Оглавление

Предисловие 3

Обозначения 6

Сокращения 8

Часть I. РАДИОКАНАЛ 11

Глава 1. Беспроводные сети связи 11
1.1. Мобильные системы радиосвязи 11
1.1.1. Мобильные системы связи первого поколения 12
1.1.2. Мобильные системы связи второго поколения 15
1.1.3. Мобильные системы связи третьего поколения 19
1.2. Общее представление сети мобильной радиосвязи 22
1.2.1. Модель OSI-7 для открытых сетей связи 23
1.2.2. Уровни модели OSI-7 26
1.2.3. Реализация модели OSI-7 для радиосетей 28
1.2.4. Функциональная схема сети радиосвязи 32
1.2.5. Стандарт сети радиосвязи 35
Заключение 37

Глава 2. Цифровые модулирующие сигналы 38
2.1. Представление цифрового сигнала во временной и частотной областях 39
2.2. Вид и параметры цифровых сигналов 43
2.2.1. Вид цифровых сигналов 44
2.2.2. Параметры цифровых сигналов 48
2.2.3. Спектральная плотность мощности цифровых сигналов 51
2.3. Ограничение полосы частот цифрового сигнала и межсимвольная интерференция 58
2.3.1. Искажения сигнала в линейных цепях 58
2.3.2. Сигналы без межсимвольной интерференции. Критерий Найквиста 61
2.3.3. Сигналы с ограниченной межсимвольной интерференцией 67
2.3.4. Сигналы с малой межсимвольной интерференцией 70
2.3.5. Цифровая реализация формирующих фильтров 72
Заключение 73

Глава 3. Узкополосные модулированные сигналы 75
3.1. Основные свойства модулированных сигналов 76
3.1.1. Определение модулированного сигнала во временной
и частотной областях 76
3.1.2. Общие функциональные схемы модуляторов и демодуляторов 80
3.1.3. Некогерентная демодуляция 83
3.1.4. Ограничение спектра модулированного колебания 86
3.1.5. Энергия и расстояние между символами модулированного колебания 89
3.2. Импульсная амплитудная модуляция 90
3.3. Фазовая модуляция 96
3.3.1. Общее представление фазомодулированного сигнала 96
3.3.2. Бинарная фазовая модуляция 99
3.3.3. Квадратурная фазовая модуляция 101
3.3.4. Дифференциальная бинарная фазовая модуляция 106
3.3.5. Дифференциальная квадратурная фазовая модуляция 107
3.3.6. Квадратурная сдвиговая фазовая модуляция 110
3.3.7. Квадратурная амплитудная модуляция 112
3.4. Частотная модуляция 113
3.4.1. Частотно-модулированный сигнал с разрывной фазой 114
3.4.2. Частотно-модулированный сигнал с непрерывной фазой 116
3.4.3. Частотная модуляция минимального фазового сдвига 119
3.4.4. Спектрально-эффективная частотная модуляция 121
3.4.5. Модуляторы частотно-модулированных сигналов
с непрерывной фазой 122
Заключение 127

Глава 4. Модулированные сигналы с расширенным спектром 129
4.1. Сигнал с непосредственным расширением спектра 130
4.1.1. Основные свойства сигнала DSSS 131
4.1.2. Система связи с сигналами DSSS 134
4.2. Широкополосные сигналы со скачками частоты 137
4.3. Сверхширокополосные сигналы 140
4.4. Многомерные сигналы 142
4.4.1. Общее описание многомерных сигналов 142
4.4.2. Многомерная ортогональная модуляция 145
4.4.3. Модуляция OFDM 146
Заключение 150

Глава 5. Синтез и преобразование частот 151
5.1. Функциональная схема и основные компоненты схемы
фазовой автоподстройки частоты 151
5.1.1. Функциональная схема ФАПЧ 152
5.1.2. Генератор опорной частоты 153
5.1.3. Фазовый детектор 158
5.1.4. Фильтр нижних частот 160
5.1.5. Генератор, управляемый напряжением 161
5.2. Синтезатор частоты на основе ФАПЧ 162
5.2.1. Функциональная схема синтезатора частоты 162
5.2.2. Основное уравнение синтезатора частоты 165
5.2.3. Полосы удержания и захвата 166
5.2.4. Частотная и фазовая ошибки в установившемся режиме 168
5.2.5. Время установления частоты 169
5.2.6. Шумовые характеристики синтезатора частоты 173
5.2.7. Паразитные комбинационные составляющие 176
5.2.8. Устойчивость синтезатора 177
5.2.9. Частотная модуляция в синтезаторе частоты 178
5.3. Преобразование частоты 183
5.3.1. Преобразование частоты в петле ФАПЧ 183
5.3.2. Преобразование частоты в балансном смесителе 185
Заключение 187

