Лекция за 10 неделю на тему: «Способы борьбы с негативными воздействиями на радиосигнал». Ответственная Шихранова о. Ю.

Способы борьбы с негативными воздействиями на радиосигнал

При передаче сигнала сотовой связи через эфир на него воздействует целый комплекс нежелательных воздействий. К ним можно отнести: затухание, многолучевое распространение, замирания, временные задержки и др. Однако в существующих системах сотовой связи внедрен целый ряд методов борьбы. Некоторые из них используется во многих системах связи и не только радио, но и проводных (например, помехоустойчивое кодирование). Но существует целый ряд проблем, для которых были специально разработаны уникальные методы и они были внедрены впервые именно в сотовой связи. Наиболее значимые способы защиты для сотовой связи перечислены ниже:

Перемежение (Interleaving)

Разнесённый приём (Antenna Diversity)

Перескоки по частоте (Frequency Hopping)

Адаптивная коррекция (Adaptive Equalization)

Помехоустойчивое кодирование

Управление мощностью

Это лишь ряд из существующих и применяемых методов. Для каждого конкретного стандарта набор применяемых способов защиты и их настройки могут сильно отличаться. Существенное влияние на комплекс применяемых способов борьбы оказывает способ разделения каналов. Так для стандарта GSM опасны частотно селективные помехи, когда действие мешающего внешнего источника сосредоточено в узком частотном диапазоне. Для стандарта UMTS, возникновение частотно селективных помех не оказывает существенного воздействия, т.к. энергия полезного сигнала распределена в широкой полосе частот и незначительная потеря существенно не повлияет на общее качество сигнала. Однако системы с WCDMA чувствительны к интерференции и требуют специальных способов управления мощностью.

В статьях, представленных в текущем разделе, рассматриваются представленные выше методы. В них не дается подробное описание всех технических характеристик, значений и подробностей работы. Их главная цель – дать читателю общее представление о применяемых методах борьбы с нежелательными воздействиями на радиосигнал сотовой связи.

Перемежение (Interleaving)

Передаваемый через эфир радиосигнал подвергается помехам различных типов. Это могут быть промышленные шумы, атмосферные помехи (например, грозы) и т.п., При этом многие ошибки не одиночны по времени, а возникают пачками. Это означает, что длительности воздействующего мешающего сигнала достаточно для возникновения ошибок в нескольких подряд идущих битах. Главная опасность такого вида помех заключается в том, что применяемые способы защиты от помех обычно могут распознать и исправить не более одной ошибки. Пачечные ошибки эти виды защиты не определяют, что соответственно может привести к ухудшению качества связи.

Для борьбы с пачечными ошибками в сотовой связи применяется так называемый Interleaving или перемежение. Суть его заключается в том, что перед передачей в эфир биты переставляются местами. Например, вместо последовательности «1, 2, 3, 4, 5, 6 …» создается последовательность: «5, 3, 6, 1, 4, 2 …». Причем одна и та же схема перемежения, обычно, накладывается как маска и применяется циклически к цифровому потоку. После перемежения полученная последовательность подвергается дальнейшим преобразованиям, как и обычный цифровой сигнал. После приема сигнала последовательность подвергается обратной перестановке, чтобы получить исходный сигнал. В случае, если на сигнал будет воздействовать пачечная помеха, например, на подряд идущие биты 3, 6 и 1, то после восстановления исходного потока эти биты окажутся не рядом стоящими и к ним уже можно будет применить стандартные алгоритмы защиты от ошибок. Очевидно, что чем меньше отрезок сигнала, т.е. чем короче кадр по времени будет подвержен перемежению, тем более коротким пачечным ошибкам он может противостоять. Однако чем более длительный отрезок сигнала будет вовлечен в перемежение, тем больше это потребует производственных возможностей и может потребовать дополнительных временных затрат и привести к задержкам сигнала. Поэтому на практике выбирают золотую середину: берут достаточно длительный кадр для перемежения, что бы можно было противостоять пачечным ошибкам достаточно часто встречающимся в радиоэфире.

Пример действия перемежения на практике

На практике часто применяют несколько ступеней интерливинга. После первичного перемежения, затем берется кадр, включающий в себя несколько первых кадров интерливинга, после чего еще раз проводят процедуру. Подобная двойная схема перестановки позволяет очень хорошо защитить сигнал и избежать практически всех длительных ошибок в канале связи.

Также к положительным эффектам процедуры Interleaving можно отнести повышение помехоустойчивости канала связи. Дело в том, что схемы интерливинга могут меняться со временем. Это усложняет для противника процесс выделения полезного сигнала и требует больших временных и вычислительных ресурсов.

