Оптимизация использования частотного диапазона и обработки сигналов в сотовой связи

3.1. Полосы частот сотовой связи. Принцип повторного использования частот.

Отведенная для приема/передачи полоса частот шириной:

■ для GSM 900: 960 - 935 = 915 - 890 = 25 МГц;

■ для GSM 1800: 1785 - 1710 = 1880 - 1805 = 75 МГц;

■ для GSM 1900: 1910 - 1850 = 1990 - 1930 = 60 МГц;

- разнос дуплексных речевых каналов на частоте 900 МГц
для GSM 900 — 200 кГц (рис. 2.3.1, б)

- эквивалентная полоса частот на один физический речевой канал:

■ для GSM 900: 25 кГц;

■ для GSM 1800/1900: 12,5 кГц;

- число физических речевых радиоканалов в дуплесном радиоканале
для GSM: 200/25 = 8 каналов (рис. 2.3, б);

- число дуплексных речевых каналов — 124 (рис. 2.3, в).

В сотовой сети мобильной связи каждая из сот обслуживается своим передатчиком базовой станции BTS с небольшой выходной мощностью (Р ≤ 50 Вт) и ограниченным числом каналов связи. Теоретически такие передатчики можно было бы ис­пользовать и в соседних сотах, если бы на практике соты не перекрывались под действием различных факторов, например, вследствие изменения условий распространения радиоволн. То есть, одни и те же частоты (каналы) могли бы повторно использоваться в различных со­тах, если бы влияние взаимных помех между мобильными абонентами было бы незначи­тельным.

Однако на практике взаимное влияние мобильных станций MS абонентов, имеющих одинаковые рабочие частоты, необходимо учитывать. Поэтому была разработана концепция повторного использования частот, то есть в каждой соте, показанной на рис.2.2, исполь­зуется определенная группа из w-канальных радиочастот.

Итак, повторное использование частот (frequency reuse) заключается в том, что в сосед­них сотах используются разные полосы частот F,, которые повторяются через несколько сот. Для понимания сущности принципа повторного использования частот рассмотрим не­сколько примеров построения моделей сотовой сети.

Пусть в некоторой соте А (рис. 3.1) используется какая-то часть от полного диапазона частот, выделенного системе сотовой мобильной связи (например, для определенности одна десятая диапазона — 6_Л = 1/10). Тогда в соседной с ней соте В должна использоваться вто­рая десятая часть диапазона б_й= 1/10, поскольку вблизи общей границы в двух смежных со­тах нельзя использовать одни и те же частотные каналы. В соте С, имеющей общие границы с сотами А к В, придется использовать третью десятую часть диапазона (&с= 1/10). Но уже в соте D, имеющей общие границы с сотами А и С, но не имеющей общие границы с сотой В, вновь можно использовать ту же десятую часть диапазона Ь_в = 1/10, что и в соте В, что условно обозначено D —» В. Аналогично этому в сотах: Е —» A, F —» В, Н —» С, то есть полу­чаем сотовую структуру, состоящую из 3-х частотных (3-х элементных) групп, называемых кластерами (cluster), то есть группой сот с различным набором рабочих частот.

Очевидно, что 3-элементный кластер — это кластер минимально возможного размера, в ка­ждой из его сот можно использовать 1/3 от пол­ного диапазона рабочих частот, отведенных системе сотовой связи. При 3-элементном кла­стере соты с одинаковыми полосами частот по­вторяются очень часто, что плохо в смысле со-канальных помех (co-channel interference), то есть помех от радиостанций сотовой системы, работающих на тех же частотных радиоканалах, но в других сотах. В этом отношении более вы­годны кластеры с большим числом элементов.

В общем случае расстояние D между цен­трами сот, в которых используются одинаковые частотные группы (полосы частот), связано с числом N сот в кластере простым соотношением:

D = R·(3N)^1/2,

где R — радиус соты (радиус окружности, опи­санной вокруг правильного шестиугольника).

Величину отношения D/R = q часто называ­ют коэффициентом уменьшения соканальных помех или коэффициентом соканального повто­рения..

Для величины 1/N = С, обратной числу сот в кластере, употребляют название: коэффициент эффективности повторного использования час­тот или просто коэффициент повторного ис­пользования частот. Введение этих величин позволяет записать выражение для D в виде:

D = R·(3/C)^1/2.

Следует отметить, что увеличение числа элементов в кластере, выгодное с точки зрения

снижения уровня соканальных помех, приводит к пропорциональному уменьшению полосы час­тот, которая может быть использована в одной соте.

Поэтому практически число элементов в кла­стере должно выбираться минимально возмож­ным, обеспечивающим допустимое отношение сигнал/помеха.

В стандар­те GSM часто используются 7-элементные кластеры для создания сотовой сети мобиль­ной связи (рис.3.2).

В этих схемных примерах (рис. 3.2) предполагалось, что на базовых станциях BTS, расположенных в центрах идеаль­ных сот, используются всенаправленные антенны [(omnidirectional antennas) или просто omni], то есть излучение радиосигналов от базовых станций должно было происходить с одинаковой мощностью во всех направлениях, что для абонентских MS эквивалентно приему помех от всех базовых станций со всех направлений. Потому для снижения уровня помех в современных цифровых системах сотовой мобильной связи исполь­зуют в базовых станциях BTS направленные антенны, например, секторные антенны.

Например сотовая сеть с 9-элементным кластером, которая получила доста­точно широкое распространение в цифровых стандартах сотовых мобильных сетей. В данной 9- кластерной модели соты разбиваются на секторы. В центре соты на базовой станции BTS установлено три направленные антенны, каждая из которых охватывает сек­тор в 120°. В каждом секторе соты радиосигнал от соответствующей направленной антенны излучается лишь в одном направлении. При этом уровень излучений в противоположных направлениях, а значит в двух секторах дан­ной соты, максимально снижается. Это обстоятельство позволяет располагать базовые станции BTS, работающие на одина­ковых частотах, еще ближе друг к другу, чем в модели рис. 3.1.

Специалисты корпорации Motorola (США) разработали еще более эффективную модель повторного использования частот. Разработанная ими со­товая сеть с 12 группами несущих частот, с применением 60º направленных антенн (то есть на базовой станции BTS устанавливает­ся 6 направленных антенн, главный лепесток диаграмм направленности которых излучает только в пределах своего 60° сектора).

Данная сотовая сеть позволяет увели­чить абонентскую емкость, то есть число абонентов, которых может обслужить сото­вая мобильная сеть, в 1,5 раза по сравнению со 120º направленными антеннами.

3.2. Методы множественного доступа; варианты множественного доступа; множественный доступ с частотным разделением; множественный доступ с временным разделением; множественный доступ с кодовым разделением; пути повышения емкости системы сотовой связи.

