Содержание к диссертации
Введение
1 Повышение эффективности использования радиочастотного спектра -необходимое условие развития сотовой связи 22
1.1 Эволюция технологий сотовой связи 22
1.2 Проблемы внедрения перспективных систем сотовой связи 24
1.3 Пути повышения эффективности использования радиочастотного спектра 27
1.4 Научно - технические направления повышения спектральной эффективности систем сотовой связи 36
Выводы 51
2 Исследование возможностей выделения радиочастотного ресурса для систем сотовой связи третьего поколения 53
2.1 Анализ потребностей систем сотовой связи стандарта UMTS в радиочастотном ресурсе 53
2.2 Результаты исследований в Опытной зоне сетей связи стандарта UMTS 59
2.3 Радиочастотный ресурс для взаимодополняющих сетей сотовой связи и беспроводного широкополосного доступа 65
Выводы 71
3 Исследование возможностей применения ВТСП фильтров для повышения спектральной эффективности сотовой связи 72
3.1 Модель радиоприёмного канала базовой станции с ВТСП фильтром 75
3.2 Численное исследование характеристик ВТСП фильтров 80
3.3 Исследование эффективности применения ВТСП фильтров 95
3.4 Влияние ВТСП фильтра на динамический диапазон радиоприёмного устройства базовой станции сотовой связи 97
3.5 Результаты экспериментальной разработки ВТСП фильтров 105
Выводы 107
4 Исследование возможностей применения многоканальных антенных систем с оптимальной пространственной фильтрацией для повышения спектральной эффективности сотовой связи 109
4.1 Постановка задачи ПО
4.2 Оптимизация многоканальных антенных систем сотовой связи с пространственной фильтрацией сигналов 115
4.3 Оптимизация многоканальных антенных систем с пространственной фильтрацией при наличии помех, сосредоточенных по направлениям прихода 124,
4.4 Исследование возможностей повышения спектральной эффективности сотовой связи при использовании многоканальных антенных систем с оптимальной пространственной фильтрацией 132
4.5 Исследование характеристик направленности многоканальных антенных систем сотовой связи с оптимальной пространственной фильтрацией 156
Выводы 181
5 Исследование путей построения полифокальных антенн со сферическими диэлектрическими линзами для перспективных систем сотовой связи 182
5.1 Метод анализа полифокальных антенн со сферическими диэлектрическими линзами при произвольном амплитудно-фазовом распределении поля в раскрыве облучателя 182
5.2 Исследование и оптимизация характеристик полифокальных антенн со сферическими диэлектрическими линзами 203
Выводы 253
Заключение 255
Библиографический список
- Пути повышения эффективности использования радиочастотного спектра
- Результаты исследований в Опытной зоне сетей связи стандарта UMTS
- Влияние ВТСП фильтра на динамический диапазон радиоприёмного устройства базовой станции сотовой связи
- Исследование возможностей повышения спектральной эффективности сотовой связи при использовании многоканальных антенных систем с оптимальной пространственной фильтрацией
Введение к работе
Актуальность темы. Сегодня около 4,5 млрд. абонентов по всему миру пользуются услугами сотовой связи. Расширение спектра услуг, внедрение систем сотовой связи (ССС) нового поколения, развитие мобильного широкополосного доступа являются особенно важными для решения государственных задач по модернизации российской экономики и вовлечения населения нашей страны в мировое информационное сообщество.
Происходящий в настоящее время многократный рост трафика передачи данных вызывает необходимость ускоренного развития всей телекоммуникационной инфраструктуры. Существенное повышение пропускной способности ССС при экономически обоснованных затратах операторов может быть достигнуто внедрением новых, более совершенных технологий сотовой связи и широкополосного доступа (рис. 1).
Рис. 1. Технологии сотовой связи и широкополосного доступа
Перспективы широкого распространения мобильного широкополосного доступа и необходимость повышения пропускной способности ССС оказали большое влияние на решения Всемирной конференции радиосвязи 2007 года (ВКР-2007): в интересах развития сотовой связи на всемирной основе было дополнительно выделено 136 МГц в диапазонах 450…470 МГц, 790…862 МГц, 2300…2400 МГц и 3400…3600 МГц. Ранее для сетей сотовой связи было выделено около 400 МГц в диапазонах 806…900 МГц, 1710…1800 МГц, 1920…2170 МГц и 2500…2690 МГц. Общие же потребности ССС в радиочастотном ресурсе (РЧР) с учетом роста трафика передачи данных оцениваются в объеме около 1 300 МГц к 2015 году. Принимая во внимание российские особенности выделения радиочастотного ресурса для радиоэлектронных средств (РЭС) гражданского назначения, важнейшим условием успешного внедрения перспективных технологий сотовой связи является разработка предложений и рекомендаций по повышению эффективности использования радиочастотного спектра (РЧС) в диапазонах, определенных на всемирной основе для развертывания ССС нового поколения [1]. Существенный вклад в области повышения эффективности использования радиочастотного спектра внесли российские ученые: Ю.Б. Зубарев, Ю.А. Громаков, М.А. Быховский, Л.Я.Кантор, В.Я.Канторович, М.Г.Локшин, О.Ю. Перфилов, Б.Г. Тележный, В.О. Тихвинский, Г.И. Трошин, В.Д. Челышев.
