Организация линий связи между абонентской станцией и базовой станцией и между базовыми станциями. Особенности распространения сигнала в городских, а также других условиях.

Базовая станция в радиосвязи вообще — системный комплекс приёмопередающей аппаратуры, осуществляющей централизованное обслуживание группы оконечных абонентских устройств.

Например, при организации связи малогабаритными мобильными рациями на местности, устанавливается стационарная антенна и радиостанцияболее высокой, нежели остальные, выходной мощности. Она осуществляет при необходимости ретрансляцию сигнала, а её оператор контролирует обстановку в эфире.

Архитектура системыОднозоновая система состоит как правило из одной базовой станции. Базовая станция может включать в себя от 2х до 20ти каналов. Каждый канал состоит из ретранслятора (приемопередатчик) и контроллера, управляющего работой канала. Антенно-фидерная часть базовой станции выбирается исходя из конкретных номиналов частот и условий места установки системы. Зона действия базовой станции зависит от высоты установки антенн и составляет в среднем 25-50 км.
Многозоновые системы могут быть разной конфигурации. В системе, состоящей из двух базовых станций, соединение между ними осуществляется через выделенные линии связи. Это могут быть радиоканалы на типовых ретрансляторах, работающих в диапазоне базовой станции. Также используются проводные, оптоволоконные или радиорелейные линии связи. Достаточно соединить между собой по одному контроллеру каналов из каждой базовой станций и можно будет осуществлять вызовы между абонентами в разных территориальных зонах. При этом абоненты, зарегистрированные в одной базовой станции, могут вызывать абонентов, за регистрированных в другой базовой станции. Также можно осуществлять групповой вызов абонентов из обеих базовых станций. Для организации такой системы связи не требуется специальных коммутаторов. В данном случае контроллеры каналов обеспечивают интерфейс для подключения к выделенной линии связи между базовыми станциями, и управляют работой всей системы. Наиболее многофункциональным решением для многозоновой системы является использование специальных коммутаторов, объединяющих все базовые станции в единую систему.

Основным назначением системы является создание сетей оперативной связи большого радиуса действия. Это могут быть системы производственного назначения, ведомственные сети специального назначения и коммерческие сети радиотелефонной связи в районах, не охваченных сетями сотовой связи.
Например, если сотрудникам предприятия необходимо перемещаться в процессе работы по территории радиусом 10...50 км, то для обеспечения взаимодействия между ними достаточно установить одну базовую станцию системы БС. Такая базовая станция, в зависимости от числа каналов обеспечит связь для 50 или 500 абонентов. БС обеспечивает соединение между абонентскими трубками в течение 0,5 секунды. При этом вызов абонента осуществляется нажатием только одной кнопки на абонентской трубке. При подключении базовой станции к телефонной сети каждый абонент получит персональный телефонный номер. Местом установки базовой станции может служить наиболее высокое здание на данном объекте, так как антенны для приема и передачи сигнала желательно расположить как можно выше. Если на объекте нет высоких зданий, то в этом случае устанавливается специальная мачта для размещения антенн. Как уже известно, сети сотовой связи получили свое название в соответствии с территориальным принципом распределения малых рабочих зон (сот) . В центре каждой рабочей зоны расположена базовая станция (БС или BTS), осуществляющая связь по радиоканалам с многими абонентскими станциями, установленными на подвижных объектах (автомобилях, у Вас в кармане ) и находящихся в ее рабочей зоне. Для каждой соты в рамках всей сети при проектировании проводится комплекс специальных мероприятий , в том числе и частотное планирование , которое учитывает условия распространения радиоволн и общую частотную обстановку ( средний уровень промышленных помех, сигналы от смежных базовых станций, и.т.п). Необходимо заметить, что проектирование сети сотовой связи - весьма трудоемкий и кропотливый процесс, несмотря даже на использование компьютерных систем. Учет всех параметров (количество каналов в выделенном частотном диапазоне, расчетная нагрузка на одного абонента, допустимая интенсивность потерь, минимальная приемлемая напряженность поля) и их топографическая привязка к планируемой зоне обслуживания, опять же , с учетом типа местности, существующих сооружений - все это требует больших трудовых затрат (не говоря уже о финансовой стороне дела). К тому же проектирование сети - это процесс бесконечный. Действующие сегменты сети выдают информацию о распределении трафика и приросте числа абонентов , и эта информация, в свою очередь, может влиять на составленные раньше проекты, дополняя и расширяя сеть.