Понятие «множественный доступ» (multiple access) связано с организацией совместного ис­пользования ограниченного участка частотного спектра многими пользователями. В настоя­щее время известны пять вариантов множественного доступа(в литературе также применяют понятие многостанционный доступ):

- FDMA (Frequency Division Multiple Access) — множественный доступ с частотным
разделением каналов связи;

- TDMA (Time Division Multiple Access) — множественный доступ с временны разделением каналов связи;

- CDMA (Code Division Multiple Access) — множественный доступ с кодовым разделе­нием каналов связи;

- SDMA (Space Division Multiple Access) — множественный доступ с пространствен­ным разделением каналов связи;

- PDMA (Polarization Division Multiple Access) — множественный доступ с поляризаци­онным разделением каналов связи.

Практический интерес для сотовой мобильной связи представляют первые три из них.

Четвертый метод фактически используется при реализации принципа повторного ис­пользования частот, в частности при делении сот на секторы с использованием направлен­ных антенн, но об этом не говорится как о методе множественного доступа.

Рис.3.3 Множественный доступ с частотным разделением каналов связи

Так как в стандарте GSM используется TDMA, частично в сочетании с FDMA, рассмот­рим первые два метода множественного доступа.

Метод FDMA — множественный доступ с разделением каналов связи по частоте, наиболее прост при реализации, так как в этом методе каждому пользователю на время се­анса связи выделяется своя полоса частот Δf (частотный канал), которую он использует все время (рис. 3.3).

Метод FDMA используется во всех аналоговых системах сотовой связи (первое поколение), при этом выделяемая полоса частот Δf со­ставляет 10...30 кГц. Основной не­достаток FDMA — недостаточно эффективное использование поло­сы частот, выделяемой для связи.

Рис. 3.4. Множественный доступ с временным разделением каналов связи

Метод TDMA — множест­венный доступ с разделением ка­налов связи по времени, состоит в том, что каждый частотный канал разделяется между пользователя­ми во времени — частотный канал по очереди предоставляется не­скольким пользователям на опре­деленные промежутки времени, то есть реализуется, например, не­сколько физических каналов в од­ном частотном. В качестве приме­ра на рис. 3.4 представлен слу­чай, когда каждый частотный ка­нал делится между тремя пользо­вателями.

Данная схема не соответствует чистому TDMA, а отражает сочета­ние FDMA и TDMA, так как здесь рассматривается случай не одного, а нескольких частотных каналов, каж­дый из которых делится во времени между несколькими пользователя­ми. Именно такая схема находит практическое применение в систе­мах сотовой мобильной связи и ее называют схемой TDMA.

Практическая реализация метода TDMA требует преобразования аналогового речевого сигнала в цифровую последовательность, которая подвергается кодированию и шифрова­нию, что необходимо для защиты информации от ошибок в процессе передачи и приема.

Многостанционный доступ с кодовым разделением (CDMA — Code Division Multiple Access) — технология, отличающаяся от доступа с час­тотным разделением и доступа с временным разделением. Она не использует для разделения каналов ни частоты, ни времени, хотя по многим признакам она напоминает частотный доступ (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Упрощенная структурная схема системы с кодовым разде­лением каналов

Каждый входной цифровой сигнал складывается («модулируется») с отдельной «несущей», в качестве которой выступает псевдослучайная по­следовательность (ПСП). ПСП передается со скоростью большей, чем ско­рость исходного сигнала, после чего полученные сигналы объединяются в единый поток. При этом полоса частот, используемая в радиоканале, гораз­до шире, чем полоса исходного сигнала. Этот процесс получил название расширение спектра (Spreading Specter). Псевдослучайные последова­тельности выбираются таким образом, чтобы на приемном конце их мож­но было разделить (отфильтровать) и отделить сигнал от его псевдослучай­ной последовательности («несущей»). Передача единого объединенного потока осуществляется в одной полосе частот с помощью одного из видов фазовой манипуляции. Поэтому системы, основанные на CDMA, не требу­ют разделения полосы частот на отдельные каналы, что, в свою очередь, облегчает процесс хэндовера (переход из одной соты в другую).

Псевдослучайные последовательности должны иметь нулевую кор­реляцию, т. е. быть взаимонезависимы.

Существует два способа множественного (многостанционного) до­ступа с кодовым разделением каналов (CDMA):

• ортогональный многостанционный доступ;

• неортогональный многостанционный доступ, или асинхронный многостанционный доступ с кодовым разделением каналов.

Емкость системы сотовой связи, определяемая числом або­нентов, которых она может обслужить, - очень важная характери­стика, и значительная часть усилий при проектировании, создании и развитии системы в большинстве случаев направляется именно на обеспечение достаточно высокой емкости. Фактически и сама сотовая связь как таковая, основанная на принципе повторного ис­пользования частот, появилась в ответ на потребность в построе­нии системы массовой подвижной связи при использовании жест­ко ограниченной полосы частот. Перечислим четыре основных пути повы­шения емкости.

Первый - это совершенствование методов обработки сигна­лов, в частности, переход от аналоговой обработки к цифровой, сопровождаемый переходом к более совершенным методам мно­жественного доступа - От FDMA к TDMA и, вероятно, к CDMA, а в пределах TDMA - переход от полноскоростного кодирования речи к полускоростному, Пределом на этом пути являются, по-видимо­му, достижимые характеристики CDMA - это коэффициент порядка 20 (по числу физических каналов) при переходе от FDMA к CDMA.

Второй путь - дробление ячеек, т.е. переход к меньшим ячейкам в районах с интенсивным трафиком при том же коэффи­циенте повторного использования частот (рис.3.6); число базовых станций при этом соответственно увеличивается, а мощность из­ лучения - как для базовых, так и для подвижных станций - снижа­ется. Фактически тот же эффект достигается и при использовании на базовых станциях секторных антенн, например с разделением ячейки на три сектора (при 120-градусных секторах) и использова­нием в каждом из секторов своей полосы частот. Прак­тически ячейки с радиусом менее 300...500 м неудобны, так как чрезмерно возрастает поток передач обслуживания. Выход про­сматривается в использовании многоуровневых (иерархических) схем построения сотовой сети с обслуживанием в крупных ячейках (макросотах) быстро перемещающихся абонентов (автомобили­стов), а в более мелких (микросоты, пикосоты) - малоподвижных абонентов, например покупателей в пределах торгового центра.

В качестве третьего пути повышения емкости отметим воз­можность использования адаптивного назначения каналов (Adaptive Channel Allocation - АСА) в методах FDMA и TDMA. До сих пор мы молчаливо предполагали, что имеющийся частотный ресурс, т.е. все частотные каналы в пределах выделенной полосы частот, заранее определенным образом распределяются между ячейками кластера - равномерно или в соответствии с априорной информацией об интенсивности трафика. Возможен, однако, и иной подход: частотные каналы, все или частично, находятся в оперативном распоряжении центра коммутации, который выделяет их для пользования отдельным ячейкам (базовым станциям) по ме­ре поступления заявок (вызовов), т.е. в соответствии с реальной интенсивностью трафика, но при соблюдении необходимого тер­риториально-частотного разноса. Такой адаптивный алгоритм, ко­нечно, сложнее, но он может обеспечить определенное повыше­ние емкости за счет гибкого отслеживания флуктуации трафика.

