Реферат Використання технології цифрового діаграмоутворення в системах мобільного зв`язку
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Реферат
На тему:
ВИКОРИСТАННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ЦИФРОВОГО ДІАГРАМОУТВОРЕННЯ В СИСТЕМАХ
МОБІЛЬНОГО ЗВ'ЯЗКУ
Зміст
Перелік умовних позначок і символів
Вступ
1. Аналіз чинників, що впливають на рівень внутрішньо-системних завад систем мобільного зв’язку
2. Переваги технології цифрового діаграмоутворення (ЦДУ) в зв’язку
3. Закордонні концепції побудови систем мобільного зв’язку
Висновки
Перелік умовних позначок і символів
| АЕ | – | антенний елемент |
| АФР | – | амплітудно-фазовий розподіл |
| АЦП | – | аналого-цифровий перетворювач |
| ДС | – | діаграма спрямованості |
| КМ | – | кореляційна матриця |
| ПЛІС | – | програмована інтегральна схема |
| ПХ | – | пеленгаційна характеристика |
| СМЗ | – | система мобільного зв’язку |
| ЦАР | – | цифрова антенна решітка |
| ЦАП | – | цифрово-аналоговий перетворювач |
| ЦДУ | – | цифрове діаграмоутворення |
| ЦОС | | цифрова обробка сигналів |
| ШПФ | – | швидке перетворення Фур’є |
| MUSIC | – | метод класифікації множинних сигналів (Multiple Signal Classification) |
| _Н | – | операція ермітового сполучення |
| _Т | – | операція транспонування |
Вступ
Сьогодні ведеться інтенсивне впровадження систем мобільного зв’язку загального користування. Відповідно зростають вимоги до якості передачі інформації, пропускної спроможності, надійності роботи.
При використанні стільникового принципу організації зв'язку (відповідно до якого зона обслуговування ділиться на велике число стільник у вигляді 6-кутників) за допомогою статистичних законів поширення радіохвиль визначаються припустимі розміри й відстані до інших стільник, у межах яких виконуються умови припустимого взаємного впливу. Відстань до районів, у яких можуть бути використані ті ж самі робочі частоти, залежить від умов поширення радіохвиль, припустимого рівня завад й числа радіостанцій, розташованих навколо даного району. В загальному випадку вважається припустимим, щоб у стільниковій структурі частоти повторювалися через 2 стільники.
Однак, при одночасній роботі кількох прийомо-передавачів на одній частоті, а також на частотах сусідніх каналів виникають внутрішньо-системні завади, рівень яких залежить від трафіку.
Тому доцільно проаналізувати підхід щодо нейтралізації внутрішньо-системних завад в системі мобільного зв’язку, який базується на технології цифрового діаграмоутворення. Впровадження зазначеної технології на базі цифрових антенних решіток дозволяє істотно поліпшити основні характеристики системи зв’язку в цілому.
1. Аналіз чинників, що впливають на рівень внутрішньо-системних завад систем мобільного зв’язку
Одним з найважливіших переваг систем мобільного зв’язку (СМЗ) є висока ефективність використання виділеного частотного спектра, що досягається шляхом повторного застосування тих самих частот у різних стільниках системи, що призводить до появи внутрішньо-канальної завади. Базові станції (БС), на яких допускається повторне використання виділеного набору частот, розподіляються між собою захисним інтервалом D (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Внутрішньо-канальні завади в 7-стільниковій системі при використанні всеспрямованих і секторних антен.
Задавши відношення сигнал/шум, рівне 18 дБ або 63,1, можна записати:
де С - рівень сигналу, N - рівень шуму, Ii - рівень перешкоди від i-й осередку, М - кількість стільник, що використають ту ж частоту, що й дана стільника, вилучених на відстань D від неї.
Звичайно рівень внутрішньо-канальної завади набагато більше рівня шуму, тому величиною N можна зневажити. Прийнявши втрати поширення пропорційними R-4, для 7-стильнікової моделі (М=7) одержимо:
Це рівняння вірно при D/R≥5,4. R - радіус стільники. Відношення q=D/R називається фактором внутрішньо-канального ослаблення.
Придушення внутрішньо-канальної інтерференції в стільниковій системі завжди є основною проблемою. У зв'язку із цим може бути розглянутий ряд методів, таких як:
- збільшення поділу між двома одноканальними стільниками,
- використання спрямованих антен на базових станціях,
- зниження висоти антени на базовій станції,
- нахил діаграми спрямованості (ДС) антени,
- вибір положення БС.
Перший метод недоцільний з тієї причини, що при збільшенні числа стільник з повторним використанням частот ефективність системи, що прямо пропорційна числу каналів на стільнику, зменшується. Третій метод не рекомендується, тому що послабляє рівень прийому в мобільному блоці. Метод 2 є прийнятним підходом, особливо якщо число стільник з повторним використанням частоти фіксовано. При цьому зберігається те ж число радіоканалів, що й в 7-стільниковій системі, але стільника ділиться радіально по секторах. Тому доцільно розглянути зазначений підхід.
Кожна стільника розділена на 3 або 6 секторів і на БС використається 3 або 6 спрямованих антен. Кожному сектору привласнене деяке число каналів. Інтерференція між 2 одноканальними стільниками зменшиться, як показано на рис. 1.1.
а) б)
Рис. 1.2. Дія завад для 3- та 6-секторного розподілу стільники.
Надалі розглянемо 3-секторний розподіл. Для ілюстрації гіршого випадку на рис. 1.2 а наведені 2 одноканальні стільники. Мобільний блок у позиції Е буде приймати більший рівень завад у нижній частині заштрихованого сектора стільники. Це відбувається тому, що мобільний приймач приймає самий слабкий сигнал від власної стільники, але дуже сильну заваду від стільники, яка впливає.
При 3-секторном поділі перешкода діє тільки в одному напрямку, тому що відношення пряме/зворотне випромінювання спрямованої антени базової станції стільники становить не менш 10 дБ. Число стільник, що заважає, зменшується з 6 до 2. Гірший випадок С/I з'являється, коли мобільний блок перебуває в позиції Е, де зазначена відстань між мобільним блоком і двома интерферирующими антенами. Величина С/I може бути отримана з наступного виразу:
Для q=5,4 C/I=27,2 дБ. Таким чином, використання секторної спрямованої антени може поліпшити відношення сигнал/інтерференція, тобто зменшити внутрішньо-канальну заваду. Однак, у дійсності, через нерівний контур поверхні місцевості й неточного місця розташування БС С/I може бути на 6 дБ менше в області щільного трафіку [1].
Надалі розглянемо 6-секторний розподіл. При цьому, можливо розділити стільнику на 6 секторів, використовуючи 6 спрямованих антен з кутом розкриву 60°, як показано на рис. 1.2 б. У цьому випадку тільки одне джерело внутрішньо-канальної завади діє в кожному секторі (рис. 1.1). Отже, відношення сигнал/інтерференція буде наступним:
Для q=5,4 C/I=31,4 дБ, що показує подальше зменшення внутрішньо-канальної завади. Однак, при секторі в 600 дозволені лише кілька каналів. У таких випадках, на сектор в 600 повинне бути призначене більше доступних каналів. Два недоліки 600 секторів:
- вони вимагають установки більшої кількості антен на антеною вишці,
- вони вимагають частих хендоверів, тому що ймовірність перетинання мобільними блоками шести секторів стільники більше, ніж в 1200 секторів.
У дійсності ж місцевість неплоска, охват не розподіляється рівномірно, відношення прямого/зворотного випромінювання спрямованої антени в просторі дуже складно прорахувати. У малих стільниках інтерференція може стати некерованою; тому використання 600-секторів у малих стільниках повинне розглядатися тільки для спеціальної реалізації [2]. Для малих стільник краща схема - це використання 7-стильнікової конфігурації з 1200 секторами.
Надалі розглянемо підхід, який пов'язаний з зменшенням висоти антени. При деяких обставинах, таких як досить плоска місцевість або рівнина, зменшення висоти антени буде дуже ефективним для ослаблення внутрішньо-канальної завади та завади каналів, що примикають. Однак існує ряд випадків, у яких цей метод неефективний. Так зменшення висоти антени, розташованої на височині, не зменшить прийняту потужність як на БС стільники, так й на мобільному блоці, тому що ефективна висота антени практично не зміниться. У лісовій зоні в околиці антени не повинні перебувати вершини дерев. У цьому випадку зменшення висоти антени не буде коректною процедурою, тому що в околиці антени й на границі стільники виникне надмірне ослаблення сигналу.