Необходимость повышения пропускной способности ССС нового поколения требует освоения все более высокочастотных диапазонов волн, в которых можно обеспечить широкие рабочие полосы частот. При этом уменьшение дальности распространении радиоволн с увеличением частоты вызывает сокращение радиуса сот и, соответственно, увеличение их числа. Для передачи служебной информации и обеспечения непрерывности радиосвязи при перемещении абонента из одной соты в другую приходится задействовать все более значительные сетевые ресурсы. С учетом глобального покрытия земной поверхности системами спутниковой навигации GPS и ГЛОНАСС, российскими учеными предложен новый способ сотовой связи, в котором функция определения местоположения абонента переносится на абонентский терминал (АТ), что позволяет снизить нагрузку на инфраструктуру сети, повысить ее пропускную способность и сократить затраты на ее создание и эксплуатацию [2]. После получения координат абонента центр управления сетью передает команду на определенную базовую станцию (БС) установить с ним связь и сопровождать его перемещение путем соответствующего перенацеливания максимума диаграммы направленности (ДН) многолучевой антенны. Применение в составе базовых станций многолучевых антенн позволяет увеличить дальность связи по сравнению с секторными антеннами или антеннами с круговой диаграммой направленности, а также сократить время установления связи по сравнению с адаптивными антеннами. Исследования по реализации нового способа сотовой связи, запатентованного в России, США и Китае, ведутся в настоящее время в ОАО «Интеллект Телеком» совместно с компаниями «Nokia Siemens Networks» и «ZTE». Ключевым моментом исследований является создание многолучевых антенных систем, обеспечивающих пространственную фильтрацию сигналов.
Решение задачи повышения пропускной способности перспективных ССС и качества обслуживания абонентов особенно актуально для сложных условий распространения сигналов в условиях города. Для обеспечения связи в городе характерными являются случайные каналы с релеевскими замираниями амплитуды сигналов вследствие эффекта многолучевого распространения радиоволн и с доплеровской частотной дисперсией при перемещении абонентов. Релеевские замирания, обусловленные интерференцией большого числа рассеянных сигналов и сильным ослаблением основного сигнала, являются наиболее глубокими и приводят к увеличению вероятности ошибки при приеме сообщений [3]. При наличии нескольких антенн на передаче и приеме в реальных условиях распространения радиоволн существует несколько пространственных каналов, по которым можно осуществлять независимый обмен сообщениями, что и реализуется с помощью многоканальной технологии MIMO (Multiple Input - Multiple Output). C применением в перспективных ССС технологии MIMO (CCC-MIMO) уменьшение вероятности ошибки на бит принимаемого сообщения достигается разнесением сигнала на передаче и приеме, а повышение пропускной способности – использованием методов адаптивной пространственной обработки сигналов для обеспечения одновременного приема сообщений по нескольким независимым радиоканалам. Однако с увеличением числа независимых радиоканалов происходит снижение энергии на бит передаваемого сообщения и соответствующее повышение вероятности ошибки на бит принимаемого сообщения, что делает актуальным поиск компромисса между повышением пропускной способности CCC - MIMO и уменьшением вероятности ошибки на приеме [4].
Таким образом, успешное внедрение ССС нового поколения требует научно-обоснованных подходов к решению двух основных проблем их современного развития: выделение полос радиочастот в новых диапазонах и повышение спектральной эффективности существующих и разрабатываемых ССС. В диссертационной работе данные проблемы исследуются в комплексе, причем решение второй проблемы осуществляется применением многоканальных антенных систем с оптимальной пространственно-частотной фильтрацией.
Применение методов пространственно-частотной фильтрации сигналов с использованием технологии MIMO, многолучевых адаптивных антенных систем с коммутируемыми лучами, высокодобротных полосно-пропускающих фильтров на основе материалов с высокотемпературной сверхпроводимостью (ВТСП) позволяет увеличить энергетический потенциал радиолинии и пропускную способность перспективных ССС и, следовательно, повысить их спектральную эффективность. Для достижения данного результата наряду с внедрением передовых научных разработок требуется обеспечить всестороннее экономическое, нормативно-техническое и организационно-правовое сопровождение проектов по развертыванию перспективных ССС, в том числе – в области выделения радиочастотного ресурса (РЧР), частотно-территориального планирования, электромагнитной совместимости (ЭМС) радиоэлектронных средств, лицензирования, сертификации, межсетевого взаимодействия и конвергенции технологий.
Целью диссертационной работы является разработка теории, методов анализа и принципов построения многоканальных антенных систем с оптимальной пространственно-частотной фильтрацией для повышения спектральной эффективности ССС нового поколения.
Для достижения цели в диссертационной работе решены следующие научные задачи:
1. Проанализированы потребности сотовой связи в радиочастотном ресурсе и возможные способы повышения эффективности использования радиочастотного спектра, разработаны предложения по выделению радиочастотного ресурса в диапазоне 2,1 ГГц для развертывания систем сотовой связи третьего поколения в России.
2. Проведено исследование эффективности применения многоканальных антенных систем с оптимальной пространственной фильтрацией сигналов в перспективных системах сотовой связи в условиях многолучевого распространения радиоволн и воздействия помех, сосредоточенных по направлениям прихода.
3. Определены требования к характеристикам направленности многоканальных антенных систем базовых станций и абонентских терминалов с оптимальной пространственной фильтрацией сигналов с учетом параметров пространственно-неоднородных радиотрасс и эффектов взаимодействия элементов антенных решеток (АР), предложены варианты построения многоканальных антенных систем перспективных ССС.
4. Предложены и исследованы полифокальные антенные системы со сферическими диэлектрическими линзами, обоснована эффективность их применения в качестве широкополосных многоканальных антенных систем базовых станций перспективных ССС.
5. Исследованы характеристики канальных ВТСП фильтров и определены потенциальные возможности их применения для повышения уровня частотной фильтрации сигналов в радиоприемном тракте базовой станции, пропускной способности и спектральной эффективности перспективных систем сотовой связи.
Методы исследования. При проведении исследований использовались теория дифракции электромагнитных волн, методы спектрального разложения канальных матриц по собственным векторам, аналитические методы оптимизации при заданных ограничениях, матричная теория взаимодействия излучателей антенных решеток, методы теории фильтров и адаптивных антенных решеток. Разработанные алгоритмы использовались для математического моделирования антенно-фильтрующих систем и численного исследования их электрических характеристик. Экспериментальные исследования проводились с использованием стандартного измерительного оборудования, в том числе и в ходе натурных испытаний на сетях сотовой связи в процессе их развертывания в России.
Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы определяется применением корректных математических методов и физических моделей, подтверждается хорошим соответствием теоретических результатов данным математического моделирования и экспериментальных исследований в ходе развертывания систем сотовой связи стандартов GSM и UMTS в России.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Повышение эффективности использования РЧС в диапазоне 2,1 ГГц позволяет развернуть на территории России четыре полнофункциональные ССС стандарта UMTS.
2. Теория многоканальных антенных систем с оптимальной пространственной фильтрацией сигналов позволяет исследовать потенциальные возможности повышения спектральной эффективности ССС в условиях многолучевого распространения радиоволн.
3. Многоканальные антенные системы с управляемыми диаграммами направленности позволяют повысить спектральную эффективность сотовой связи путем выбора радиоканала с максимальным собственным значением либо при соответствующем возбуждении радиоканалов с близкими собственными значениями.
4. Многоканальные антенные системы со сферическими диэлектрическими линзами, коммутируемыми облучателями и дополнительными цепями адаптации позволяют расширить возможности сотовой связи путем обеспечения работы базовой станции в широком секторе пространства и в нескольких диапазонах частот с усилением до 40 дБ.
5. Канальные фильтры 3-7 порядков, адаптированные к параметрам сигналов и помех на входе радиоприемного устройства базовой станции, позволяют повысить спектральную эффективность сотовой связи в 1,5 - 2 раза.
Научная новизна. В диссертационной работе развиты теория, методы анализа и принципы построения многоканальных антенных систем с оптимальной пространственно-частотной фильтрацией с целью повышения спектральной эффективности систем сотовой связи нового поколения, а именно:
1. Разработана теория многоканальных антенных систем с оптимальной пространственной фильтрацией сигналов сотовой связи и исследованы потенциальные возможности повышения спектральной эффективности перспективных ССС в условиях многолучевого распространения радиоволн. Выявлена зависимость спектральной эффективности ССС с многоканальными антенными системами от параметров пространственно-неоднородной радиотрассы, эффектов взаимодействия элементов антенных решеток и уровня помех, сосредоточенных по направлениям прихода, определены закономерности и условия применения многоканальных антенных систем.
2. Разработан метод анализа адаптивных многоканальных антенных систем с учетом параметров пространственно-неоднородных радиотрасс, эффектов взаимодействия элементов антенных решеток и уровня помех, сосредоточенных по направлениям прихода. Доказано, что повышение спектральной эффективности CCC нового поколения достигается применением многоканальных антенных систем с управляемыми диаграммами направленности и обеспечивается выбором радиоканала с максимальным собственным значением в случае радиоканалов с существенно различными собственными значениями либо выбором соответствующего возбуждения радиоканалов с близкими собственными значениями.
3. Определены требования к характеристикам направленности антенных устройств базовых станций и абонентских терминалов перспективных ССС в условиях многолучевого распространения радиоволн. Доказано, что применение многоканальных антенных систем повышает спектральную эффективность перспективных ССС в случае, когда ДН антенных устройств являются собственными ДН соответствующих радиоканалов, а отношение РC/(РШ+РП) на входе радиоприемного устройства превышает 10 дБ. Разработаны схемы и способы реализации ДН многоканальных антенных систем перспективных ССС, установлено, что собственные ДН радиоканалов являются аналогом ДН многолучевых антенн, но отличаются от них по своей форме и ориентации лучей, которые зависят от параметров пространственно-неоднородной радиотрасс, эффектов взаимодействия элементов антенных решеток и уровня помех, сосредоточенных по направлениям прихода.
4. Предложен метод анализа полифокальных антенн со сферическими диэлектрическими линзами с произвольным амплитудно-фазовым распределением (АФР) возбуждающего поля, разработан численный алгоритм расчета их электродинамических характеристик. Проведены исследования и оптимизация электродинамических характеристик антенн с однородной, двухслойной и многослойной сферическими линзами с учетом потерь в диэлектрике и отражений от границ слоев. Обоснована эффективность применения многоканальных антенных систем со сферическими линзами из однородного диэлектрика с коммутируемыми облучателями и дополнительными цепями адаптации в БС перспективных ССС.
5. Разработан метод анализа характеристик канальных ВТСП фильтров с учетом параметров сигналов и помех в сетях сотовой связи разных стандартов. Определены потенциальные возможности применения канальных ВТСП фильтров для повышения уровня частотной фильтрации сигналов в радиоприемном тракте базовых станций ССС стандартов GSM и UMTS, обоснована целесообразность использования канальных ВТСП фильтров для повышения пропускной способности и спектральной эффективности перспективных ССС.
Практическая значимость диссертационной работы определяется тем, что на основе разработанной теории и предложенных способов реализации многоканальных антенных систем с оптимальной пространственно-частотной фильтрацией сигналов определены пути и возможности дальнейшего повышения спектральной эффективности систем сотовой связи нового поколения, что позволяет улучшить энергетические характеристики радиоканалов, расширить возможности частотно-территориального планирования и создает необходимые предпосылки для успешного развертывания перспективных систем сотовой связи. Результаты диссертационной работы использованы в ходе проектирования опытной зоны систем сотовой связи стандарта UMTS, при проведении исследований в области ЭМС и разработке норм частотно-территориального разноса (ЧТР), при обосновании конкурсных требований к претендентам и подготовке тендерных документов в ходе лицензирования операторской деятельности в сетях связи третьего поколения, явились основой для формирования научно-технической и нормативно-правовой политики органов государственного регулирования в области развития сотовой связи в Российской Федерации, а также нашли отражение в исследованиях, проводимых ОАО «Интеллект Телеком» по реализации нового способа сотовой связи. Результаты исследований были одобрены НТС Мининформсвязи России (протоколы №2-001 от 28.05.2001, № 5 от 11.07.2001 и № 7 от 16.01.2007), приняты к реализации решениями Государственной комиссией по радиочастотам (протоколы ГКРЧ № 4650-ОР от 12.02.2001, № 5702-ОР от 25.01.2002, № 32/5 от 24.02.2004, №06-17 от 23.10.2006, №07-21 от 25.06.2007) и постановлениями Коллегии Мининформсвязи России (протоколы № 5-КМ от 22.06.2007 и № 8-КМ от 16.10.2007), использовались в ходе развертывания систем сотовой связи стандарта UMTS на территории России.
