Особенности радиоканалов в системах мобильной связи. Аддитивные и мультипликативные помехи. Виды замираний в каналах связи.

Вопросы к ГОСэкзамену по ОТССПО (Майстренко В. А.)

Согласно принятой классификации системы связи с ПО делятся на сухопутные, морские и воздушные.

Сухопутные системы обслуживают подвижные объекты на суше: грузовые и легковые автомобили, транспорт общего пользования, железнодорожный и речной транспорт.

Морские системы обслуживают морские и речные суда.

Воздушные системы– космические аппараты (КА), самолеты, вертолеты и т.п.

С помощью радио на подвижные объекты и с них передаются телевизионные и телефонные сообщения, радиотелеметрическая информация, сигналы управления; проводятся измерения параметров движения и местоопределения подвижных объектов.

Основные типы систем мобильной связи

Современные системы мобильной радиосвязи (СМР) весьма разнообразны по спектру применений, используемым информационным технологиям и принципам организации. Поэтому их содержательный обзор был бы затруднен без предварительной систематизации. Основываясь на данных [5-7], можно предложить следующий набор классификационных признаков СМР:

• способ управления системой, иначе способ объединения абонентов - централизованный (координированный) или автономный (некоординированный). При централизованном объединении связь между абонентами производится через центральные (или базовые) станции. В противном случае связь между пользователями устанавливается непосредственно, без участия базовых станций;

• зона обслуживания - радиальная (в пределах радиуса действия радиостанции), линейная (для линейно протяженных зон), территориальная (для определенных конфигураций территории);

• направленность связи - односторонняя или двусторонняя связь между абонентом и базовой станцией;

• вид работы системы - симплекс (поочередная передача от абонента к базовой станции и обратно) или дуплекс - одновременная передача и прием в каждом из двух названных направлений;

• метод разделения каналов в системе радиосвязи, или метод множественного доступа - частотный, временной или кодовый;

• способ использования частотного ресурса, выделенного системе связи, - жесткое закрепление каналов за абонентами, возможность доступа абонентов к общему частотному ресурсу (транкинговые системы), повторное использование частот за счет пространственного разнесения передатчиков (сотовые системы);

• категория обслуживаемых системой связи абонентов - профессиональные (служебные, корпоративные) абоненты, частные лица;

• вид передаваемой информации - речь, кодированное сообщение и др.

Учитывая распространенность существующих типов СМР, а также перспективы их развития, можно предложить следующую систему классификации СМР, основу которой составляют три из перечисленных ранее отличительных признака:

• назначение системы и размер зоны радиопокрытия;

• метод множественного доступа;

• схема дуплексирования каналов радиолинии.

В зависимости от назначения системы, объема предоставляемых услуг и размеров зоны обслуживания можно выделить следующие четыре типа СМР:

• транкинговые системы связи (ТСС);

• системы персонального радиовызова (СПРВ);

• системы персональной спутниковой связи (СПСС);

• сотовые системы мобильной связи (ССМС).

По способу организации множественного доступа, т.е. технологии распределения между отдельными каналами связи частотно-временного ресурса, выделяют СМР на основе одной из трех конкурирующих технологий:

• множественный доступ с частотным разделением каналов (МДЧР, англоязычная аббревиатура FDMA - frequency division multiple access);

• множественный доступ с временным разделением каналов (МДВР или TDMA - time division multiple access);

• множественный доступ с кодовым разделением каналов (МДКР или CDMA - code division multiple access).

Что же касается третьего признака классификации - дуплексирования каналов, то различие СМР состоит в способе организации информационного обмена в радиоканале двусторонней связи между абонентами либо между базовой станцией и абонентом. Наибольшее распространение находят системы с организацией дуплексной передачи на основе частотного и временного разделения.

Помехи - это воздействия, искажающие передаваемый сигнал.