Інший підхід пов’язаний з вирізом у ДС похилої антени. Установка 1200 спрямованих антен може придушити інтерференцію в системі шляхом усунення випромінювання на 2400-сектор, що залишився. Однак внутрішньо-канальна завада існує навіть при використанні спрямованих антен, тому що обслуговуюча станція може заважати стільнику, який розташований саме по напрямку антени. Допустимо, що використається 7-стільникова система (К=7), фактор придушення внутрішньо-канальної завади q=4,6. Якщо в кожному стільнику встановлені 3 ідентичні антени, кожна з яких охоплює сектор в 1200, тоді кожний сектор приймає інтерференцію в центральному секторі в 190 з повного кута 1200 від стільники, що впливає. Отже, повинні бути початі спроби придушення потужності сигналу, випромінюваної за межі стільники в цьому 190-секторі. ДС антени з вирізом у центрі може бути отримана різними способами. Відносно простий спосіб - нахилити механічно вниз спрямовану антену з більшим посиленням.
ДС антени, отримана в площині з після нахилу антени, показана на рис. 1.3 [1]. Коли центральний промінь нахилений униз на кут θ, то нецентральний промінь нахилений униз на менший кут, тому найбільше ослаблення виходить для θ=0. ДС антени обслуговуючі стільники повинна бути повернена по годинній стрілці на 100, щоб виріз був спрямований прямо на одноканальний сектор стільники. Кут нахилу антени θ може бути обраний у діапазоні від 22 до 240, щоб збільшити відношення сигнал/інтерференція додатково на 7-8 дБ в одноканальній стільниці. Але в 190-секторі обслуговуючі стільники рівень сигналу також послабляється. Використання достатньої потужності передачі може виправити дану ситуацію.
Рис. 1.3. Виріз на горизонтальної ДС при нахилу антени вниз на кут θ.
Міжканальна завада містить у собі інтерференцію наступного каналу (каналу, що випливає за каналом обслуговування) й інтерференцію сусіднього каналу (що перебуває на відстані більш ніж одного каналу від каналу обслуговування). Міжканальна завада може бути усунута на основі призначення каналів, вибору характеристик фільтрів, і зменшення завади типу ближній/дальній прийом.
Інтерференція наступного каналу, що впливає на мобільний блок, не може бути викликана передавачами на БС стільники, але може з'являтися в БС інших стільник. Крім того, мобільний блок, починаючи виклик по каналу керування в стільниці, може викликати інтерференцію з наступним каналом керування на БС інший стільники. Методи для зменшення інтерференції наступного каналу використаються на приймальному кінці. Характеристики фільтра каналу: нахил у мовному діапазоні 6 дБ/окт, а поза мовним діапазоном – 24 дБ/окт. Якщо сигнал інтерференції наступного каналу сильніше 24 дБ, він буде інтерферувати з бажаним сигналом. Фільтр із крутою характеристикою може допомогти зменшити всі типи інтерференції суміжного каналу, включаючи й інтерференцію наступного каналу.
Канали, які віддалені на кілька каналів від каналу, що обслуговує, можуть викликати інтерференцію з бажаним сигналом. Міжканальна завада послабляється шляхом правильного призначення каналів. Кожній БС стільники привласнюється фіксований набір обслуговуючих каналів. Якщо всі канали одночасно передаються з однієї антени БС, то для багатоканального комбайнера потрібна достатня ізоляція між діапазонами каналів для придушення продуктів інтермодуляції. Вимоги по розподілу діапазонів можуть бути виконані, наприклад, шляхом використання кількох антен замість однієї на БС.
Через постійне пересування транспортних засобів деякі мобільні блоки перебувають поблизу БС стільники, а деякі віддалені. Близько розташований мобільний блок випромінює сильний сигнал, що викликає інтерференцію суміжного каналу (рис. 1.4 а). У даній ситуації інтерференція може з'явитися тільки на приймальному кінці на БС стільники. Всі частотні канали розподіляються по K стільниках, кожна стільника має тільки 1/K від всіх частотних каналів. Питання полягає в розробці схеми частотного менеджменту для коректного присвоєння K наборів частотних каналів, що вирішує проблему, описану вище.
Інтерференція суміжного каналу може виникнути між 2 різними СМЗ. У цій ситуації інтерференція суміжного каналу може виникнути як у мобільному блоці, так й на БС.
а) б)
Рис. 1.4. Інтерференція типу ближній/дальній прийом.
Наприклад, мобільний блок А може бути розташований на границі його власної стільники А в системі А, але дуже близько до стільники Б системи В, як показано на рис. 1.4 б. Інша ситуація може виникнути, якщо мобільний блок У буде на границі стільники Б системи В дуже близько до стільники А системи А. Суцільна стрілка показує, що інтерференція може виникнути на БС стільники А, а пунктирна стрілка показує, що інтерференція може виникнути в мобільному блоці А. Звичайно, аналогічна інтерференція буде на БС стільники Б и в мобільному блоці В.
Таким чином, частотні канали обох стільник 2 систем повинні бути скоординовані за частотним діапазоном.
де γ - кут нахилу кривої втрат поширення. При d0=10 км, d1=0,5 км, γ=4 одержимо C/I=-64 дБ. Цей вид інтерференції може бути зменшений тільки частотним розподілом за допомогою вузькосмугового фільтра. Допустимо, що фільтр каналу Б має нахил L=24 дБ/окт. Розподіл частотного діапазону для ослаблення завади на 64+18 дБ буде
де B - ширина частотного діапазону одного каналу.
Загальну формулу обчислення частотного поділу ΔF для запобігання даного типу завади можна записати у вигляді:
де (C/I)0 - відношення сигнал/завада для впевненого прийому.
Можливий ще один небажаний ефект через велику різницю рівнів прийнятих БС сигналів. Типові попередні підсилювачі мають діапазон лінійності близько 70 дБ, причому нижня границя лінійного діапазону розраховується так, щоб забезпечити посилення сигналу, що приходить із границі стільники. Тому сигнал від АС, що перебуває на відстані менше d, при якому
Зменшення рівня потужності, якщо це можливо, завжди є кращою стратегією. Переваги від керування рівнем потужності наступні:
1. Керування мобільним рівнем переданої потужності. Коли мобільний блок наближається до базової станції, рівень потужності мобільного блоку повинен бути зменшений з наступних міркувань:
а) зменшення ймовірності генерації продуктів інтермодуляції в приймальному підсилювачі через насичення;
б) зменшення рівня завади іншим одноканальним БС стільник;
в) зменшення інтерференції типу ближній/дальній прийом.
2. Керування рівнем переданої потужності БС. Коли прийнятий від мобільного блоку сигнал дуже сильний, необхідно зменшити рівень переданої потужності цього каналу на БС, й в той же час понизити рівень переданої потужності від мобільного блоку. Переваги в наступному:
а) для конкретного радіоканалу значно зменшується розмір стільники й одноканальна інтерференція;
б) інтерференція суміжного каналу в системі також зменшується;
Однак у більшості стільникових систем на БС неможливо зменшити потужність тільки одного або декількох каналів через проектні обмеження комбайнера. Ізоляція каналів у комбайнері складає 18 дБ. Якщо рівень переданої потужності одного каналу нижче, то канали, що мають високі рівні переданої потужності будуть інтерферувати з цим каналом. Необхідно мати комбайнер для каналів з різною потужністю, щоб рівень потужності кожного каналу міг установлюватися з базової станції.
Таким, чином, придушення внутрішньо-системних завад у СМЗ завжди є досить вагомою проблемою. При наявності двох різних СМЗ частотні канали обох стільник 2 систем повинні бути скоординовані по частотних діапазонах. Для придушення внутрішньо-канальної завади пропонується використання спрямованих антен на БС і нахил ДС антенної системи. Зазначені підходи можливо реалізувати при використанні перспективних технологій, які будуть розглянуті нижче.
2
.
Переваги технології цифрового діаграмоутворення (ЦДУ) в зв’язку
Останнім часом все більшого поширення набуває технологія цифрового діаграмоутворення (ЦДУ). Ним все більш приділяється значиме місце в сучасних системах зв’язку, ними займаються практично у всіх технічно розвитих країнах світу. Без них не обходяться концепції мобільного зв’язку 3-го і 4-го поколінь. Як відомо, ЦДУ реалізується за допомогою цифрових антенних решіток (ЦАР) [3, 4], за кордоном також іменованих Smart-антенами (розумними антенами). Використовують і синонім - Intelligent Antenna. Можливо, ці поняття, що віддають рекламою й орієнтовані на рядового споживача, не самі вдалі. Однак вони як не можна краще відбивають суть можливостей, наданих технологією цифрового діаграмоутворення (ЦДУ), завдяки яким антенні системи стають усе більш “інтелектуальними”.