Личный вклад автора. Результаты диссертационной работы, выносимые на защиту, принадлежат автору, что подтверждено публикациями в научных изданиях. В опубликованных в соавторстве работах автору принадлежат постановка задачи, определение направлений исследования, результаты теоретических и экспериментальных исследований. Роль автора как руководителя и непосредственного участника исследований в области внедрения сетей связи третьего поколения отражена в решениях ГКРЧ, постановлениях НТС Мининформсвязи России и актах о внедрении результатов диссертационной работы.
Апробация и публикации результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 84 международных и российских конференциях, симпозиумах и семинарах, в том числе: IEEE ICC 2006 Conference (Istanbul, Turkey, 2006); Международные научные конференции «Современные информационные системы, проблемы и тенденции развития» (Туапсе, 2006, 2007); Международные научно-технические конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Казань, 2006, 2007; Самара, 2008); Mobility World Congress & Exhibition (Hong Kong, China, 2007); Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2007» (Севастополь, 2007); XIV международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2008); Международная научная конференция «Электронная компонентная база. Состояние и перспективы развития» (Судак, 2008); Международный Форум 3GPP (Москва, 2008), III Всероссийская научно-техническая конференция ИРЭ РАН «Радиолокация и связь» (Москва, 2009); Научно-техническая конференция, посвященная 60-летию ФГУП НИИР (Москва, 2009).
Результаты диссертационной работы опубликованы в шести монографиях, 68 статьях, в том числе 27 статей - в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования результатов докторских диссертаций, тезисах 40 докладов на международных и российских конференциях. На научно-технические решения получено два авторских свидетельства и три патента Российской Федерации.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и трех приложений. Общий объем диссертации – 332 стр., в том числе: иллюстраций - 157, таблиц – 7, приложений – 52 стр. Библиографический список содержит 268 наименований.
Пути повышения эффективности использования радиочастотного спектра
Максимальное число каналов, организуемых одной БС при круговой ДН антенны в азимутальной плоскости, ограничено большим уровнем помех по соседним каналам и, по разным оценкам, составляет от 6-12 до 16-20 [126]. Выбирая наибольший интервал организуемых каналов, получаем, что суммарная информационная СЭ в режиме передачи
Сравнивая полученные значения СЭ с максимально возможной //лах =3.2 — при Рс./(РШІ+РПІ) 9дБ (рис. 1.3), получаем, что СЭ ССС стандарта GSM 900 по информационной составляющей не превышает 2.6%, а по полной составляющей - 6.78% от максимально возможных значений. Аналогичные результаты получаются и для ССС стандарта GSM 1800.
Применение технологий GPRS и EDGE позволило существенно увеличить максимальную скорость передачи в канале за счет использования пакетной передачи данных и объединения в один канал передачи данных нескольких (от 4 до 8) голосовых каналов GSM 900. Однако при отношении Рс/(Рш+Рп)=9 дБ СЭ таких ССС остается на прежнем уровне, и лишь при существенном росте этого отношения сверх 9 дБ применение технологий GPRS и EDGE обеспечивает повышение СЭ ССС стандарта GSM 900/1800.
Существенное повышение СЭ у" обеспечивается применением ССС третьего поколения: для ССС стандарта UMTS примерно в 2 раза, для ССС стандарта CDMA-2000 EV-DO Rev.А - примерно в 3 раза, а для систем UMTS/HSDPA/LTE - более чем в 10 раз. Повышение СЭ в системах связи третьего поколения обеспечивается применением более совершенных методов модуляции и кодирования, а также путем увеличения значения Рс/(Рш+Рп). Это позволяет сделать вывод о том, что основное направление внедрения перспективных технологий заключается в разработке систем с повышенным отношением Р(У(Рш+Рп), т.е. с минимальным уровнем помех за счет использования интеллектуальных антенн и уменьшения уровня межсекторных и межсотовых помех [8]. можно повысить путем увеличения коэффициента повтора частот, т.е. увеличить число каналов, обслуживаемых БС. Понятно, что соседние и ближайшие радиочастотные каналы являются источниками особенно сильных помех и при увеличении коэффициента повтора частот необходимо предусмотреть дополнительные меры подавления помех. Одним из эффективных путей повышения спектральной эффективности сотовой связи как раз и является применение пространственно - частотной фильтрации, в частности - использование канальных ВТСП фильтров и адаптивных (управляемых) многолучевых антенных систем [ 26, 66].
1) Минимизация требуемой полосы частот и максимизация числа каналов Число независимых каналов связи Nj в выделенной полосе частот 2Д/ при частотном разделении каналов определяется из неравенства: (24#, +2ДГ/) 2А/у Е(2ДЛ/,. +2ДГ/), (1.12) (=1 /=i где: Ibf - полоса частот, выделенная і-му каналу для передачи полезного сигнала; 2Д/У - защитный интервал, необходимый для снижения уровня помех по соседнему каналу. В частности, при 2 А/с, = 2А/(/,/ =l,...,N .: где знак ] [ обозначает целую часть числа. Из соотношения (1.12) следует очевидные пути увеличения Nj - это уменьшение до минимально возможной ширины сигнальной полосы частот 2Д/С , и уменьшение защитного интервала 2 А/"/ .