Глава 6. Распространение радиоволн в условиях города 188
6.1. Методы анализа распространения радиоволн в городских условиях 189
6.2. Расчет дальности связи на основе модели «большого расстояния» 191
6.2.1. Эмпирическая модель распределения радиополя 191
6.2.2. Расчет дальности радиосвязи по экспериментальным данным 194
6.2.3. Расчет дальности связи по методике МККР 198
6.2.4. Расчет дальности связи по методике EUROCOST 201
6.2.5. Расчет теневых зон радиосвязи 201
6.2.6. Распространение радиоволн внутри здания 203
6.3. Анализ структуры поля на основе модели «малого расстояния» 205
6.3.1. Модель многолучевого радиоканала 205
6.3.2. Основные параметры многолучевого радиоканала 209
6.3.3. Плоский фединг 211
6.3.4. Частотно-селективный фединг 214
6.3.5. Медленный и быстрый фединг 216
6.3.6. Дальность радиосвязи в каналах с замираниями 217
Заключение 221

Глава 7. Оптимальный приемник цифровых сигналов 223
7.1. Общие характеристики приемника цифровых сигналов 223
7.1.1. Функциональная схема приемника 223
7.1.2. Функция максимального правдоподобия 227
7.1.3. Достоверность приема цифровой информации 231
7.2. Оптимальный детектор 235
7.2.1. Корреляционный, ортогональный и согласованный прием 236
7.2.2. Согласованная фильтрация 242
7.2.3. Достоверность приема бинарного цифрового сигнала 246
7.2.4. Посимвольный и последовательный детекторы максимального правдоподобия 250
7.3. Тактовая синхронизация 254
7.3.1. Синхронизация по тактовой частоте передатчика 255
7.3.2. Синхронизация по информационному цифровому сигналу 258
7.4. Оптимальный синхронизированный детектор 263
7.4.1. Функция правдоподобия для синхронизированного детектора 263
7.4.2. Корреляционный синхронизированный детектор 264
7.4.3. Синхронизированный детектор с окнами на задержку-опережение 265
7.4.4. Синхронизированный синфазно-среднефазный детектор 267
Заключение 270

Глава 8. Прием модулированных сигналов 271
8.1. Достоверность приема модулированных сигналов
при идеальной когерентной демодуляции 272
8.1.1. Достоверность приема амплитудно-модулированного сигнала 273
8.1.2. Достоверность приема фазомодулированного сигнала 276
8.1.3. Достоверность приема частотно-модулированного сигнала 278
8.1.4. Достоверность приема частотно-модулированных сигналов
с непрерывной фазой 282
8.2. Неидеальный когерентный демодулятор
и высокочастотная синхронизация 286
8.2.1. Квадратурный когерентный демодулятор 287
8.2.2. Синхронизация по немодулированному колебанию 288
8.2.3. Синхронизация по модулированному колебанию 289
8.2.4. Оптимальный когерентный демодулятор для сигналов
с угловой модуляцией (схема Костаса) 290
8.2.5. Цифровой оптимальный когерентный демодулятор 295
8.3. Некогерентная демодуляция 297
8.3.1. Функция правдоподобия для некогерентного приема 298
8.3.2. Оптимальный некогерентный демодулятор 300
8.3.3. Некогерентный приемник бинарного
амплитудно-модулированного сигнала 302
8.3.4. Некогерентный приемник бинарного
частотно-модулированного сигнала 307
8.3.5. Некогерентный приемник мгновенной частоты FSK-сигнала 311
Заключение 314

Глава 9. Прием сигналов в условиях фединга 316
9.1. Разнесенный прием в широкополосных радиоканалах 317
9.1.1. Статистики принимаемых сигналов 318
9.1.2. Достоверность принимаемой информации 322
9.1.3. Методы реализации разнесенного приема 326
9.2. Применение эквалайзера в частотно-селективных каналах 327
9.2.1. Общие принципы работы эквалайзера 328
9.2.2. Линейный и нелинейный эквалайзеры 330
9.3. Интерливинг 333
Заключение 334