Які ж переваги нового класу антенних систем перед традиційними антенами, у тому числі перед їхнім прототипом - фазованими антенними решітками (ФАР)? Для відповіді на це питання необхідно розглянути схемотехніку ЦАР [5-8].
Цифрова антенна решітка - це антенна система, що представляє собою сукупність аналого-цифрових каналів із загальним фазовим центром, у якій діаграма спрямованості формуються в цифровому виді, без фазообертачів. Теоретичні основи такого підходу до побудови антен були закладені ще в 60-70-і роки минулого століття. Але лише тепер, з розвитком мікропроцесорної техніки, стало можливим практично реалізувати накопичений науковий досвід. У колишньому СРСР протягом 60-90-х років XX сторіччя вже існували спроби розробки теоретичних основ аналізу з надрозрізненням сигналів, а також проводились випробування низки макетів і опитних зразків радіотехнічних систем з ЦАР.
Сучасні технології ЦАР своїм масовим розвитком зобов’язані інтеграції процесорів цифрової обробки сигналів з аналого-цифровими і цифро-аналоговими перетворювачами (АЦП/ЦАП) у рамках одного модуля або навіть чіпа [4, 5]. Побудова каналів ЦАР на такій основі дозволяє уніфікувати процедури й апаратні вузли обробки сигналів і спрощує їхню адаптацію до того чи іншого протоколу роботи. Технологія ЦДУ забезпечує максимальну простоту реконфігурації і модифікації систем зв’язку, що найчастіше зводиться лише до заміни їхнього програмного забезпечення. При цьому архітектура радіоелектронної апаратури може оптимізуватися (за ресурсами і функціональністю) безпосередньо під виконувані задачі. У цьому змісті технологію ЦАР можна вважати вінцем розвитку настільки популярної сьогодні концепції програмної реконфігурації архітектури (Software Defined Radio).
Ключова особливість ЦАР - цифрове формування променів діаграми спрямованості (ДС) антени. У задачах зв’язку це дозволяє динамічно оптимізувати зону покриття, що обслуговується, оперативно перенацілюючи цифрові приймально-передавальні промені (рис. 1.5) у залежності від територіального розподілу абонентів. Сузір’я променів, синтезоване, наприклад, по алгоритмах швидкого перетворення Фур’є або за допомогою класичних процедур дискретного Фур’є-аналізу, є, по суті, сукупністю просторово-частотних фільтрів, кожний з яких селектує строго визначений набір сигналів і придушує інші, сприймані як завадові.
Технологія ЦДУ істотно поліпшує якість зв’язку в умовах багатопроменевого поширення радіохвиль, а також значно підвищує перешкодозахищеність системи при інтенсивних радіозавадах. Це досягається тим, що характеристики цифрових фільтрів в антенних каналах практично ідентичні.
Рис. 1.5. Адаптивна стратегія в керуванні ДС антенної системи базової станції.
Розкид же характеристик фільтрів приводить до того, що при виникненні випадкової перешкоди в кожнім з каналів з’являється мультиплікативний завадовий сигнал, пропорційний добутку амплітуди перешкоди на відхилення характеристик вхідного фільтра від номінального значення. Мультиплікативні ж завади, що виявляються як завмирання сигналу, набагато неприємніше адитивних. Дійсно, від адитивного шуму, однакового в кожнім з каналів, можна позбутися, ідентифікуючи його як загальну складову сигналу у всіх каналах і віднімаючи його із сигнальної суміші. Мультиплікативний же завадовий сигнал компенсувати неможливо. Однак завдяки комплексному використанню ЦДУ та сучасних стандартів зв’язку мультиплікативні завади вдається мінімізувати.
Крім того, ЦДУ сприяє і збільшенню динамічного діапазону приймальних антен. Дійсно, при синфазному додаванні сигналів у кожнім з каналів антенної решітки в процесі ЦДУ дисперсія (середня потужність) шуму росте пропорційно числу каналів антенної решітки R, а потужність сигналу (пропорційна квадрату амплітуди) - пропорційно R2. Отже, відношення сигнал/шум після ЦДУ зросте в R раз, що підвищує чутливість системи, а виходить, і динамічний діапазон (відношення амплітуди максимального сигналу до мінімального). У результаті “нулі” ДС у напрямках джерел завад (рис. 1.6.) формуються без “напливу” провалів, звичайних при недостатньому динамічному діапазоні приймального модуля. У ФАР якість придушення завад обмежено неідентичністю фазообертачів і малою розрядністю їхніх схем керування (звичайно 5-7 розрядів), тоді як у ЦАР уже використовуються 14-розрядні АЦП. Багаточисельні експерименти підтверджують можливість придушення активної шумової завади в 8-елементної ЦАР більш ніж на 30 дБ не тільки по бічних пелюстках, але й у головному промені ДС при середньоквадратичному відхиленні коефіцієнтів підсилення аналогових приймальних каналів 0,5 дБ і величині фазових помилок не більш 30 [4].
Рис. 1.6. Адаптивна діаграма спрямованості з “нулями” в напрямках 2 джерел завад.
ЦАР на базових станціях стільникового зв’язку дозволяють істотно збільшувати їхню пропускну спроможність за рахунок одночасного багатопроменевого прийому сигналів у всьому робочому секторі. При цьому можливо досягнення надрелеївської здатності, що дозволяє, по напрямках приходу сигналів, частоті і часу затримки. Таке розрізнення, наприклад, за кутовою координатою для 2 точкових джерел у лінійної ЦАР забезпечує метод MUSIC [5], що зводиться до пошуку локальних максимумів вирішальної функції Н(х) у просторі променів ДС (рис. 1.7). Неважко помітити, що, на відміну від традиційної обробки, метод Кейпона чітко видає 2 відособлених відгуки.
Рис. 1.7. Надрелеївське розрізнення сигналів за напрямком їх приходу методом MUSIC.
Відомо вже досить багато методів над розрізнення, реалізація яких, у залежності від відношення сигнал/шум, дозволяє роздільно селектувати до десяти і більш точкових об’єктів у межах головного пелюстка приймальної діаграми спрямованості ЦАР.
З урахуванням властивостей:
Внаслідок зазначеного, система зв’язку на базі технології ЦДУ має можливості для ефективного вирішення наступних складних завдань [9]:
- поліпшення відношення сигнал/завада завдяки формуванню “нулів” ДС у напрямках завадових сигналів, у тому числі від сусідніх бортових та наземних станцій, навіть у головних пелюстках ДС;
- придушення завадових сигналів, що виникають у разі багатопроменевого поширення радіохвиль, істотне зниження глибини федінгової модуляції;
- досягнення максимальної ефективності систем множинного доступу з частотним (Frequency Division Multiple-Access, FDMA), часовим (Time Division Multiple Access, ТDMA), кодовим (Code Division Multiple Access, CDMA) та просторовим ущільненням (Space Division Multiple Access, SDMA);
- інтеграція в єдину інформаційну систему різних за функціональним призначенням підсистем, а саме радіонавігації, радіозв’язку тощо;
- підвищення інтенсивності корисних сигналів шляхом фокусування максимумів ДС у напрямках рухомих кореспондентів;
- вирішення проблеми електромагнітної сумісності.
Таким чином, впровадження технології ЦДУ дозволяє істотно поліпшити пропускну спроможність каналів зв’язку та досягти високого рівня завадозахищеності телекомунікаційних магістралей, стійкого їх функціонування в умовах багатопроменевого поширення радіохвиль та наявності активних завад штучного походження.
3. Закордонні концепції побудови систем мобільного зв’язку
Серед проектів, націлених на реалізацію технології концепції ЦДУ в системах мобільного зв’язку, насамперед відзначити TSUNAMI-І(ІІ) [10]. У рамках проекту TSUNAMI (Technology in Smart Antennas for Universal Advanced Mobile Infrastructure) консорціумом фірм на чолі з ERA Technology Ltd. (Великобританія) [10] був виготовлений і випробуваний демонстратор приймально-передавальної 8-канальної ЦАР, що функціонує в частотному діапазоні 1710-1880 МГц. На другому етапі робіт (TSUNAMI-II), що завершились у 1999 р., система з адаптивною ЦАР була розгорнута в складі базової станції діючої стільникового зв’язку стандарту DCS-1800 у районі м. Брістоля (рис. 1.8). Перевірка якості, що відбулася при цьому, супроводу мобільних адресатів в умовах впливу стаціонарних джерел завад підтвердила переваги технології ЦДУ.’ використання спеціалізованого модуля ЦДУ DBF 1108 розробки ERA Technology Ltd., що дозволяє обробляти комплексні виходи 128 каналів з часом синтезування діаграми спрямованості ЦАР 250 нс.
