Принцип кодового разделения каналов

   1. Принцип кодового  разделения каналов

   При кодовом разделении каналов  каждому  индивидуальному каналу назначается  свой характерный ключевой признак (код). Таким признаком может быть номер приемника получателя информации. Затем индивидуальные каналы объединяются в передатчике в групповой сигнал, который передается по каналу связи. Каждому индивидуальному каналу выделяется одна и та же самая широкая полоса частот, так что во время передачи каналы накладываются друг на друга, но поскольку их коды отличаются, они могут быть легко выделены на приемной стороне. Принцип кодового разделения каналов реализован в системах сотовой радиосвязи, использующей технологию многостанционного доступа CDMA.

     Принципы  кодового разделения каналов связи  основаны на использовании широкополосных сигналов (ШПС), полоса которых значительно превышает полосу частот, необходимую для обычной передачи сообщений, например, в узкополосных системах с частотным разделением каналов (FDMA). Основной характеристикой ШПС является база сигнала, определяемая как произведение ширины его спектра F на его длительность Т : В= F*T

       В цифровых системах связи,  передающих информацию в виде  двоичных символов, длительность  ШПС Т и скорость передачи сообщений С связаны соотношением: Т = 1/С. Поэтому база сигнала В = F/C характеризует расширение спектра ШПС относительно спектра сообщения. Расширение спектра частот передаваемых цифровых сообщений может осуществляться двумя методами или их комбинацией:

      1. прямым расширением спектра  частот;

      2. скачкообразным изменением частоты несущей.

       При первом способе узкополосный  сигнал (рис. 1) умножается на псевдослучайную  последовательность (ПСП) с периодом  повторения Т, включающую N бит последовательности длительностью to каждый. В этом случае база ШПС численно равна количеству элементов ПСП В-Т/tо = N.

Рисунок 1 - Прямое расширение спектра частот

     Скачкообразное  изменение частоты несущей (рис. 2), как правило, осуществляется за счет быстрой перестройки выходной частоты  синтезатора в соответствии с законом формирования псевдослучайной последовательности.

Рисунок 2  - Скачкообразное изменение частоты несущей

     Прием ШПС осуществляется оптимальным  приемником, который для сигнала  с полностью известными параметрами  вычисляет корреляционный интеграл:

     где x(t) - входной сигнал, представляющий собой сумму полезного сигнала u(t) и помехи n(t) (в данном случае белый шум). Затем величина Z сравнивается с порогом zq. Значение корреляционного интеграла находится с помощью коррелятора (рис. 3) или согласованного фильтра. Коррелятор осуществляет "сжатие" спектра широкополосного входного сигнала путем умножения его на эталонную копию u(t) с последующей фильтрацией в полосе 1/Т, что и приводит к улучшению отношения сигнал/шум на выходе коррелятора в В раз по отношению ко входу. При возникновении задержки между принимаемыми и опорными сигналами амплитуда выходного сигнала коррелятора уменьшается и приближается к нулю, когда задержка становится равной длительности элемента ПСП tq. Это изменение амплитуды выходного сигнала коррелятора определяется видом АКФ - автокорреляционной функции (при совпадающих входной и опорной ПСП) и ВКФ- взаимнокорреляционной функции (при отличающихся входной и опорной ПСП).

Рисунок 3 – Коррелятор

     Выбирая определенный ансамбль сигналов с "хорошими" взаимными и автокорреляционными  свойствами можно обеспечить в процессе корреляционной обработки (свертки  ШПС) разделение сигналов. На этом основан  принцип кодового разделения каналов  связи.

       В существующих и разрабатываемых системах сотовой связи преимущественно используются ШПС, формирование которых осуществляется по методу прямого расширения спектра (DS – CDMA – Direct Sequence CDMA), в этом случае адресность абонентов определяется формой псевдослучайной последовательности, используемой для расширения полосы спектра частот. Радиосигнал, сформированный в этом случае (рис. 1), называется фазоманипулированным широкополосным сигналом (ФМн ШПС).

