Лекции по Широкополосным сигналам и системам   

4. Преимущества систем с широкополосной передачей

4.6. Разнесение

Основная идея борьбы с деструктивными эффектами многолучевости заключается в использовании разнесения, состоящего в организации нескольких независимых каналов или ветвей передачи. Хотя каждая из ветвей при этом по-прежнему подвержена рэлеевским (или другим) замираниям, вероятность того, что интерференционные картины во всех из них будут одновременно неблагоприятными, определяется правилом умножения вероятностей и, таким образом, существенно меньше вероятности «плохого» состояния индивидуальной ветви. Например, если каким-либо способом организованы две независимые идентичные ветви и вероятность возникновения неблагоприятных условий распространения в одной из них равна 0.1, то вероятность одновременного спада интенсивности сигнала в обеих будет 0.01, т.е. станет заметно меньше. С увеличением количества ветвей подобный выигрыш от разнесения становится все более и более заметным. Работая параллельно, ветви как бы подстраховывают друг друга, смягчая последствия замираний.

В зависимости от способа организации независимых каналов передачи выделяют несколько традиционных методов разнесения.

4.6.1. Пространственное (антенное) разнесение

Возникновение быстрых замираний обусловлено случайностью фазовых сдвигов многолучевых сигналов, что, в свою очередь, вызвано случайностью расположения отражателей, порождающих различные пути распространения. Как правило, фазовые диаграммы в двух точках пространства, разнесенных более чем на 7…10 длин волн, могут рассматриваться как независимые. Следовательно, отделенные в пространстве друг от друга расстоянием в 7…10 длин волны или более, две или несколько приемных антенн обеспечат практическую независимость параллельных интерференционных картин на приемной стороне, а значит каналов передачи (см. рисунок на следующем слайде).


После индивидуальной согласованной фильтрации сигналы с выхода своей антенны могут быть скомбинированы согласно алгоритму селекции ветви с максимальным сигналом или по максимуму отношения сигнал-шум (взвешенное суммирование, обеспечивающее максимально возможное результирующее отношение сигнал-шум).

Параллельные антенны можно использовать также и на передающей стороне, однако в этом случае ограниченный ресурс полной мощности передатчика приходится дробить между несколькими передающими антеннами, что снижает энергопотенциал каналов разнесения. Тем не менее разнесение на передаче в некоторых ситуациях может оказаться выгодным. Так этот метод разнесения используется базовыми станциями систем мобильного телефона третьего поколения.

Метод разнесения на приеме, несомненно, является очень эффективным и широко практикуемым инструментом (например, он используется базовыми станциями системы мобильного телефона в канале «вверх»), однако не является универсальным. Так он с трудом может быть применен в мобильных приемниках (т.е. в канале «вниз») из-за малых размеров трубок.

4.6.2. Частотное разнесение


Идея частотного разнесения связана с понятием полосы когерентности канала. Эта величина характеризует максимальную ширину частотного интервала, в пределах которого фединг может считаться плоским, т.е. замирания гармоник сигнала практически стопроцентно зависимы. При этом замирания гармоник, разделенных по частоте интервалом, превышающим полосу когерентности, принимаются за независимые. Очевидно, что одновременная передача одного и того же сигнала несколькими несущими, частоты которых разнятся на полосу когерентности или более, образует ряд ветвей разнесения. Следующий рисунок дает элементарное толкование этому методу разнесения.

Частотный интервал плоского фединга обратно пропорционален диапазону рассеяния по задержке , так что чем сильнее рассеяние многолучевых сигналов по времени, тем уже полоса когерентности. Так, для систем мобильной связи типичной является величина мкс, что соответствует полосе когерентности близкой 50 КГц. Тогда для организации разнесения по частоте несущие должны выбираться со сдвигом не меньшим 50 КГц. Отметим, что аналогично разнесению на передаче частотное разнесение также предполагает дробление ресурса полной излучаемой мощности (теперь между несущими), что тем не менее оказывается продуктивным. Примером использования разнесения по частоте служит система мобильного телефона GSM.