Минимальная полоса частот определяется минимальной шириной спектра 2Д/"СШ го информационного сигнала, включающего как непосредственно информационную составляющую, так и необходимые вспомогательные сигналы. Однако из-за несовершенства процессов модуляции реальный спектр информационного сигнала 2Д/"С 7 всегда превышает 2Д/"С " . Использование соответствующих фильтров позволяет приблизить 2ДГС 7 к 2А/"Сд" при минимально допустимой потере информации. При идеализированной прямоугольной характеристике фильтров защитные полосы теоретически могут быть сведены к нулю. Поэтому максимальное число каналов в рабочей полосе частот Nm определяется из неравенства:
В частности, при 2Afcmnini =2Afcmnm, і =l,...,NJmax из (1.14) получаем: При дискретной (посредством видео выборки) передачи информации с ограниченной полосой, не имеющей спектральных компонент с частотами, которые превышают fm9 минимальная частота дискретизации fm (частота Найквиста) определяется соотношением
Еще раз отметим, что приведенные выше соотношения являются теоретически предельно достижимыми и их нельзя улучшить выбором соответствующих законов модуляции и кодирования, а можно только приблизиться к границам, определенными этими соотношениями.
Приведем некоторые оценки TJN для системы GSM 900. Учитывая, что скорость канального кодека с добавленными битами стафингования i?ax = 16 -103 бит/ из (1.22) получаем, что максимальная ширина РЧС для речевого и вспомогательных сигналов fm = 4 кГц. Полоса частот, отводимая для одного речевого канала в GSM 900
Изначально для ССС третьего поколения полоса частот, отводимая на 1 канал, составляла 5 МГц для стандарта UMTS и 1.25 МГц - для стандарта IMT-MC. Защитные интервалы между соседними каналами для UMTS составляют не менее 200 кГц. Поэтому минимальные потери в СЭ из-за защитных полос составляют около 4%. Однако в действительности в ССС стандарта UMTS фактически используемая полоса частот равна 3.84 МГц, а для обеспечения совместимости ССС стандарта CDMA2000 с другими системами по краям рабочей полосы частот вводятся защитные интервалы шириной 625 кГц, что при общей полосе 10 МГц составляет 12.5% [158].
Результаты исследований в Опытной зоне сетей связи стандарта UMTS
В ходе испытаний большое внимание было уделено исследованию ЭМС РЭС UMTS с РЭС других назначений, были проверены и уточнены рассчитанные в НИР «Совместимость-Норма-ЗО» нормы частотно-территориального разноса (ЧТР) РЭС сетей связи UMTS и РЭС других назначений. Важным результатом исследований, проведенных компаниями «Мобильные ТелеСистемы», «ВымпелКом» и «МегаФон», является подтверждение возможности обеспечения ЭМС базовых и абонентских станций UMTS при определенных ограничениях параметров их передачи и приема с РЭС гражданского и военного назначения, работающими в совмещенной и смежной полосах радиочастот. Результаты натурных испытаний на ЭМС базовых станций UMTS с отдельными РЭС гражданского и военного назначения, в частности, с радиорелейными станциями (РРС), подтвердили теоретические нормы ЧТР, которые были рассчитаны в НИР «Совместимость-Норма-ЗС».
Так, компанией «МегаФон» в Санкт-Петербурге была осуществлена оценка влияния излучаемой мощности базовых и абонентских станций UMTS на приемные устройства РРС, а также передатчиков РРС на базовые станции UMTS в режиме FDD (рис. 2.8). В качестве критерия оценки влияния РЭС системы UMTS на приемные устройства РРС было выбрано превышение помехой порогового уровня, определенного техническими условиями на РРС (уровень шума для аналогового и заданное значение вероятности ошибки приема для цифрового режимов работы РРС), а для оценки влияния передатчиков РРС на базовые станции системы UMTS — функционирование зоны обслуживания базовой станции. Было проведено экспериментальное уточнение норм ЧТР базовых и абонентских станций UMTS и РРС, в частности, выявлено, что допустимая минимальная дальность сближения РЭС UMTS и РРС при их работе в совмещенной полосе частот составляет порядка 10 км [173].
Полученные результаты показали, что в условиях дефицита РЧР на начальном этапе построения полнофункциональной сети UMTS может быть использована схема выделения одному оператору сети двух каналов в режиме частотного дуплекса FDD (2x10 МГц) и одного канала в режиме временного дуплекса TDD (1x5 МГц). При этом канал TDD может быть использован на уровне пикосот, каналы FDD - на уровне микро- и макросот. Таким образом, каждому оператору необходимо предоставить в диапазоне 2 ГГц полосы частот суммарной шириной, как минимум, 25 МГц, достаточной для удовлетворения потребностей трафика на начальном этапе развертывания сети,
Испытания подтвердили качественное и надежное предоставление широкого спектра услуг на основе технических решений, реализованных в оборудовании UMTS. В ходе демонстрации возможностей оборудования по предоставлению услуг нового поколения на выставках («Норвеком-2002», «Связь-Экспокомм-2002» и «ИнфоКом-2002») была проверена работа таких приложений, как мобильный доступ в Интернет, работа со специализированными мобильными порталами, видеоконференция, потоковое видео (Video-on-Demand), MMS, а также услуг, основанных на определении географического местоположения, отправка виртуальных анимаций (развитие услуг MMS), сетевые игры через абонентские терминалы.