       Доминирующее значение в выборе  вида ПСП для формирования ШПС в системах подвижной радиосвязи играют прежде всего взаимные и автокорреляционные характеристики ансамбля сигналов, его объем, простота реализации устройств формирования и "сжатия" (свертки) сигналов в приемнике. В этой связи для формирования ФМн ШПС преимущественно используются линейные М-последовательности и их сегменты. Для расширения объема ансамбля сигналов часто используют составные ПСП, сформированные, например, на основе М-последовательностей и последовательностей Уолша.

     2. Принцип работы  системы сотовой связи стандарта CDMA

Рисунок 4 - Упрощенная структурная схема, поясняющая принцип работы системы стандарта CDMA.

     Информационный  сигнал кодируется по Уолшу, затем смешивается  с несущей, спектр которой предварительно расширяется перемножением с сигналом источника псевдослучайного шума. Каждому информационному сигналу назначается свой код Уолша, затем они объединяются в передатчике, пропускаются через фильтр, и общий шумоподобный сигнал излучается передающей антенной.

       На вход приемника поступают  полезный сигнал, фоновый шум,  помехи от БС соседних ячеек  и от МС других абонентов.  После ВЧ-фильтрации сигнал поступает  на коррелятор, где происходит  сжатие спектра и выделение  полезного сигнала в цифровом  фильтре с помощью заданного кода Уолша. Спектр помех расширяется, и они появляются на выходе коррелятора в виде шума. На практике в ПС используется несколько корреляторов для приема сигналов с различным временем распространения в радиотракте или сигналов, передаваемых различными БС.

     В системах, использующих метод CDMA, изменяя  синхронизацию источника псевдослучайного шума, можно использовать один и  тот же участок полосы частот для  работы во всех ячейках сети. Такое 100%-ное использование доступного частотного ресурса - один из основных факторов, определяющих высокую абонентскую емкость сети стандарта CDMA и упрощающих ее организацию. Системы на базе CDMA имеют динамическую абонентскую емкость. И хотя имеется 64 кода Уолша, этот теоретический предел не достигается в реальных условиях, и абонентская емкость системы ограничивается внутрисистемной интерференцией, вызванной одновременной работой подвижных и базовых станций соседних ячеек.

     2. Параметры антенн

     Любая радиолиния включает в себя передающее и приемное устройства, неотъемлемым элементом которых являются антенны, обеспечивающие излучение и прием электромагнитных волн. Эти антенны называются соответственно передающими и приемными. Передающая антенна преобразует энергию высокочастотных колебаний токов или полей, поступающих от передатчика, в энергию излучаемых в пространство электромагнитных волн. Приемная антенна преобразует энергию электромагнитных волн, принятых из окружающего ее пространства, в энергию высокочастотных колебаний токов или полей, поступающих от антенны во входные цепи приемника. Антенны (кроме активных) обладают свойством обратимости, т.е. любая из них, в принципе, может работать как в режиме приема, так и в режиме передачи. 
 

     Параметры и характеристики передающих антенн

     Принципиальным  отличием передающей антенны от других, применяемых в радиотехнической аппаратуре устройств, является создание с ее помощью электромагнитного волнового поля излучения.

     Антенна по отношению к передатчику с  одной стороны выполняет функцию  нагрузки, поглощающей вырабатываемую им энергию. При этом, в общем случае, входное сопротивление антенны является  комплексным.

         (2)

     где – активная составляющая входного сопротивления, равная сумме сопротивлений излучения и потерь, отнесенных к входным клеммам антенны;

       - реактивная составляющая входного сопротивления,  соответствующая мощности реактивных полей вокруг антенны .

     С другой стороны часть потребляемой энергии излучается антенной в виде свободно распространяющихся электромагнитных волн. Принимая во внимание эти два обстоятельства, антенну следует считать преобразователем энергии важнейшей характеристикой которого является коэффициент полезного действия (КПД).

     КПД антенны называют отношение излучаемой мощности к общей мощности, подводимой к антенне:

         (3)

     Способность антенны излучать электромагнитные волны с различной интенсивностью в разных направлениях характеризуется  ее направленными свойствами.

