Обобщенная модель и основные характеристики радиоканал – ЧАСТЬ 1

Радиоканалы представляют собой совокупность радиотехнических средств среды распространения радиоволн, предназначенных для передачи сообщений от отправителя к получателю (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Обобщенная структурная модель цифрового канала связи

Отличительные признаки радиоканалов, как частной разновидности кана

лов электросвязи, состоят в использовании:                                             _илИ

– радиосигналов, представляющих собой сигналы в виде радиоизлучен сигналы в электрических цепях на частоте радиоизлучения;

– «эфирного пространства» в качестве среды распространения радиосигналов в радиолиниях, где последние определяются как совокупность передающей и приемной антенн, а также среды распространения радиоволн. В технической литературе по системам радиосвязи понятие радиоканала име­ет и другую трактовку [1]: «радиоканал – часть радиочастотного спектра, ко­торая предназначена для излучения и определяется установленными границами

или центральной частотой и соответствующей шириной полосы частот            ».

Специфическая особенность каналов связи BWN состоит в использовании общего радиоресурса:

частотного – радиосигналы всех каналов формируются с использованием одной полосы радиочастот;

временного – потребность передачи сообщений в одном канале по времени не зависит от потребностей передачи в других каналах, включая возмож­ность одновременного возникновения этих потребностей; • пространственного – местоположение станций в пределах BWN может быть произвольным (исключая фиксированное положение станций в пределах сети сотовой связи).

Совместная работа множества каналов одной сети BWN с использованием об­щего частотно-временного и/или пространственного ресурса предполагает координа­цию его распределения между различными каналами. Возможности распределения радиоресурсов в BWN разных видов существенно отличаются. Например, распреде­ление пространственного ресурса осуществляется только в инфраструктурных BWN новейших систем сотовой и муниципальной связи, содержащих базовые станции, где экономически оправдано применение сложных антенных систем, обеспечивающих направленное излучение. В BWN, станции которых используют ненаправленные ан­тенны, распределение пространственного ресурса между каналами исключается.

Титовым объектом распределения между радиоканалами в современных BWN является частотно-временной ресурс (ЧВР). Распределение последнего в сетях сото­вой связи и сетях типа WiMAX осуществляется БС по запросу подключаемых ПС без прерывания связи с уже подключенными пользовательскими станциями. В локаль­ных и персональных сетях этот ресурс распределяется по принципу «состязательно­го» доступа станций, испытывающих потребность в передаче сообщений.

Принципы распределения ЧВР составляют предмет системотехники BWN и, соответственно, их рассмотрение проводится в главах, посвященных конкрет­ным системам. Применительно к общим сведениям о каналах радиосвязи, су­щественно то, что приведенное в начале этого пункта нормативное определение радиоканала нуждается в уточнении относительно радиоресурса. Содержание определения подразумевает, что данный ресурс является предоставленным (вы­деленным) и радиотехнические средства обеспечивают передачу сообщений от источника к получателю в рамках выделенного ресурса.

Первостепенная особенность радиоканалов современных систем сотовой связи и беспроводного доступа состоит в применении в них цифровых сигналов для передачи сообщений от отправителя к получателю. Отправителями и полу­чателями сообщений являются т.н. хосты узлов (host) – оконечные устройства (компьютеры, видеофоны и др.), предоставляющие пользователям интерфейс для предоставления разных видов услуг и создающие цифровые сигналы.

Формирование, передача, прием и обработка радиосигналов в радиокана­ле осуществляется передатчиком и приемником, подключенными к хостам (на одном конце) и к радиолинии (на другом конце). Из хоста-источника в передат­чик поступают исходные цифровые сигналы отправляемых сообщений U(t) В хост получателя из приемника поступают переданные по радиоканалу цифро­вые сигналы принятого сообщения U*(t). Качественная передача сообщения со­стоит в однозначном отображении переданного сообщения в принятое: U(t) -» lf(t). Такое отображение является результатом целой цепочки преобразований сигналов элементами радиоканала: U(t)->V(t)-^S(t)-+S*(t)->V(t)~^U*(t), где S(t) и S*(t) – радиосигналы, излучаемые передатчиком и принимаемые приемником, a V(t) и V*(t) – кодированные и декодированные сигналы, соответственно. Коди­рование исходных цифровых сигналов на передающей стороне состоит в пре­образовании потока символов сообщения U(t) в поток символов V(t), которыми определяются создаваемые модулятором радиосигналы S(t) – см. рис. 2.2.

В передающем устройстве сообщение от источника A(t) преобразуется в первичный электрический сигнал U(t), удобный для дальнейшей обработки и подготовки к передаче по каналу связи. Спектры символов сообщения лежат в базовой области частот (baseband). Вышеназванная подготовка обычно включа­ет эффективное кодирование, которое состоит в преобразовании сообщения в статистически независимые равновероятные символы и уменьшении среднего числа символов, требующихся для представления знака сообщения (снижении избыточности). Совокупность этих процедур часто называют кодированием ис­точника. Для защиты передаваемой информации от несанкционированного до­ступа сообщение может быть подвергнуто шифрованию.

Согласование формы представления электрических сигналов уровня поль­зователя с входными/выходными цифровыми электрическими сигналами хостов соответствует протоколам представительского уровня базовой модели открытых систем (см. главу 1), в частности протоколам, регламентирующим кодирование и шифрование этих сигналов (см. «кодирование источника») [3]. В дальнейшем мы полагаем, что входные/выходные цифровые сигналы радиоканала представ­ляют собой битовые потоки (потоки двоичных электрических символов).