В цифровых системах радиосвязи используются специальные виды модуляции, отличающиеся от аналоговых видов. Это вызвано как особенностями цифрового сигнала, позволяющего использовать более эффективные функциональные зависимости между модулируемым и модулирующим сигналами, так и необходимостью обеспечения электромагнитной совместимости с другими существующими системами связи. TETRA – одна из первых цифровых транкинговых систем связи, поэтому представляет интерес рассмотреть процессы модуляции и демодуляции сигнала в данной системе более подробно.

Для передачи сигнала по радиоканалу стандарт TETRA предлагает использовать дифференциальную квадратурную фазовую модуляцию со сдвигом символов π/4 (международное обозначение - π/4-DQPSK). Этот вид модуляции в настоящее время широко применяется во многих цифровых системах связи, например, в сотовой связи стандарта DAMPS, системе беспроводных телефонов DECT и др. Модуляция π/4-DQPSK позволяет формировать компактный спектр радиосигнала с малым уровнем внеполосных излучений при высокой скорости передачи информации и приемлемой помехоустойчивости. Кроме того, прием данного сигнала может осуществляться на разнообразные типы демодуляторов от простейшего частотного дискриминатора до когерентных демодуляторов, что немаловажно при построении радиоприемных устройств различного класса. Эти особенности с учетом высокой стоимости радиочастотного спектра в современных условиях создают веские предпосылки для широкого применения данного вида модуляции. Рассмотрим процессы модуляции и демодуляции сигнала в системе TETRA более подробно.

В стандарте TETRA предусмотрено 2 условия распространения радиоволн, которые включают 5 следующих моделей:

статические условия:

· статическая модель (STATIC);

динамические условия:

· для сельской местности (Rax);

· для холмистой местности (HTx);

· для типичной городской застройки (Tux);

· для плотной городской застройки (Bux).

В моделях с динамическими условиями (Rax, HTx, Tux, Bux) оговорены два варианта изменения параметров, которые соответствуют условиям движения автомобиля в городе со скоростью 50 км/час и в сельской местности - 200 км/час. Например, изменение радиосигнала на входе приемника автомобильной радиостанции, движущейся со скоростью 200 км/час в условиях холмистой местности, описывается моделью HT200.

Дополнительно предусмотрена модель для тестирования эквалайзера (Eqx).

Статическая модель характеризуется отсутствием амплитудных и фазовых искажений сигнала.

Модель распространения сигнала в сельской местности описывает флуктуации сигнала распределением Райса и имитирует постоянный доплеровский сдвиг частоты.

Условия распространения сигнала над холмистой местностью предполагают отсутствие прямой радиовидимости между приемником и передатчиком, а также наличие достаточно удаленных переотражающих объектов. Такие условия описываются двухлучевой моделью со средним соотношением уровня лучей -8,6 дБ и средней задержкой сигнала во втором луче на четверть символа. Флуктуации сигнала на входе приемника описываются законом Релея.

Модели распространения сигнала в городских условиях предполагают отсутствие прямой радиовидимости между приемником и передатчиком и наличие большого количества переотражающих объектов. Данный случай также описывается двухлучевой моделью, но с другими амплитудными и временными соотношениями. Например, задержка между лучами составляет приблизительно 1/10 символа, то есть сигнал на входе приемника практически не испытывает межсимвольных искажений.

Модель для тестирования эквалайзера применяется только для тестирования аппаратуры класса Е. В данной модели флуктуации сигнала на входе приемника имитируются релеевскими замираниями по четырем лучам с задержкой сигнала в лучах до двух символов.

5. Оценка зоны обслуживания абонентов

В данном разделе проводится оценка зоны обслуживания абонентов базовой станцией при различных условиях окружающей среды.