Рис. 1.8. Проект TSUNAMI: 8-канальна ЦАР у складі станції DCS-1800.
У ході випрообувань пройшла апробацію система цифрової корекції характеристик прийомних каналів, покликана компенсувати технологічний розкид в параметрах антенних елементів і приймально-передавальних трактів. При цьому розроблювачі зштовхнулися з необхідністю більш ретельно витримувати ідентичність амплітудно- і фазочастотних характеристик каналів ЦАР. Зокрема, було встановлено, що розкид коефіцієнтів підсилення каналів 0,5 дБ при фазовій помилці 30 не дозволяє придушити заваду в 8-елементній решітці більш, ніж на 30 дБ [18].
У ході наступного етапу робіт (TSUNAM I(II)) було розгорнуто адаптивну антену у складі діючої базової станції стільникового зв’язку DCS-1800 та перевірено якість супроводу мобільного джерела повідомлень в умовах впливу джерел завад для відпрацювання інфраструктури 3-го покоління мобільних систем стандарту UMTS.
Ще до завершення TSUNAM I(II), компанія ERA Technology Ltd. ініціювала новий проект “Сонячний промінь” (SUNBEAM, Smart UNiversal BEAMforming), покликаний перебороти обмеження TSUNAM I(II) [11]. Його основною метою є відпрацьовування питань ЦДУ в широкій смузі частот з можливістю повної мультистандартної підтримки протоколів UMTS (Universale Mobile Telephone Service), що мають смугу частот до 5 МГц. В рамках проекту розглядаються нові підходи до побудови приймально-передавальних засобів з програмною реконфігурацією архітектури (Software Radio, SR). Базова SR-станція, на думку учасників проекту SUNBEAM, повинна мати основні технічні характеристики представлені в табл. 1.1 [39].
Таблиця 1.1.
Технічні характеристики базової станції проекту SUNBEAM.
Метою проекту SUNBEAM є дослідження більш раціональних архітектурних рішень і можливості пом’якшення пропонованих вимог до характеристик обладнання базових станцій в інтересах впровадження ЦДУ вже в найближчі роки. Результатом такого підходу до проектування з’явилося відпрацьовування схемотехнічних рішень, що дозволяють просунутися в реалізації широкосмугового ЦДУ в рамках серійної елементної бази.
Окремі учасники SUNBEAM ведуть власні проекти з освоєння технології ЦДУ. Так, французька компанія Thomson CSF Communications у кооперації з іншими європейськими фірмами здійснювала розробку ЦАР для мобільного зв’язку в рамках дворічного проекту ADAMO (Adaptive Antenna for Mobil’s) [12]. При цьому в якості антенної решітки для базової станції зв’язку використана 6-панельна ЦАР, що містить по 4 вертикально розташованих елементи в кожній панелі (рис. 1.9). Ширина променя в азимутальній площині складає 700 за рівнем -3 дБ, коефіцієнт підсилення 4-елементної панелі досягає 30 дБ, рівень перших бічних пелюстків не перевищує -12 дБ. ADAMO орієнтований на перспективні стандарти зв’язку HIPERLAN (High Perfomance Radio Local Area Network) зі швидкістю передачі 23,5 Мбіт/с на канал і центральними несучими 5,2 або 17,2 ГГц [13, 14].
Рис. 1.9. Проект ADAMO: 6-панельна ЦАР БС.
На зазначений стандарт орієнтований також проект SATURN (Smart Antenna Technology in Universal Roadband wireless Networks) [15]. Метою проекту є дослідження можливостей застосування ЦАР у системах мобільного зв’язку UMTS для збільшення пропускної спроможності каналів зв’язку при експлуатації в умовах завмирань.
Що ж стосується альтернативних проектів, які безпосередньо конкурують з TSUNAMI і SUNBEAM, то серед них потрібно насамперед відзначити проект SFIR (Spatial-Filtering for Interference Reduction) [16], що проводився в 1997-99 рр. дослідницькою групою мобільних комунікацій технічного університету м. Відня в кооперації з Alcatel Telecom (м. Штуттгарт). Було розроблено демонстратор ЦАР для стандартів GSM/DCS-1800 і UMTS, у тому числі унікальний процесор просторово-часової обробки сигналів в реальному часі. Центральна частота робочого діапазону демонстратора ЦАР становить 2,45 ГГц. Антенна решітка виконана у вигляді лінійки з 9 смугових випромінювачів прямокутної форми. Серед особливостей обробки сигналів у SFIR відзначається їх цифрове розквадратурювання, ЦДУ на прийом і передачу сигналів, використання системи цифрової корекції характеристик приймальних каналів у робочій смузі.
Досить оригінальним є проект HALO (High Altitude Long Operations) [17] компаній Mitsubishi Electric і Angel Corporation (США) [18] зі стратосферною базовою станцією мегаполісної радіомережі, розташованої на спеціальному літаку Proteus каліфорнійської фірми Scaled Composites Inc. Крім виконання задач мобільних комунікацій, ця система рекомендується до впровадження й в інтересах персонального зв’язку військового призначення.
В рамках проекту HALO передбачено розміщення ЦАР діаметром близько 6 метрів на літаку (рис. 1.10), що баражує у стратосфері по круговій траєкторії з радіусом 20-30 км на висоті 18-20 км і забезпечує послугами широкосмугового цифрового зв’язку одночасно сотні тисяч наземних користувачів на площі радіусом 120-150 км (рис. 1.11).
Рис. 1.10. Розміщення ЦАР на літаку Proteus проекту HALO.
Рис. 1.11. Зона дії літака Proteus з ЦАР.
Така зона охоплення дозволяє обслуговувати територію великого мегаполіса з прилеглими містами-супутниками. Літак Proteus здатний постійно знаходитися в стратосфері протягом 15 годин з безперебійною роботою бортового джерела електроживлення потужністю 40 кВт. Надалі передбачено перевести Proteus у розряд БПЛА. Для цілодобового функціонування мережі планується використовувати три літаки, що баражують по черзі протягом 8-годинних сеансів. Робочий діапазон частот обраний у смузі 38-40 ГГц. Планується провести дослідження можливостей реалізації ЦАР у діапазоні 2 ГГц для потреб стандарту PCS (Personal Communications Services). Наземні приймачі оснащені невеликими антенами, що автоматично відслідковують положення стратосферного носія в просторі. Пропускна здатність каналів зв’язку в обох напрямках перевищує 25 Мбіт/с. У 1998 р. при відпрацюванні концептуальних засад НАLO в Каліфорнії був продемонстрований стійкий радіообмін з літаком зі швидкістю 51,8 Мбіт/с на дальності56 км від наземної станції, при цьому загальний обсяг переданої інформації за 8 годин польоту перевищив 1,5 Терабіт.
Розглянуті концепції не охоплюють всіх робіт, що спрямовані на опанування технологією ЦДУ. Велика кількість досліджень свідчить про її важливість, яка обумовлена характером подвійного призначення. Впровадження ЦДУ дозволить отримати значні переваги над традиційними підходами щодо побудови БС СМЗ. Це стосується не тільки підвищення основних показників роботи, а й розширення функціональних можливостей.
Не дивно, що численні переваги ЦАР обумовили ріст їхньої ринкової привабливості. Пройшовши наприкінці 90-х років етап демонстраційних проектів, дана технологія уже вступила в стадію серійного виготовлення антенних систем для систем стільникового зв’язку - діючих і перспективних. Серед піонерів серійного виробництва ЦАР ведучі позиції займають компанії ArrayComm, Metawave Communications, AirNet Communications, Wireless Online (усі - США), а також Ericsson (Швеція).
Пальма першості в освоєнні серійних ЦАР для базових станцій стандарту CDMA належить американської компанії Metawave Communications, що випускає сімейство інтегрованих Smart-антен Spotlight. Перші ЦАР від Metawave Communications - Spotlight 2000 (2100) - працювали тільки в діапазоні несучих 800-900 МГц. Однак системи Spotlight 2200 підтримують ще і смугу 1800-1900 МГц. Апаратура систем Spotlight базується на використанні програмованих логічних інтегральних схемах (ПЛІС), що зайвий раз говорить про перевагу застосування ПЛІС у порівнянні з DSP при рішенні задач ЦДУ.