Глава 10. Стандарты на радиоканал мобильной радиосвязи 335
10.1. Требования стандартов на параметры передатчика 336
10.2. Методы обеспечения требований стандартов
на параметры передатчика 340
10.2.1. Основные функциональные схемы передатчиков 340
10.2.2. Реализация требований стандартов на параметры передатчика 343
10.3. Требования стандартов на параметры приемника 345
10.4. Методы обеспечения требований стандартов на параметры приемника 348
Заключение 352

Часть II. СЕТИ И СТАНДАРТЫ ЦИФРОВОЙ РАДИОСВЯЗИ 353

Глава 11. Организация каналов связи 353
11.1. Основные характеристики каналов связи 354
11.1.1. Разделение каналов связи 354
11.1.2. Типы каналов связи 358
11.1.3. Коммутация каналов связи 359
11.1.4. Управление каналами связи 362
11.1.5. Передача данных по каналу связи 362
11.2. Методы доступа к каналам связи 363
11.2.1. Алгоритмы случайного доступа ALOHA 364
11.2.2. Алгоритмы прослушивания радиоканала CSMA 366
11.3. Транкинг и качество обслуживания 367
11.3.1. Сети связи с потерянным вызовом 368
11.3.2. Сети связи с очередями 371
Заключение 372

Глава 12. Организация сетей радиосвязи 373
12.1. Сотовая сеть связи 373
12.2. Частотно-территориальное планирование 375
12.2.1. Модель сотовой сети связи 375
12.2.2. Интерференция частотных каналов в сети 377
12.2.3. Специальные виды сот 380
12.3. Управление мобильными абонентами 383
Заключение 387

Глава 13. Сети связи с частотным разделением каналов 388
13.1. Общее описание стандарта APCO-25 388
13.1.1. Общие характеристики 388
13.1.2. Структура сообщения и способ передачи данных 390
13.1.3. Параметры радиоканала 392
13.2. Услуги сети связи на основе стандарта АРСО-25 394
13.2.1. Сетевые услуги 395
13.2.2. Услуги передачи речи и данных 396
13.2.3. Дополнительные услуги 397

Глава 14. Сети связи с временным разделением каналов 399
14.1. Общие сведения о стандарте TETRA 399
14.2. Системная модель стандарта TETRA 400
14.2.1. Общее описание модели 400
14.2.2. Модуляция и демодуляция 403
14.2.3. Организация физических каналов связи 404
14.2.4. Структура пакета данных 405
14.2.5. Организация логических каналов 407
14.2.6. Доступ к каналам связи и адресация 408
14.2.7. Аутентификация 410
14.3. Основные характеристики стандарта GSM 411

Глава 15. Cети связи с кодовым разделением каналов 415
15.1. Технические характеристики стандарта IS-95 415
15.2. Организация физических каналов связи 416
15.2.1. Прямой канал 416
15.2.2. Обратный канал связи 418
15.3. Управление мобильными абонентами 419
15.4. Управление мощностью абонентских радиостанций 420
Литература 422
Предметный указатель 423


