СПОСОБ КОДОВРЕМЕННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ КАНАЛОВ В ПОДВИЖНЫХ СИСТЕМАХ РАДИОСВЯЗИ Российский патент 1998 года по МПК H04B7/26 

Изобретение относится к области радиосвязи и может найти применение в цифровых системах подвижной радиосвязи.

Главной задачей при разработке цифровых систем подвижной радиосвязи является определение способов формирования и обработки сигналов, обеспечивающих высокую достоверность передачи сообщений, а также совместимость подвижных систем радиосвязи между собой и со стационарными сетями, в том числе и в сетях пакетной передачи данных.

Известна сотовая телефонная система с расширенным спектром передачи сигналов, описанная в патенте ЕПВ N 0484918, H 04 B 7/26 (приоритет США). Эта система содержит множество зон с аппаратурой речевой связи между подвижными и стационарными телефонными станциями.

Недостатком такой системы является большой уровень взаимных помех из-за большого динамического диапазона уровней сигналов абонентов, громоздкая аппаратура.

Известна система связи с кодовым разделением каналов, описанная в патенте PCT N 92/00639, H 04 L 27/00 (приоритет США). В этой системе ПСП формируются для создания квазиортогональности между пользователями с тем, чтобы уменьшить взаимные помехи, увеличить пропускную способность и улучшить рабочие характеристики линии связи. Информация, передаваемая по каналам линии связи, осуществляется в основном кодовой последовательностью.

Недостатком такой системы является сложность электромагнитной совместимости сигналов в комплексе радиостанций, работающих в общей полосе частот при большом динамическом диапазоне изменений уровней радиосигналов. Известна система связи "Qualcomm" (USA, "Qualcomm". May, 1992).

В этой системе также используется кодовое разделение каналов. При приеме сигнала одного абонента на базовой радиостанции будут присутствовать помехи от всех (M-1) остальных абонентов системы радиосвязи. Чтобы исключить или снизить это влияние в системе всех абонентов в зоне действия базовой радиостанции разбивают на группы, уровни радиосигналов в каждой из которых выравниваются на входе приемника базовой радиостанции изменением излучаемой мощности сигнала у каждого абонента данной группы. Выравнивание уровней сигналов в одной группе абонентов может быть осуществлено соответствующим изменением мощности излучаемого сигнала у каждого абонента по командам базовой радиостанции на основании результатов измерения уровней приходящих сигналов.

Но такой принцип работы системы требует очень высокой точности системы автоматического регулирования мощности, что приводит к сложности технического решения данной системы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ, используемый в "Общеевропейской цифровой сотовой системе связи" (GSM), описанный в статье Ю.А.Громакова и В.И.Журавлева "Формирование и обработка сигналов в системах связи с подвижными объектами" (ж. "Экспресс-информация", серия "Передача информации", под ред. М.Д.Венедиктова, М., 1994, N 28).

Этот способ основан на временном разделении каналов передачи сообщений. В процессе временного разделения непрерывные потоки сигналов сообщений абонентов сжимают в периодические пакеты в соответствии с временной диаграммой многоканального временного разделения каналов, в которой канальные временные интервалы чередуют с защитными временными интервалами и временными интервалами синхронизации радиостанций абонентов базовой радиостанции.

В этом способе при реализации надежной системы синхронизации временные каналы являются строго ортогональными и обеспечивают малые уровни взаимных помех в каналах связи. Однако необходимость введения защитных временных интервалов между каналами и высокая скорость передачи группового сигнала при большом числе абонентов резко ограничивают возможное число реализуемых каналов связи при большом разбросе значений времени распространения радиосигнала от дальнего и ближнего абонентов до базовой радиостанции.

Для устранения этого недостатка в способе, основанном на временном разделении каналов передачи сообщений, при котором в процессе временного разделения непрерывные потоки сигналов сообщений абонентов сжимают в периодические пакеты в соответствии с временной диаграммой многоканального временного разделения каналов, канальные временные интервалы чередуют с защитными и другими служебными временными интервалами, в том числе и временными интервалами взаимной синхронизации радиостанций абонентов и базовой радиостанции, в процессе вхождения абонентов в связи на базовой радиостанции измеряют уровни принимаемых сигналов, сравнивают измеренные значения уровней между собой, объединяют абонентов в группы с близкими значениями уровней сигналов, а затем каждой группе абонентов с близкими значениями уровней сигналов назначают один и тот же номер временного канала, причем согласование уровня сигнала каждого абонента с номером временного канала периодически повторяют в соответствующих служебных временных интервалах, а затем временные каналы дополнительно уплотняют кодовыми каналами, причем в одном кодовременном канале сообщение абонента кодируют одним из сигналов ансамбля квазиортогональных типа ПСП или ортогональных сигналов типа функций Уолша или МЧТ, взаимно разделимых в общей полосе частот приема базовой радиостанции с другими кодовыми сигналами других абонентов в других кодовременных каналах, принятые кодовые сигналы абонентских станций обрабатывают в соответствии с видом из кодирующих сигналов, восстанавливают пакеты сообщений каждого абонента из группы кодовых каналов, а затем пакеты сообщений преобразуют (депакетируют) в исходный (переданный) непрерывный сигнал.

Рассмотрим подробно физические процессы и временные диаграммы работы системы радиосвязи с предлагаемым способом кодовременного уплотнения сигналов.

