к двум нежелательным эффектам. Во-первых, из-за интерференции волн на приемной антенне и базовой станции, и станции пользователя всегда наблюдаются весьма значительные колебания уровня принимаемого сигнала. Во-вторых, появление многочисленных копий прямого и отраженных сигналов, приходящих в разные случайные моменты времени, приводит к частичному наложению их друг на друга. Учитывая, что в современных системах цифровой подвижной связи используют импульсный (пачечный) характер посылок, часто возникают моменты, при которых отраженные импульсы предыдущих посылок принимаются одновременно с текущей посылкой, как это показано на рис. 2.3. Радиоимпульсы текущей и предыдущей посылок могут полностью или частично перекрываться, и восстановление текущих данных становится затруднительным или даже невозможным. Серым цветом изображены радиоимпульсы (основной и его копии) предыдущей посылки, а черным цветом текущий радиоимпульс и его копии.

Рис. 2.3. Наложение радиоимпульсов

Рис. 2.3. Наложение радиоимпульсов

Влияние интерференционных помех удобно учитывать в виде отношения мощности полезного сигнала к суммарной мощности интерференционных помех (в англоязычной литературе часто обозначают ).

При перемещении мобильного устройства меняется его местоположение, ориентация его антенны и окружающая обстановка. Следовательно, меняется величина, время поступления и количество вторичных импульсов совершенно случайным образом. Это затрудняет создание методов обработки и создание устройств, эффективно устраняющих негативные явления многолучевости.

Интерференция прямых и отраженных волн приводит к изменениям амплитуды принимаемых сигналов – замираниям (федингам – fading). Динамический диапазон замираний может достигать 40-45 дБ. Замирания принято подразделять на быстрые и медленные.

Быстрые замирания возникают вследствие того, что в СВЧ-диапазоне длина волны составляет единицы-десятки сантиметров. В сложной обстановке наличие множества отраженных сигналов со случайными величинами амплитуды и фазы приводит к сильным изменениям уровня принимаемого сигнала даже при незначительных перемещениях мобильного абонента. Например, почти каждый владелец сотового телефона попадал в места не очень уверенного приема. Можно было заметить, что даже в пределах комнаты могут найтись положения, когда связь пропадает, хотя стоит сделать небольшой шаг в сторону – и связь восстанавливается. При разговоре на ходу также часто можно заметить кратковременные пропадания звука.

Если бы сотовые системы в этом диапазоне были аналоговыми, то в процессе разговора за счет быстрых замираний мы почти непрерывно слышали бы изменение громкости звука, щелчки и трески. По мере приближения к границе соты уровень принимаемого сигнала станет уменьшаться, а уровень шума остается прежним. Следовательно, уменьшается отношение сигнал/шум, и абонент слышит уменьшение громкости, ухудшение разборчивости и сильное нарастание шумов и тресков. Система автоматического регулирования уровня (АРУ) всегда имеет ограниченную глубину регулирования и при глубоких замираниях не спасает положения. Вдобавок, на быстрые замирания АРУ может не успевать реагировать в силу своих инерционных свойств.

В цифровых системах возможности качественного приема в условиях интерференции, вызванной многолучевостью. значительно выше, чем в аналоговых системах. По мере удаления мобильной станции от базовой также уменьшается уровень принимаемого сигнала и ухудшается отношение сигнал/шум. Искажается форма радиосигнала. Однако в отличие от аналоговых систем, информация содержится не в форме радиосигнала, а в законе модуляции. И если в приемном устройстве удается "распознать" в шумах наличие битовой посылки, то решающее устройство восстановит форму битового импульса. В итоге, даже при малых величинах отношения сигнал/шум можно восстанавливать переданную битовую последовательность и иметь качественный прием. При уменьшении отношения сигнал/шум некоторые биты могут быть восстановлены неверно, т. е. решающее устройство может выдать значение логической 1, хотя был передан логический 0, и наоборот. Отношение количества таких ошибок за интервал времени к общему количеству числа переданных за это же время бит называется коэффициентом ошибок (КОШ) (BER – Bit Error Ratio). Вероятность неверного восстановления переданного символа существует при любой величине значения сигнал/шум (). Для разных видов модуляции, способов приема и условий распространения вероятность неверного восстановления или зависимость BER от отношения сигнал/шум (или от отношения энергии бита к энергии теплового шума на 1 Гц – ) может быть просчитана. Обычно их приводят в литературе в виде соответствующих графиков. Для разных систем эти зависимости несколько отличаются. С ростом отношения сигнал/шум значение BER уменьшается. Это общая тенденция для любых систем. Для систем цифровой связи нормативными документами определена допустимая величина BER. Например, для систем проводной связи нормой является BER 10-6 (допустим не более 1 ошибочный бит на 106 переданных бит). При меньшем значении BER работа системы не нарушается, однако выдается сообщение о нарушении качества связи. А при BER 10-6 передача данных считается недопустимой и выдается сообщение об аварийном сбое. Для систем передачи, требующих высокой достоверности, эти пороги могут быть ужесточены (BER 10-6). В каналах радиосвязи выполнить условие BER 10-6 весьма сложно, так как сама среда распространения радиосигнала является открытой действию помех и шумов. Обычным является условие BER 10-3. Надежность передачи повышают путем обнаружения ошибок и их коррекции, организуют повторную передачу пакета, имевшего ошибку, или снижают скорость передачи.

