Радиовълни и особености на тяхното разпространение

Тази тема предлага общ поглед върху основни понятия в безжичните комуникации и да запознае с особеностите на разпространение на радиосигналите.

При усвояване на материала трябва да се обърне внимание на следното:

3.1 Основни характеристики на радиовълни

При мобилните телефонни системи, за разлика от фиксираните, за предаване на информационните и служебните сигнали се използват не съобщителни кабели, а електромагнитни (радио) вълни. Радиовълните се характеризират с амплитуда, фаза, честота и дължина на вълната, скорост и посока на разпространение и т.н.

3.1.1 Честота

Честотата на една радиовълна се определя от броя на колебанията за единица време (1 секунда - s) и се измерва в херци (Hz), където 1 Hz посочва едно колебание за секунда. Означава се с f. В практиката много често радиовълните се описват, вместо с честота, с дължина на вълната.

3.1.2 Дължина на вълната

Дължина на вълната е най-малкото разстояние между две еднакви фазови състояния на вълната. Означава се с l и се измерва в метри (m).

Фиг.3.1 Дължина на радиовълната - l

Връзката между честотата f и дължината на вълната l във въздуха се дава със скоростта на светлината във вакуум (с = 3.108 m/s) чрез следната зависимост:

l = c / f

Например за GSM 900, дължината на вълната l е:

l = 3 х 108 / 900 MHz = 0.33 m (или 33 сантиметра)

3.1.3 Широчина на честотната лента

Според честотата си елекромагнитните вълни се разделят на честотни обхвати. Широчина на честотната лента (честотен обхват, диапазон) е терминът, използван за описание на обхват от честоти, намиращи се в определени граници.

Международното разделяне, използвано в радиотехниката, е представено на табл.3.1.

Табл.3.1 Видове радиовълни и честотният им обхват

Обхват

Означение

Честота

Дължина

на вълната
 

кирилица

латиница

 

 

Свръхдълги вълни

СДБ

VLF

0.003 – 30000 Hz

1010 – 104 m

Дълги вълни

ДВ

LF

30 kHz – 300 kHz

10 km – 1 km

Средни вълни

СВ

MF

300 kHz – 3 MHz

1 km – 100 m

Къси вълни

КВ

HF

3 MHz - 30 MHz

100 m – 10 m

Метрови вълни

МВ

UHF

30 MHz – 300 MHz

10 m – 1 m

Дециметрови вълни

ДМВ

VHF

300 MHz – 3 GHz

1 m – 10 cm

Сантиметрови вълни

СМВ

Micro waves

3 GHz - 30 GHz

10 cm – 1 cm

Милиметрови вълни

ММВ

Micro waves

30 GHz - 300 GHz

1 cm – 1 mm

Субмилиметрови вълни

СММВ

Micro waves

300 GHz - 3000 GHz

1 mm – 0.1 mm

Фиг.3.2 показва използването на наличните честотни обхвати от различни приложения.

Фиг.3.2 Използване на различни честотни обхвати

В мобилните комуникации най-често се използват радиовълни с честоти от 400 до 2 000 MHz. При тях се постига компромис между количеството на предаваната информация и големината на зоната на покритие.

3.1.4 Радиоканал

В зависимост от начина на предаване на информацията комуникационните канали са от един от следните типове:

Тип

Описание

Примери

Симплексен

Само една посока на предаване

Радио, телевизия

Полудуплексен

Две посоки на предаване, но само една в даден момент от време

Полицейско радио

Дуплексен

Две посоки на предаване, и двете по едно и също време

Мобилни системи

3.1.5 Дуплексно отместване

Използването на дуплексни канали изисква предаването в права и обратна посока да бъде отделено чрез минимално честотно отстояние. То се нарича дуплексно отместване (отстояние). Липсата на дуплексно отместване би довела до взаимни смущения между сигналите, предавани в права и обратна посока.

Фиг.3.3 показва дуплексното отместване за стандарта GSM 900.

Фиг.3.3 Дуплексно отместване

3.1.6 Отделяне между носещите честоти и широчина на канала

Освен дуплексното отместване всяка мобилна система включва и отделяне между носещите честоти. Това е разстоянието в честотната лента между каналите, използвани за предаване в една и съща посока. То е необходимо, за да се избегне припокриването на информация, предавана по два съседни канала.