Четвертый путь - это тривиальное расширение вы­деляемой полосы частот. Разумеется, этот путь насколько очеви­ден, настолько же и мало полезен, и мы упоминаем о нем не в ка­честве рекомендации к непосредственному применению, а в виде примера преимуществ, например, GSM 1800 (или GSM 1900) по сравнению с GSM 900, которые имеют рабочие (аппаратурные) по­лосы 75 МГц (или 60 МГц) и 25 МГц соответственно.

3.3 Организация дуплексного режима в системах мобильной связи; временное и частотное разделения в дуплексной связи.

Суммарный частотно-временной ресурс, отпущенный конкретной системе, приходится расходовать не только на организацию множественного(многостанционного) доступа, но и на обеспечение дуплексного режима, т.е. параллельного информационого обмена в обоих напровлениях: от системы к абоненту и в обратную сторону. В системах мобильной связи нашли применение частотный и временной дуплекс. В первом варианте, упоминаемом в литературе как FDD (frequency division duplex), дуплексная пара занимает две полосы частот Δf_а (где Δf_а – ширина полосы абоненского канала), разделённые некоторым защитным интервалом, называемым дуплексным разносом по частоте, т.е. передача и приём иформации между абонентами осуществляется на разных частотах (рис.3.7).

Рис.3.7. Принцип организации дуплексного разноса по частоте.

На основе FDD построены системы стандартов первого и второго поколений сотовой связи(AMPS, DAMPS, GSM, IS-95 и др.).

При временном дуплексе (TDD – time division duplex) для двусторонней связи используется одна и та же несущая с временным разделением каналов передачи и приёма (рис.3.8). Хотя режим TDD нехарактерен для существующих систем сотовой связи,

Рис.3.8. Принцип организации дуплексного разноса по времени.

он широко распространён в стандартах бесшнурового телефона (СТ2, DECT и др.). Кроме того, ему отводится определённое место в стандартах третьего поколения UMTS и CDMA2000.

Рассмотрим структуру каналов системы с TDD ориентируясь на CDMA2000. Основным элементом канальной архитектуры БС является Т_к = 20мс (рис.3.9), который разбивается на 8 пар интервалов, предназначенных для организации дуплекса.

Рис.3.9. Структура кадра канала связи с TDD системы CDMA2000.

Первый интервал пары имеет длительность Т_т и отводится для передачи. Во втором (длительности Т_R) принимается сигнал МС. Любые смежные интервалы разделяются защитными промежутками длительности Δf, определяемой протяженностью зоны обслуживания. При защитном интервале в 52мкс и точности синхронизации временных интервалов на базовой станции ±3мкс, максимальный радиус зоны обслуживания составляет 14км.

Мобильные станции (МС) имеют одинаковую с БС структуру кадра, но интервалы передачи и приёма меняются местами.

3.4.Узкополосная система с частотным разделением каналов (FDMA). Расчет числа пользователей. Нелинейные эффекты в системе связи FDMA.

Сравнение двух вариантов дуплексирования приводит к заключению, что режим FDMA более эффективен при больших размерах сот и высокой скорости передвижения абонентов.

При оценках емкости систем сотовой связи обычно используют модель системы с отказами (модель Эрланга B), в то время как модель системы с ожиданием (модель Эрланга С) применяют гораздо реже. Как видно из графиков на рис. 3.10, построенных для системы с количеством каналов N = 64 и средним трафиком А = [0...63], при малых вероятностях отказа в обслуживании, т. е. при малом трафике, обе модели дают достаточно близкие результаты. Однако при вероятности отказа в обслуживании P > 0,1 в системе с ожиданиями вероятность отказа будет возрастать очень резко, что свидетельствуют о существенном ухудшении качества обслуживания. Поэтому на практике при анализе емкости системы связи расчеты проводят для вероятностей в диапазоне P = [0,01...0,05].

Анализируя вышеизложенное и опираясь на данные таблицы 4.1, можно сделать следующий вывод: с увеличением числа каналов, выделенных базовой станции, трафик, т. е. количество передаваемой информации, растет быстрее, чем число каналов, особенно при N < 30. Следовательно, рациональное построение системы сотовой связи должно преду-

сматривать выделение на одну ячейку (базовую станцию) не менее 30 частотных каналов

Рассмотрим пример использования системы с отказами (модель Эрланга B). В ее состав входят три основных параметра: число каналов N, трафик A и вероятность отказа P_В. Если известны любые два параметра, то можно однозначно определить третий.

Пример.

Условная городская агломерация занимает площадь S = 3300 км² и охвачена системой сотовой связи.

В системе используются кластеры из семи сот N кл = 7.

Каждая сота имеет радиус r = 6 км.

Полоса шириной 24,5 МГц выделена системе, работающей в режиме частотного разделения каналов (FDMA/FDD). Ширина одного канала составляет 25 кГц. Предположим, что средняя продолжительность разговора в час пик T ср = 6 мин, средняя частота поступления вызовов λср= 1 вызов в час и вероятность отказа (блокировки) в сотовой системе составляет GOS_В = 0,02 (т. е. не более, чем два из ста абонентов в час получат отказ при первом обращении к сети).

Вычислим количество сот, охватывающих всю область.

Рассчитаем площадь одной гексагональной соты:

.

Таким образом, для того, чтобы охватить весь город, требуется

N_c = 3300/93,53 = 35,28 ≈ 36 сот

Затем вычислим количество каналов, выделенных каждой соте. Поскольку в распоряжении системы находится полоса частот шириной 24,5 МГц, а одно соединение требует двух каналов (прямого и обратного) по 25 кГц каждый, то для 7-ми сотового кластера количество дуплексных каналов в соте будет равно

С = 2·4,5·10⁶/(7 ·2·25·10³) ≈ 25 каналов.

Из выражения для GOS_В можно найти, что для С =25 каналов на соту и вероятности блокировки GOS_В = 0,02 интенсивность трафика в одной соте составит А _ТЯ = 17,5 Эрл.

Поэтому суммарный трафик всей системы будет равен

А _ТЯ· N_С = 17,5·36 = 630 Эрл.

Трафик на одного абонента составит

А _АБ = λср· T ср = 1·6/60 = 0,1 Эрл.

На основе этих значений определяется количество пользователей, которых может обслужить система. Это количество равно

N_А = А _ТЯ / А _АБ = 630/0,1 ≈ 6 300 пользователей.

Количество каналов системы мобильной связи можно определить делением ширины выделенного системе спектра на ширину пары каналов.

В данном примере

9 МГц / (2·25 кГц) = 180 каналов.

Тогда количество пользователей, приходящихся на один канал, равно

6 300 / 180 = 35 пользователей.

Максимальное количество пользователей, которые могут быть одновременно обслужены, определяется количеством каналов в соте и количеством сот в системе и будет равно

С · N_С = 25·36 = 900 пользователей.

Следовательно, если все каналы во всех сотах будут одновременно заняты, то система сможет обслужить 900/6300 = 14,29 % пользователей. Можно сделать вывод о том, что благодаря идее транкинга ресурсы системы могут быть много меньше количества пользователей всей системы.