Существующие системы зоновой (сотовой) радиосвязи предшествующих поколений в подавляющем своем большинстве использовали частотное разделение каналов (параллельный асинхронный обмен сигналами сообщений). Разделение сигналов абонентов в таких системах осуществлялось с помощью громоздких частотно-избирательных устройств (фильтров).

В настоящее время разработаны и разрабатываются два новых направления построения систем сотовой (зоновой) радиосвязи общего пользования - это соответственно с временным делением каналов и кодовым, на основе ШПС с малыми значениями базы (63-255).

Системы с временным делением каналов (последовательная во времени передача сигналов сообщений) требуют синхронной работы всего коллектива абонентов, обслуживаемых базовой радиостанцией. При этом временные каналы являются строго ортогональными и наиболее эффективны с точки зрения уровней взаимных помех при большой динамике уровней сигналов абонентов, поступающих на базовую радиостанцию. Однако для сохранения свойства ортогональности временных каналов в условиях работы, когда абоненты системы связи удалены от базовой радиостанции на разные расстояния, необходимо вводить между соседними временными каналами защитные временные интервалы. Величина защитных временных интервалов определяется временем распространения радиосигнала от базовой радиостанции до наиболее удаленного абонента в зоне, обслуживаемой базовой радиостанцией. К защитному временному интервалу добавляются временные задержки, определяемые временем прохождения сигналов в передающих и приемных трактах аппаратуры связи. Кроме сказанного, временная диаграмма работы системы связи должна содержать и служебные временные интервалы для синхронизации всего коллектива абонентов в обслуживаемой зоне. В результате введения всех перечисленных дополнительных (неинформационных) временных интервалов в групповой сигнал снижается эффективность использования ресурса времени, принятого для временного уплотнения сигналов сообщений абонентов. Т. е. при одной и той же допустимой величине задержки доведения сообщения с ростом числа нарезаемых временных каналов сокращается длительность пакета сообщения, передаваемого в одном временном канале, а величина дополнительных временных интервалов остается неизменной. Отношение времени, затрачиваемого на обмен сообщениями, к общему времени, выделяемому на один временной канал, уменьшается. Кроме этого, при реализации временного разделения большого числа каналов пропорционально возрастает скорость передачи группового сигнала и при больших скоростях источников сообщений возникают трудности обработки группового сигнала из-за высоких требований к быстродействию элементной базы.

Системы связи с кодовым делением каналов являются асинхронными, но параллельный обмен сигналами сообщений в таких системах в отличие от частотного разделения каналов осуществляется в общей для всех абонентов полосе частот, выделенной на систему связи. Указанное свойство определяется квазиортогональностью ШПС сигналов на основе ПСП при произвольных временных сдвигах сигналов абонентов. Однако неортогональность адресных сигналов на основе ПСП, сформированных на образующих полиномах разного вида, приводит к взаимным помехам в каналах связи. Уровни этих помех определяются взаимными корреляционными свойствами (ВКФ) адресных ПСП и зависят от динамического диапазона уровней сигналов абонентов и от длины ПСП. При малых длинах ПСП уровни взаимных помех значительны, снижение их требует уменьшения числа одновременно обслуживаемых абонентов в заданной полосе частот. Однако с целью повышения эффективности использования выделенного на систему связи частотного ресурса принимаются меры по снижению уровней взаимных помех в системе связи. К ним относятся регулировка уровня излучаемой абонентами мощности по командам базовой радиостанции, нормирующая (выравнивающая) уровни сигналов абонентов на входе приемника базовой радиостанции, и разделение сигналов пространственно распределенных абонентов на группы с помощью направленных антенн. Рациональное число независимых секторов обзора антенной системы находится в пределах 4-6, соответственно в 4-6 раз от общего числа уменьшается число абонентов, создающих помехи друг другу. Однако указанные технические решения сложны в реализации и не всегда приемлемы по тактическим соображениям применения системы связи.

Таким образом, каждому из рассмотренных способов деления каналов при построении сотовой (зоновой) системы радиосвязи присущи свои недостатки. Системы с временным делением каналов при большом числе абонентов мало эффективны и требуют высокого быстродействия элементной базы при разработке устройств обработки группового сигнала. Системы связи с кодовым делением каналов обладают высоким уровнем взаимных помех при большом числе обслуживаемых абонентов и также малоэффективны при их использовании в мобильных системах и в условиях воздействий интенсивных помех.

Вместе с тем, несмотря на разные физические принципы, закладываемые во временное и кодовое деление каналов, они обладают общим свойством - достаточно хорошо работают при сравнительно небольшом числе реализуемых каналов связи. Исходя из этого возникает вопрос о возможности и целесообразности построения многоканальной сотовой (зоновой) системы радиосвязи на основе сочетания физических принципов временного и кодового деления каналов в единой системе связи. Причем при таком комбинированном принципе построения (параллельно-последовательная передача сигналов сообщений) число каналов каждого вида должно быть относительно малым. В частности, при реализации 5-10 временных каналов и последующем делении каждого временного канала на 4-8 кодовых общее число каналов, реализуемых в системе связи, может составлять величину от 20 до 80.

Ниже приводится анализ вариантов построения зоновой (сотовой) системы радиосвязи исходя из всего сказанного здесь.