Честотният обхват, в който се разпределя електромагнитната енергия при предаване на информация по един канал, се нарича широчина на канала. Фиг.3.4 показва връзката между широчината на канала в GSM и съответното отделяне на носещите от 200 kHz.

Фиг.3.4 Широчина на канала и отделяне между носещите честоти в GSM 900

3.1.7 Многократно използване на честоти

За да се покрие например цялата страна, честотите трябва да се използват многократно в различни географски местоположения, за да се осигури на мрежата достатъчно капацитет. Едни и същи честоти не може да се използват в съседни клетки, тъй като те ще си пречат една на друга, така че е необходим специален модел на използване на честоти, който се определя по време на планиране на мрежата.

Разстоянието, необходимо за повторно използване на честоти, се определя от отношение между желаното ниво на сигнала (в клетката) – С и нежеланото ниво на сигнала (в най-близката клетка, където е разрешено да се използва същата честота) - I. Тази връзка се нарича отношение носеща към интерферентна (C/I).

Фиг.3.5 Смущения при използване на носещи сигнали с една и съща честота f 1 в близкостоящи клетки

3.1.8 Клъстъри от клетки

Чрез организиране на клетките в групи, наречени клъстъри (гроздове), лесно може да се осигури достатъчно разстояние за многократно използване на честоти между две клетки, които използват едни и същи честоти.

Клъстърът е група от клетки, в която всички налични честоти се използват един и само един път. Едни и същи честоти може да се използват в съседни клъстъри и тогава смущенията може да създадат проблем. Следователно, разстоянието при многократното използване на честоти трябва да бъде колкото се може по–голямо. От друга страна, операторът на мрежата се стреми максимално да използва наличните честоти на колкото се може по–малко разстояние.

Фиг.3.6 Модел от клетки 7/21 за многократно използване на честотите

3.1.9 Скорост на предаване

Количеството информация, което се предава по един радиоканал за единица време се нарича скорост на предаване на информацията. Скоростта на предаване на информацията в цифровите системи се измерва в битове за секунда (b/s). В GSM скоростта на предаване на информация по така наречения въздушен интерфейс е 270 kb/s.

3.1.10 Модулация

Тъй като честотата, която се използва за предаване на информация по радиоканала, не е тази, с която тя се генерира, са необходими методи, които да преобразуват информацията в използваната честотна лента. Преобразуването на честотата се реализира чрез модулация на амплитудата, честотата и фазата на така наречения носещ сигнал в съответствие с параметрите на речевия сигнал.

3.1.11 Метод за достъп

В телекомуникационните системи потребителите поделят помежду си ограничения брой канали по определен начин. Методът за поделяне на канала се нарича метод за достъп. Потребителите получават достъп до системата чрез разделяне на системата на една или повече операционни области: честота, време, пространство и код. Тук е разгледан накратко множественият достъп с времеделение на канали (Time Division Multiple Access - TDMA), който се използва от повечето цифрови клетъчни системи. Аналоговите системи използват множествен достъп с честотно деление на канали (Frequency Division Multiple AccessFDMA), а някои системи използват множествен достъп с кодово деление на канали (Code Division Multiple AccessCDMA).

При метода за множествен достъп с времеделение TDMA един съобщителен канал се използва от много потребители, като всеки потребител използва канала в строго определен период от време. Тези периоди от време се разглеждат като времеинтервали. За всеки мобилен телефон е определен един времеинтервал в канала в права посока и един в канала в обратна посока. Информацията, която се изпраща в един времеинтервал по даден канал, се нарича серия. По време на активна връзка мобилните телефони не предават и приемат непрекъснато, а на серии.

Фиг.3.7 Цикъл от 8 времеинтервала при използване на метода TDMAв GSM система

3.2 Основни проблеми при предаване в клетъчни системи

Проблемите, които могат да възникнат при разпространение на радиовълните, обикновено са следните:

3.2.1 Затихване по пътя на разпространение

Поради разсейването на енергията на радиовълните, затихването на излъчените сигнали в свободно пространство на теория е пропорционално на квадрата на разстоянието от предавателната антена. За мобилните системи това затихване е пропорционално (приблизително) на разстоянието на четвърта степен (фиг.3.8).