Сложный момент, который до сих пор не принимался во внимание, состоит в том, что пользователи во время разговора могут перемещаться из одной соты в другую. Если они пересекают границу соты, необходимо выполнять процедуру передачи соединения – хэндовер (англ. handover). В новой соте нужно найти новый канал и только после этого можно освободить канал в старой соте.

Следовательно, расчет трафика становится более сложным. Возможное решение этой проблемы – создание программной системы имитационного моделирования, которая учитывает перемещение подвижных станций и передачу соединений. Статистические свойства мобильности абонентов в сотах, охватывающих территорию городской застройки, отличаются от аналогичных характеристик сот, обеспечивающих покрытие незастроенной сельской местности с проходящей по ней автострадой.

Спектральный разнос абонентских каналов полностью ис­ключает влияние каналов друг на друга лишь теоретически. На практике же избежать возникновения межканальных (внутрисис­темных) помех невозможно, например, из-за неидеальности раз­делительных фильтров в приемнике, в результате которой часть энергии сигнала одного канала просачивается в соседний. Осла­бить влияние межканальных помех можно соответствующим вы­бором манипуляции сигналов (уменьшением "внеполосных" излу­чений) и фильтров (улучшением подавления в соседнем канале). Еще одним способом снижения уровня взаимных помех является введение защитных интервалов между частотными каналами, что, однако, приводит к уменьшению полосы частот, используе­мой для связи, т.е. снижению эффективности использования спектра.

Если положить Δf_a = 1/Т_б = R_t, где по-прежнему

Т_б - длительность одного бита передаваемой информации, a R_t - скорость передачи информации, то возможное число ка­налов связи для FDMA-систем определится соотношением

К = Δf_р / Δf_а = Δf_р / R_t

3.5.Особенности систем с временным разделением каналов. Расчет числа пользователей. Системы с кодовым разделением каналов. Оценка числа пользователей.

Множественный доступ с временным разделением (МДВР или TDMA) в традиционном понимании заключается в том, что каждому абоненту системы на время сеанса связи выде­ляется временной интервал Т_а (временной канал) в пределах об­щего временного ресурса системы Т_р (цикла или кадра системы), не совпадающий ни с одним из интервалов, уже предоставленных дру­гим активным абонентам. Тем самым каждый канальный сигнал размещается в своем индивидуальном окне (слоте) без перекрытия с другими (см. рис. 3.2, а). Вместе с тем спектры сигналов абонентов могут занимать всю выделенную системе полосу частот Δf_p и пол­ностью перекрываться. Иллюстрацией подобного ресурсного рас­пределения служит рис. 3.11, б, из которого видно, что суммарный частотно-временной ресурс "нарезан" в виде К вертикальных полос, каждая из которых занимает весь доступный частотный диапазон и лишь К-ю часть отведенного времени.

В идеале несовпадение канальных сигналов во времени обеспечивает их ортогональность, а значит, и исключает влияние друг на друга. На деле из-за ограниченности полосы системы пе­реходные процессы от сигналов предыдущих каналов к началу появления последующих могут не закончиться и, складываясь с последними, создавать перекрестные (межканальные) помехи. Уменьшить влияние соседних каналов, т.е. уровень межканаль­ных помех, удается способом, аналогичным описанному в преды­дущем подразделе, - введением защитных временных интерва­лов, что, в свою очередь, приводит к уменьшению временного диапазона, в течение которого возможна передача информации, т.е. к фактическому снижению скорости передачи.

Оценим возможное число TDMA-каналов. При скорости пе­редачи информации по одному каналу R_t за время одного циклаработы системы может быть передано R_tT_p бит информации.

Тогда общее количество информации, переданной во всех або­нентских каналах, составит величину KR_tT_p, где К = Т_р/Т_а. От­сюда длительность одного бита информации определится как

так что К = Δ f_p/R_t что полностью совпадает с оценкой числа каналов для систем с FDMA.

В цифровых стандартах второго поколения D-AMPS, GSM и PDC находит применение комбинация частотного и временного разделения FDMA/TDMA, в рамках которой каждый частотный канал разбивается на временные слоты. При этом каждому або­нентскому каналу выделяется лишь часть и частотного, и вре­менного ресурсов. Сказанное иллюстрирует рис. 3.12, в, из которо­го видно, что суммарный системный ресурс "нарезается" теперь не на полоски, а на прямоугольники, оба размера которых мень­ше максимально возможных. Проведя несложный расчет, подоб­ный проделанному для FDMA и TDMA, легко видеть, что их ком­бинация не может дать какого-либо теоретического выигрыша в числе каналов при фиксированном ресурсе, поскольку послед­ний жестко лимитирует число ортогональных сигналов. Основа­ния для практического использования сочетания FDMA/TDMA в большей мере связаны с технологической политикой отдельных производителей, нежели с какими-либо потенциальными пре­имуществами.

В основе множественного доступа с кодовым разделением (МДКР или CDMA) лежит ориентация на широкополос­ную (spread spectrum) идеологию построения систем передачи информации, предусматривающую сознательное и многократное расширение полосы передаваемого сообщения по сравнению с той, которая характерна для традиционных узкополосных сис­тем. Искусственное расширение спектра в подобных системах, как правило, реализуется одним из двух основных способов:

• прямое расширение - direct sequence spread spectrum (DSSS);

• скачкообразное изменение несущей частоты – frequency hop spread spectrum (FHSS).

В первом варианте информационное сообщение манипули­рует псевдослучайную последовательность (ПСП), состоящую из элементов (чипов) длительности Т_с, причем длительность чипа многократно (в N-раз) меньше длительности T_б передаваемого информационного бита ипи символа (посылки): T₆=NT_c, N >> 1.

Величина N непосредственно характеризует степень рас­ширения полосы по сравнению с полосой первичного сообщения и потому называется коэффициентом расширения спектра (в анг­лоязычных текстах spreading factor или processing gain).

Упомянутая манипуляция ПСП c(t) передаваемым потоком данных D(t) обычно реализуется их простым перемножением (см. рис. 5.12, а). Диаграммы рис. 5.12, 6-г иллюстрируют содержа­ние процедуры прямого расширения для примера двоичной пе-

редачи и бинарной ПСП. На рис. 5.12, в показана периодическая бинарная ПСП, чей период, содержащий N = 8 чипов, совпадает с длительностью одной посылки сообщения (в общем случае пе­риод ПСП может быть произвольным, в частности, значительно большим длительности информационной посылки; более того, ПСП вообще может быть апериодической). Результат прямого расширения очевиден (рис. 3.12, г): если информационная посыл­ка несет нулевой бит (положительная полярность D(t), рис. 5.12, б), на выходе перемножителя присутствует первона­чальная версия ПСП. При передаче посылкой значения 1 текуще­го бита полярность ПСП меняется на противоположную. Сигнал после перемножителя подается на стандартный модулятор несущей (БФМ, КФМ и т.д.).

Как можно видеть, процедура прямого расширения спектра не ухудшает помехоустойчивости двоичной передачи в гауссовском канале, оставляя противоположными сигналы, отвечающие значениям 0 и 1 передаваемого бита.