Рис. 1.12. Антенна система компанії Metawave.
Типова Smart-антена базової станції від Metawave складається з 12-елементного масиву випромінювачів, звичайно встановлюваних по 3-секторної схемі (рис. 1.12). Кожні секторні ґрати сформовані з чотирьох антенних елементів (рис. 1.13), приклад характеристик яких представлений на рис. 1.14. Ширина ДС кожного антенного елемента на рівні -3 дБ складає близько 300. Завдяки ЦДУ сумарна ширина основних (парціальних) променів кожного секторного сегмента ЦАР може приймати значення 180, 120 або 600. Сам сектор випромінювання (прийому) може зміщатися щодо фізичної нормалі на кут +300. Більш того, форма стільники також може змінюватися, здобуваючи 3-, 4- і навіть 6-сегментні обриси (рис. 1.15).
Рис. 1.13. Структура приймально-передавальної антенної решітки (суцільна лінія - режим прийому, пунктирна лінія - режим передачі).
Рис. 1.14. Варіант орієнтації ДС Smart-антени компанії Metawave.
Причому система Spotlight дозволяє в кожнім з 1200–секторів у реальному масштабі часу вирізувати до трьох підсекторов, уражених перешкодами (т.зв. динамічний синтез сектора - DSS). У результаті спрощується частотне планування мережі, а оператор базової станції може раціонально перерозподіляти ресурси в залежності від специфіки навколишнього ландшафту, статистики розподілу запитів за часом доби, дням тижня і при непередбачених обставинах (рис. 1.16, 1.17). Ріст числа секторів прийому з 3 до 6 дозволяє істотно збільшити ємність стільникового осередку (число абонентів, що обслуговуються,). За даними Metawave [10], такий приріст у стандарті cdma2000 на основі Spotlight-рішень може досягати 94%.
Рис. 1.15. Багатосекторна конфігурація ДС.
Рис. 1.16. Посекторна адаптація до навантаження за допомогою Smart-антени.
Рис. 1.17. Динамічний синтез секторів в залежності від часу доби.
Одна з останніх розробок Metawave - антенний комплекс Spotlight 2230 - являє собою апаратуру ЦАР, що інтегрується до складу базової станції CDMA 1 EX разом з устаткуванням Lucent Flexent Modular Cell Base Station фірми Lucent Technologies [10] (рис. 1.18, 1.19). Компанія Lucent поставляє ультралінійні підсилювачі потужності для передавального сегмента і малошумлячі підсилювальні модулі для багатоканального приймача.
Рис. 1.18. Комплект апаратури базової станції CDMA 1EX з обладнанням SpotLight 2230.
Специфіка цифрового устаткування ЦАР дозволяє “м’яко” інтегрувати її в базову станцію будь-якого стандарту з мінімумом стикувальних робіт. При цьому вартість устаткування складе порядку 10% від вартості апаратури типової базової станції CDMA, розрахованої на обслуговування 48-72 одночасних викликів [10]. З огляду на, те що застосування ЦАР істотно підвищує ємність мережі, загальна економія засобів за рахунок відмовлення від додаткових базових станцій буде дуже значною. Відповідно до даних на сайті фірми Metawave, до жовтня 2002 р. в усьому світі було розгорнуто 420 систем Spotlight, у тому числі й у Санкт-Петербурзі (Росія).
Рис. 1.19. Структурна схема обладнання базової Станції CDMA 1EX.
Компанія AirNet Communications [19] з офісом у містечку Мельбурн (шт. Флорида, США), на відміну від Metawave Communications, зосередила зусилля на розробці Smart-антен для модернізації базових станцій стандарту GSM (900, 1800, 1900МГц) з підтримкою його розширень GPRS і EDGE. Згодом буде можлива і робота з базовими станціями 36-стандарту WCDMA. В активі AirNet 69 діючих патентів, які компанія отримала з моменту появи на ринку телекомунікацій у 1994 р. Технологія ЦДУ використовується в базовій станції AdaptaCell Super Capacity (дослівно - супер’ємна адаптивна стільника). Спираючи на рекламні матеріали, нескладно припустити, що базова станція компанії AirNet обслуговує 8-елементну ЦАР, що працює в секторі 120°. Отже, повноцінна 3-секторна ЦАР буде містити 24 елемента. Примітно, що AdaptaCell Super Capacity забезпечує цифрову обробку сигналів у всій смузі сигналів GSM і сумісна з технологією “інтелектуальної стільники” IntelliCell [19], що просувається компанією ArrayCom (м. Хосе, шт. Каліфорнія) (рис. 1.20).
Рис. 1.20. “Інтелектуальна” стільника.
ArrayCom разом з Metawave Communications, як відзначалося, є піонерами в розробці Smart-антен для радіозв’язку. Однак на відміну від Metawave, ArrayCom споконвічно орієнтувалася на ринок2.5 G і 3 G систем стільникового зв’язку, що підтримують стандарт WCDMA. Не дивно, що незабаром інтереси AirNet і ArrayCom перетнулися, і тепер вони найчастіше змушені поєднувати зусилля, у ряді випадків прибігаючи до спільного постачання устаткування.
Відповідно до заяв розробників ArrayCom, БС IntellCell при використанні технології ЦДУ дозволяє майже вдвічі скоротити необхідне для покриття зони обслуговування число БС, на чверть знизити витрати при розгортанні знову створюваної мережної інфраструктури і вдвічі зменшити час на інсталяційні роботи. Якщо вірити рекламним матеріалам, компанія ArrayCom уже поставила в усьому світі близько 60 тисяч БС.
Як стверджують розробники, строк окупаємості витрат на впровадження Smart-антен складає рік й менш. При цьому варто врахувати, що технологія ЦДУ перебуває лише на початку свого становлення. В міру її вдосконалювання можуть бути досягнуті ще більш значні результати по збільшенню канальної ємності і розмірів зони, що покривається - наприклад, шляхом збільшення числа антенних елементів в одному секторі ЦАР (до 16 і більш - в азимутальній площині і до 4-8 - у вертикальній).
Темпи розвитку використовуваної в ЦАР елементної бази дозволяють припустити, що вже в найближчому десятилітті почнеться масове відновлення інфраструктури стільникового зв’язку на основі Smart-антен. Причому наявний науковий заділ і досвід розробки подібного роду систем у сполученні з необхідною технологічною базою дозволяють розгорнути і вітчизняне виробництво базових станцій з ЦАР, спираючи на закордонні комплектуючі й унікальний інтелектуальний потенціал розробників нашої країни.
Висновки
1. Придушення внутрішньо-системних завад у СМЗ завжди є досить вагомою проблемою. При наявності двох різних СМЗ частотні канали обох стільник 2 систем повинні бути скоординовані по частотних діапазонах. Для придушення внутрішньо-канальної завади пропонується використання спрямованих антен на БС і нахил ДС антенної системи. Зазначені підходи можливо реалізувати при використанні технології ЦДУ на базі ЦАР.
2. Впровадження технології ЦДУ дозволяє істотно поліпшити пропускну спроможність каналів зв’язку та досягти високого рівня завадозахищеності телекомунікаційних магістралей, стійкого їх функціонування в умовах багатопроменевого поширення радіохвиль та наявності активних завад штучного походження.
3. Численні переваги ЦАР обумовили ріст їхньої ринкової привабливості. При цьому дана технологія вже вступила в стадію серійного виготовлення антенних систем для систем мобільного зв’язку.
4. Темпи розвитку елементної бази для побудови ЦАР дозволяють припустити, що вже в найближчий час почнеться масове відновлення інфраструктури стільникового зв’язку на основі Smart-антен. Причому наявний науковий заділ і досвід розробки подібного роду систем у сполученні з необхідною технологічною базою дозволяють розгорнути і вітчизняне виробництво БС з ЦАР, спираючи на закордонні комплектуючі й унікальний інтелектуальний потенціал розробників нашої країни.
.