Масштабные исследования в Опытной зоне сетей связи UMTS позволили сформировать научно-обоснованные предложения по их внедрению в России. Так, уточненные в ходе экспериментов методики и результаты расчета явились основой для последующей разработки норм ЧТР РЭС сетей UMTS и РЭС военного назначения, которые были утверждены ГКРЧ 24 февраля 2004 года [174]. Было установлено, что при развертывании сетей UMTS в различных регионах Российской Федерации данные нормы должны быть уточнены и скорректированы в ходе натурных испытаний на ЭМС РЭС UMTS с РЭС военного назначения. Необходимо отметить, что при разработке норм ЧТР были использованы традиционные подходы, не вполне учитывающие особенности РЭС UMTS как широкополосной системы. Разработанные нормы являются граничными сверху, обеспечивая определенный запас в выполнении условий ЭМС.
23 октября 2006 года ГКРЧ на основе предложений Инфокоммуникационного Союза приняла положительное решение о выделении полос радиочастот 1935... 1980 МГц, 2010...2025 МГц и 2125...2170 МГц для создания на территории РФ ССС стандарта UMTS [175]. Исходя из минимально необходимого РЧР 35 МГц для работы одной ССС стандарта UMTS, Государственная комиссия по радиочастотам одобрила выделение в каждой из полос частот 1935...1980 МГц и 2125...2170 МГц трех непрерывных парных участков шириной по 15 МГц, и в полосе 2010...2025 МГц - трех непрерывных непарных участков шириной по 5 МГц. Выделение РЧР для развертывания ССС стандарта UMTS позволило в 2007 году на конкурсной основе выдать операторам три лицензии на всю территорию Российской Федерации [176], что позволило приступить к строительству и коммерческой эксплуатации ССС стандарта UMTS.
Радиочастотный ресурс для взаимодополняющих сетей сотовой связи и беспроводного широкополосного доступа
Одним из перспективных направлений развития рынка инфокоммуникационных услуг во многих странах мира является внедрение технологий беспроводного широкополосного доступа [4, 48, 177-181]. Основными факторами, способствующими распространению сетей БШД, являются: обеспечение возможности доступа в Интернет корпоративным и другим сетям, востребованность высокоскоростных услуг нового поколения, независящих от места расположения абонента; относительно малые временные и финансовые затраты на развертывание инфраструктуры беспроводных сетей по сравнению с проводными сетями; обеспечение широкополосного доступа в тех регионах или для тех слоев населения, для которых применение проводных сетей доступа является экономически нецелесообразным или невозможным; появление и развитие новых видов инфокоммуникационных услуг.
Развитие сетей БШД способствует расширению спектра инфокоммуникационных услуг и повышению их доступности для населения. В итоге это приводит к росту экономики государства, ее эффективности и конкурентоспособности [182-184]. Развертывание сетей БШД является особенно актуальным для России, учитывая большую протяженность территории страны и относительно низкий уровень развития инфраструктуры связи [1-4].
Перспективным направлением развития БШД является его взаимодополнение с сотовой связью [60, 185], что является новым этапом эволюции на пути к сетям четвертого поколения (4G). Оно подразумевает объединение (конвергенцию) сотовой связи и БШД в единой сети для обеспечения пользователю единого набора услуг и «бесшовного» обслуживания [186, 187] (рис. 2.9).
В последние годы получили развитие сети мобильного широкополосного доступа стандарта WiMAX (IEEE 802.1 бе). Однако, по мнению мировых экспертов, их применение, скорее всего, будет носить ограниченный характер [188]. Так, сети данного стандарта могут быть востребованы операторами фиксированной связи для строительства «последней мили» и операторами ССС - в случае отсутствия лицензии 3G, при необходимости обеспечения транспорта между элементами своей сети и в качестве дополняющих сетей. Применение технологии WiMAX может быть целесообразным и в отсутствии развитой телекоммуникационной инфраструктуры (на развивающихся рынках, в российских регионах и сельской местности). Ожидается, что технологии WiMAX также станут частью радиоподсистем ССС следующего поколения [112].
В результате взаимодополняющего построения ССС и БШД может возникнуть «синергетический эффект»: единая сеть приобретет новые возможности (рис. 2.10), и операторы смогут начать предоставление новых высокоскоростных услуг в кратчайшие сроки и с минимальными затратами, тем самым значительно расширяя спектр услуг и подготавливая рынок к широкому распространению услуг нового поколения [189, 190].
Влияние ВТСП фильтра на динамический диапазон радиоприёмного устройства базовой станции сотовой связи
Проанализируем чувствительность приемной системы (ВТСП фильтр + МШУ + приемник). Так как ВТСП фильтр является пассивным устройством, то его применение, несмотря на малые потери, приводит к некоторому ухудшению чувствительности. Для повышения чувствительности приема могут быть использованы МШУ. Можно показать, что чувствительность системы UHI определяется через чувствительность приемника U43 следующим образом:
Соотношение (3.103) позволяет оценить требования к параметрам МШУ, обеспечивающие сохранение и даже улучшение чувствительности приёмного тракта по сравнению с чувствительностью приёмника. Некоторые количественные данные представлены на рис. 3.14 для случая 2A/3=2A/S, Kj" = 10 и 16 дБ, а коэффициент передачи фильтра выбирался равным Кх (/0) = 0,7 и 0,99. Таким образом, использование
МШУ позволяет не только сохранить, но и увеличить чувствительность системы по сравнению с чувствительностью используемых приёмных устройств.
Результаты исследований по улучшению ДДИ за счет применения ВТСП фильтров практически в такой же степени применимы и в отношении динамического диапазона приёмного тракта по блокированию (ДДБ). ДДБ приемного тракта определяется через ДДБ отдельных устройств следующим образом:
Из выражения (3.106) следует, что увеличение ДДБ системы возможно не только за счет повышения ДДБ приемника, но также и за счет повышения избирательности преселектора и снижения коэффициента передачи отдельных устройств приёмного тракта. Первое слагаемое выражения (3.106) характеризует динамический диапазон по блокированию приёмного устройства. Второе слагаемое определяет зависимость ДДБ от изменения чувствительности приемной системы по сравнению с чувствительностью собственно приёмника. Третье слагаемое учитывает изменение динамического диапазона в зависимости от передаточных характеристик устройств, входящих в приёмную систему (в нашем случае - ВТСП контура и МШУ). Последнее (четвертое) слагаемое характеризует избирательные свойства устройств, расположенных до приёмника.