При использовании второго способа расширения спектра каждый символ информационного сообщения должен переда­ваться с помощью набора дискретных частот, задаваемого опре­деленной последовательностью. Подробное описание FHSS тех­нологии расширения спектра можно найти в литературе.

В существующих и разрабатываемых на перспективу сис­темах сотовой связи преимущественно применяется прямое рас­ширение спектра, реализуемое либо в синхронном, либо в асин­хронном варианте. Различия этих двух модификаций DSSS весь­ма значительны. Первая может быть применена тогда, когда есть возможность синхронизировать между собой все индивидуаль­ные адресные последовательности (сигнатуры), присвоенные отдельным абонентам так, чтобы на приемной стороне сигналы разных абонентов не имели взаимных временных сдвигов. По­добная ситуация характерна для линии "вниз" ССМС (от БС к МС), поскольку сигналы БС, посланные разным МС строго од­новременно, приходят на отдельную МС по одной и той же трас­се, т.е. без взаимных задержек.

В линии "вверх" обеспечение синхронизма сигналов разных МС, принимаемых БС, хотя и не отрицается теоретически, довольно затруднительно и не всегда технологически оправданно из-за случайного расположения МС относительно БС в пределах соты и, следовательно, случайных взаимных задержек сигналов. Для подобных ситуаций характерно применение асинхронной версии DSSS, не предполагающей взаимной временной привязки сигнатур индивидуальных абонентов.

Преимущества CDMA по отношению к FDMA и TDMA можно условно разбить на две группы. Первую из них составляют те, которые отличают любые широкополосные (spread spectrum) сис­темы: высокая помехоустойчивость к сосредоточенным и широ­кополосным помехам (в том числе преднамеренным), возмож­ность эффективной работы в условиях многолучевого распро­странения, широкий диапазон доступных мер криптозащиты, вы­сокая точность измерения частотно-временных параметров, хо­рошая электромагнитная совместимость с системами радиосвязи и вещания и др. Вторая группа непосредственно связана с аспек­тами множественного доступа: ббльшая абонентская емкость на соту (сектор), "мягкий" характер снижения качества связи при возрастании интенсивности трафика, простота реализации режи­ма "мягкой" эстафетной передачи.

Рассмотрим подробнее вопрос об оценке возможного числа пользователей в системах с кодовым разделением.

Оценка числа пользователей на соту

Синхронный вариант CDMA с использованием ортогональ­ных сигналов, разумеется, не может иметь каких-либо принципи­альных преимуществ по сравнению с FDMA и TDMA в макси­мальном числе пользователей, поскольку последнее есть попро­сту число ортогональных сигналов, лимитируемое только раз­мерностью сигнального пространства, т.е. частотно-временным ресурсом (Δр,Т_р). Способ построения ортогонального семейства

(разнесение по частоте, времени или соответствующее кодиро­вание) не влияет на количество сигналов в семействе.

Асинхронный же вариант CDMA (как и синхронный при чис­ле абонентов, превышающем возможное число ортогональных сигналов) позволяет более гибко, чем FDMA и TDMA, эксплуати­ровать эффекты пространственного затухания радиоволн для повторного использования ресурса в системах с сотовой топологией.

При корреляционной обработке отношение "сигнал - сово­купная помеха" на выходе приемника системы с кодовым разде­лением может быть записано в виде

,

где N_Σ и N_о - соответственно спектральные плотности мощности внутрисистемных помех и белого шума; E_б=P_RT₆ - энергия, приходящаяся на один бит информационного сообщения; P_R - мощность абонентского сигнала на приемной стороне. С учетом обязательного в асинхронных системах с CDMA вырав­нивания мощностей абонентских сигналов на входе приемника спектральная плотность внутрисистемных помех, создаваемых К -1 посторонними пользователями, может быть оценена как

.

Данная оценка опирается на аппроксимацию взаимной по­мехи случайным шумом со средней мощностью (К -1)P_R, равной сумме мощностей всех сторонних сигналов. Полагая внутрисис­темную помеху преобладающей над тепловым шумом (N_z >> N ₀),из (5.2) получаем q ≈ Δf_p/(KR_t), откуда оценка предельного числа пользователей

.

Как можно видеть, при q не ниже 5...8 дБ (уровень превы­шения полезным сигналом помехи, достаточный для достижения вероятности ошибки на символ в пределах тысячных долей) мак­симальное число абонентов, обеспечиваемое рамками CDMA, заметно меньше, чем при использовании FDMA и TDMA. Учтем теперь, что в форматах FDMA и TDMA запрет на по­вторное использование каналов в примыкающих сотах вынуждает дробить ресурс между ячейками одного и того же кластера. Следствием этого является уменьшение числа абонентов на соту в п_с раз, где п_с - количество ячеек в кластере. Так, при весьма типичном 7-элементном кластере (см. рис. 2.3, 6) удель­ное число абонентов на соту составит

. (3.1)

В то же время при технологии CDMA можно пойти на повторное использование всего доступного ресурса в соседних сотах, пла­той за что окажется увеличение уровня внутрисистемных помех, создаваемых теперь не только сигналами своих (обслуживаемых данной ячейкой) абонентов, но и сигналами абонентов "чужих" БС. При этом вклад "просачивания" из соседних ячеек в суммар­ную взаимную помеху может оказаться заметно слабее состав­ляющей, обусловленной "своими" (а значит, более близкими к БС) абонентами, за счет крутого спада принимаемой мощности в зависимости от расстояния (обратно пропорционально пример­но четвертой степени расстояния для зон плотной городской за­стройки или густой растительности). По оценкам мно­гих источников "соседние" ячейки увеличивают общий уровень взаимной помехи примерно в 1,5 раза. Отсюда сотовая емкость CDMA системы может быть оценена как , что

при q ≈ 2,5 (8 дБ) дает

.

Из этих отношений следует, что CDMA обладает почти двукратным выигрышем по этому показателю по отношению к FDMA и TDMA.

В том же направлении действует и учет фактора речевой активности пользователя. Дело в том, что в обычном телефонном разговоре каждый из участников тратит определенную часть вре­мени на паузы, выслушивая собеседника и осмысливая содержа­ние диалога. Фактор речевой активности а_р численно задает до­лю именно речевой фазы одного участника в общей продолжи­тельности соединения. Стандарт GSM уже определенным обра- зом эксплуатирует рассматриваемый фактор, однако исключи­тельно в целях энергосбережения, но не увеличения абонентской емкости. Хотя теоретически такая возможность не исключается, на деле мгновенная передача освобождающегося в паузе физи­ческого частотного или временного канала другому абоненту с последующим возвратом вряд ли заслуживает реализации в силу резкого усложнения протоколов и невозможности согласо­вания пауз в разговорах индивидуальных абонентов. В рамках же CDMA высвобождение ресурса в паузах разговора автоматически снижает уровень взаимной помехи и тем самым способствует увеличению емкости системы.

В первом приближении можно учесть фактор а_р, заменив спектральную плотность мощности внутрисистемной помехи зна­чением, усредненным по всей продолжительности разговора N'_Σ= a_pN_Σ. Тогда с учетом (3.1) оценка числа абонентов на соту примет вид

.

При типичном значении фактора речевой активности а_р = 3/8

,

что в сравнении с (3.1) означает более чем четырехкратный вы­игрыш в абонентской емкости по сравнению с FDMA и TDMA технологиями.

В некоторых источниках приводятся еще более впечат­ляющие цифры, подтверждающие достоинства CDMA. Обычно они базируются на предположении о секторизации соты, естест­венно увеличивающей сотовую емкость в число раз, соответст­вующее количеству секторов. Не следует забывать, однако, что выигрыш за счет секторизации реализуем в рамках всех тех­нологий множественного доступа и поэтому должен исключаться при корректном их сопоставлении.

Отметим, что полученные выше оценки являются всего лишь первичными ориентирами, поскольку опираются на много­численные приближения и допущения. Реальное проектирование CDMA-систем должно опираться на более глубокий анализ, с необходимостью сопровождаемый всесторонним моделирова­нием и полевыми испытаниями.

3.6.Организация физических и логических каналов; типы логических каналов; структура логических каналов связи и управления; организация физических каналов.

Кроме собственно информации речи по каналу связи должна передаваться так называемая сигнальная (signalling) информация, включающая информацию управления и информацию контроля состояния аппаратуры. Ниже под сигналь­ной информацией будем понимать управляющую информацию. Каналы связи в стандарте GSM можно разделить на (рис. 3.13): частотные; физические; логические каналы.

Рис. 3.13. Частотные, физические и логические каналы в стандарте GSM

Частотный канал — это полоса частот, отводимая для передачи информации по одному ка­налу связи.

При использовании метода TDMA, в одном частотном канале размещается 8 каналов связи, то есть 8 физических каналов.

Это не противоречит приведенному определению частотного канала.

Один частотный канал занимает полосу Δf = 200 кГц, так что всего в полном диапазоне с учетом защитных полос размещается (45/0,2- 1) = 124 частотных канала.

Центральная частота канала (в МГц) связана с его номером N отношениями:

- канал MS => BSS: f₁ = 890,200 + 0,200· N, где 1 < N < 124;

- канал BSS => MS: f ₂ = 935,200 + 0,200· N, где 1 < N <124.

Отметим, что один частотный канал, строго говоря, занимает две полосы Δf = 200 кГц, одну под канал MS =>BSS, а другую — под канал связи BSS=>MS.

При использовании режима работы со скачками по частоте SFH для передачи информа­ции одной и той же группы физических каналов последовательно во времени используются различные частотные каналы.

Физический канал в системе TDMA — это временной слот с определенным номером в по­следовательности кадров радиоинтерфейса.

В стандарте GSM передается информация 8 физических каналов при полноскоростном кодировании, но при полускоростном кодировании один физический канал содержит два канала трафика, информация которых передается по очереди, через кадр, то есть при этом реализуется временное уплотнения каналов в 8 раз при полноскоростном кодировании и в 16 раз — при полускоростном.

В этом и состоит одно из основных преимуществ цифрового поколения сотовой мо­бильной связи по сравнению с аналоговым.

Итак, физический канал образуется путем комбинирования временного и частотного разделения сигналов и определяется как последовательность радиочастотных каналов (с возможностью скачков по частоте) и временных интервалов кадров TDMA.

Каждая несущая содержит 8 физических каналов, размещенных в 8-ми временных ин­тервалах в пределах кадра TDMA. Каждый физический канал использует один и тот же вре­менной интервал в каждом кадре TDMA.

До формирования физического канала сообщения (речевой сигнал) и данные, представ­ленные в цифровом виде, группируются и объединяются в логические каналы.

Логические каналы различаются по виду информации, передаваемой в физическом канале. В принципе, в физическом канале может быть реализован один из двух видов логических каналов:

- трафика (канал связи) — для передачи кодированной речи и данных;

- управления (signalling) — для передачи сигналов управления и сигнализации, каждый из них, в свою очередь, может в общем случае существовать в одном из нескольких вариантов (типов).

Структура логических каналов стандарта GSM в упрощенном виде приведена в табл. 3.1. Рассмотрим последовательно виды логических каналов и типы каналов в пределах вида.

Таблица 3.1.Виды логических каналов и типы каналов

Виды логических каналов Типы каналов в пределах видов

Каналы трафика TCH TCH/FS FCH/HS________

ВССН: FCCH, SCH

Каналы управления ССН СССН: РСН, RACH, ASCH, SDCCH
АССН: FACCH, SACCH

1. Каналы трафика TCH (Traffic CHannel) делятся на:

- полноскоростные TCH/FS (Full Speech);

- полускоростные TCH/HS (Half Speech), по виду передачи речевых сигналов (speech).

канал передачи речевых сигналов с полной скоростью TCH/FS — 22,8 кбит/с, по­лускоростной TCH/HS —11,4 кбит/с.

2. Каналы управления ССН (Control CHannel) делятся на 4 типа:

- вещательные каналы управления ВССН (Broadcast Control CHannel);

- общие каналы управления СССН (Common Control CHannel);

- выделенные закрепленные каналы управления SDCCH (Standalone Dedicated Control CHannet);

- совмещенные каналы управления АССН (Associated Control CHannet).

Каналы ВССН предназначены для передачи информации от BSS и MS в вещательном режиме, то есть без адресации к какой-либо конкретной MS. В число вещательных каналов управления ВССН входят:

- канал коррекции частоты FCCH (Frequency Correction CHannel), необходимый для подстройки частоты мобильной станции MS под частоту базовой BTS;

- канал синхронизации SCH (Synchronization CHannel), используемый для кадровой синхронизации мобильных станций MS, а также канал общей информации, не имею­щий отдельного названия.

Общие каналы управления СССН включают:

- канал вызова РСН (Paging CHannel), используемый для вызова мобильной станции MS;

- канал разрешения доступа AGCH (Access Grant CHannel), необходимый для назначе­ния закрепленного канала управления, информация которого также передается от ба­зовой станции на мобильную MS;

- канал случайного доступа RACH (Random Access CHannet), служащий для выхода с мобильной станции MS на базовую BTS с запросом о назначении выделенного канала
управления. При передаче информации по каналам СССН прием информации не со­
провождается подтверждением.

Выделенные закрепленные каналы управления SDCCH (используемые в двух вариан­тах, не отраженных в табл. 3.1) являются автономными каналами управления для передачи информации с BSS на MS и в обратном направлении.

Совмещенные каналы управления АССН, также используемые для передачи информа­ции в обоих направлениях (MS<»BSS) и имеющие несколько вариантов (не отраженных в табл. 3.1), включают:

- медленный совмещенный канал управления SACCH (Slow Associated Control CHan­nel), который используется в прямом канале (BSS=>MS) для передачи команды на установку выходного уровня мощности передатчика мобильной станции MS, а в обрат­ном (MS=>BSS) — для передачи данных об уровне установленной мощности. Канал SACCH объединяется с каналом трафика (кадр 13 из мультикадра канала трафика) или с каналом SDCCH);

- быстрый совмещенный канал управления FACCH (Fast Associated Control CHannet), который используется для передачи команд при переходе мобильной станции из соты в соту, то есть при эстафетной передаче. Канал FACCH совмещается с каналом тра­фика, заменяя в соответствующем слоте информацию речи, причем эта замена поме­чается скрытым флажком

3.7.Основные принципы компенсации искажений сигналов; разнесенный прием.

При анализе и расчете зон действия БС и решении ряда других задач существенную роль играет учет особенностей распространения радиоволн УКВ- и СВЧ-диапазонов в городских и пригородных условиях. К ним относятся, прежде всего, многолучевое

распространение, вызываемое случайными и многократными отражениями от зданий и других объектов городской застройки, а также рассеиванием радиоволн этими объектами. В результате суммирования различных лучей на приемной стороне радиолинии возникают случайные амплитудные и фазовые флуктуации, вызывающие явления замирания сигнала. Распределение огибающей такого сигнала подчиняется закону Рэлея, а величина замираний относительно среднего уровня составляет > 40 Дб.

Одним из основных путей борьбы с замиранием является использование методов разнесенного приема. Эти методы предполагают наличие нескольких разделенных трактов передачи с независимыми замираниями, по которым передается одно и то же

сообщение. Средние уровни сигналов, передаваемых по каждому тракту, должны быть также примерно одинаковы. При соответствующем комбинировании сигналов, поступающих из трактов передачи, формируется результирующий сигнал, имеющий гораздо меньшую глубину замирания и обеспечивающий соответственно большую надежность передачи.

В последнее время в этих же целях начинает применяться медленная псевдошумовая перестройка рабочей частоты. Кроме того, эффективным средством борьбы с замираниями является внедрение широкополосных цифровых систем подвижной связи с шумоподобными сигналами, ожидаемое в самое ближайшее время.

3.8.Использование широкополосных сигналов.

Свое название широкополосные системы связи получили вследствие того, что полоса, зани­маемая используемыми в них сигналами, намного шире полосы, необходимой для передачи непосредственно информации. Одной из первых таких систем, по-видимому, являлась раз­работанная в конце 1950-х гг. система «Рейк» [7.1]. В этой системе за счет использования метода широкополосной передачи удалось обеспечить устойчивую связь в условиях много­лучевого распространения. Методы широкополосной передачи позволили осуществить раз­деление нескольких лучей с различным запаздыванием и тем самым устранить эффект за­мирания сигналов, вызванный многолучевым распространением. В специальных системах методы широкополосной передачи позволяют организовать устойчивую передачу информа­ции в условиях действия преднамеренных помех, мощность которых на входе приемника может превышать мощность полезных сигналов в сотни и тысячи раз. Кроме того, в таких системах использование методов широкополосной передачи позволяет затруднить средст­вам радиоразведки обнаружение факта передачи, т.е. повысить ее скрытность. В сотовых и спутниковых системах связи (см. гл. 6) методы широкополосной передачи позволяют обес­печить одновременную работу многих пользователей в общей полосе частот, т.е. реализо­вать метод многостанционного доступа, основанный на разделении сигналов по форме (Code Division Multiple Access, CDMA).

В системах радиолокации использование методов широкополосной передачи позволяет повысить точность измерения дальности до цели при прочих равных условиях, а также пре­одолеть известное противоречие между дальностью действия локатора и его разрешающей способностью

Среди методов широкополосной передачи в цифровых системах связи наибольшее рас­пространение получили два метода. Первый метод расширения спектра основан на ис­пользовании псевдослучайных последовательностей (ПСП). Такие сигналы обычно называ­ют широкополосными (ШПС), или шумоподобными. Наиболее полное изложение теории и техники шумоподобных сигналов можно найти в работах Л. Е. Варакина.

Укрупненная функциональная схема (модель) цифровой системы связи с ШПС приве­дена на рис. 3.14.

Функции, выполняемые кодером и декодером в этой модели, обсуждались в предыду­щих разделах, хотя использование кодирования, как будет ясно из дальнейшего, в широко­полосных системах имеет определенные особенности. Генераторы ПСП на передающей и приемной сторонах идентичны. Именно они сначала применяются для расширения спектра

передаваемых по каналу связи сигналов, а затем перед демодуляцией для его сжатия. Для расширения спектра в такой схеме применяют фазовую манипуляцию, а получаемые при этом сигналы, как это отмечено выше, нередко называют ФМ ШПС. Информационная ма­нипуляция также фазовая, хотя возможна и произвольная. В модуляторе сначала осуществ­ляется перемножение кодированных символов с ПСП (расширение спектра), а затем непо­средственно фазовая манипуляция.

Рис. 3.14. Модель цифровой системы связи с ШПС

Второй часто используемый метод широкополосной передачи основан на псевдослу­чайной перестройке рабочей частоты сигнала (ППРЧ).

Укрупненная функциональная схема (модель) цифровой системы связи с ППРЧ приве­дена на рис. 3.15.

Рис.3.15. Модель цифровой системы связи с ППРЧ

Отличаются две схемы тем, что во второй расширение спектра осуществляется не за счет перемножения кодированной информации с ПСП, а за счет вырабатываемой синтеза­тором и перестраиваемой по псевдослучайному закону рабочей (несущей) частоты моду­лятора.

На приемной стороне производится обратное преобразование, что приводит к сжатию спектра перед демодуляцией. При ППРЧ информационная манипуляция также может быть произвольной, хотя следует отметить, что в этом случае в моменты смены частот могут на­блюдаться случайные скачки начальной фазы несущей, поэтому может потребоваться неко­герентная демодуляция, а это заметно снижает эффективность кодирования.

Отметим, что сжатие спектра принимаемого сигнала происходит только в том случае, когда система синхронизации приемника совместит по времени и по частоте принимаемый сигнал и опорный сигнал, вырабатываемый местным генератором ПСП.

Как следует из модели цифровой системы связи с ШПС, расширение спектра передавае­мых в канал связи сигналов осуществляется за счет перемножения или, что то же, сложе­ния по mod 2 кодированной (или некодированной, если кодирование не используется) ин­формации с ПСП.

Наибольшее распространение в действующих системах получили двоичные ПСП, сим­волы которых принимают значения 0 и 1 Как уже отмечалось в гл 6, ШПС, используе­мые в широкополосных системах, характеризуются параметром, который называют базой сигнала В База определяет степень расширения спектра сигнала и количественно определя­ется числом символов ПСП, укладывающихся на длительности информационного (или ко­дированного) символа или, что то же, произведением полосы F, занимаемой спектром ШПС, на длительность информационного (или кодированного) символа Т. Для ШПС

В >> 1, в то время как в системах без расширения спектра В << 1, а сигналы называют простыми, или узкополосными

Основное требование, которому должны удовлетворять ПСП в широкополосных систе­мах, вытекает из их названия Это псевдослучайность, или шумоподобность Такие свойст­ва ПСП, например, как «хорошая» автокорреляционная функция (АКФ), тес малыми боко­выми лепестками, или наиболее равномерный амплитудный спектр, являются производны­ми от их псевдослучайности. Такими же свойствами обладает достаточно длинная реализа­ция БГШ. Ее АКФ представляется в виде δ-функции Дирака, энергетический спектр — рав­номерный

Рассмотрим, каким требованиям должны удовлетворять ПСП, чтобы их можно было бы использовать в качестве основы для построения ШПС.