Переваги технології цифрового діаграмоутворення (ЦДУ) в зв’язку
Останнім часом все більшого поширення набуває технологія цифрового діаграмоутворення (ЦДУ). Ним все більш приділяється значиме місце в сучасних системах зв’язку, ними займаються практично у всіх технічно розвитих країнах світу. Без них не обходяться концепції мобільного зв’язку 3-го і 4-го поколінь. Як відомо, ЦДУ реалізується за допомогою цифрових антенних решіток (ЦАР) [3, 4], за кордоном також іменованих Smart-антенами (розумними антенами). Використовують і синонім - Intelligent Antenna. Можливо, ці поняття, що віддають рекламою й орієнтовані на рядового споживача, не самі вдалі. Однак вони як не можна краще відбивають суть можливостей, наданих технологією цифрового діаграмоутворення (ЦДУ), завдяки яким антенні системи стають усе більш “інтелектуальними”.
Які ж переваги нового класу антенних систем перед традиційними антенами, у тому числі перед їхнім прототипом - фазованими антенними решітками (ФАР)? Для відповіді на це питання необхідно розглянути схемотехніку ЦАР [5-8].
Цифрова антенна решітка - це антенна система, що представляє собою сукупність аналого-цифрових каналів із загальним фазовим центром, у якій діаграма спрямованості формуються в цифровому виді, без фазообертачів. Теоретичні основи такого підходу до побудови антен були закладені ще в 60-70-і роки минулого століття. Але лише тепер, з розвитком мікропроцесорної техніки, стало можливим практично реалізувати накопичений науковий досвід. У колишньому СРСР протягом 60-90-х років XX сторіччя вже існували спроби розробки теоретичних основ аналізу з надрозрізненням сигналів, а також проводились випробування низки макетів і опитних зразків радіотехнічних систем з ЦАР.
Сучасні технології ЦАР своїм масовим розвитком зобов’язані інтеграції процесорів цифрової обробки сигналів з аналого-цифровими і цифро-аналоговими перетворювачами (АЦП/ЦАП) у рамках одного модуля або навіть чіпа [4, 5]. Побудова каналів ЦАР на такій основі дозволяє уніфікувати процедури й апаратні вузли обробки сигналів і спрощує їхню адаптацію до того чи іншого протоколу роботи. Технологія ЦДУ забезпечує максимальну простоту реконфігурації і модифікації систем зв’язку, що найчастіше зводиться лише до заміни їхнього програмного забезпечення. При цьому архітектура радіоелектронної апаратури може оптимізуватися (за ресурсами і функціональністю) безпосередньо під виконувані задачі. У цьому змісті технологію ЦАР можна вважати вінцем розвитку настільки популярної сьогодні концепції програмної реконфігурації архітектури (Software Defined Radio).
Ключова особливість ЦАР - цифрове формування променів діаграми спрямованості (ДС) антени. У задачах зв’язку це дозволяє динамічно оптимізувати зону покриття, що обслуговується, оперативно перенацілюючи цифрові приймально-передавальні промені (рис. 1.5) у залежності від територіального розподілу абонентів. Сузір’я променів, синтезоване, наприклад, по алгоритмах швидкого перетворення Фур’є або за допомогою класичних процедур дискретного Фур’є-аналізу, є, по суті, сукупністю просторово-частотних фільтрів, кожний з яких селектує строго визначений набір сигналів і придушує інші, сприймані як завадові.
Технологія ЦДУ істотно поліпшує якість зв’язку в умовах багатопроменевого поширення радіохвиль, а також значно підвищує перешкодозахищеність системи при інтенсивних радіозавадах. Це досягається тим, що характеристики цифрових фільтрів в антенних каналах практично ідентичні.
Рис. 1.5. Адаптивна стратегія в керуванні ДС антенної системи базової станції.
Розкид же характеристик фільтрів приводить до того, що при виникненні випадкової перешкоди в кожнім з каналів з’являється мультиплікативний завадовий сигнал, пропорційний добутку амплітуди перешкоди на відхилення характеристик вхідного фільтра від номінального значення. Мультиплікативні ж завади, що виявляються як завмирання сигналу, набагато неприємніше адитивних. Дійсно, від адитивного шуму, однакового в кожнім з каналів, можна позбутися, ідентифікуючи його як загальну складову сигналу у всіх каналах і віднімаючи його із сигнальної суміші. Мультиплікативний же завадовий сигнал компенсувати неможливо. Однак завдяки комплексному використанню ЦДУ та сучасних стандартів зв’язку мультиплікативні завади вдається мінімізувати.
Крім того, ЦДУ сприяє і збільшенню динамічного діапазону приймальних антен. Дійсно, при синфазному додаванні сигналів у кожнім з каналів антенної решітки в процесі ЦДУ дисперсія (середня потужність) шуму росте пропорційно числу каналів антенної решітки R, а потужність сигналу (пропорційна квадрату амплітуди) - пропорційно R2. Отже, відношення сигнал/шум після ЦДУ зросте в R раз, що підвищує чутливість системи, а виходить, і динамічний діапазон (відношення амплітуди максимального сигналу до мінімального). У результаті “нулі” ДС у напрямках джерел завад (рис. 1.6.) формуються без “напливу” провалів, звичайних при недостатньому динамічному діапазоні приймального модуля. У ФАР якість придушення завад обмежено неідентичністю фазообертачів і малою розрядністю їхніх схем керування (звичайно 5-7 розрядів), тоді як у ЦАР уже використовуються 14-розрядні АЦП. Багаточисельні експерименти підтверджують можливість придушення активної шумової завади в 8-елементної ЦАР більш ніж на 30 дБ не тільки по бічних пелюстках, але й у головному промені ДС при середньоквадратичному відхиленні коефіцієнтів підсилення аналогових приймальних каналів 0,5 дБ і величині фазових помилок не більш 30 [4].
Рис. 1.6. Адаптивна діаграма спрямованості з “нулями” в напрямках 2 джерел завад.
ЦАР на базових станціях стільникового зв’язку дозволяють істотно збільшувати їхню пропускну спроможність за рахунок одночасного багатопроменевого прийому сигналів у всьому робочому секторі. При цьому можливо досягнення надрелеївської здатності, що дозволяє, по напрямках приходу сигналів, частоті і часу затримки. Таке розрізнення, наприклад, за кутовою координатою для 2 точкових джерел у лінійної ЦАР забезпечує метод MUSIC [5], що зводиться до пошуку локальних максимумів вирішальної функції Н(х) у просторі променів ДС (рис. 1.7). Неважко помітити, що, на відміну від традиційної обробки, метод Кейпона чітко видає 2 відособлених відгуки.
Рис. 1.7. Надрелеївське розрізнення сигналів за напрямком їх приходу методом MUSIC.
Відомо вже досить багато методів над розрізнення, реалізація яких, у залежності від відношення сигнал/шум, дозволяє роздільно селектувати до десяти і більш точкових об’єктів у межах головного пелюстка приймальної діаграми спрямованості ЦАР.
З урахуванням властивостей:
Внаслідок зазначеного, система зв’язку на базі технології ЦДУ має можливості для ефективного вирішення наступних складних завдань [9]:
- поліпшення відношення сигнал/завада завдяки формуванню “нулів” ДС у напрямках завадових сигналів, у тому числі від сусідніх бортових та наземних станцій, навіть у головних пелюстках ДС;
- придушення завадових сигналів, що виникають у разі багатопроменевого поширення радіохвиль, істотне зниження глибини федінгової модуляції;
- досягнення максимальної ефективності систем множинного доступу з частотним (Frequency Division Multiple-Access, FDMA), часовим (Time Division Multiple Access, ТDMA), кодовим (Code Division Multiple Access, CDMA) та просторовим ущільненням (Space Division Multiple Access, SDMA);
- інтеграція в єдину інформаційну систему різних за функціональним призначенням підсистем, а саме радіонавігації, радіозв’язку тощо;
- підвищення інтенсивності корисних сигналів шляхом фокусування максимумів ДС у напрямках рухомих кореспондентів;
- вирішення проблеми електромагнітної сумісності.
Таким чином, впровадження технології ЦДУ дозволяє істотно поліпшити пропускну спроможність каналів зв’язку та досягти високого рівня завадозахищеності телекомунікаційних магістралей, стійкого їх функціонування в умовах багатопроменевого поширення радіохвиль та наявності активних завад штучного походження.