Применение только ШПС (чистого кодового разделения каналов) в многоканальных системах подвижной радиосвязи до настоящего времени сдерживается сложностью обеспечения электромагнитной совместимости сигналов (ЭМС) в коллективе радиостанций, работающих в общей полосе частот при большом динамическом диапазоне изменений уровней радиосигналов.

Последнее объясняется неортогональностью радиосигналов, образованных в разных каналах псевдослучайными последовательностями (ПСП) разных видов. Даже одни из лучших ПСМ, M-последовательности, имеют в среднем относительные выбросы взаимнокорреляционных функций (ВКФ), равные Вследствие этого и наблюдается подавление принимаемого сигнала в одном канале (одной структуры ПСП) сигналом другого канала (другой структуры ПСП), если уровень сигнала от мешающего канала в канале приема сообщения в раз больше, чем уровень принимаемого сигнала.

При работе многоканальной зоновой (сотовой) системы радиосвязи с кодовым разделением каналов в канале приема сигнала одного абонента на базовой радиостанции будут присутствовать помехи от всех (M-1) остальных абонентов системы радиосвязи. Отношение сигнала к системной помехе в случае равенства на базовой станции всех M приходящих радиосигналов составит величину, близкую значению если уровни помех суммируются по среднеквадратичному закону. В частном случае Б=1023 и М=60 сигнал/помеха в канале приема 0,75-1, т. е. такая система неработоспособна даже при выравнивании сигналов всех абонентов. Для снижения уровня системных помех, т.е. увеличения отношения сигнала к помехе до приемлемой величины, например 10 дБ, число мешающих сигналов должно быть уменьшено до 5-25 в зависимости от значений ВКФ выбранных ПСП. Из этого следует, что единственный путь реализации системы с кодовым разделением достаточно большого числа каналов при использовании соответствующего ансамбля ПСП - это разбиение всех абонентов в зоне действия базовой радиостанции на группы, уровни радиосигналов в каждой из которых выравниваются на входе приемника базовой радиостанции изменением излучаемой мощности сигнала у каждого абонента данной группы. Причем уровни сигналов абонентов других групп на входе устройств кодового разделения сигналов базовой радиостанции должны быть значительно ослаблены относительно уровней сигналов данной группы. Так, в рассматриваемом примере для обеспечения при приеме сигналов от каждого из 60 абонентов нужно всех абонентов поделить на 3 группы по 20 абонентов в каждой. Необходимое взаимное ослабление сигналов между группами абонентов может быть достигнуто разбиением всей зоны действия базовой радиостанции на 3 сектора с помощью 3-х направленных антенн, сектор обзора каждой из которых составляет 120^o. В каждом секторе при этом будет обслуживаться 20 абонентов. Выравнивание уровней сигналов в одной группе абонентов может быть осуществлено соответствующим изменением мощности излучаемого радиосигнала у каждого абонента по командам базовой радиостанции на основании результатов измерения уровней приходящих сигналов.

Проведем упрощенную (приближенную) оценку требуемой точности работы системы автоматического регулирования мощности (АРМ). Для этого рассмотрим выражение где γ - коэффициент ≥ 1, учитывающий фактическое увеличение значения ВКФ, если у всех (М-1) абонентов ошибка регулирования одинакова и приводит к одинаковому возрастанию уровней сигналов помех на входе приемника базовой радиостанции. При сохранении требования к качеству приема 10 дБ взаимосвязь между M и γ может быть выражена в явном виде так как увеличение уровней помех может быть скомпенсировано только уменьшением числа одновременных переговоров M. Из последнего видно, что при ошибке регулирования мощности в 3 дБ (γ=1,41) допустимое число абонентов в одной группе снизится в 2 раза и станет M=13, а при 6 дБ (γ=2) - M=7. Если к тому же учесть, что высокую точность АРМ нужно выдерживать при изменениях регулируемой величины в пределах > 80 дБ и на фоне помех, то становится ясной сложность технических решений, сопровождающих данное направление реализации системы связи.

При воздействии мощных прицельных и заградительных преднамеренно организованных помех собственной помехозащищенности ШПС может оказаться явно недостаточно и необходимо рассматривать вопрос о сочетании ШПС с ППРЧ (эффективен при прицельных мощных помехах) и частотно-адаптивным режимом (эффективен при мощных заградительных помехах). Реализация же этих мер, в частности ППРЧ, требует введения в систему связи как режима синхронной работы всего коллектива абонентов, так и уплотнения времени передачи сигналов сообщений временными интервалами на перестройку радиостанций по частотам и их взаимную синхронизацию.

Дальнейшее разъяснение сущности предлагаемого способа должно производиться на основе свойств сигналов.

Корреляционные свойства сигналов. Из анализа существующего направления построения системы связи с кодовым разделением каналов следует, что основные проблемы, возникающие при ее реализации, связаны с недостаточно хорошими ВКФ неортогонального ансамбля сигналов, построенного на ПСП разного вида (разных образующих полиномах). Эти проблемы существенно усложняются при большом динамическом диапазоне возможных изменений уровней ШПС, излучаемых в общей полосе частот.