     Создаваемое антенной в дальней зоне электромагнитное поле характеризуется амплитудой, поляризацией и фазой вектора электрической напряженности . Эти величины зависят от расстояния и направления излучения, то есть от углов и сферической системы координат. Зависимость амплитуды напряженности поля от направления в пространстве на одинаковом достаточно большом расстоянии от антенны называется характеристикой направленности, то есть

               (4)

     Обычно характеристику направленности нормируют к единице путем деления ее на величину максимальной напряженности поля, создаваемой в направлении максимума излучения:

      .  (5)

     Иногда  пользуются понятием характеристики направленности по мощности, которая равна квадрату характеристики направленности по полю. Графическое изображение характеристики направленности называют диаграммой направленности.

     Построение  диаграммы направленности возможно в полярной или прямоугольной  системах координат. В общем случае может быть построена пространственная диаграмма направленности, но так как данная процедура весьма затруднительна, то на практике ограничиваются изображением ее наиболее характерных сечений, например сечений двумя ортогональными плоскостями, проходящими через максимум излучения.

     Степень концентрации электромагнитной энергии  в главном направлении характеризуется  шириной главного лепестка (шириной  диаграммы направленности). Шириной  диаграммы направленности называют угол между двумя направлениями, в пределах которого напряженность поля уменьшается в раз, а мощность - в два раза по сравнению с ее максимальным значением.

     Для количественной оценки свойства антенны  концентрировать излучение энергии  ЭМВ в определенном направлении  вводят понятие коэффициент направленного действия (КНД), который определяется отношением мощности излучения некоторой воображаемой ненаправленной антенны к мощности излучения данной антенны , создающих в направлении максимума излучения на одинаковом расстоянии равные напряженности поля:

                       ,                                 (6)

     Для произвольного направления КНД  определяется соотношением:

         (7)

     КНД показывает выигрыш по мощности, который получается в направлении главного максимума излучения за счет концентрации излучения в этом направлении и ослабления в других, но при этом не учитывает возможных потерь в направленной антенне.

     Для суждения о выигрыше, даваемом антенной, при учете как ее направленного  действия, так и потерь в ней, служит параметр, называемый коэффициентом  усиления антенны (КУ).

     КУ  принято обозначать через  и количественно определять соотношением:

         (8)

     Таким образом, коэффициент усиления показывает, во сколько раз нужно уменьшить (или увеличить) мощность, подводимую к направленной антенне, по сравнению  с мощностью, подводимой к идеальной  ненаправленной антенне без потерь, для того чтобы получить одинаковую напряженность поля в рассматриваемом направлении.

     Коэффициент, связывающий напряженность электрического поля, создаваемого антенной в направлении  главного излучения, с током в  передающей антенне, имеет размерность  длины и называется действующей длиной антенны. С физической точки зрения действующую длину антенны можно представить как длину некоторой воображаемой антенны с равномерным распределением тока, равным току на ее зажимах, создающей в направлении максимума излучения ту же напряженность поля, что и рассматриваемая антенна.

Параметры и характеристики приемных антенн.

     Большинство рассмотренных выше параметров передающих антенн можно использовать и для  характеристики антенн, используемых в качестве приемных, но при этом некоторые параметры несколько изменят свой физический смысл.

     Среди параметров, характеризующих приемные антенны, важнейшим является эффективная  площадь антенны "А", позволяющая  оценивать способность приемной антенны извлекать энергию из поля электромагнитной волны.

     Эффективной площадью антенны "А" называют отношение  максимальной мощности, отдаваемой приемной антенной (без потерь) в согласованную  нагрузку к величине вектора Пойнтинга "П" приходящей плоской волны:

        (9)

     С физической точки зрения эффективная площадь антенны представляет собой некоторую, соответствующую данной антенне, площадку (перпендикулярную направлению прихода ЭМВ) поглощающую всю энергию падающей на нее волны.

     Между эффективной площадью "А" и  коэффициентом усиления антенны существует простая связь:

      .