Предисловие
В настоящее время мобильные системы радиосвязи являются наиболее бурно развивающимся сегментом рынка радиосредств. Микроминиатюризация аналоговых СВЧ-микросхем и внедрение микропроцессоров качественно изменили радиоаппаратуру связи: она стала не только средством специального и профессионального назначения, но и средством коммуникации массового потребителя.
Мобильные системы радиосвязи являются сложными радиотехническими комплексами, в которых можно выделить следующие основные составляющие: радиоканал, организацию сети связи и методы доступа к каналам связи, речепреобразование, помехоустойчивое кодирование и шифрование, взаимодействие с прочими сетями связи, периферийными устройствами и системами, диагностику состояния сети связи и статистику работы, управление соединениями и доступом абонентов и т. д.
Основой функционирования любой системы радиосвязи является радиоканал. Метод формирования спектра сигналов, вид модуляции, схема приемника высокочастотных модулированных сигналов, алгоритм восстановления переданного цифрового сообщения определяют основные эксплуатационные характеристики системы радиосвязи: число каналов связи в выделенной полосе частот, скорость передачи информации в канале, достоверность и качество приема информации.
Количество каналов в выделенной полосе частот непосредственно определяет экономическую эффективность сети связи, поэтому каждый новый стандарт связи отличается от предыдущих лучшим использованием спектра. Традиционным методом достижения максимального количества каналов в сети радиосвязи является использование модулированных сигналов, занимающих предельно узкую полосу частот. За последние 15 лет ширина полосы частот, занимаемая узкополосным модулированным сигналом, уменьшилась с 50 до 6,25 кГц, и соответственно увеличилось число каналов. Однако уменьшение полосы частот модулированного сигнала в общем случае приводит к уменьшению скорости передачи информации. Поэтому наряду с фильтрами, ограничивающими полосу частот модулированного сигнала, применяется многоуровневая модуляция. В результате сохраняется скорость передачи
информации, достаточная для передачи речи и низкоскоростных данных. Модулированные узкополосные сигналы применяются в большинстве современных стандартов мобильной радиосвязи, поэтому в первой части книги рассмотрены все типы этих сигналов: амплитудно-модулированные, фазо-модулированные, частотно-модулиро¬ван¬ные, а также функциональные схемы модуляторов, когерентных и некогерентных демодуляторов. Подробно описаны методы ограничения спектра модулированных сигналов, обеспечивающие отсутствие или контролируемый уровень межсимвольных искажений.
Однако возможности уменьшения полосы частот модулированного сигнала ограничены: нельзя бесконечно сужать его спектр. Вследствие этого все более широкое применение находят иные методы модуляции – широкополосная модуляция (DSSS) и многомерная модуляция (OFDM). При использовании широкополосных сигналов все пользователи работают одновременно в одной и той же широкой полосе частот; различие между пользователями определяется персонально назначаемой каждому пользователю кодовой последовательностью, расширяющей спектр информационного сигнала. Теоретически число пользователей в такой системе связи неограниченно, а широкий спектр модулированного сигнала позволяет передавать информацию с очень большой скоростью. Кроме того, широкополосные сигналы значительно более устойчивы к искажениям, которые всегда имеют место при распространении радиоволн. Разумеется, технические проблемы, связанные с реализацией аппаратуры широкополосной связи, ограничивают и число пользователей в сети, и скорость передачи информации, однако уже существующие сети на основе сигналов DSSS в отличие от сетей связи с узкополосными модулированными сигналами обеспечивают интерактивную работу в Интернете и передачу несложного движущегося изображения. Многомерные сигналы (OFDM) позволяют существенно повысить скорость передачи информации в узкополосных каналах и устойчивость к искажениям, вносимым многочисленными отражениями радиоволн в условиях города или внутри здания; применение таких сигналов наиболее перспективно в локальных сетях связи между компьютерами и в цифровом телевидении. В настоящей книге рассмотрены основные свойства сигналов с расширенным спектром (DSSS, FHSS, UWB) и сигналов многомерной модуляции (OFDM), функциональные схемы приемников и передатчиков, в том числе в цифровой реализации.
Основными причинами, затрудняющими прием сигналов и ухудшающими качество принимаемой информации в мобильной сети связи, являются шумы, помехи от прочих радиосредств и искажение полезного сигнала при его распространении в сложных условиях города. Как правило, в городе отсутствует прямая видимость между передатчиком и приемником; сигнал передатчика достигает приемника разными путями за разное время. В результате на входе приемника имеют место многочисленные задержанные копии принимаемого сигнала. Сложность приема усугубляется тем, что количество копий сигнала, время их запаздывания и амплитуды постоянно изменяются вследствие движения абонентов (мобильных радиостанций) и препятствий между ними. Нестационарность параметров среды распространения радиоволн приводит к различного рода замираниям, паразитной амплитудной и угловой модуляции полезного сигнала. Решение вопросов, связанных с оптимизацией функциональной схемы приемника и алгоритма обработки принятого сигнала при наличии шума, помех, искажений и паразитной модуляции, имеет первостепенное значение при проектировании радиоканала; достоверность и качество принимаемой информации являются важнейшими характеристиками сети связи.