Сравнение соотношений (3.106) и (3.88) показывает, что к ДДИ в приёмной системе предъявляются повышенные требования по сравнению с ДДБ. Тем не менее, расчеты показывают, что применение ВТСП фильтров 3-5 порядков позволяет увеличить ДДБ приёмной системы на 30-60 дБ по сравнению с ДДБ приёмного устройства БС.
По оценкам специалистов, использование пассивных ВТСП устройств позволяет снизить шумовую температуру радиоприёмного устройства БС на два порядка, существенно сократить рабочие полосы частот и в десятки раз снизить мощность передатчиков. Например, по данным фирмы Superconductor Technologies, простая замена фильтра с диэлектрическими резонаторами на ВТСП фильтр позволяет расширить радиус соты БС стандарта UMTS на 15,4% (при полосе пропускания 5 МГц), тем самым увеличив площадь покрытия на 33,2% при одновременном улучшении шумовых характеристик [201]. Применение ВТСП элементов в технике СВЧ позволяет обеспечить [206]:
В результате экспериментальных исследований [209] было установлено, что применение ВТСП фильтров увеличивает чувствительность приёма БС более чем на 4 дБ (таблица 3.2). Известно, что емкость и зона охвата БС определяется, главным образом, мощностью AT и избирательностью приёмника БС на линии связи вверх от AT к БС. Следовательно, повышение избирательности дает возможность повысить пропускную способность восходящего канала и снизить мощность излучения AT.
Избирательность приёмника БС может быть значительно улучшена путем использования эллиптических фильтров высшего порядка. Традиционные микрополосковые фильтры вносят существенные потери, что ухудшает отношение Рс/(Рш+Рп) приёмника и, следовательно, приводит к снижению его чувствительности. Кроме того, обычные радиокомпоненты, работающие в частотном диапазоне 800...2000 МГц, не обеспечивают характеристик, требуемых для ССС стандарта UMTS (f0 - 2 ГГц; Af= 5 МГц, спад АЧХ - 70 дБ/МГц). Применение тонкопленочных ВТСП узлов (УВагСизСЬ-х на подложке ЬаАЮз, MgO ИЛИ AI2O3) в приёмных системах приводит к увеличению чувствительности и селективности тракта приёма, а в передающих системах — к снижению побочных излучений в тракте передачи [210].
Испытания ВТСП фильтров, проведенные итальянским оператором Omnitel, подтвердили, что они в полной мере удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ним перспективными ССС [211]. Полученная оценка зависимости скорости передачи данных в восходящем канале от расстояния между БС и AT показывает, что применение ВТСП фильтров позволяет увеличить скорости передачи данных примерно в два раза (рис. 3.15) Компанией STI (Superconductor Technologies Inc., США) проведены исследования по использованию ВТСП фильтров в сетях CDMA2000, налажено их серийное производство для БС [201, 212]. В мае 2001 года ВТСП фильтры были установлены во всех БС ССС третьего поколения ведущего японского оператора NTT DoCoMo [213]. В настоящее время элементы с применением технологии ВТСП уже нашли применение в ССС крупнейших операторов США, имеют более миллиона часов бесперебойной работы. По оценкам экспертов, ориентировочное время надежной работы оборудования с ВТСП элементами составляет около 40 лет [199, 206].
Несмотря на положительные результаты испытаний и экономическую эффективность от эксплуатации ВТСП фильтров [214-216], их применение в БС сотовой связи пока не соответствует тем возможностям повышения спектральной эффективности, которые могут быть достигнуты с их помощью. Тем не менее, в последние годы рынок оборудования с использованием ВТСП элементов достиг объема 40 млн. долл. США, а доля телекоммуникационного оборудования возросла с 3 до 8% [217].
Разработан метод анализа характеристик канальных ВТСП фильтров с оптимизацией их порядка и типа с учётом параметров сигналов и помех в сетях сотовой связи разных стандартов. Определены потенциальные возможности применения канальных ВТСП фильтров для повышения уровня частотной фильтрации сигналов в радиоприёмном тракте базовых станций ССС стандартов GSM и UMTS, обоснована целесообразность использования канальных ВТСП фильтров для повышения пропускной способности и спектральной эффективности перспективных ССС.
Доказано, что канальные ВТСП фильтры 3-7 порядков, адаптированные к параметрам сигналов и помех в сетях связи стандартов GSM и UMTS, потенциально позволяют увеличить отношение Рс/(Рш+Рп) на входе радиоприёмного устройства БС на 10-15 дБ для ССС стандарта GSM и на 15-20 дБ - для ССС стандарта UMTS и, соответственно, в 1,5 - 2 раза повысить спектральную эффективность существующих и перспективных ССС. Обоснована возможность применения канальных ВТСП фильтров для уменьшения защитного интервала между соседними каналами и расширения динамического диапазона радиоприёмного устройства БС по интермодуляции третьего порядка и блокированию на 30-60 дБ.
Результаты исследований позволили определить потенциальные возможности применения канальных ВТСП фильтров для повышения уровня частотной фильтрации сигналов в радиоприёмном тракте базовых станций ССС стандартов GSM и UMTS и обосновать целесообразность использования канальных ВТСП фильтров для повышения пропускной способности и спектральной эффективности перспективных ССС. Полученные данные относятся и к цифровым фильтрам с высокой разрядностью аналого-цифрового преобразования (16 и выше). С учетом ускоренного развития процессорной техники фильтры такого типа уже в ближайшем будущем могут быть востребованными как с точки зрения упрощения конструкции и увеличения скорости перестройки, так и по экономическим соображениям.