     3. Оптическая беспроводная  связь

     Назначение, применение и преимущества

     Технология  беспроводной оптики (Free Space Optics - FSO) известна достаточно давно: первые эксперименты по передаче данных с помощью беспроводных оптических устройств были проведены более 30 лет назад. Однако ее быстрое развитие началось с начала 1990-х гг. с появлением широкополосных сетей передачи данных. Первые системы производства компаний A.T.Schindler, Jolt и SilCom обеспечивали передачу данных на расстояния до 500 м и использовали инфракрасные полупроводниковые диоды. Прогресс подобных систем сдерживался в основном из-за отсутствия надежных, мощных и "скорострельных" источников излучения.

     В настоящее время такие источники появились. Современная технология FSO поддерживает соединения до уровня ОС-48 (2,5 Гбит/c) с максимальной дальностью до 10 км, а некоторые производители заявляют о скорости передачи данных до 10 Гбит/с и расстояниях до 50 км. При этом на показатель реальной максимальной дальности оказывает влияние доступности канала, то есть процента времени, когда канал работает.

     Скорости  передачи данных, обеспечиваемые системами FSO, примерно такие же, как и у  волоконно-оптических сетей, поэтому  они наиболее востребованы в широкополосных приложениях на участке "последней мили". Беспроводные оптические системы используют диапазон инфракрасного излучения от 400 до 1400 нм.  

     Идеология построения систем беспроводной оптики основана на том, что оптический канал  связи имитирует отрезок кабеля. Такой подход не требует дополнительных протоколов связи или их модификации.

     Можно говорить о следующих возможных  областях применения беспроводных оптических систем:

       связь на участках, где между  двумя точками в пределах прямой видимости имеются различные препятствия (водная преграда, железнодорожные пути, автострады, парки и т.п.);

       срочная организация резервного  канала в случае аварий на  основном канале связи, создание  временных каналов;

       связь между двумя узлами внутри  крупного комплекса при наличии больших объемов трафика;

       объединение сегментов высокоскоростных  локальных сетей; 

       передача трафика Интернета, IP-телефонии,  видеоконференц-связи;

       видеонаблюдение. 

     Появление оборудования, поддерживающего связь  на больших дистанциях, расширяет область его применения и на магистральные сети.

     Необходимо  отметить, что в среднем дальность  связи в городских условиях колеблется от 1 до 5 км. При таких расстояниях  современное оборудование обеспечивает довольно высокое качество связи: по разным оценкам время неблагоприятных для связи погодных условий составляет 0,01--0,001% от общего времени работы. При этом ухудшение погодных условий не приводит к перерывам в работе канала, в ряде случаев наблюдается лишь уменьшение скорости информационного обмена за счет повторной передачи информации. 

     Оптическим  системам присущи определенные характеристики, которые делают их довольно востребованными  на рынке:

       хорошая защищенность канала  от несанкционированного доступа.  Несанкционированный съем передаваемой информации возможен только тогда, когда приемник сигнала размещается непосредственно перед передатчиком, что неизбежно приводит к перерывам связи в основном канале и регистрации такой попытки. Оптические системы можно использовать при организации канала для приложений, требующих высокого уровня безопасности (в военные целях, в банковской сфере и.т.д.);

       значительные информационные емкости  каналов (до десятков Гбит/с)  обеспечивают возможность устойчивого  криптографирования с высоким  уровнем избыточности;

       высокая помехозащищенность канала. В отличие от радиоустройств  и модемов для выделенных линий  оптические системы не восприимчивы  к помехам и электромагнитному  шуму; для организации канала  не требуется получение разрешений  на частоту, что существенно удешевляет и ускоряет создание сети. Для применения таких устройств достаточно гигиенического сертификата, а в случае их использования в сетях общего пользования еще и сертификата системы "Электросвязь".

Типы  устройств

     Построение  всех инфракрасных систем передачи практически одинаково: они состоят из интерфейсного модуля, модулятора излучателя, оптических систем передатчика и приемника, демодулятора приемника и интерфейсного блока приемника. В зависимости от типа используемых оптических излучателей различают лазерные и полупроводниковые инфракрасные диодные системы, имеющие разные скорости и дальность передачи. Первые обеспечивают дальность передачи до 15 км со скоростями до 155 Мбит/с (коммерческие системы) или до 10 Гбит/с (опытные системы). Следует отметить, что с ужесточением требований к качеству канала дальность связи снижается. Вторые обеспечивают существенно меньшую дальность передачи, хотя по мере развития технологии дальность и скорость связи возрастают.