Разнесённый приём (Antenna Diversity)

Одними из наиболее негативных явлений, возникающих в процессе передачи информации через радиоэфир, являются замирания сигнала. Радиосигнал сотовой связи во время распространения от источника к получателю может отражаться от различных препятствий. Вследствие многочисленных переотражений к получателю может прийти не одна, а сразу несколько копий исходного сигнала. При этом если одна из копий окажется в противофазе с основным источником сигнала, т.е. отставать от него на половину периода (1,5; 2,5 и т.д.), то после сложения двух копий сигнала в приемнике энергия основного сигнала окажется подавленной его копией. В результате этого вся или почти вся энергия переданного сигнала будет потеряна. Это в свою очередь приведет к ошибке в приеме сообщения. Также на сигнал во время передачи могут воздействовать различные виды помех и искажений. Кроме того, во время передачи радиосигнал претерпевает затухание. В итоге на приемной стороне энергия сигнала может оказаться ниже порога чувствительности приемника, что приведет к пропуску сигнала или ошибочному его приему.

Одни из возможных способов борьбы с обозначенными выше проблемами это использование нескольких копий сигнала на приемной стороне. Существует несколько вариантов получения копий сигнала, например повторная передача. Тогда это будет временное разнесение. Также можно передавать один и тот же сигнал на разных частотах – это частотное разнесение. Однако подобные способы разнесения требуют дополнительных затрат ресурсов. В сотовой связи используются более экономичные, но не менее эффективные способы разнесения: пространственное и поляризационное. Для реализации пространственного разнесения на базовой станции устанавливаются не одна, а две антенны на прием. Причем антенны могут быть установлены с вертикальным или горизонтальным пространственным разносом. Однако обычно на практике применяется горизонтальное разнесение, т.к. при этом требуется меньшее расстояние между антеннами. От каждой из приемных антенн до приемопередающего оборудования прокладывается отдельный фидер, а уже приемники базовой станции оценивают оба принятых сигнала. В результате вероятность появления эффекта «замирания» сигнала сразу на двух антеннах значительно снижается. Кроме того увеличивается суммарная принятая энергия полезного сигнала.

Принцип разнесенного приема

Сигнал сотовой связи от приемника к передатчику обычно распространяется в какой-либо плоскости. При этом, за счет различных причин (переотражения, неоднородность среды) возможно отклонение от заранее заданной плоскости, например вертикали. В результате к получателю радиосигнала поступят несколько копий исходного сигнала с различной поляризацией. Для того, чтобы собрать энергию сигнала из различных плоскостей и применяется поляризационное разнесение. Этот тип разнесения реализуется по средствам размещения внутри приемной антенны принимающих элементов под прямым углом друг к другу. Таким образом, удается собрать больше энергии исходного сигнала. Основная задача поляризационного разнесения – это борьба с затуханием сигнал

Перескоки по частоте (Frequency Hopping)

На сигнал, передаваемый по радиоинтерфейсу между базовой станцией (BTS) и сотовым телефоном (MS) воздействуют различные внешние помехи. Это могут быть шумы промышленного происхождения (генераторы, сварочное оборудование и т.п.) или атмосферные помехи (например, грозовые разряды). Некоторые из помех распределены в каком-то частотном диапазоне и равномерно воздействуют на различные частотные каналы. К таким помехам относится белый шум, мощность которого равномерно распределена во всем спектре. Однако некоторые мешающие воздействия сосредоточены в каком-то узком частотном диапазоне и оказывают воздействие только на некоторые частотные каналы. Такие помехи называются частотно селективными. Причем они могут быть непрерывными во времени или иметь прерывистый характер, также могут дрейфовать и иметь изменяющуюся мощность. Частотно селективные помехи опасны тем, что они менее предсказуемы, а их мощность может изменяться в широком диапазоне. Для радиосоединений в сотовой связи это может привести к существенному ухудшению качества или полному разъединению и невозможностью установить соединение в течение действия помехи.

Одним из возможных способов борьбы с частотно селективными помехами может быть увеличение мощности. Однако подобный метод не позволяет бороться с высокими выбросами энергии и не является энергетически эффективным. В сотовой связи большее распространение нашел метод, называемый Frequency Hopping или перескоки по частоте. Суть его заключается в том, что во время радиосоединения частотный канал не постоянен и постоянно меняется в пределах заранее заданного набора, известно обеим сторонам передачи. Главное, чтобы смена частотного канала происходила синхронно, иначе возможна потеря качества или разрыв соединения. Очевидно, что участвующие в Frequency Hopping каналы не должны быть задействованы на той же или соседних базовых станциях. Также имеет значение количество частотных каналов и их разнос друг относительно друга. Чем большее число каналов и чем дальше они разнесены друг от друга, тем меньше вероятности возникновения частотно селективных помех на других каналах. Таким образом, в результате включения данной процедуры если на каком-либо канале возникнут помехи, то их воздействие будет распределено между всеми установленными соединениями. Применяемые в системах сотовой связи процедуры защиты от ошибок обычно позволяют выявить и исправить только редкие и одиночные ошибки. В результате распределения негативного воздействия общее число ошибок в каждом из соединений уменьшиться, а это, в свою очередь, позволит применить алгоритмы защиты от ошибок.

