Подписка на новости

Опрос

Нужно ли ввести комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

2007 №1

Использование оборудования фиксированного радиодоступа на базе технологии DS-CDMA для построения ведомственных сетей передачи данных

Кириленко Андрей


Взаимоувязанная Сеть Связи (ВСС) России — это глобальный государственный проект по построению ведомственных сетей передачи данных, позволяющих обеспечить оперативный и защищенный обмен информацией между различными службами и подразделениями ведомства, доступ в Интернет и закрытую телефонную связь. Сегодня он реализован только между крупными городами, а периферийные «отростки» к районным центрам так и остаются перспективой. Соединение областных центров с районными и далее с более мелкими населенными пунктами оптоволоконным или медным кабелем является не только чрезвычайно дорогостоящей, но зачастую и физически нереализуемой задачей. Таким образом, наиболее оправданным решением подобных задач становятся беспроводные сети связи.

Построение защищенных беспроводных сетей и магистралей на расстояния до 20-30 км при наличии имеющегося на рынке беспроводного оборудования более не является технически сложной задачей. Но давайте рассмотрим ситуацию, когда необходимо увязать в локальную сеть, к примеру, два подразделения ведомства, одно из которых располагается в областном центре, а другое — в районном, и расстояние между данными подразделениями порядка 60-70 км. Ответ кажется очевидным — установка ретрансляторов. Однако каждый дополнительный ретранслятор — это дополнительные деньги, и зачастую, отсутствие пригодных для установки ретрансляторов мест. Поэтому наиболее экономически оправданным и технически надежным решением в данном случае будет использовать оборудование беспроводной связи, способное покрывать расстояния до 70 км без ретрансляторов. Что следует знать, чтобы грамотно выбрать «дальнобойную » систему, которая обеспечивала бы связь на необходимом расстоянии, не теряя при этом таких наиважнейших показателей, как качество передачи данных, помехоустойчивость и др.?

Дело в том, что подавляющее большинство производителей оборудования беспроводной передачи данных использует для формирования радиосигнала стандартные виды модуляции, такие как BPSK, QPSK, ОАМ без дополнительно го усложнения структуры сигнала, что влечез за собой невозможность работы на большие даль ности без значительного увеличения мощностг излучаемого сигнала, что в свою очередь, также является очень сложным техническим вопроси» построения соответствующих радиоблоков дл> передачи цифровой информации.

Решить поставленную задачу позволит оборудо вание, способное работать на больших расстояниях, обладающее высокой помехозащищенностью малой спектральной плотностью энергии излучаемого сигнала (соответственно, скрытностьк передачи), а также возможностью работы в режиме многолучевого распространения сигнала Таким решением может послужить оборудование, построенное по технологии DS-CDMA [1].

Принцип технологии множественного досту па с кодовым разделением каналов (CDMA) [2 заключается в расширении спектра исходной информационного сигнала. При этом обеспе чивается высокая степень защиты от активны) и пассивных помех, что позволяет работать при низких значениях отношения «сигнал/шум> со значительно меньшей мощностью передава емого сигнала.

Формировать CDMA-сигналы можно двумя спосо бами. Первый из них включает все методы, основанные на использовании сигналов с расширенным спектром (Spread Spectrum — SS), а второй базируется на сочетании CDMA с другими мето дами временного (TDMA), частотного (FDMA) пространственного (SDMA) разделения каналов Наиболее широкое распространение получил CDMA-системы с расширением спектра, которое заключается в распределении информационны: сигналов по широкой полосе частот.

В настоящее время известны три ключевы: метода расширения спектра: DS (Direct Sequence) — прямая последовательность, FH (Frequenc Hopping) — скачкообразная перестройка частоть и ТН (Time Hopping) — псевдослучайная пере стройка во времени. Соответственно, существу ет три способа передачи сигнала с pacшиpeниe спектра: DSSS, FHSS и THSS.

В большинстве CDMA-систем используется методика расширения спектра прямой последовательностью DS-CDMA, поэтому ограничимся рассмотрением именно этого метода.

Одно из фундаментальных понятий, определяющее помехоустойчивость и эффективность системы CDMA. — «база сигнала» (в англоязычной литературе используется термин processing gain). Это показатель, который характеризует выигрыш в отношении «сигнал/шум» при обработке сигналов с расширенным спектром. Для систем DS-CDMA, в которых передача информации осуществляется с использованием псевдослучайных кодовых последовательностей с чиповой скоростью Rc база сигнала вычисляется в виде В = Rc/R, где R — скорость передачи информации. Однако чаще величина базы сигнала (В) вычисляется как произведение ширины спектра (F) на длительность элементарного символа, чипа (Т). Для широкополосных сигналов база значительно превышает 1 (В >> 1). Очевидно, что чем шире полоса частот в эфире и ниже скорость входного сигнала, тем больше база сигнала и, соответственно, выше помехоустойчивость.

Схема работы метода DS-CDMA и качественные изменения сигнала и помех на передатчике и приемнике показаны соответственно на рис. 1 и 2. В системе CDMA для каждой станции выделяется своя уникальная псевдослучайная кодовая последовательность, отличающая ее от других и одновременно используемая для повышения помехоустойчивости и обеспечения безопасности. В передатчике узкополосный информационный сигнал умножается на эту псевдослучайную N-символьную последовательность. База результирующего сигнала равна числу символов псевдослучайной последовательности (В = N).

Упрощенная блок-схема CDMA-передатчика
Рис. 1. Упрощенная блок-схема CDMA-передатчика
Упрощенная блок-схема CDMA-приемника
Рис. 2. Упрощенная блок-схема CDMA-приемника

В эфире такой сигнал занимает полосу частот, значительно превышающую по ширине полосу частот исходного узкополосного сигнала. При этом использование шумоподобных сигналов с высокой тактовой частотой приводит к тому, что исходный узкополосный сигнал «размазывается» в широкой полосе и становится меньше уровня шума.