     Главное преимущество полупроводниковых диодов заключается в высоком времени наработки на отказ. Кроме того, такие каналы менее чувствительны к резонансному поглощению в атмосфере. Форма сечения луча от полупроводниковых диодов практически круглая.

     Недостатки  полупроводниковых диодов и, соответственно преимущества лазерных, заключаются в том, что из-за широкой полосы излучения существуют теоретические сложности в передаче высокоскоростного сигнала. Передатчик должен передавать как можно более узкополосный сигнал с наименьшим количеством мод. Лазерные диоды как раз и обладают такими свойствами, но чем уже полоса сигнала, тем больше потенциальная вероятность того, что сигнал попадет в атмосфере в резонансную полосу поглощения какого-нибудь газа и качество сигнала снизится.

     Форма сечения луча от лазерных диодов - эллиптическая. Для борьбы с этим недостатком применяют различные методы: от использования призматических линз до ограничения апертуры оптической системы при потере части мощности.

     Существует  еще и промежуточная группа устройств, в которых для передатчиков используются лазерные диоды VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser -- лазер с вертикальным эмитированием через полость в поверхности). Эти устройства обладают узкой полосой излучения и высоким временем наработки на отказ, а также круглой формой сечения луча. Однако на данном уровне развития технологии мощность их излучения не превышает 7 мВт на диод в многомодовом режиме, поэтому для увеличения выходной мощности применяют несколько излучателей, работающих одновременно, что осложняет синхронизацию между ними.  

     В недалеком прошлом работа оптических систем передачи существенно зависела от погодных условий, но в современных  системах применяются методы коррекции, значительно повышающие устойчивость связи. Основными источниками естественных помех являются:

       фоновые засветки за счет солнечного  излучения, рассеянного атмосферой  и отраженного поверхностями  в пределах поля зрения фотоприемного  устройства, приводящие к увеличению  шума фотодетектора; 

       туманы, дым, ослабляющие сигнал;

       турбулентность атмосферы, вызванная  перемещением воздушных масс, изменениями  температуры и плотности воздуха,  являющаяся причиной паразитной  модуляции сигнала. 

     Именно  в силу этих естественных помех максимально  возможное расстояние и рекомендованное  рабочее расстояние гарантированной работы оптического канала существенно различаются.

     Правильная  установка оборудования снижает  вероятность фотонной засветки приемника. В средних широтах ориентация системы приблизительно с юга  на север почти исключает попадание солнца на линию канала связи. На практике вероятность засветки канала крайне низка. Для этого место установки должно быть единственно возможным и крайне неудачно ориентированным на восток-запад. Почти всегда есть возможность сместить приемник (повернуть канал) на несколько метров, что-либо вообще исключает возможность засветки, либо сводит ее время до 1--1,5 мин.

     Наиболее  негативное влияние на качество связи  с помощью беспроводных оптических систем оказывает туман, который  вызывает рассеяние луча во всех направлениях. В результате этого эффекта приемника достигает лишь небольшой процент переданного сигнала, то есть мощность излучения падает. Дождь является меньшей помехой за счет того, что дождевые капли крупнее капель воды тумана, поэтому вызванное дождем затухание сигнала в 100 раз меньше, чем при тумане.

     Снег  также приводит к рассеянию сигнала, однако, степень его влияния определяется содержанием в нем воды. Реальное затухание сигнала, вызванное снегом, находится внутри границ диапазона  затухания для дождя и тумана.

     Все перечисленные атмосферные явления  приводят к уменьшению соотношения "сигнал/шум" и, как следствие, к увеличению вероятности ошибок при передаче информации.

     Существует  несколько способов повышения уровня надежности беспроводной оптической связи:

       увеличение мощности передатчика  или чувствительности приемника; 

       уменьшение угловой расходимости  светового пучка; 

       сокращение расстояний, на которых  осуществляется беспроводная связь.