3. Закордонні концепції побудови систем мобільного зв’язку
Серед проектів, націлених на реалізацію технології концепції ЦДУ в системах мобільного зв’язку, насамперед відзначити TSUNAMI-І(ІІ) [10]. У рамках проекту TSUNAMI (Technology in Smart Antennas for Universal Advanced Mobile Infrastructure) консорціумом фірм на чолі з ERA Technology Ltd. (Великобританія) [10] був виготовлений і випробуваний демонстратор приймально-передавальної 8-канальної ЦАР, що функціонує в частотному діапазоні 1710-1880 МГц. На другому етапі робіт (TSUNAMI-II), що завершились у 1999 р., система з адаптивною ЦАР була розгорнута в складі базової станції діючої стільникового зв’язку стандарту DCS-1800 у районі м. Брістоля (рис. 1.8). Перевірка якості, що відбулася при цьому, супроводу мобільних адресатів в умовах впливу стаціонарних джерел завад підтвердила переваги технології ЦДУ.’ використання спеціалізованого модуля ЦДУ DBF 1108 розробки ERA Technology Ltd., що дозволяє обробляти комплексні виходи 128 каналів з часом синтезування діаграми спрямованості ЦАР 250 нс.
Рис. 1.8. Проект TSUNAMI: 8-канальна ЦАР у складі станції DCS-1800.
У ході випрообувань пройшла апробацію система цифрової корекції характеристик прийомних каналів, покликана компенсувати технологічний розкид в параметрах антенних елементів і приймально-передавальних трактів. При цьому розроблювачі зштовхнулися з необхідністю більш ретельно витримувати ідентичність амплітудно- і фазочастотних характеристик каналів ЦАР. Зокрема, було встановлено, що розкид коефіцієнтів підсилення каналів 0,5 дБ при фазовій помилці 30 не дозволяє придушити заваду в 8-елементній решітці більш, ніж на 30 дБ [18].
У ході наступного етапу робіт (TSUNAM I(II)) було розгорнуто адаптивну антену у складі діючої базової станції стільникового зв’язку DCS-1800 та перевірено якість супроводу мобільного джерела повідомлень в умовах впливу джерел завад для відпрацювання інфраструктури 3-го покоління мобільних систем стандарту UMTS.
Ще до завершення TSUNAM I(II), компанія ERA Technology Ltd. ініціювала новий проект “Сонячний промінь” (SUNBEAM, Smart UNiversal BEAMforming), покликаний перебороти обмеження TSUNAM I(II) [11]. Його основною метою є відпрацьовування питань ЦДУ в широкій смузі частот з можливістю повної мультистандартної підтримки протоколів UMTS (Universale Mobile Telephone Service), що мають смугу частот до 5 МГц. В рамках проекту розглядаються нові підходи до побудови приймально-передавальних засобів з програмною реконфігурацією архітектури (Software Radio, SR). Базова SR-станція, на думку учасників проекту SUNBEAM, повинна мати основні технічні характеристики представлені в табл. 1.1 [39].
Таблиця 1.1.
Технічні характеристики базової станції проекту SUNBEAM.
| Робочий діапазон частот | 100 МГц - 2,2 ГГц (перекриває діапазон несучих PMR, стільникового, мобільного, супутникового зв’язку і UMTS) |
| Динамічний діапазон приймача | Від 0 дБ до - 120 дБ |
| Випромінювана потужність | 25 Вт на кожної несучої |
| Розв’язка сусідніх каналів по потужності | –75 дБ |
| Придушення завад по дзеркальному каналу приймача | 60 дБ |
| Смуга частот сигналів | 5 МГц (для UMTS), передбачена можливість розширення до 10 МГц з орієнтацією на японську систему зв’язку 3-го покоління. |
Метою проекту SUNBEAM є дослідження більш раціональних архітектурних рішень і можливості пом’якшення пропонованих вимог до характеристик обладнання базових станцій в інтересах впровадження ЦДУ вже в найближчі роки. Результатом такого підходу до проектування з’явилося відпрацьовування схемотехнічних рішень, що дозволяють просунутися в реалізації широкосмугового ЦДУ в рамках серійної елементної бази.
Окремі учасники SUNBEAM ведуть власні проекти з освоєння технології ЦДУ. Так, французька компанія Thomson CSF Communications у кооперації з іншими європейськими фірмами здійснювала розробку ЦАР для мобільного зв’язку в рамках дворічного проекту ADAMO (Adaptive Antenna for Mobil’s) [12]. При цьому в якості антенної решітки для базової станції зв’язку використана 6-панельна ЦАР, що містить по 4 вертикально розташованих елементи в кожній панелі (рис. 1.9). Ширина променя в азимутальній площині складає 700 за рівнем -3 дБ, коефіцієнт підсилення 4-елементної панелі досягає 30 дБ, рівень перших бічних пелюстків не перевищує -12 дБ. ADAMO орієнтований на перспективні стандарти зв’язку HIPERLAN (High Perfomance Radio Local Area Network) зі швидкістю передачі 23,5 Мбіт/с на канал і центральними несучими 5,2 або 17,2 ГГц [13, 14].
Рис. 1.9. Проект ADAMO: 6-панельна ЦАР БС.
На зазначений стандарт орієнтований також проект SATURN (Smart Antenna Technology in Universal Roadband wireless Networks) [15]. Метою проекту є дослідження можливостей застосування ЦАР у системах мобільного зв’язку UMTS для збільшення пропускної спроможності каналів зв’язку при експлуатації в умовах завмирань.
Що ж стосується альтернативних проектів, які безпосередньо конкурують з TSUNAMI і SUNBEAM, то серед них потрібно насамперед відзначити проект SFIR (Spatial-Filtering for Interference Reduction) [16], що проводився в 1997-99 рр. дослідницькою групою мобільних комунікацій технічного університету м. Відня в кооперації з Alcatel Telecom (м. Штуттгарт). Було розроблено демонстратор ЦАР для стандартів GSM/DCS-1800 і UMTS, у тому числі унікальний процесор просторово-часової обробки сигналів в реальному часі. Центральна частота робочого діапазону демонстратора ЦАР становить 2,45 ГГц. Антенна решітка виконана у вигляді лінійки з 9 смугових випромінювачів прямокутної форми. Серед особливостей обробки сигналів у SFIR відзначається їх цифрове розквадратурювання, ЦДУ на прийом і передачу сигналів, використання системи цифрової корекції характеристик приймальних каналів у робочій смузі.
Досить оригінальним є проект HALO (High Altitude Long Operations) [17] компаній Mitsubishi Electric і Angel Corporation (США) [18] зі стратосферною базовою станцією мегаполісної радіомережі, розташованої на спеціальному літаку Proteus каліфорнійської фірми Scaled Composites Inc. Крім виконання задач мобільних комунікацій, ця система рекомендується до впровадження й в інтересах персонального зв’язку військового призначення.
В рамках проекту HALO передбачено розміщення ЦАР діаметром близько 6 метрів на літаку (рис. 1.10), що баражує у стратосфері по круговій траєкторії з радіусом 20-
Рис. 1.10. Розміщення ЦАР на літаку Proteus проекту HALO.
Рис. 1.11. Зона дії літака Proteus з ЦАР.
Така зона охоплення дозволяє обслуговувати територію великого мегаполіса з прилеглими містами-супутниками. Літак Proteus здатний постійно знаходитися в стратосфері протягом 15 годин з безперебійною роботою бортового джерела електроживлення потужністю 40 кВт. Надалі передбачено перевести Proteus у розряд БПЛА. Для цілодобового функціонування мережі планується використовувати три літаки, що баражують по черзі протягом 8-годинних сеансів. Робочий діапазон частот обраний у смузі 38-40 ГГц. Планується провести дослідження можливостей реалізації ЦАР у діапазоні 2 ГГц для потреб стандарту PCS (Personal Communications Services). Наземні приймачі оснащені невеликими антенами, що автоматично відслідковують положення стратосферного носія в просторі. Пропускна здатність каналів зв’язку в обох напрямках перевищує 25 Мбіт/с. У 1998 р. при відпрацюванні концептуальних засад НАLO в Каліфорнії був продемонстрований стійкий радіообмін з літаком зі швидкістю 51,8 Мбіт/с на дальності
Розглянуті концепції не охоплюють всіх робіт, що спрямовані на опанування технологією ЦДУ. Велика кількість досліджень свідчить про її важливість, яка обумовлена характером подвійного призначення. Впровадження ЦДУ дозволить отримати значні переваги над традиційними підходами щодо побудови БС СМЗ. Це стосується не тільки підвищення основних показників роботи, а й розширення функціональних можливостей.