Фиг.3.8 Загуби при разпространение на радиовълните

Проблемът със загубите на мощността на сигналите по радиотрасето трябва да се вземе предвид, когато се проектира мрежата и се определят броят на базовите станции в областта и необходимата излъчвана мощност в клетките.

3.2.2 Фадинг от засенчване при радиопредаване

Мобилните телефони, използвани в мобилните клетъчни мрежи, обикновено се движат през области с препятствия с различен размер като планини, сгради и тунели. Понякога тези пречки засенчват или напълно отсичат радиосигнала. Въпреки че последствията от такива засенчващи ефекти зависят от размера на препятствието и от разстоянието до него, мощността на приетия сигнал неизбежно варира. Този тип фадинг се нарича фадинг от засенчване (фиг.3.9).

Фиг.3.9 Фадинг от засенчване

С цел минимизиране на ефекта от фадинга при засенчване базовите станции се разполагат колкото се може по-високо или близко една до друга, така че мобилните телефони да могат да комуникират около големите препятствия чрез смяна на базовата станция.

3.2.3 Фадинг на Релей

Фадингът на Релей или многопътният фадинг възниква поради приемане на няколко сигнала в приемника – отразени от близки обекти. Тези сигнали, пристигащи от различни посоки, се различават по фаза, когато достигнат до приемната антена, тъй като са изминали различни разстояния. При придвижването на предавателя или приемника разликата във фазите се променя и понякога причинява усилване на сигнала, а понякога - отслабване. Това води фадинг, който в много случаи причинява силно затихване на сигнала (спадове на фадинга).

Фиг.3.10 Многопътно разпространение на радиосигналите

При по-голяма скорост и по-висока честота периодът на фадинга намалява.

Фиг.3.11 Фадинг на Релей

Често базовите станции имат по две приемни антени, монтирани на дадено разстояние една от друга, за да се намали влиянието на смущенията, възникващи като резултат от фадинга на Релей. Тази организация се нарича пространствено разнесено приемане.

Фиг.3.12 Пространствено разнесено приемане

Като алтернатива или допълнение на пространственото разнесено приемане, което може да се използва в цифровите системи, е въвеждането на скачане на носещата (честотно разнесено приемане). Тъй като разстоянието между спадовете в нивото на сигнала зависи от използваната честота, спадовете ще се появяват на различно разстояние за различни честоти. Вероятността да се приеме добър сигнал се увеличава, ако се прилага метод на смяна на честотните канали в кратки интервали.

Фиг.3.13 илюстрира скачането на носещата в GSM. По време на TDMA цикъл с номер N се използва честота f1, а по време на TDMA цикъл с номер N+1 се използва друга честота f2. Повикването използва един и същи времеинтервал, но сменя честотата съгласно предварително определен образец.

Фиг.3.13 Скачане на носещата в GSM

3.2.4 Отместване във времето

Друг проблем, причинен от отражението на радиосигналите, е отместването (дисперсия) във времето.

Фиг. 3.14 илюстрира предаването и приемането на последователност от битове (в случая единица, последвана от нули). Мобилният телефон приема два сигнала: единият от тях е отразен от обект на разстояние няколко километра от него. Ако разликата в разстоянието, пропътувано от двата сигнала, е близо 2 километра, мобилният телефон ще приеме 0 от директния сигнал (третия бит) и единица от отразения сигнал (първия бит). Това явление се нарича междусимволна интерференция. Ако отразеният сигнал е с достатъчно голяма мощност, такава интерференция ще причини затруднения при определяне на това, какво е прието: 1 или 0.

Фиг.3.14 Отместване във времето

Проблемите, свързани с междусимволната интерференция, се решават със специален метод, наречен адаптивно изравняване.

3.2.5 Закъснение във времето

За да се избегне припокриване на серии в TDMA система, е необходимо предаването от всеки телефон да пристигне точно навреме в базовата станция. Моментът, в който мобилният телефон трябва да започне да предава, зависи и от разстоянието до базовата станция - колкото по-голямо е това разстояние, толкова по-рано трябва да започне предаването. Следователно, и мрежата, и мобилният телефон трябва да включват възможност за непрекъснато регулиране на момента на предаване.

Фиг.3.15 Закъснение във времето