Пример Frequency Hopping

Существует несколько алгоритмов работы Frequency Hopping. Перескоки между каналами могут происходить последовательно от канала к каналу и одинаково от цикла к циклу. Также перескоки могут происходить случайно между каналами, и порядок будет меняться от цикла к циклу. Такой вариант обычно предпочтительнее, т.к. считается, что он позволяет лучше распределить помеху и исключить случай, когда помеха действует периодически и может оказывать воздействие на один и тот же канал.

Адаптивная коррекция (Adaptive Equalization)

Во время передачи сигнала через радиосоединение на него воздействуют различные виды помех. Это могут быть промышленные и атмосферные воздействия, помехи от других систем связи или преднамеренные искажения. При этом достаточно часто помехи разных типов накладываются друг на друга и оказывают на полезный сигнал суммарное воздействие. В результате на практике сталкиваются с помехой постоянно меняющейся по мощности, фазе, частоте и ширине спектра. Поэтому необходимо иметь какой-то механизм, который бы позволял компенсировать эти вредные воздействия. Регулирование мощности не позволяет своевременно подстраиваться под изменяющуюся обстановку, т.к. пока будут произведены измерения и отдана команда на изменение мощности шумовая ситуация уже может несколько раз измениться.

В сотовой связи для борьбы с «быстрыми» изменениями шумовой обстановки используется, так называемая, адаптивная коррекция. Суть ее заключается в том, что вместе с полезным сигналом по частотному каналу передается тестовая последовательность (training sequence), которая заранее известна отправителю и получателю. Во время передачи помеха будет воздействовать не только на полезный сигнал, но и на тестовую последовательность. В результате на приемной стороне будет получен «слепок» канала, соответствующий текущей ситуации в канале связи. После получения полезного сигнала и training sequence в действие вступает эквалайзер Витерби (для стандарта GSM). По полученной тестовой последовательности данный эквалайзер изменяет и полезный сигнал. Вместе с передачей следующей порции полезной информации также будет передана новая тестовая последовательность, которая позволит отрегулировать эквалайзер на новую шумовую обстановку.

Очевидным недостатком данного алгоритма является введение избыточной информации в общий поток информации. Кроме того, возникает необходимость в дополнительных вычислительных мощностях на приемной стороне. Вместе с тем производительность современного телекоммуникационного оборудования и ширина каналов связи заранее предусматривает проведение этих процедур и не мешает нормальному процессу обмена информацией. Также адаптивная коррекция обладает еще одним недостатком: используемый канал оценивается только во время передачи тестовой последовательности и может дать лишь примерную информацию о канале связи в остальное время. Но, как показывает практика, даже выборочное тестирование канала дает достаточно полную картину о его состоянии в целом. Поэтому данный метод борьбы с помехами широко применяется не только в стандарте GSM, но и в последующих стандартах сотовой связи.

Помехоустойчивое кодирование

Защиту от ошибок в системах сотовой связи можно разделить на три основных стадии: предупреждение, обнаружение ошибок и исправление. Интерливинг, адаптивная коррекция, Antenna Diversity в первую очередь используются для предупреждения появления ошибок. Эти методы в совокупности позволяют достаточно эффективно противостоять помехам, затуханию сигнала и другим негативным факторам . Однако избежать появления ошибок в 100% случаев на практике невозможно.

Для обнаружения и исправления ошибок в сотовых системах связи применяется помехоустойчивое кодирование. Суть его заключается в том, что в передаваемый цифровой поток вносится некоторая избыточность. Обычно помехоустойчивое кодирование разделено на 2 части: обнаружение и исправление ошибок. Для обнаружения ошибок обычно применяется CRC (Cyclic Redundancy Check). Он реализуется по средствам вычисления контрольной суммы блока информации и передачи ее вместе с полезной информации. Причем в зависимости от степени важности и скорости передачи информации контрольная сумма может содержать больше или меньше бит. Чем выше важность информации и скорость передачи данных, тем больше контрольных бит нужно передавать. Кроме CRC в различных стандартах может применяться и другой вид кодирования.

