Радиовълни и особености на тяхното разпространение

• понятия за честоти, широчина на честотната лента, типове радиоканали, дуплексно отместване, широчина на канала, скорост на предаване и модулация;
• метода за многократното използване на честоти, клъстъри от клетки, метод за множествен достъп;
• основните проблеми при разпространението на радиовълните: радио-сянка, фадинг на Релей, отместване във времето и закъснение във времето, и методите за тяхното разрешаване.

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.

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.

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

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.

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

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

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

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

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

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.

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.

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

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

• загуби от разсейване при разпространение на радиовълните, което представлява естественото затихване с увеличаване на разстоянието от предавателната антена;

• фадинг т.е. засенчване или фадинг на Релей (наричан още многопътен фадинг), който представлява затихване на радиосигнала, поради наличието на прегради между приемника и предавателя;

• отместване във времето, възникващо поради многопътното разпространение и причиняващо междусимволна интерференция (само в цифрови системи);

• закъснение във времето на приетата информация (само в цифровите системи).

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.

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.

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

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.

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