В приемнике исходный сигнал восстанавливается с помощью такой же псевдослучайной последовательности (обратная операция). Любые другие сигналы, отличные от исходного, поступающие на данный приемник, воспринимаются как шум. Отдельно следует отметить, что беспроводные системы связи, построенные по технологии CDMA, способны эффективно работать в условиях многолучевого распространения радиоволн [3]. Чаще всего многолучевость ввзникает как результат многократного отражения передаваемого сигнала от зданий и других препятствий на пути распространения радиоволн (рис. 3). Отраженные сигналы могут интерферировать с прямым лучом (луч 1), имеющим наибольшую интенсивность. Сигналы разных лучей сдвинуты по времени друг относительно друга, что обусловлено различной длиной трассы их прохождения. Поскольку всегда существует несколько путей распространения радиоволн от передатчика к приемнику, то в точке приема разные копии одного и того же сигнала интерферируют друг с другом, создавая глубокие замирания радиоволны, которые в основном и влияют на качество передачи информации и пропускную способность системы.

Иллюстрация эффекта многолучевое
Рис. 3. Иллюстрация эффекта многолучевое

Для борьбы с влиянием многолучевости в системах CDMA применяется устройство для приема разнесенных сигналов — так называемый Rake-приемник.

Принцип действия Rake-приемника основан на раздельной обработке всех многолучевых компонентов и вычислении их средневзвешенной суммы. В наземных радиоканалах характеристики этих компонентов могут незначительно различаться (на величину, сопоставимую с длительностью одного символа шумоподобного сигнала — чипа). Компоненты, отстоящие друг от друга более чем на один чип. обрабатываются и суммируются. Что же касается мелкомасштабных изменений задержки (менее чем на один чип), они могут быть устранены при приеме с помощью схемы кодового слежения, которая позволяет измерить время задержки для каждого компонента многолучевого сигнала и нивелировать малое изменение.

Поскольку на практике число суммируемых соизмеримых по мощности лучей не превышает 3-4, в классическом Rake-приемнике обычно реализуется трехканальная схема (рис. 4), которая дает возможность выделять три компонента многолучевого сигнала с различными задержками (т,, т2, т3) и коэффициентами передачи (а,, а2, сц). В каждом канале приема (finger) входной сигнал, задержка которого приведена ко времени распространения многолучевого сигнала, перемножается с кодовой последовательностью. После свертки вычисляется (с помощью схемы сложения) средневзвешенная по максимуму отношения «сигнал/шум» сумма сигналов разных каналов приема. В результате такой обработки все лучи, опережающие основной луч или запаздывающие относительно него на величину, большую 1/F, создают на выходе корреляторов лишь небольшие всплески (вместо больших помех), которые отбрасываются Rake-приемником в процессе принятия решения.

Упрощенная структурная схема трехканального Rake-приемника
Рис. 4. Упрощенная структурная схема трехканального Rake-приемника

Ярким представителем беспроводного оборудования, выполненного по технологии DS-CDMA с использованием широкополосного шумоподоб-ного сигнала (ШПС). являются РРЛ серии LinkRider (рис. 5) российского производства [4], обладающие всеми преимуществами данной технологии.

РРЛ серии LinkRider
Рис. 5. РРЛ серии LinkRider

К ним относятся:

  • Скремблирование и перемежение каналов — возникающая дополнительная помехоустойчивость позволяет устанавливать станции на большем расстоянии друг от друга и использовать невысокие вышки. Закрытость передаваемой информации расширяет область применения продукта.
  • Алгоритм адаптивного изменения мощности — экологичность, электромагнитная совместимость, пониженное энергопотребление.
  • Работа в многолучевом режиме с Rake-обработкой лучей дает дополнительную возможность инсталляции станций в пересеченной местности (горы, берега рек и озер и т. п.). улучшает качество работы и повышает надежность системы.
  • Помехоустойчивое кодирование — увеличение дальности связи, защита от импульсных помех. Возможность работать в сложной электромагнитной обстановке.
  • Улучшенный сервис — возможность удаленной оценки качества передачи и управления каждым радиоблоком. Возможность подключения монитора к любому модему в линии.
  • Software Radio System — возможно значительное изменение функций системы без изменения состава аппаратуры (программным путем).
  • Прямое расширение спектра с базой 128 — защита от узкополосных помех, возможность работы в отсутствии прямой видимости.
  • Работа под шумами — обеспечивает дополнительную конфиденциальность передаваемой информации.

Основные характеристики РРЛ серии LinkRider представлены в таблице.

Таблица. Технические характеристики РРЛ серии LinkRider
Технические характеристики РРЛ серии LinkRider

РРЛ серии LinkRider — участник целевой программы «Электронная Россия» по направлению «Безопасность» [5].

Литература

  1. ETSI EN 301 124 V1.2.1 (20010-2) Fixed Radio Systems: Point-to-multipoint equipment; Direct Sequence Code Division Multiple Access (DS-CDMA) point-to-multipoint digital radio systems in frequency bands in the range 3 GHz to II GHz.
  2. Волков Л. Н.. Немировский М. С, Шинаков Ю. С. Системы цифровой радиосвязи. М.: Экотрендз. 2005.
  3. Невдяев Л. CDMA: борьба с замираниями // Сети. 2000. № 9.
  4. http://kedah.ru/catalog/linkrider/
  5. http://kedah.ru/catalog/solutions/uvd.pdf

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Беспроводные технологии PDF


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке