Беспроводная связь вне пределов видимости: уменьшение влияния наложения сигналов в высокоскоростных линиях

В настоящей главе рассматривается одна из основных проблем, возникающих при использовании беспроводной связи и способы ее смягчения. В ней также обсуждаются методы модуляции сигналов и их кодирования.

Наложение сигналов

Под наложением сигналов (multipath) понимается суммирование первичного сигнала и эхо-сигналов, появившихся в результате отражения сигналов от объектов, расположенных между передатчиком и приемником. На рис. 20.7 приемник принимает основной сигнал, идущий непосредственно от передатчика, а также вторичные сигналы, отраженные от близлежащих объектов.

Отраженные сигналы поступают на приемник позже основного сигнала. В результате такого запаздывания " выбившиеся " из фазы сигналы вызывают межсимвольную интерференцию и искажение принимаемого сигнала. Обычно наложение сигналов происходит из-за отражения от высоких объектов, однако оно может появляться и в результате отражения от низко расположенных объектов, например озер или дорожного покрытия.

В действительности принимаемый сигнал представляет собой комбинацию основного сигнала и нескольких эхо-сигналов. Поскольку расстояние, пройденное основным сигналом, короче того, которое прошли отраженные сигналы, они принимаются не одновременно. Подобные сигналы накладываются друг на друга и сливаются в один общий сигнал. Обычно время между приемом исходного и последнего отраженного сигнала составляет до 4 мс.

выбрать подходящий маршрут распространения сигнала и проанализировать иные факторы, влияющие на качество передачи.

Рис. 20.7. Наложение сигналов

Рис. 20.8. Прием наложения сигналов

В примере, показанном на рис. 20.8, эхо-сигнал имеет временную задержку и меньшую мощность. Это связано с дополнительным расстоянием, которое прошел отраженный сигнал по сравнению с исходным. Чем больше расстояние, тем больше задержка и меньше мощность отраженного сигнала. На первый взгляд, чем больше задержка, тем лучше прием. Но если задержка слишком велика, прием отраженного символа S1 может наложиться на основной сигнал символа S2. Поскольку в системах, не требующих прямой видимости, основной сигнал не всегда распространяется по прямой, мощность исходного сигнала может оказаться меньше мощности вторичных сигналов.

В аналоговых системах, таких как телевидение, наложение сигналов можно заметить невооруженным глазом. Иногда на экране появляется "призрачное" изображение, которое невозможно устранить настройкой. В аналоговых системах такое явление вызывает лишь раздражение. В цифровых системах это обычно приводит к повреждению потоков данных, их потере и снижению производительности. Для коррекции наложения сигналов, из-за которого происходят потери данных, применяются специальные корректирующие алгоритмы.

В цифровых системах входящий сигнал представляет собой набор символов. Отраженный сигнал фактически накладывается на следующий принимаемый символ, вследствие чего возникает межсимвольная интерференция (InterSymbol Interference — 1SI). Основной причиной ISI является наложение сигналов, что необходимо учитывать в конструкции цифровых систем.

Каналы микроволновой связи

С самого начала производства оборудования для беспроводной связи производители и операторы связи прилагали усилия для ослабления неблагоприятного влияния эффекта отражения сигналов, связанного с их распространением и называемого наложением сигналов (multipath signals). В современных микроволновых системах в процессе проектирования используются совершенные методы ослабления эффекта наложения сигналов. Большинство используемых подходов позволяют добиться высокой степени надежности передачи информации в беспроводных системах. В настоящем разделе рассматривается процесс создания микроволновых цифровых систем передачи, которые не только ослабляют неблагоприятное воздействие наложения сигналов, но и извлекают из этого эффекта определенные преимущества.

Цифровые микроволновые системы делятся на два типа: с длиной волны менее 10 ГГц и с длиной волны более 10 ГГц (такие волны называются миллиметровыми). Для высокоскоростной передачи используются несколько диапазонов с длиной волны менее 10 ГГц. Среди них есть лицензируемые диапазоны, такие как диапазон MMDS (2,5 ГГц) и нелицензирусмые, такие как диапазон U-NII (5,7 ГГц). Использование диапазонов с частотами менее 10 ГГц позволяет добиться большой дальности переда- чи_(до 30 миль). На распространение таких волн почти не влияют климатические явления, такие как дождь. Они также практически не поглощаются окружающей средой. Однако такие волны часто испытывают отражение, что приводит к появлению нескольких аналогичных сигналов, которые накладываются друг на друга.

Дальность распространения сигналов с частотами свыше 10 ГГц, такими как частоты диапазонов 24 ГГц, LMDS (28 ГГц) и 38 ГГц, весьма ограничена и не превышает 5 миль. Они также подвержены ослаблению, в частности при дождливой погоде. Проблема наложения для таких сигналов значительно менее остра, поскольку их дальность распространения относительно невелика и большая часть энергии отраженных сигналов поглощается окружающей средой. Однако если такие частоты используются в плотно застроенной городской среде, то часто возникает эффект отражения, в частности от таких объектов как металлические строительные конструкции или металлические рамы окон. Применение повторителей может увеличить эффект наложения при распространении сигнала, поскольку сигнал принимается с задержкой.