В настоящей книге в той или иной форме отражены все основные аспекты построения оптимальной схемы приемника цифровых сигналов. Единой методологической основой построения функциональных схем приемника, схем тактовой и высокочастотной синхронизации является функция правдоподобия для детерминированных сигналов в шумах. Функция правдоподобия отражает вероятности приема ожидаемых значений сигнала, которые могут описываться распределениями Гаусса, Релея или Райса, а оптимальная схема приемника является аппаратурной реализацией условия максимума функции правдоподобия. Приведены модификации основной оптимальной схемы приемника цифровых сигналов в корреляционном и фильтровом вариантах, при оптимальной и субоптимальной фильтрации, когерентной и некогерентной демодуляции, идентификации принятых сигналов с использованием алгоритма Витерби. Сравнение и оценка качества приема цифровых сигналов при использовании амплитудной, фазовой и частотной модуляции в различных схемах приемников цифровых сигналов проводится с использованием функции BER. Рассмотрены влияние фединга различного типа на параметры информационного сигнала и достоверность приема переданного цифрового сообщения, способы повышения достоверности приема в фединговых каналах: разнесенный прием, эквалайзер, интерливинг. В конце первой части проанализированы основные положения отечественных и зарубежных стандартов электромагнитной совместимости для радиостанций наземной мобильной радиосвязи и описаны методы выполнения требований этих стандартов при проектировании приемопередатчиков.
Общие принципы построения и проектирования сетей связи, методы доступа к каналам связи, обеспечение обслуживания абонента при его миграции по сети приведены во второй части книги.
Методологической основой анализа сетей связи является модель взаимодействия открытых систем OSI-7. В приложении к радиосетям уточняются назначение и выполняемые функции двух нижних уровней модели: физического и канального. Функции физического уровня реализованы в радиоканале, изо всех функций канального уровня рассмотрены те, которые имеют отношение к управлению радиоканалом: организация, разделение и коммутация каналов связи, передача данных в канале, симплексный, дуплексный и полудуплексный режимы работы, сотовая, транкинговая и конвенциональная организация сети, доступ к каналам связи в случайные моменты времени (ALOHA) и определение занятости канала путем прослушивания несущей частоты сторонних радиостанций (CSMA), разрешение конфликтных ситуаций при требовании абонентами одних и тех же ресурсов сети.
Основными проблемами, которые решаются радиоинженерами при проектировании сетей, являются расчет дальности радиосвязи и частотно-территориальное планирование. Расчет дальности радиосвязи основан на модели «большого расстояния», в соответствии с которой средняя величина напряженности электромагнитного поля монотонно убывает с увеличением расстояния от передатчика, а случайные флуктуации величины поля, вызванные неравномерностью рельефа местности или городской застройкой, описываются нормальным логарифмическим законом. Рассматриваются методики расчета дальности радиосвязи, основанные на экспериментальных измерениях напряженности поля и цифровых картах местности, рекомендациях МККР (Международный консультативный комитет по радиосвязи), рекомендациях EURОCOST (Европейское объединение для научных и технических исследований). Частотно-территориальное планирование заключается в определении оптимального расположения и конфигурации сот, мощности передатчиков и диаграмм направленности антенн базовых радиостанций, распределения частот по сотам. Кроме того, учитываются внутриканальная интерференция передатчиков базовых радиостанций различных сот, работающих на совпадающих частотах вследствие повторного их использования, и межканальная интерференция, зависящая от количества и мощности передатчиков, работающих на частотах соседних каналов. Определение количества каналов в сотах и во всей сети связи проводится на основе ожидаемой загруженности сот (количества абонентов, длительности и частоты разговоров) и необходимого качества обслуживания абонентов GOS (относительной величины отказов в установлении сеанса связи).
Передача обслуживания мобильного абонента от одной базовой радиостанции к другой при его миграции является необходимой функцией почти любой сети связи. Эта передача может быть «мягкой», без прерывания разговора, или «жесткой», при которой сохраняется только непрерывность соединения.
В настоящей книге наибольшее внимание уделено рассмотрению методов, алгоритмов, систем связи и аппаратуры, предназначенных для передачи и приема цифровых сигналов. Это не означает, что аналоговые сигналы больше не используются в современных системах связи. Аналоговые сигналы применяются и будут применяться в узкоспециальных или в очень дешевых системах связи. Однако область применения цифровых сигналов в современной радиосвязи неизмеримо шире. На использовании цифровых сигналов основаны все стандарты передачи речи в сотовых и транкинговых сетях связи, стандарты связи между компьютерами, пейджерная связь, передача телеметрической информации. Расширение функциональных возможностей мобильных систем радиосвязи для приема изображения или их включения в Интернет также будет происходить на основе цифровых сигналов. Преимущество использования цифровых сигналов перед аналоговыми заключается прежде всего в возможности реализации сложных схемных функций на основе надежных, не требующих настройки цифровых микросхем. Кроме того, формирование информационных сигналов в передатчике и их обработка в приемнике с помощью процессоров позволяют реализовать наиболее эффективные методы передачи информации и выделения сигналов на фоне шумов, повысить качество речи, построить многофункциональные высокоскоростные сети связи.
В заключительной части книги в качестве дополнительного материала дано краткое описание структуры и основных характеристик радиоканалов наиболее распространенных стандартов наземной мобильной радиосвязи APCO-25, TETRA, GSM, IS-95.