4.6.3. Временное разнесение

Временное разнесение базируется на флюктуациях многолучевого профиля во времени. Даже тогда, когда приемник неподвижен, интерференционная картина может меняться со временем из-за движения передатчика или окружающих отражателей. Вследствие этого возникает доплеровское рассеяние принимаемого сигнала, и чем шире его разброс, тем меньше время когерентности канала, т.е. интервал времени, в течение которого мощность результирующего многолучевого сигнала остается примерно постоянной. Вновь обращает на себя внимание дуальность частоты и времени: интервал корреляции в частотной области (полоса когерентности) обратно пропорционален диапазону рассеяния по задержке, тогда как аналогичный интервал во временной области (время когерентности) обратно пропорционален диапазону частотного (доплеровского) рассеяния. Поскольку в моменты, разделенные временем когерентности или более, многолучевые интерференционные картины можно считать независимыми, повторная передача нескольких копий одного и того же сообщения с соответствующим интервалом создает ряд ветвей разнесения. С некоторой адаптацией этот принцип используется в телекоммуникационных системах в форме процедуры перемежения совместно с корректирующими кодами. Для разнесения во времени символов некоторого кодового слова на интервал, превышающий время когерентности, производится перемешение символов группы следующих друг за другом кодовых слов. В результате поражающий данное кодовое слово пакет ошибок, обусловленный замиранием, распределяется между рядом слов в виде независимых, а модель канала трансформируется в модель без памяти. Подобная форма разнесения во времени реализована в системах мобильной связи стандарта GSM и IS-95 как в прямом, так и обратном канале. Однако сопутствующая этому методу задержка в передаче может существенно ограничить его применимость.

4.6.4. Многолучевое разнесение

Метод многолучевого разнесения уникален в том смысле, что он радикально меняет отношение к эффектам многолучевости, которые на первый взгляд представляются безоговорочно вредными. В самом деле, любой отражатель, причастный к приему сигнала, направляет к приемнику часть излученной энергии, которая в его отсутствие была бы безвозвратно потеряна. В обстоятельствах, когда соответствующе отраженные сигналы могут быть отделены друг от друга (разрешены во времени), их энергию можно использовать для улучшения характеристик системы в сравнении со случаем отсутствия многолучевости. Многолучевой канал как будто сам создает ветви разнесения, и единственной проблемой является адекватный выбор сигнала, который позволил бы разделить сигналы разных лучей.

Пусть время корреляции сигнала , т.е. протяженность его АКФ, не превышает минимальной взаимной задержки между последовательными во времени многолучевыми сигналами . Очевидно, что в такой ситуации все многолучевые сигналы после согласованного фильтра не перекроются и полностью разрешаются во времени, не мешая друг другу.

Ясно, что для применимости схемы многолучевого разнесения сигнал должен иметь узкую АКФ. Возвращаясь к дискуссии раздела 3.1, можно вспомнить, что лобовое решение этой задачи состоит в использовании коротких сигналов. Подобный путь, однако, предполагает излучение сигналов с высокой пиковой мощностью, что может оказаться неприемлемым во многих приложениях. Значительно более изящной представляется ориентация на широкополосные сигналы с . В этом случае вложение необходимой энергии происходит при умеренной пиковой мощности, что обеспечивается за счет большой длительности сигнала, тогда как разрешение во времени достигается после временной компрессии в согласованном фильтре. Рисунок на следующем слайде иллюстрирует подобный подход при передаче данных с бинарной ФМ.

Пусть требуемая скорость передачи составляет бит/сек. Возьмем широкополосный сигнал длительности и будем отображать каждый бит обычным для бинарной ФМ способом. Передача нулевого значения бита осуществляется прямым сигналом , а единичного – инверсией сигнала . При полосе и правильно синтезированном сигнале все многолучевые копии не будут перекрываться после временного сжатия в согласованном фильтре. Их комбинирование с учетом полярности (например, по методу с максимальным отношением) обеспечит более высокое качество, чем при использовании только одного из многолучевых сигналов, например, сигнала прямой видимости.

Реализованный подобным образом прием многолучевых сигналов называется RAKE («грабли») алгоритмом, поскольку пики на выходе согласованного фильтра напоминают в некоторой степени зубцы этого популярного садового инструмента. По этой причине каждый отдельный отклик фильтра получил наименование пальца. RAKE алгоритм с 3-мя и более пальцами применяется как в прямом, так и в обратном канале системы мобильного телефона стандарта IS-95. Проекты систем мобильной связи 3-го поколения также ориентированы на утилизацию достоинств RAKE приемников.

С точки зрения рассмотренной проблемы уместно ввести еще один термин: коэффициент расширения. Использование его для обозначения частотно-временного произведения типично для цифровых систем связи. Происхождение данного термина объясняется тем, что произведение показывает во сколько раз расширена полоса сигнала по сравнению с передачей данных простым сигналом.

Завершая данный параграф, в перечень достоинств технологии расширенного спектра может быть добавлено еще одно: возможность организации многолучевого разнесения.



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