Для исправления ошибок применяются другие коды: сверточные, блочные и т.п. Их задача состоит в том, чтобы добавить к передаваемой информации дополнительные биты, которые помогут восстановить исходный сигнал или его часть в случае возникновения ошибки. В зависимости от стандарта (GSM, UMTS и т.п.) разная по важности информация сопровождается различным объемом дополнительных данных. При этом возможно увеличение объема передаваемых данных в 2 или даже в 3 раза.

Помехоустойчивое кодирование – это крайний способ защиты от помех. Если он не поможет справиться с ошибками, то искаженные данные будут переданы пользователю. Поэтому на него накладываются высокие требования по надежности. Однако конкретная реализация зависит от используемого стандарта сотовой связи. В зависимости от поколения, технологий передачи данных и используемых средств может вводиться большая избыточность или могут появиться дополнительные коды, но, в любом случае, главная цель остается не изменой.

Управление мощностью (Power control)

РадиосигналBTS) и мобильным телефоном (MS) подвержен различным нежелательным воздействиям. К ним, в частности, можно отнести воздействие шумов различного происхождения. Кроме того, передаваемый сигнал излучается с конечной мощностью и постепенно затухает в окружающем пространстве. Наиболее очевидный способ борьбы с данными явлениями – это увеличение мощности передаваемого сигнала. Однако данный процесс не такой простой, как может показаться на первый взгляд.

Главная сложность заключается в том, что в одной и той же системе работают сразу несколько источников и приемников сигнала, которые близко расположены друг к другу. Для систем UMTS это особенно важно, т.к. необдуманное увеличение мощности одного из передатчиков может привести к снижению качества и их обрыва соединений других абонентов и не возможности доступа новых. Кроме того, как сотовый телефон, так и базовая станция имеют ограниченные энергетические ресурсы. Поэтому лишняя излучаемая мощность может привести к быстрому разряду аккумулятора для абонентского оборудования и высоким затратам на электроэнергию для BTS. Также нельзя забывать о том, что микроволновое воздействие может оказывать нежелательное воздействие на организм человека. В разных стандартах сотовой связи процесс управления мощностью решался по-разному. В системе GSM был реализован принцип обычной обратной связи. Контроллер базовых станций (BSC) определяет качество соединения по данным полученным от MS и BTS, которые в свою очередь определяются на основе анализа сигнала от противоположного элемента. После оценки уровня ошибок BSC отдает команду на снижение или увеличение для MS или BTS. Также во внимание принимается удаленность MS от BTS. Определение расстояния до абонента возможно по задержке сигнала, т.е. смещения его относительно начала кадра, предназначенного для его передачи.

Принцип управления мощностью в сети сотовой связи стандарта GSM

В стандарте UMTS реализованы сразу три механизма управления мощностью и называются они «петлями». Решение об изменении мощности и команды инициируют сразу три элемента сети: UE, NodeB и RNC. Даже мобильное оборудование, принадлежащее абоненту, может отдавать команды базовой станции на изменение мощности передачи. Три петли управления мощности обеспечивают эффективную борьбу с разными видами искажений: быстрые и медленные замирания, уменьшения воздействия помех и компенсации затухания сигнала. Также в UMTS управления мощностью решает еще одну важную задачу – борьба с интерференцией. Дело в том, что абоненты в данной системе работают в одном частотном диапазоне в одной и той же местности. Разделение каналов связи осуществляется на основе принципа WCDMA, т.е. кодового разделения каналов. Из-за неидеальной ортогональности кодов различные соединения могут оказывать воздействие друг на друга, т.е. будет возникать интерференция. Чем больше будет абонентов в зоне действия одной соты, тем выше будет уровень интерференции. Соответственно, будет снижено качество соединений, скорость передачи данных и максимально возможное число абонентов. Наиболее эффективным способом борьбы с интерференцией является снижение уровня мощности. Поэтому для систем сотовой связи стандарта UMTS управление мощностью – это неотъемлемый аспект нормального функционирования системы и его важность проявляется даже больше чем в каких-либо других стандартах.

Таким образом, процесс управлению мощностью в системах сотовой связи – это один из наиболее важных и ответственных процессов, от которого зависят качество соединения, количество одновременно обслуживаемых абонентов, степень воздействия на организм и даже стоимости услуг.

Контрольные вопросы

1.Назовите наиболее известные способы борьбы с негативным воздействием на радиосигнал?

2. Какой способ разнесения чаще всего применяют на практике?

3. Какие помехи называются частотно селективными и чем они опасны?

4. Суть помехоустойчивого кодирования?