Первоначально критерием для поиска «хороших» последовательностей являлся минимум боковых лепестков их апериодических АКФ. В наилучшей степени этому критерию удовле­творяли двоичные последовательности (коды) Баркера. Было найдено только шесть после­довательностей Баркера длины N= 3, 4, 5, 7, 11, и 13. Поиски последовательностей Баркера большей длины успехом не увенчались. Из-за относительно малой длины, последовательности Баркера широкого применения в действующих широкополосных системах практически не нашли. Однако такие сигналы используются в беспроводных технологиях, например в Wi-Fi используется 11-ти элементная последовательность в защищённом режиме.

Наиболее широкое применение в широ­кополосных системах связи нашли так называемые М-последовательности. Как правило, используются двоичные М-последовательности. Формируются М-последовательности многотактными линейными фильтрами в виде ре­гистров сдвига с обратной связью.

Рассмотрим за счет каких действий допустимое число одновременно действующих ка­налов при использовании ШПС можно увеличить.

Известно, что в подвижных системах связи основным видом предоставляемых услуг яв­ляется телефонная связь, а основным источником информации — речь. Также хорошо из-вестно, что в занятом телефонном канале передача речевых сигналов занимает не более 1/3 времени и примерно 2/3 времени приходится на паузы. При выключении или значительном снижении мощности излучения во время пауз в речи при телефонном разговоре мощность взаимных помех будет снижаться пропорционально времени пауз. За счет этого допустимое число одновременно действующих каналов, а следовательно, и пропускная способность системы может быть в два-три раза увеличены. Дополнительной полосы в данном случае не требуется. Также в два-три раза увеличивается и эффективность использования спектра, занимаемого системой с ШПС.

В системах связи с простыми сигналами и частотным разделением за счет этого повы­шается эффективность использования мощности передатчика ретранслятора или базовой станции. Однако эффективность использования полосы не повышается, так как выделенная каждому абоненту на время сеанса полоса частот сохраняется за ним даже в паузах речи.

С учетом этого пропускная способность системы с ШПС может быть определена сле­дующим выражением:

,

где: а и (1/2-1/3) — коэффициент активности абонента; F- общая ширина спектра широкополосного сигнала; R- скорость передаваемой информации; N₀- спектральная мощность БГШ; N_∑ - суммарная спектральная мощность взаимной помехи и БГШ; E_б- энергия, приходящая на один бит передаваемой информации.

Другая особенность систем радиосвязи с ШПС связана с использованием в ретрансляторе или на базовой станции узконаправленных многолучевых антенн. Известно, что примене­ние таких антенн позволяет упростить требования к наиболее массовым земным станциям, уменьшить ограничения на пропускную способность системы по полосе за счет повторного использования частот в разных лучах. Однако из-за «неидеальности» диаграмм направлен­ности антенн в системе связи с L лучами и простыми сигналами одну и ту же частоту можно использовать не чаще чем L/3 или L/7 раз, а в соседних лучах должны использоваться раз­ные полосы частот. В случае ШПС разнос частот сигналов в разных лучах не требуется, а мощность помехи от сигналов из соседних лучей, даже «незначительно» подавленная за счет многолучевых бортовых антенн с «неидеальными» диаграммами направленности, оказывается значительно меньше мощности взаимных помех от мешающих сигналов своего луча. Далее помехи будут подавлены за счет кодового разделения ШПС. Таким образом, эффективность использования спектра в системе с ШПС может значительно превысить эффективность применения спектра в системе с частотным разделением.

Дополнительное увеличение эффективности использования спектра примерно на 60% достигается за счет возможного разделения сигналов по поляризации. Известно [7.10], что в подвижных спутниковых станциях трудно подавить сигнал с нежелательной поляризаци­ей более чем на 6 дБ. Этого совершенно не достаточно для разделения сигналов в системах с частотным или временным разделением. Для систем с ШПС и такое подавление приводит к заметному снижению взаимных помех, что также повышает эффективность использова­ния спектра, хотя следует отметить, что широкого применения на практике этот метод пока не нашел.

В мобильных системах связи с простыми сигналами эффективность использования спектра снижается за счет того, что при большой неопределенности по доплеровским сме­щениям частоты и изменениях времени прихода принимаемых сигналов для снижения вза­имных помех приходится вводить защитные интервалы по частоте или по времени. В систе­мах с ШПС защитные интервалы не требуются.

В приведенных выше положениях предполагалось, что все приходящие на ретранслятор сигналы имеют одинаковую мощность. В случае разных мощностей пропускная способ­ность системы резко снижается. Разброс мощностей на 3 дБ приводит к уменьшению эффективности примерно в два раза. Поэтому регулировка мощностей абонентских станций с целью выравнивания мощностей сигналов, приходящих на ретранслятор, в системе с ШПС обязательна.

В системах связи с простыми сигналами эффективность использования спектра допол­нительно снижается за счет того, что при большой неопределенности частоты, вызванной эффектом Доплера, и изменениях времени прихода принимаемых сигналов для снижения взаимных помех приходится вводить защитные интервалы по частоте. В системах с ШПС защитные интервалы не требуются. В результате эффективность использования спектра в системе с ШПС оказывается значительно выше, чем в системах с простыми сигналами.

В системах спутниковой связи с малыми станциями имеют место замирания, обусловленные многолучевым распространением радиоволн. Малые антенны земных станций имеют широ­кие диаграммы направленности и поэтому не могут разделить прямой и отраженные лучи. В случае ШПС, принимаемые по различным лучам сигналы, могут быть разделены, а резуль­тирующий сигнал не подвержен замираниям, вызываемым многолучевым распространением. При приеме сигналы разделенных лучей могут выделяться и когерентно складываться. Экспе­рименты показали, что в реальных условиях энергетический выигрыш от реализации ШПС при многолучевом распространении составил 6-9 дБ.

Достоинством систем связи с ШПС признается также хорошая электромагнитная совмести­мость с существующими радиосредствами. Так, применение станций с малыми антеннами предполагает увеличение эквивалентной изотропно-излучаемой мощности (ЭИИМ) ретранс­лятора. Расширение спектра позволяет соблюсти установленные нормы на спектральную плотность потока излучаемой мощности. Станции с ШПС могут работать на вторичной ос­нове в общем частотном диапазоне с существующими узкополосными средствами.

Применение ШПС открывает возможность построения эффективных спутниковых систем связи с прямой ретрансляцией сигналов абонентских станций. В системах с простыми сигна­лами при частотном разделении каналов передатчик ретранслятора должен находиться в ли­нейном режиме, в противном случае нелинейные продукты третьего порядка могут поразить отдельные частотные каналы. При этом средняя мощность передатчика на 3-6 дБ ниже мощ­ности насыщения. При использовании ШПС и выравнивании уровней сигналов на входе ретранслятора переход в нелинейный режим передатчика также приводит к образованию не­линейных продук