Исследование возможностей повышения спектральной эффективности сотовой связи при использовании многоканальных антенных систем с оптимальной пространственной фильтрацией
Разработана теория многоканальных антенных систем с оптимальной пространственной фильтрацией сигналов, исследованы потенциальные возможности повышения спектральной эффективности перспективных ССС в условиях многолучевого распространения радиоволн. Выявлена зависимость максимальной спектральной эффективности ССС с многоканальными антенными системами от параметров пространственно-неоднородной радиотрассы, эффектов взаимодействия элементов АР и уровня помех, сосредоточенных по направлениям прихода, определены закономерности использования и принципы построения многоканальных антенных систем сотовой связи нового поколения.
Разработан метод анализа адаптивных многоканальных антенных систем с учётом параметров пространственно-неоднородных радиотрасс, эффектов взаимодействия элементов АР и уровня помех, сосредоточенных по направлениям прихода. Определены требования к характеристикам направленности антенных устройств БС и AT перспективных ССС в условиях многолучевого распространения радиоволн: Доказано, что применение многоканальных антенных систем повышает спектральную эффективность перспективных ССС в случае, когда ДН антенн являются собственными ДН соответствующих радиоканалов, а отношение Рс/(Рщ+Рп) на входе радиоприёмного устройства превышает 10 дБ.
Разработаны схемы и способы реализации ДН многоканальных антенных систем для использования в перспективных ССС, установлено, что собственные ДН радиоканалов являются аналогом ДН многолучевых антенн, но отличаются от них по своей форме и ориентации лучей, которые зависят от параметров пространственно-неоднородной радиотрасс, эффектов взаимодействия элементов АР и уровня помех, сосредоточенных по направлениям прихода.
Доказано, что применение многоканальных антенных систем с управляемыми ДН повышает спектральную эффективность ССС при выборе радиоканала с максимальным собственным значением в случае существенно различных собственных значений радиоканалов либо при соответствующем возбуждении радиоканалов с близкими собственными значениями. Установлено, что в случае однородного пространства собственная ДН радиоканала соответствуют ДН адаптивной антенны, а в случае неоднородного пространства и одноканальной схемы построения собственная ДН радиоканала обеспечивает максимальную спектральную эффективность ССС.
Метод анализа полифокальных антенн со сферическими диэлектрическими линзами при произвольном амплитудно-фазовом распределении поля в раскрыве облучателя
По совокупности требований, предъявляемых к антенным системам БС перспективных ССС, полифокальные ЛА обладают преимуществами по сравнению с АР, обеспечивая работу в широком секторе углов (вплоть до 360) во всех рабочих диапазонах частот. Применение линз является предпочтительным и в гибридных антеннах - ведь размеры многоэлементного облучателя и диаграммообразующей схемы могут быть весьма значительными [232]. Среди полифокальных ЛА, обеспечивающих многолучевой режим работы в секторе углов до 360, наибольшей эффективностью обладают линзы Люнеберга, фокусирующие свойства которых достигаются определенным законом изменения диэлектрической проницаемости є в зависимости от расстояния г до центра линзы [233, 234].
Технологическая сложность и высокая стоимость изготовления линз Люнеберга препятствуют их широкому использованию в средствах радиолокации и радиосвязи. С целью создания более простых, но достаточно эффективных конструкций ЛА в нашей стране и за рубежом были исследованы сферически-симметричные диэлектрические линзы с малым числом слоев, в том числе - однородные. В отличие от линз Люнеберга, они обладают сферической аберрацией, уровень которой возрастает с увеличением D/A,, что накладывает дополнительные ограничения на их предельно достижимые характеристики направленности. Опубликованные результаты исследований полифокальных ЛА относятся лишь к частным случаям реализации сферических линз, не учитывают влияние потерь в диэлектрике и параметров облучателя на характеристики направленности антенн. Учет этих факторов особенно важен в процессе оптимизации параметров ЛА: числа и толщины слоев в линзе, значений є и tgS для каждого слоя, типа и местоположения облучателя, когда критерий оптимальности определяется из необходимости обеспечения максимального значения коэффициента использования поверхности (КИП) раскрыва ЛА.
Важнейшим условием эффективного построения антенн на основе диэлектрических линз является использование математических моделей, учитывающих реальные потери в диэлектрике, амплитудно-фазовое распределение поля в раскрыве облучателя, а также позволяющих проводить расчет характеристик излучения и синтез оптимальных конструкций без ограничения на размеры линз. Дифракции электромагнитных волн на диэлектрическом шаре посвящено большое число исследований, результаты некоторых из них опубликованы в [40, 41, 235-237]. При практическом использовании разработанные модели имеют ряд ограничений, которые связаны с размерами линз либо с ухудшением точности расчетов при большом числе слоев шара и использовании облучателя, отличающегося от точечного источника. Кроме того, в рассмотренных работах не содержится результатов исследования влияния потерь в диэлектрике на характеристики излучения сферических линзовых антенн.
Постановка задачи. Разработку численного алгоритма решения задачи возбуждения слоистого диэлектрического шара излучателем с произвольным амплитудно-фазовым распределением поля в раскрыве проведем па основе строгого метода решения задачи дифракции электромагнитных волн на многослойном диэлектрическом шаре при его возбуждении точечным источником [238, 239]. Пусть на поверхности слоистого сферически-симметричного диэлектрического шара располагается источник излучения электромагнитных волн в виде возбужденной сферической площадки произвольной формы, на поверхности S которой поле имеет произвольное амплитудно-фазовое распределение (рис. 5.1). Временную зависимость комплексного представления векторов поля примем в виде множителя exp(-/fi /), где со = 2л/" - круговая частота.