Вместе с тем хорошо известно, что автокорреляционные функции (АКФ) ПСП, в частности M-последовательностей, имеют существенно меньшие выбросы боковых лепестков. Такой вывод следует непосредственно из сравнения выражений для и АКФ=1/Б. Так, например, для периодического сигнала с базой Б=31 боковой лепесток равен 1/31 при всех сдвигах -τ ≥ τ ≥ +τ. Моделирование же 6-ти ВКФ периодических сигналов с базой Б=31 показало, что их боковые лепестки существенно больше, достигают значений до 9-11/31. Этот же вывод следует и из приведенной выше расчетной формулы для оценки усредненных характеристик выбросов ВКФ.

Ансамбль сигналов. Необходимо обратить особое внимание на тот факт, что и все циклические сдвиги ПСП одного вида имеют такие же АКФ=1/Б при -τ ≥ τ ≥ +τ. Последнее обстоятельство наводит на мысль попытаться использовать все возможные циклические сдвиги псевдослучайной последовательности одного вида для разделения сигналов. Максимально возможный ансамбль разделимых сигналов, построенных на циклических сдвигах и обладающий свойствами АКФ, будет равен значению Б/2 из очевидных соображений. Так для значений без сигнала Б=31; 63; 127; 255; 511 и 1023 ансамбли сигналов будут соответственно равны 15; 31; 63; 127; 255 и 511. Для сравнения выпишем ансамбли M-последовательностей разного вида для тех же значений баз: 6; 6; 18; 16; 48 и 60. Преимущество явно на стороне циклических сдвигов.

Работа системы связи на циклических сдвигах. Важно отметить, что конкретное значение номера циклического сдвига, задаваемое с базовой радиостанции абоненту в качестве кодового канала, определяет некоторый сдвиг во времени назначаемого ПСП сигнала относительно эталонного начального момента времени, хранящегося на базовой радиостанции. Поэтому любые дополнительные сдвиги во времени ПСП сигнала, поступающего от абонента на базовую станцию, будут приводить и к дополнительным сдвигам относительно начального эталонного момента времени на базовой радиостанции. При этом в зависимости от величины дополнительного сдвига времени назначенный данному абоненту номер циклического сдвига будет переходить в номер циклического сдвига другого абонента. То же самое будет происходить с сигналами всех остальных абонентов многоканальной системы связи с кодовым разделением каналов, построенных на циклических сдвигах ПСП. Т.е. при наличии дополнительных сдвигов времени у абонентов идентификация сигналов абонентов на базовой радиостанции невозможна.

При передаче сообщений от базовой радиостанции к абонентским весь ансамбль сигналов на циклических сдвигах ПСП формируется от одного опорного генератора и поэтому проблема дополнительных относительных сдвигов во времени излучаемых абонентам сигналов не существует.

При обычных способах синхронизации системы связи дополнительные временные сдвиги сигналов существуют всегда. Прежде всего это задержки за счет времени распространения радиосигнала от базовой радиостанции до абонента при установлении цикловой и поэлементной синхронизации. Т.е. сам начальный момент, относительно которого абонент будет отсчитывать назначенный ему номер сдвига ПСП, уже будет сдвинут относительно эталонного момента времени, хранящегося на базовой радиостанции. Затем задержка при распространении радиосигнала от абонента к базовой радиостанции увеличит дополнительный сдвиг.

Таким образом, распространенные способы синхронизации узкополосных и широкополосных систем радиосвязи, дающие задержку тактовых импульсов в синхронизируемых радиостанциях, здесь неприменимы. Выход из этого тупика возможен только при поиске путем построения специальной системы синхронизации, исключающей дополнительные сдвиги времени сигналов ПСП, приходящих от абонентов, относительно эталонных меток времени, хранящихся на базовой радиостанции. Т.е. система синхронизации у абонентов должна формировать тактовые импульсы передачи сигналов с упреждением на удвоенную величину времени распространения сигнала относительно тактовых импульсов, выделенных из сигналов базовой радиостанции.

Кроме сказанного, для полной реализации преимуществ способа адресования сигналов циклическими сдвигами ПСП необходимо и модуляцию сложных сигналов сообщениями производить без нарушения указанных взаимных корреляционных свойств сигналов абонентов.

Решение проблемы большого динамического диапазона уровней сигналов абонентов. Существующее направление решения проблемы работы многоканальной системы радиосвязи с кодовым разделением каналов состоит в разделении абонентов в зоне действия базовой радиостанции на отдельные группы абонентов с помощью направленных антенн, делящих всю территорию вокруг базовой радиостанции на отдельные секторы. Число выделяемых групп абонентов и соответственно число секторов обзора антенных устройств базовой радиостанции определяется отношением общего числа абонентов, подлежащих обслуживанию данной базовой радиостанцией, к числу абонентов, объединяемых в одну группу. В свою очередь число абонентов, объединяемых в одну группу, определяется требованиями к качеству выделения сообщения (отношению сигнала к помехе) на базовой радиостанции, зависящему от ВКФ ПСП и точности работы системы регулирования мощности излучения сигналов у абонентов. Главная техническая проблема - это реализация высокоточной (ошибка единицы децибел) системы автоматической регулировки излучаемой мощности сигналов у абонентов по сигналам базовой радиостанции в большом диапазоне изменения регулируемой величины (≈ 80 дБ) и на фоне помех.