Последующая обработка сводится к преобразованию первичного сигнала во вторичный сигнал V(t) и может состоять из нескольких этапов (корректирующее кодирование, перемежение, расширение спектра), направленных на повышение достоверности передачи и упреждение возникновения ошибок в канале связи. Применение помехоустойчивого кодирования обусловлено наличием искаже­ний сигналов при передаче по радиолинии. Перемежение символов первичного сигнала и расширение спектра – дополнительные меры, позволяющие получить энергетический выигрыш при передаче сигналов или выигрыш по качеству при­ема (уменьшение количества ошибок).

На заключительной стадии вторичный низкочастотный сигнал с выхода канального кодера поступает в модулятор и преобразуется в высокочастотный радиосигнал S(t), пригодный для передачи по беспроводному каналу с учетом особенностей (характеристик) среды передачи.

Преобразования, состоящие в линейном усилении сигналов, не упомянуты, т.к. являются сопутствующими основным функциональным преобразованиям’ Вышеназванные преобразования, выполняемые передатчиком и приемником, являются противоположными по содержанию соответствующих отображений сигналов. Приемник осуществляет обратное преобразование принятого сигнала 5*(/), включающее демодуляцию, корреляционную обработку, деперемежение, декодирование и преобразование сигнала lf{t) в оценку сообщения A*(t).

Модуляция несущей частоты в передатчике обеспечивает формирование радио­сигнала S(t) = s(t)cos(2nf₀t + ф(0), огибающая s(t) и фаза ф(/) = 2nf_Qt + cp(f) которого определяют его изменения, соответствующие отображению V(t) —► S(t). Радиосигнал имеет спектр в окрестности несущей частоты^. Ширина частотной полосы, необ­ходимой для передачи первичного исходного сигнала с требуемым качеством его воспроизведения на приеме, определяется скоростью передачи битового потока, па­раметрами кодирования и модуляции несущей. Методы модуляции несущей в радио­каналах систем цифровой связи рассматриваются в разделе 2.5 настоящей главы.

Рассмотренные элементы модели радиоканала обеспечивают выполнение функ­ций физического уровня базовой модели OSI, представление которого осуществляет­ся согласно протоколам двух вышестоящих уровней: МАС-уровня и сетевого уровня. В рассматриваемой модели канала это обстоятельство учитывается наличием двух элементов: контроллера и синхронизатора работы канала. Последний обеспечивает согласованный единый отсчет времени в передатчике и приемнике, что обеспечивает возможность синхронной и синфазной передачи/приема сигналов. Контроллер кана­ла выполняет функции управления предоставлением частотно-временного ресурса. Для сотовых систем связи такое управление сводится к распределению ресурса, во- первых, для передачи сообщений, связанных с установлением соединения (control channel) и, во-вторых, для передачи пользовательских сообщений (traffic channel). В системах BWA управление распределением частотно-временного ресурса сводится к обеспечению множественного доступа абонентов к общей среде передачи радио­сигналов посредством автономного контроля ее занятости (Carrier Sensing Multiple Access – CSMA).

Здесь индексы i и j обозначают радиосигналы i-го иу-го каналов, соответственно.

Распределение РЧР между радиоканалами необходимо для предотвращения возникновения межканальных взаимных помех. Критерий отсутствия взаимных помех, соответствующий применяемым методам радиоприема, заключается в соблюдении условия ортогональности сигналов разных каналов. Для временно­го и спектрального представления сигналов данное условие можно записать в виде следующих соотношений [3]:

Из приведенных соотношений ясно, что разделение временных интервало создания сигналов или частотных полос, в которых они передаются, обесп_е^В чивает ортогональность сигналов. Этим способам предотвращения взаимного влияния соответствуют наименования методов разделения каналов: временного (time division) и частотного (frequency division). Наряду с этими методами, ши­роко используется метод кодового разделения каналов. Синонимом термина «ко­довое разделение» является термин «разделение каналов по форме сигнала»

В заключение отметим, что связь между узлами BWN является дуплексной при которой «…передача сообщений осуществляется одновременно с приемом>> Такой вид связи предполагает наличие двух радиоканалов между узлами сети Строгое соблюдение требований одновременности передачи/приема означает что передача и прием сигналов разных каналов осуществляется в течении одних и тех же отрезков времени. Последнее возможно при условии, что частотные полосы каналов отделены (частотный дуплекс, от англ. frequency division duplex, FDD). Тем не менее, термин «дуплексная связь» применяется по отношению к обме­ну сообщениями и в тех случаях, когда частотные полосы каналов совмещены. При этом взаимные помехи каналов исключаются за счет чередования интерва­лов передачи сигналов по одному каналу и приема по другому каналу в пределах фиксированного временного окна (кадра). Такой разновидности дуплексной связи соответствует термин «временной дуплекс» (от англ. time division duplex, TDD).

Перечень основных характеристик радиоканалов, которые соответствуют выполняемым функциям физического уровня передачи сообщений, включает:

–  характеристики, соответствующие выделяемому радиочастотному ресурсу;

–  характеристики передачи информационных сообщений.

Типовые характеристики каналов, которые используются в дальнейшем при рассмотрении специфики BWN сотовой связи и беспроводного доступа, при­ведены ниже.