В цифровых системах связи важнее даже не сам факт потери бита, а его значимость в потоке данных. Если ошибочный бит относится к речевому сигналу, то его потеря или ошибка не приводят к заметному ухудшению качества. Однако если неверно принят бит в пачке данных, то может быть неверно "прочитана" вся пачка (говорят о размножении ошибки). А если это бит синхронизации, то может быть потерян значительный фрагмент переданной информации до момента правильного восстановления синхронизации.

Медленные замирания возникают вследствие того, что по мере движения мобильного терминала меняется окружающая обстановка и происходят относительно медленные изменения средней энергии на антенне приемного устройства. По мере удаления от базовой станции уменьшается уровень прямой и отраженных волн, и характер медленных замираний становится менее выраженным. В целом, характер медленных и быстрых замираний по мере удаления от базовой станции можно представить в виде графика, изображенного на рис. 2.4. На этом рисунке пунктиром показан пример медленных замираний, а сплошной линией пример быстрых замираний. Подобные графики получают и при натурных измерениях уровня принимаемого сигнала.

Рис. 2.4. Характер медленных и быстрых замираний

Рис. 2.4. Характер медленных и быстрых замираний

Поскольку природа возникновения медленных и быстрых замираний различна, то отличаются и их статистические характеристики. Для быстрых замираний определяют для какого-либо момента времени t1 усредненную по времени огибающую выбросов их максимальных и минимальных значений – локальное среднее по времени

,

где – интервал времени усреднения, определяемый как интервал, на котором наблюдается от 40 до 80 случаев глубоких быстрых замираний; – максимальные и минимальные значения быстрых замираний на интервале наблюдения [25, 24, 28].

Для медленных замираний вводят усреднение по местоположению

,

где . – интервал усреднения; – значения меленной составляющей замираний в точках местоположения. Характерное расстояние изменения уровня медленных замираний составляет (0,5-3) .

Как уже говорилось, быстрые замирания вызваны интерференцией волн. По мере передвижения мобильной станции меняется окружающая обстановка и создаются новые условия для интерференции. На практике оказалось, что интерференция, создаваемая текущим местоположением, имеет радиус воздействия порядка 100. Для системы WiMAX, работающей в диапазоне 2-5 ГГц (=15-6 см), перемещения даже в пределах 1,5 м - 60 см приведут к эффекту медленных и быстрых замираний.

Одномерная плотность распределения быстрых замираний в городских условиях, когда прямое прохождение сигнала практически отсутствует, вполне удовлетворительно описывается законом Релея:

,

 

где x – случайная величина значения огибающей сигнала, приходящего на пользовательскую станцию; 2 – дисперсия горизонтальной и вертикальной составляющих напряженности поля (электрической и магнитной составляющих). Причем р = 22 – средняя мощность сигнала.

Интегральная функция распределения огибающей:

.

Интегральная функция распределения мощности сигнала:

.

Релеевское замирание характерно для многолучевого распространения, когда нет прямой видимости и нет ни одного доминирующего отраженного луча, т. е. худшие случаи распространения в городской местности. При наличии и прямого луча с относительно высоким уровнем мощности сигнала, и отраженных волн меньшей мощности более точной моделью является распределение Раиса (еще называют обобщенным законом Релея-Раиса). Одномерная плотность распределения огибающей сигнала в этом случае определяется из выражения:

,

где I0(*) - модифицированная функция Бесселя нулевого порядка.

Экспериментальные исследования подтверждают справедливость применения этих закономерностей для городских условий. Однако отмечено, что в ряде случаев вблизи базовой станции наблюдались более глубокие замирания, чем это предсказывают законы Релея и Раиса. Это, по-видимому, вызвано наличием вблизи базовой станции прямых и отраженных сигналов сравнительно большой мощности, когда еще не произошло усреднения уровней отраженных сигналов за счет многократного отражения, рассеяния их энергии на малых препятствиях и поглощения окружающей средой. Экспериментально установлено, что в районах с примерно постоянной плотностью застройки быстрые замирания с глубиной ~10 дБ занимают около половины времени наблюдения и наблюдаются замирания глубиной до 35-40 дБ. При этом глубина замираний практически не зависит от частоты, а их длительность обратно пропорциональна частоте (чем короче длина волны, тем меньшее время необходимо для перемещения на величину полуволны и тем быстрее сигналы перестают быть в противофазе).

Основы теории мобильной и беспроводной связи


*****
Новосибирск © 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.