Существенно упростить решение задачи автоматической регулировки мощности сигналов у абонентов либо вовсе исключить АРМ можно введением на базовой радиостанции классификации уровней сигналов абонентов и наряду с кодовым временного разделения каналов. Причем при кодовременном уплотнении сигналов вначале формируют B временных каналов, каждый из которых затем уплотняют K кодовыми каналами. Результирующее число кодовременных каналов определяется величиной M=B•K.

Одну и ту же временную позицию назначают тем K абонентам, уровни сигналов которых близки друг другу в пределах точности измерения уровней. Т.е. при назначении абоненту номера кодовременного канала вводится однозначное соответствие между уровнем его сигнала на входе приемника базовой радиостанции и номером временного канала. Общий вид сигнала с кодовременным делением каналов показан на фиг. 1.

В результате на каждой временной позиции будут излучаться ПСП абонентов с близкими значениями уровней, что по конечному эффекту эквивалентно АРМ внутри одной группы абонентов. Роль же направленных секторов обзора антенн базовой радиостанции, отделяющих сигналы одной группы от другой, в данном случае выполняют временные позиции. Т. е. теперь группы создаются не по принципу секторов, а по принципу кольцевых зон. Границы одного кольца (разница между ближним к базовой радиостанции и дальним радиусами) определяются значениями минимального и максимального уровней сигналов абонентов, сгруппированных на одной временной позиции (фиг. 2).

Возможный относительный разброс δU значений уровней сигналов от минимального до максимального в пределах площади одной кольцевой зоны на одной временной позиции зависит от числа B вводимых временных каналов, погрешностей оценки Δ_АПО уровней сигналов и предельно возможного изменения уровней сигналов D абонентов, расположенных вблизи и на максимальной дальности от базовой радиостанции: δU дБ = D дБ/B, если δU дБ ≥ Δ_АПО.

В частности, если D=80 дБ, B=5, то δU=16 дБ. При D=80 дБ, B=15 и δU=6 дБ, что допускает погрешности измерения уровней сигналов 3 дБ.

В процессе классификации сигналов на базовой радиостанции измеряют уровни сигналов абонентов (вступающих в связь и уже ведущих переговоры), затем их ранжируют, т.е. измеренные значения располагают в порядке возрастания их величин. Ранжированный ряд, представленный измеренными значениями уровней сигналов, будет содержать минимальное U₍₁₎ и максимальное U_(м) значения. Индекс (i) при U_(i) означает порядковый номер уровня сигнала абонента в ранжированном ряду. Исходя из значений U₍₁₎ и U_(м) вычисляют динамический диапазон уровней сигналов D дБ через отношение U_(м) : U₍₁₎. Далее, исходя из известного числа временных позиций (каналов) B, определяют допустимый относительный разброс сигналов δU дБ = D дБ : B в пределах одной зоны, одинаковый для каждой временной позиции. После перевода децибел δU дБ в отношение γ (разы) рассчитывают граничные значения напряжений, минимальное и максимальное, для каждого временного интервала из B. Так для 1-го интервала нижняя граница будет U₍₁₎, а верхняя (U₍₁₎•γ). Всем абонентам, уровни сигналов которых попадают между этими границами, назначается для связи 1-ый временной интервал. Для второго интервала нижняя граница равна U₍₁₎•γ, верхняя - (U₍₁₎•γ)•γ = U₍₁₎•γ² и т.д. до последнего временного интервала, у которого нижняя граница U₍₁₎ • γ^B-1, а верхняя - U₍₁₎•γ^B. В результате всего сказанного может быть составлена таблца, иллюстрирующая последовательность действий при назначении абонентам номера временного канала в соответствии с кольцевой зоной их нахождения по результатам измерения уровней сигналов абонентов и сравнения их с граничными значениями уровней, допустимыми для каждого временного канала.

При малом числе временных каналов B и большом динамическом диапазоне D уровней сигналов абонентов возможно дополнительное снижение уровня взаимных помех за счет введения АРМ в группе абонентов одной и той же кольцевой зоны. Однако условия применения АРМ при этом значительно упрощаются из-за снижения требований к диапазону регулирования усилителя мощности абонентской радиостанции в B раз. Так, например, если в системе с кодовым разделением каналов (без дополнительного временного разделения) необходимо регулировать мощность в пределах 80 дБ (≈ 10⁸ раз), то в системе с кодовременным делением каналов при регулировании мощности передатчиков абонентов, находящихся в пределах одной кольцевой зоны, достаточно при B=5 - в пределах 6 раз (16 дБ); при B=10 - 2,5 раза (8 дБ) и при B=25 - 1,5 раза (2,3 дБ).

Рассматриваемый здесь способ образования абонентских групп по принципу объединения в одном временном канале тех абонентов, уровни сигналов которых на входе приемника базовой радиостанции близки друг к другу, может иметь несколько вариантов реализации. Наиболее предпочтительным, по нашему мнению, является следующий.

Разделим процесс выравнивания уровней сигналов абонентов на 2 этапа: предварительный и окончательный. В процессе предварительного этапа по результатам измерения уровня радиосигнала базовой радиостанции абонентские радиостанции производят грубую установку мощности собственных передатчиков, соответствующую нижней границе качественного приема сигналов сообщений на базовой радиостанции. В результате этого исходный динамический диапазон изменений уровней сигналов, приходящих на базовую радиостанцию, сокращается с 80-90 дБ до 10-20 дБ. На втором этапе происходит окончательное выравнивание уровней сигналов абонентов до 2-3 дБ путем объединения в одном временном канале абонентов с близкими значениями уровней сигналов.