Не дивно, що численні переваги ЦАР обумовили ріст їхньої ринкової привабливості. Пройшовши наприкінці 90-х років етап демонстраційних проектів, дана технологія уже вступила в стадію серійного виготовлення антенних систем для систем стільникового зв’язку - діючих і перспективних. Серед піонерів серійного виробництва ЦАР ведучі позиції займають компанії ArrayComm, Metawave Communications, AirNet Communications, Wireless Online (усі - США), а також Ericsson (Швеція).
Пальма першості в освоєнні серійних ЦАР для базових станцій стандарту CDMA належить американської компанії Metawave Communications, що випускає сімейство інтегрованих Smart-антен Spotlight. Перші ЦАР від Metawave Communications - Spotlight 2000 (2100) - працювали тільки в діапазоні несучих 800-900 МГц. Однак системи Spotlight 2200 підтримують ще і смугу 1800-1900 МГц. Апаратура систем Spotlight базується на використанні програмованих логічних інтегральних схемах (ПЛІС), що зайвий раз говорить про перевагу застосування ПЛІС у порівнянні з DSP при рішенні задач ЦДУ.
Рис. 1.12. Антенна система компанії Metawave.
Типова Smart-антена базової станції від Metawave складається з 12-елементного масиву випромінювачів, звичайно встановлюваних по 3-секторної схемі (рис. 1.12). Кожні секторні ґрати сформовані з чотирьох антенних елементів (рис. 1.13), приклад характеристик яких представлений на рис. 1.14. Ширина ДС кожного антенного елемента на рівні -3 дБ складає близько 300. Завдяки ЦДУ сумарна ширина основних (парціальних) променів кожного секторного сегмента ЦАР може приймати значення 180, 120 або 600. Сам сектор випромінювання (прийому) може зміщатися щодо фізичної нормалі на кут +300. Більш того, форма стільники також може змінюватися, здобуваючи 3-, 4- і навіть 6-сегментні обриси (рис. 1.15).
Рис. 1.13. Структура приймально-передавальної антенної решітки (суцільна лінія - режим прийому, пунктирна лінія - режим передачі).
Рис. 1.14. Варіант орієнтації ДС Smart-антени компанії Metawave.
Причому система Spotlight дозволяє в кожнім з 1200–секторів у реальному масштабі часу вирізувати до трьох підсекторов, уражених перешкодами (т.зв. динамічний синтез сектора - DSS). У результаті спрощується частотне планування мережі, а оператор базової станції може раціонально перерозподіляти ресурси в залежності від специфіки навколишнього ландшафту, статистики розподілу запитів за часом доби, дням тижня і при непередбачених обставинах (рис. 1.16, 1.17). Ріст числа секторів прийому з 3 до 6 дозволяє істотно збільшити ємність стільникового осередку (число абонентів, що обслуговуються,). За даними Metawave [10], такий приріст у стандарті cdma2000 на основі Spotlight-рішень може досягати 94%.
Рис. 1.15. Багатосекторна конфігурація ДС.
Рис. 1.16. Посекторна адаптація до навантаження за допомогою Smart-антени.
Рис. 1.17. Динамічний синтез секторів в залежності від часу доби.
Одна з останніх розробок Metawave - антенний комплекс Spotlight 2230 - являє собою апаратуру ЦАР, що інтегрується до складу базової станції CDMA 1 EX разом з устаткуванням Lucent Flexent Modular Cell Base Station фірми Lucent Technologies [10] (рис. 1.18, 1.19). Компанія Lucent поставляє ультралінійні підсилювачі потужності для передавального сегмента і малошумлячі підсилювальні модулі для багатоканального приймача.
Рис. 1.18. Комплект апаратури базової станції CDMA 1EX з обладнанням SpotLight 2230.
Специфіка цифрового устаткування ЦАР дозволяє “м’яко” інтегрувати її в базову станцію будь-якого стандарту з мінімумом стикувальних робіт. При цьому вартість устаткування складе порядку 10% від вартості апаратури типової базової станції CDMA, розрахованої на обслуговування 48-72 одночасних викликів [10]. З огляду на, те що застосування ЦАР істотно підвищує ємність мережі, загальна економія засобів за рахунок відмовлення від додаткових базових станцій буде дуже значною. Відповідно до даних на сайті фірми Metawave, до жовтня 2002 р. в усьому світі було розгорнуто 420 систем Spotlight, у тому числі й у Санкт-Петербурзі (Росія).
Рис. 1.19. Структурна схема обладнання базової Станції CDMA 1EX.
Компанія AirNet Communications [19] з офісом у містечку Мельбурн (шт. Флорида, США), на відміну від Metawave Communications, зосередила зусилля на розробці Smart-антен для модернізації базових станцій стандарту GSM (900, 1800, 1900МГц) з підтримкою його розширень GPRS і EDGE. Згодом буде можлива і робота з базовими станціями 36-стандарту WCDMA. В активі AirNet 69 діючих патентів, які компанія отримала з моменту появи на ринку телекомунікацій у 1994 р. Технологія ЦДУ використовується в базовій станції AdaptaCell Super Capacity (дослівно - супер’ємна адаптивна стільника). Спираючи на рекламні матеріали, нескладно припустити, що базова станція компанії AirNet обслуговує 8-елементну ЦАР, що працює в секторі 120°. Отже, повноцінна 3-секторна ЦАР буде містити 24 елемента. Примітно, що AdaptaCell Super Capacity забезпечує цифрову обробку сигналів у всій смузі сигналів GSM і сумісна з технологією “інтелектуальної стільники” IntelliCell [19], що просувається компанією ArrayCom (м. Хосе, шт. Каліфорнія) (рис. 1.20).
Рис. 1.20. “Інтелектуальна” стільника.
ArrayCom разом з Metawave Communications, як відзначалося, є піонерами в розробці Smart-антен для радіозв’язку. Однак на відміну від Metawave, ArrayCom споконвічно орієнтувалася на ринок
Відповідно до заяв розробників ArrayCom, БС IntellCell при використанні технології ЦДУ дозволяє майже вдвічі скоротити необхідне для покриття зони обслуговування число БС, на чверть знизити витрати при розгортанні знову створюваної мережної інфраструктури і вдвічі зменшити час на інсталяційні роботи. Якщо вірити рекламним матеріалам, компанія ArrayCom уже поставила в усьому світі близько 60 тисяч БС.
Як стверджують розробники, строк окупаємості витрат на впровадження Smart-антен складає рік й менш. При цьому варто врахувати, що технологія ЦДУ перебуває лише на початку свого становлення. В міру її вдосконалювання можуть бути досягнуті ще більш значні результати по збільшенню канальної ємності і розмірів зони, що покривається - наприклад, шляхом збільшення числа антенних елементів в одному секторі ЦАР (до 16 і більш - в азимутальній площині і до 4-8 - у вертикальній).
Темпи розвитку використовуваної в ЦАР елементної бази дозволяють припустити, що вже в найближчому десятилітті почнеться масове відновлення інфраструктури стільникового зв’язку на основі Smart-антен. Причому наявний науковий заділ і досвід розробки подібного роду систем у сполученні з необхідною технологічною базою дозволяють розгорнути і вітчизняне виробництво базових станцій з ЦАР, спираючи на закордонні комплектуючі й унікальний інтелектуальний потенціал розробників нашої країни.
Висновки
1. Придушення внутрішньо-системних завад у СМЗ завжди є досить вагомою проблемою. При наявності двох різних СМЗ частотні канали обох стільник 2 систем повинні бути скоординовані по частотних діапазонах. Для придушення внутрішньо-канальної завади пропонується використання спрямованих антен на БС і нахил ДС антенної системи. Зазначені підходи можливо реалізувати при використанні технології ЦДУ на базі ЦАР.
2. Впровадження технології ЦДУ дозволяє істотно поліпшити пропускну спроможність каналів зв’язку та досягти високого рівня завадозахищеності телекомунікаційних магістралей, стійкого їх функціонування в умовах багатопроменевого поширення радіохвиль та наявності активних завад штучного походження.
3. Численні переваги ЦАР обумовили ріст їхньої ринкової привабливості. При цьому дана технологія вже вступила в стадію серійного виготовлення антенних систем для систем мобільного зв’язку.
4. Темпи розвитку елементної бази для побудови ЦАР дозволяють припустити, що вже в найближчий час почнеться масове відновлення інфраструктури стільникового зв’язку на основі Smart-антен. Причому наявний науковий заділ і досвід розробки подібного роду систем у сполученні з необхідною технологічною базою дозволяють розгорнути і вітчизняне виробництво БС з ЦАР, спираючи на закордонні комплектуючі й унікальний інтелектуальний потенціал розробників нашої країни.