Наложение сигналов в системах без прямой видимости

В системах с прямой видимостью наложение сигналов обычно невелико и легко подавляется. Амплитуда отраженных сигналов значительно ниже амплитуды основного сигнала, поэтому они могут быть эффективно отфильтрованы с помощью стандартных эквалайзеров. Однако в системах без прямой видимости эхо-сигналы могут быть не менее мощными, чем основной, поскольку последний может быть сильно ослаблен, в основном из-за большого количества наложений, поэтому в данном случае требуются эквалайзеры более сложной конструкции.

До сих пор в настоящем изложении предполагалось, что наложение сигналов носит условно-постоянный характер. Однако это не всегда так: некоторые объекты движутся, что иногда играет важную роль. Иногда условия наложения сигналов изменяются с течением времени. Такое явление называется временными отклонениями. Цифровые системы должны выдерживать быстрые изменения условий наложения сигналов, называемые быстрым замиранием (fast fading). Для этого им требуются быстродействующие схемы AGC. Адаптивные эквалайзеры, которые будут описаны ниже, должны обладать способностью к быстрому самообучению.

Методы модулирования и кодирования сигналов с использованием QAM

Многие современные системы СВЧ-связи фиксированной частоты основаны на квадратурно-амплитудной модуляции (Quadrature Amplitude Modulation — QAM). Существуют разные уровни сложности таких систем.

Простейшие системы, например, системы фазовой модуляции (Phase Shift Keying — PSK), очень надежны и просты в реализации из-за низкой скорости передачи данных. В системах с фазовой модуляцией волна не изменяет ни частоты, ни амплитуды, а только фазу. Фаза волны изменяется во времени.

При использовании двоичной фазовой модуляции (binary phase shift keying — BPSK) фаза синусоидальной волны начинается или с 0 или с 1/4. При двоичной фазовой модуляции за один цикл (называемый символом) передается только

1   бит. В более сложных схемах модуляции за один цикл передаются несколько битов. Схема квадратурно-фазовой модуляции (Quadrature Phase Shift Keying — QPSK) аналогична схеме двоично-фазовой модуляции, однако вместо двух значений фазы в алгоритме квадратурно-фазовой модуляции используется четыре (0, л/2, л и Зя/2), что обеспечивает передачу 2 битов за символ. Подобно двоично-фазовой, квадратурно-фазовая модуляция широко применяется вследствие ее надежности. Однако, поскольку квадратурно-фазовая модуляция позволяет передать только

2    бита за символ, она является недостаточно эффективной для высокоскоростной передачи данных. Чтобы повысить скорость передачи, требуется значительно более широкая полоса пропускания.

Несмотря на то, что при квадратурно-фазовой модуляции амплитуда не изменяется, ее иногда называют четырехуровневой квадратурно-амплитудной модуляцией (4-QAM). При соединении четырех уровней изменения амплитуды с четырьмя значениями фазы, возникает 16-уровневая квадратурно-амплитудная модуляция (16-QAM). При ее использовании 2 бита передаются изменениями фазы и 2 — изменениями амплитуды, что обеспечивает передачу четырех битов за символ.

На рис. 20.10 приведены амплитудно-фазовые диаграммы модуляции для трех типичных схем — QPSK, 16-QAM и 64-QAM. Различные значения фазы и амплитуды образуют равномерную систему координат с осями I и Q. Угол поворота задает фазу, а расстояние до центральной точки — амплитуду. Такой подход можно распространить до 64-уровневой, 256-уровневой модуляции и выше. Модуляция 64-QAM очень широко распространена как в проводных, так и в беспроводных широкополосных сетях; исследования в этом направлении продолжаются и технология 256-QAM также прошла тестирование. Однако чем выше плотность QAM, тем более высокое отношение сигнал/шум (signal-to-noise — SNR) должно обеспечиваться для поддержания требуемой частоты ошибок по битам (Bit-Error Rate — BER).

Рис. 20.09. Амплитудно фазовые диаграммы для QPSK, 16-QAM и 64-QAM

Способ кодирования данных также играет существенную роль. Обычно данные шифруются и передается дополнительная информация для упреждающей коррекции (Forward Error Correction — FEC). Благодаря этому система может восстанавливать биты, потерянные из-за шумов, помех и наложения сигналов. Упреждающая коррекция ошибок для данного уровня SNR на приемнике позволяет значительно улучшить BER (рис. 20.11.).

Литература:

Руководство по технологиям объединенных сетей, 4-е издание. : Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Вильяме», 2005. — 1040 с.: ил. – Парал. тит. англ.

Вы можете следить за любыми ответами на эту запись через RSS 2.0 ленту. Вы можете оставить ответ, или trackback с вашего собственного сайта.

Оставьте отзыв

XHTML: Вы можете использовать следующие теги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

 
Rambler's Top100