Пусть радиостанции абонентов зоновой (сотовой) системы радиосвязи перед вхождением в связь измеряют уровень сигнала базовой радиостанции. При этом в каждой радиостанции будет сформирована своя оценка, значение которой определяется удалением каждого конкретного абонента от базовой радиостанции.

Далее, если предложить, что на предельных дальностях действия базовой радиостанции граничный уровень ее сигнала U_гр.б на входе абонентского приемника равен уровню граничного сигнала U_гр.а от абонентского передатчика на входе приемника базовой радиостанции, т.е. U_гр.б = U_гр.а, то отношение измеренного значения сигнала базовой радиостанции U_р.б к ее граничному значению U_р.б/U_гр.б будет с некоторой погрешностью соответствовать отношению U_р.а/U_гр.а, где U_р.а - уровень сигнала от абонентской радиостанции на входе базовой радиостанции при одном и том же взаимном удалении абонентской и базовой радиостанций. Из последнего следует, что по измеренному значению уровня сигнала U_р.б базовой радиостанции может быть спрогнозировано ослабление мощности абонентской радиостанции, приводящее к уровню U_гр.а сигнала на входе базовой радиостанции, т.е. необходимое ослабление номинальной мощности излучения абонентской радиостанции составит величину (U_р.б/U_гр.б дБ).

Введенное ранее предложение о равенстве U_р.б/U_гр.б=U_р.а/U_гр.а будет справедливым, если на прием и на передачу на базовой радиостанции используется одна и та же антенна, так же как и на абонентской радиостанции, хотя сами антенны могут различаться между собой, а излучения сигналов производятся на одной и той же радиочастоте. Тогда четырехполюсник, рассматриваемый между входными и выходными клеммами антенн соответственно передающей и приемной сторон, является линейным и обратимым.

Более точное соотношение меду измеренным уровнем сигнала базовой радиостанции и величиной необходимого ослабления мощности передатчика абонентской радиостанции при разных передающей и приемной антеннах может быть достигнуто в процессе предварительных расчетов, учитывающих высоту подъема и коэффициент усиления антенн, различие номинальной мощности передатчиков и чувствительности приемников базовой и абонентской радиостанций и других факторов. Результаты расчетов могут быть занесены в память ЭВМ абонентской радиостанции в виде таблицы.

В результате указанной привязки уровней сигналов всех абонентов, удаленных на разные расстояния от базовой радиостанции, к одному и тому же уровню U_гр.а на входе приемника базовой радиостанции (с некоторой погрешностью θ_U) существенно сужается динамический диапазон изменений уровней сигналов абонентов, приходящих на базовую радиостанцию. При этом измерения уровней сигналов абонентов в процессе их классификации при назначении временного канала передачи сообщений могут быть произведены с более высокой точностью, а разброс уровней сигналов абонентов в одной группе кодовых каналов одного временного канала может быть значительно уменьшен.

Действительно, если мощности передатчика всех абонентов соответствуют одному и тому же уровню сигнала на входе базовой радиостанции с погрешностью θ_U= ± 5 дБ (3 раза), что вполне реализуемо, то достижима погрешность измерения уровней сигналов базовой радиостанцией Δ_АПО= ± 1 дБ. После классификации уровней сигналов абонентов и разбиения их на 5 групп, выравненных по уровням сигналов, в системе с 5 временными каналами разброс уровней сигналов абонентов в 1 временном канале составит величину δU = 10 дБ/5 = 2 дБ. Учитывая точность измерения уровней сигналов Δ_АПО = ± 1 дБ, пределы измерений уровней сигналов в 1-ом временном канале составят величину от 1 дБ до 3 дБ. В худшем случае это будет 3 дБ, γ = 1,4.

Оценим ориентировочное число кодовых каналов, которые могут одновременно работать в 1-ом временном канале при максимальном разбросе сигналов абонентов γ = 1,4.

Используя соотношения при сложении системных помех в соответствии с квадратичным законом и С/П = Б/γ•АКФ•(K-1) при линейном сложении, для базы Б=31 получим K₁=15 при С/П=14 дБ в соответствии с 1-ой формулой, К₂= 5 при С/П=14 дБ и K₃=10 при С/П=6 дБ в соответствии со второй формулой. Если база сигнала Б=255, то 1-ая формула дает K₄=122 при С/П=24 дБ, а 2-ая формула приводит к K₅=12 при том же значении С/П=24 дБ и K₆=85 при С/П=6 дБ.

С учетом всех 5 временных каналов общее число абонентов, обслуживаемых базовой радиостанцией в соответствии с качеством, приведенным выше, составит значения при Б=31: M₁=75, M₂=25, M₃=50; а при Б=255: M₄=610, M₅=60 и M₆=425.

Следует учесть, что приведенные значения K₁, K₃ и K₄ соответствуют предельно возможным значениям ансамблей кодовых сигналов, построенных на циклических сдвигах ПСП с минимально возможными сдвигами через 2τ_ПСП (предельно плотно упакованный ансамбль). При практической реализации системы связи, по-видимому, придется между соседними циклическими сдвигами оставлять дополнительно защитные временные интервалы из-за флуктуаций времени распространения радиосигналов, что приведет к соответствующему сокращению ансамблей сигналов.