Типы помех:

- аддитивная, если помеха ξ (t) складывается с сигналом S(t) и на вход приемника действует их сумма

Х(t) = ξ (t)+S(t) (5-2)

- мультипликативная, если результирующий сигнал равен произведению из помехи и передаваемого сигнала

Х(t) = ξ (t)·S(t) (5-3)

Замирания сигнала

Сигнал на радио интерфейсе системы сотовой связи редко когда распространяется по прямой. На пути распространения обычно попадаются различные препятствия, которые ведут к отражениям сигнала и изменению его траектории. В результате может сложиться ситуация когда к приемнику будут поступать не одна а сразу несколько сдвинутых по времени копий исходного сигнала с разными амплитудами. Причем энергия исходного сигнала будет распределена между копиями неравномерно. Это так называемое явлениемноголучевого распространения сигнала. Само по себе это явление не ведет к большим проблемам, т.к. существуют достаточно эффективные методы борьбы, например, Rake-приемник. Однако может сложиться ситуация когда две копии сигнала придут в противофазе. Это означает, что копия сигнала может задержаться на промежуток времени кратный периоду сигнала. В таком случае два луча сигнала могут сложиться в приемнике и нейтрализовать друг друга. Если окажется, что эти два луча в сумме несли весомую энергию сигнала, то это может привести к увеличению числа ошибок и снижению качества канала связи. Это явление получило название " замирания" сигнала, т.е. сигнал вроде как перестает на время поступать между источником и приемником.

Замирания сигналов

Выделяют две основные разновидности замираний в зависимости от эффекта оказываемого ими и их причины: быстрые и медленные замирания. Медленные замирания вызваны, как правило, плохими метеоусловиями и существуют достаточно эффективные методы борьбы с ними. Быстрые замирания вызваны преимущественно движением приемника (источника) или препятствиями близкорасположенными с получателем сигнала. Этот вид замираний частотно селективен, т.е. изменение частоты, на которой ведется передача, может или снизить этот эффект, или полностью его убрать.

Таким образом, замирания сигнала – это одна из самых важных проблем в сотовой связи. Однако многолетний опыт и большой объем наработок в области сотовой связи позволяют в настоящее время достаточно эффективно бороться с замираниями.

ЦИКЛИЧЕСКИЕ КОДЫ

Разрешенные кодовые комбинации циклического кода F(x)могут быть получены двумя способами [46, 68]:

умножением кодовой комбинации Q(x) простого кода на одночлен x^r, и добавлением к этому произведению остатка R (х), полученного в результате деления произведения Q(x)x^r на образующий полином Р(х):

; (8.16)

умножением кодовой комбинации Q(x)простого кода на образующий полином:

(8.17)

Циклические коды

Циклические коды (ЦК) относятся к подклассу линейных блоковых кодов и наиболее просты в реализации. Если некоторое кодовое слово принадлежит ЦК, то его циклические перестановки также принадлежат ЦК. Иными словами, (n − 1) кодовых слов ЦК могут быть сформированы в кодеке путем циклического сдвига одного кодового слова, т.е. на регистрах сдвига и сумматорах по модулю 2.

Покажем, что для циклического кода можно также построить порождающие и проверочные матрицы и реализовать синдромное декодирование более простым способом, чем для линейных блоковых кодов.

Кодовое слово C = [c_n_-1c_n_-2… c₁ c₀] циклического кода с n элементами связывают с полиномом C(p) степени ≤ (n− 1):

C(p) = c_n_-1∙ pⁿ^-1+ c_n_-2∙ pⁿ^-2+ …+ c₁∙ p+ c₀, (3.30)

где для двоичного кода коэффициенты с_i являются нулем или единицей.

Циклическому сдвигу кодового слова на одну позицию соответствует умножение этого полинома на р

pC(p) = c_n_-1∙ pⁿ+ c_n_-2∙ pⁿ^-1+ …+ c₁∙ p²+ c₀p.

Полученный полином при с_n_-1=1 не может соответствовать кодовому слову по условию (3.30), так как его степень n.

Если его разделить на (pⁿ+1), то получим частное и остаток

(3.31)

С_п-1 р^п + С_п-2 р^п-1 +…С₀ р│ P^п+1

С_п-1 р^п + С_п-1 С_п-1-частное

С_п-2 р^п-1 +…С₀р+ С_п-1- остаток

где остаток от деления равен полиному

C₁(p) = c_n_-2∙ pⁿ^-1+ c_n_-3∙ pⁿ^-2+ …+ c₀∙ p+ c_n_-1.

Этот остаток представляет согласно (3.30) кодовое слово

C₁= [ c_n_-2 c_n_-3… c₀ c_n_-1] _,

полученное сдвигом на одну позицию.

В этом случае этот остаток от деления можно записать согласно уравнению (3.31) в виде:

C₁(p) = pC(p) mod (pⁿ+1),

соответственно при i циклических сдвигах

C_i(p) = pⁱ C(p) mod (pⁿ+1) (3.32)

где полином C_i (p) также представляет кодовое слово C_i ЦК.

Таким образом, умноженный на pⁱ полином C(p) ЦК удовлетворяет согласно (3.31) условию циклического сдвига:

pⁱ C(p) = Q(p) (pⁿ+1)+C_i(p), (3.33)

где Q(p) - частное от деления полиномов;

C_i (p) - остаточный от деления полином, представляющий кодовое слово C_i ЦК.

Известно, что полином (pⁿ+1 ) можно факторизовать (представить произведением сомножителей) в виде:

(pⁿ+1) = g(p)∙ h(p), (3.34)

где g(p) - порождающий полином степени (n − k) ЦК (n, k);

h(p) - проверочный полином степени k, который можно использовать для генерации дуального ЦК (n, n− k).

Покажем, что генерируемые этими полиномами ЦК удовлетворяют условию циклического сдвига (3.33).

Циклический (n, k) код будем генерировать, используя в качестве порождающего полином g(p) с двоичным коэффициентами:

(3.35)

Пусть полином информационного сообщения

, (3.36)

где [ x_k_-1,x_k_-2,…x_1, x₀ ] определяют k информационных бит кодового слова ЦК и соответственно 2^k полиномов .

Тогда произведение полиномов

(3.37)

формирует 2 ^k полиномов степени ≤ ( n − 1 ), каждому из которых соответствует кодовое слово C_m ЦК, т.к. каждое из них удовлетворяет условию циклического сдвига (3.33).

17.6. Коды Голея

Код Голея относится к числу наиболее интересных, т.к. он позволяет исправлять ошибки высокой кратности и является совершенным кодом. Код Голея (23, 12) является циклическим и исправляет все конфигурации ошибок, кратность которых не больше трех. Код(24, 12) образуется из кода (23, 12) добавлением символа проверки на четность к кодовым словам кода (23, 12). Эти коды имеют минимальное кодовое расстояние, равное 7 и 8, соответственно. Поэтому код (24, 12) кроме исправления ошибок кратности 3 обеспечивает обнаружение ошибок кратности 4 при незначительном изменении кодовой скорости. Код (24, 12) является одним из наиболее распространенных.

Коды Голея

Код Голея позволяет исправлять ошибки высокой кратности и является совершенным ЦК.

Код Голея (23, 12) может генерироваться порождающим полиномом g(p)=p¹¹+p⁹+p⁷+p⁶+p⁵+p+1 и исправляет все конфигурации ошибок, кратность которых не больше трех. Расширенный код (24, 12) образуется из кода (23, 12) добавлением символа проверки на четность к словам кода

(23, 12). Эти коды имеют минимальное кодовое расстояние, равное 7 и 8 соответственно. Поэтому код (24, 12) кроме исправления ошибок кратности 3 обеспечивает обнаружение ошибок кратности 4 при незначительном изменении кодовой скорости и является одним из наиболее известных.

Последовательности Баркера

АКФ - это разность между числом совпадений (А) и несовпадений (Б) символов кодовой последовательности и ее сдвинутой копии при их посимвольном сравнении. Например, автокорреляционная функция кодовой последовательности Баркера длиной 11 чипов, имеет следующий вид:

1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0

Посимвольное сравнение этой последовательности с ее же копией сведем в таблицу 1.

Таблица 1. АКФ последовательности Баркера в 11 чипов

Значение сдвига	Последователь-ность	Число совпадений А	Число несовпа-дений Б	Значение разности
				-1
				-1
				-1
				-1
				-1
				-1
				-1
				-1
				-1
				-1

Графическое изображение АКФ данной последовательности Баркера показано на рис.1.

-1

Рис.1. График АКФ последовательности Баркера в 11 чипов

Такую АКФ можно назвать идеальной, поскольку на ней отсутствуют боковые пики, которые могли бы способствовать ложному обнаружению сигнала.