Известно большое количество методик расчета обеспеченности радиосвязью абонентов в транкинговых сетях. Данные методики основаны на результатах теоретических и практических исследований распространения радиоволн в реальных условиях. Процесс оценки зоны обслуживания состоит из нескольких этапов.

На первом этапе определяют мощность сигнала, излучаемую в эфир. На втором - среднюю мощность сигнала на приемной антенне, при которой обеспечивается заданная чувствительность приемника. По результатам этих этапов определяют допустимый уровень потерь на трассе распространения радиосигнала. На третьем этапе выбирают модель расчета потерь на трассе и на ее основе строят зависимость потерь от расстояния. По данному графику определяют среднюю дальность радиосвязи с учетом запаса на обеспеченность связью по месту и времени.

Рассмотрим эту процедуру более детально.

Излучаемая мощность сигнала

где P_S - мощность передатчика; G_А - коэффициент усиления антенны; B_С - коэффициент передачи фидера и других цепей между передатчиком и антенной. Необходимая мощность сигнала на приемной антенне:

где P_ПР - чувствительность приемника; G_ПА - коэффициент усиления приемной антенны; B_ПС - коэффициент передачи фидера и других цепей между антенной и приемником; С - коэффициент обеспеченности связью по месту и времени. Данный коэффициент вносит поправку для обеспечения с заданной вероятностью превышения мощности сигнала на входе антенны относительно среднего значения. Значение коэффициента определяется многими факторами, в том числе характером распространения радиоволн, плотностью застройки территории, требующей обеспечение связью. Например, при Δ_с=0дБ мощность сигнала на входе приемника будет превышать заданный уровень в 50% случаев приема, при Δ_с=10дБ - в 90%.

Допустимый уровень потерь на трассе распространения радиосигнала:

Методика оценки L_Д, предлагаемая стандартом TETRA, основана на модели Хата, которая позволяет прогнозировать усредненные потери при распространении радиосигнала в открытом пространстве, сельской местности и в городе. Исходными данными для оценки потерь служат:

· h_b - высота установки антенны базовой станции;

· h_m - высота установки антенны мобильной станции;

· f_c - несущая частота сигнала.

Коэффициент потерь в свободном пространстве определяется выражением:

где R - расстояние от передатчика до точки оценки потерь.

В соответствии с методикой Хата коэффициент потерь при распространении сигнала в сельской местности

а при распространении сигнала в городе

Например, при h_m=1,5м, f_c=400 МГц, и трех значениях hm=30; 50; 100м на рис. 11 и рис. 12 построены графики зависимости L_OA=f(R) для сельских и городских условий распространения радиоволн.

Рис. 11. График зависимости L_OA=f(R) для сельских условий.

В соответствии с приведенной методикой оценим дальности связи для сельских и городских условий распространения сигнала при исходных данных, представленных в таблице 10.

Поскольку, как правило, энергетический потенциал радиолинии сверху вниз (от базовой станции к подвижным абонентам) выше, чем в обратном направлении, то оценку дальности связи будем проводить для направлений подвижный абонент - базовая станция при динамических условиях распространения сигнала.

Для каждого варианта с учетом условий распространения сигнала подставим соответствующие значения в (14). Затем из (15) или по графикам на рис. 11, рис. 12 найдем дальности связи. Результаты для двух значений обеспеченностью связью по месту 50% и 90% представлены в таблице 11.

Рис. 12. График зависимости L_OA=f(R) для городских условий.

Процент обеспеченности связью, показанный в таблице, обеспечивается на границе зоны обслуживания, внутри области обслуживания обеспеченность будет составлять 75% и 95% соответственно.

Следует отметить, что представленные дальности связи ограничиваются чувствительностью приемника базовой станции по шумам, что характерно для систем без повторного использования радиочастот.

При построении многозоновых систем с повторным использованием радиочастот чувствительность, как правило, ограничивается уровнем помехи по совмещенному каналу связи, что характерно для сотовых систем. На рис. 13 показана ситуация возникновения помехи по совмещенному каналу, когда имеются две базовые станции, работающие на одном канале, где RСВ - радиус связи при ограничении по чувствительности приемника, RП - радиус связи при ограничении по помехе от совмещенного канала.

Таблица 10

Таблица 11