Анализ возможных видов помех радиосвязи в экстремальных условиях работы системы показывает, что это могут быть как преднамеренно организованные, так и случайные помехи. Очевидно, что наибольшую опасность представляют преднамеренно организованные помехи. Они могут быть поделены на прицельные помехи и заградительные. При интенсивных воздействиях мощных преднамеренных помех собственной помехозащищенности ШПС будет явно недостаточно, так как при кодовременном разделении каналов целесообразные значения базы сигнала лежат в пределах 31-255.

Эффективным способом защиты от прицельных помех является ППРЧ. Для обеспечения возможности введения режима ППРЧ в систему радиосвязи с кодовременным делением каналов необходимо предусмотреть во временной диаграмме работы системы дополнительные (неинформационные) временные интервалы на перестройку радиостанции по радиочастотам.

Защита от мощных заградительных помех, поражающих группу частот в выделенном диапазоне радиоволн, может быть обеспечена частотно-адаптивным режимом работы радиостанции. Для его реализации также необходимы дополнительные временные интервалы во временной диаграмме работы системы связи для анализа помеховой обстановки на частотах и передачи команд на смену рабочей частоты радиосвязи.

При комплексном воздействии прицельных помех и мощных заградительных должна быть предусмотрена возможность комплексного введения в радиостанции помехозащищенных режимов работы: ППРЧ и частотно-адаптивного.

Кроме введения во временную диаграмму работы системы радиосвязи указанных вспомогательных временных интервалов должны быть предусмотрены и специальные технические решения, позволяющие оценивать уровни помех на частотах, свободных от передачи сообщений, оценивать качество выделяемых сигналов сообщений, формировать непредсказуемые последовательности чисел, определяющие последовательности перестроек радиостанций по частотам в режиме ППРЧ, и для технического маскирования сообщений.

Перечисленные специальные технические решения разработаны, могут быть применены и реализованы в виде СБИС в радиостанции с кодовременным делением каналов.

Для защиты от аномальных ошибок, особенно вероятных при кодовом уплотнении сигналов из-за неортогональности ПСП, необходимо кодирование цифровых сигналов сообщений эффективными кодами (например, РС).

Для дальнейшей конкретизации варианта реализации способа кодовременного уплотнения сигналов необходимы конкретные временные диаграммы работы системы связи, определяющие и алгоритм ее функционирования.

Временные диаграммы работы системы связи рассчитывались для вариантов реализации режима ППРЧ, временного разделения каналов с возможностью независимой ППРЧ в каждом из временных каналов и комбинированного кодовременного разделения каналов также с возможностью ППРЧ в каждом временном канале. Особенностью временных диаграмм (фиг. 3) является наличие служебной паузы, в течение которой могут производиться анализ помех в выделенной полосе частот системы связи для частотной адаптации и оценки времени распространения радиосигнала от абонента до базовой радиостанции, необходимые для реализации упреждающей синхронизации передаваемых от абонентов сигналов при кодовременном разделении каналов.

Кроме служебной паузы во временных диаграммах работы системы связи содержатся и другие временные интервалы, свободные от передачи сообщений. К ним относятся временные интервалы на синхронизацию системы связи в целом (T_сп = T_слота), на подсинхронизацию передаваемых сообщений в каждом временном канале при передаче сообщений с временным разделением сигналов (T_{подсинхр.}) и на перестройку радиостанций при ППРЧ (T_{перестр.}), включающие в себя и защитные временные интервалы на время распространения p/сигнала.

Все рассчитанные временные диаграммы имеют одну и ту же длительность цикла (T_цикла = 5,28 с), одинаковое число пакетов блоков (33, из них 32 информационных, а один служебный), причем в каждом пакете блоков длительностью 160 мс содержится одно и то же число слотов, содержащих сигналы сообщений (16 слотов, из них 15 информационных, а один синхронизирующий). Длительности слотов во всех режимах также одинаковы и равны 10 мс. Точная длительность слота определяется временем передачи 192 бит сигнала со скоростью 19,2 кб/с.

В режиме работы системы связи с временным разделением 5 каналов абонентов, со скоростью 2,4 кб/с каждый, слот содержит 16 бит на перестройку радиостанций, 44 бита для подсинхронизации временного канала и 132 бита передаваемого сообщения в масштабе групповой скорости 19,2 кб/с.

Режим ППРЧ с одним временным каналом на фиг. 3 характеризует предельный случай кодовременного уплотнения сигналов, который эффективен при близких значениях уровней сигналов абонентов (например, все абоненты одного объекта ведут переговоры с абонентами, расположенными в другом объекте). Параметры временной диаграммы ППРЧ также содержат служебную паузу 160 мс, интервалы на перестройки и подсинхронизацию 16 бит в масштабе скорости 19,2 кб/с и длину сообщения в одном пакете 176 бит при той же групповой скорости 19,2 кб/с и скорости источников сообщений 16 кб/с.

Нетрадиционный подход к решению задачи синхронизации, исключающий дополнительные сдвиги времени принятых от абонентов сигналов ПСП относительно эталонных ПСП сигналов на базовой радиостанции, состоит в следующем.

Пусть точно известно время распространения радиосигнала от абонентской радиостанции до базовой, равное времени распространения радиосигнала от базовой радиостанции до абонентской. Требуется установить фазу передающих синхротактов в передатчике абонентской радиостанции таким образом, чтобы синхронизируемые ими сигналы ПСП, переданные абонентской радиостанцией, совпали без дополнительных временных сдвигов с эталонной копией сигналов ПСП, формируемой базовой радиостанцией.

В процессе решения этой задачи необходимо произвести два основных действия: скомпенсировать задержку прихода сигналов синхронизации от базовой радиостанции к абонентской и ввести упреждение во времени передачи сигналов синхронизации от абонентской радиостанции к базовой относительно синхросигналов, полученных в результате компенсации задержки.

Для реализации этих действий вначале необходимо генератор синхротактов передатчика установить синхронно и синфазно с синхросигналами, принятыми от базовой радиостанции. Затем синхротакты сдвинуть во времени в сторону опережения фазы на величину, равную времени распространения радиосигнала от базовой радиостанции до абонентской. В результате проведенной компенсации фазы синхротактов они будут точно совпадать с синхротактами, формируемыми базовой радиостанцией. Однако, если по этим тактам излучать сигналы ПСП на базовую радиостанцию, то принятые там сигналы будут запаздывать относительно соответствующей эталонной копии, формируемой базовой радиостанцией, на время распространения радиосигнала от абонентской радиостанции до базовой. Устранить указанное запаздывание, как уже отмечалось, можно упреждением времени излучения ПСП относительно синхротактов базовой радиостанции. Т.е. синхротакты, полученные в результате предыдущей компенсации и точно совпадающие с эталонными синхротактами базовой радиостанции, повторно сдвигаем во времени в сторону опережения фазы на величину времени распространения радиосигнала от абонентской радиостанции до базовой.

Введенное предложение относительно известного времени распространения радиосигнала от абонентской радиостанции до базовой не является ограничением при реализации рассмотренного способа синхронизации системы связи с кодовым разделением каналов, так как численное значение времени распространения радиосигнала может быть непосредственно измерено известными способами, например с помощью того же ШПС, что и для кодового разделения каналов.

Сущность процедуры упреждающей синхронизации передачи сообщений у абонентов разъясняется на фиг. 4. Для ее реализации требуются специальные временные интервалы во временной диаграмме работы системы связи, выделенные для оценки времени распространения радиосигнала от абонентской радиостанции до базовой.

На фиг. 5 раскрыта сущность упреждающей подсинхронизации сигналов сообщений абонентов в каждом временном канале в процессе передачи информации. При этом во временной диаграмме работы системы связи также необходимы соответствующие дополнительные временные интервалы.

Варианты практической реализации служебных временных интервалов в процессе упреждающей синхронизации и подсинхронизации кодовых сигналов абонентов, с точностью до одного бита привязанные к временным диаграммам 5-канальной системы на фиг. 3, показаны на фиг. 6 и фиг. 7. По сигналу "запрос базовой радиостанции" абонентские радиостанции синхронизируют свои приемные устройства, корректируя при этом временные интервалы своих временных диаграмм приема сигналов от базовой радиостанции. Затем абонентские радиостанции излучают последовательно во времени сигнал "ответ на запрос", являющийся началом счета времени распространения радиосигнала у абонентов. Жестко привязавшись к моменту времени приема сигнала "ответ на запрос" каждого абонента, базовая радиостанция производит последовательно излучение сигналов "ответы на ответы" абонентским радиостанциям, момент прихода которых регистрируется каждой абонентской радиостанцией и является моментом окончания счета времени распространения радиосигнала.

Временные диаграммы работы устройств пакетирования и депакетирования сигналов на базовой и абонентской радиостанциях в процессе обмена сообщениями показаны на фиг. 8, а на фиг. 9 приведена функциональная схема системы упреждающей синхронизации и подсинхронизации кодовых сигналов абонентов во временных каналах.

Однократное измерение времени задержки радиосигнала при его распространении возможно только при установке абонентских радиостанций только на стационарных объектах. При подвижных объектах время задержки нужно измерять периодически, причем период повторения измерения определяется скоростью движения объекта. Если для измерения времени задержки использовать тот же ШПС, что и для кодового разделения каналов, то возникает необходимость временного разделения процедур оценки времени распространения радиосигнала, синхронизации и непосредственного обмена сообщениями.

Точность измерения времени задержки при распространении радиосигнала может быть очень высокой, если для этих целей использовать ШПС с длительностью одного элемента ПСП существенно меньшей, чем принятая длительность элемента информационной ПСП (для оценки задержки использовать ШПС с большей базой).

Набег ошибки установленного времени (движение абонентов, нестабильность опорных генераторов) между 2 соседними измерениями времени распространения радиосигнала может корректироваться непосредственно по информационной ПСП устройствами слежения за задержкой принимаемого сигнала в процессе приема сообщения.

Функциональная схема упреждающей синхронизации и подсинхронизации показана на фиг. 9. Она содержит со стороны базовой радиостанции:
1 - схему ИЛИ,
2 - счетчик времени передачи сигнала i-го ответа на ответ,
3 - формирователь узкополосного сигнала (УПС) по закону ПСП (длиной 31 элемент),
4 - формирователь широкополосного сигнала (ШПС) по закону ПСП (длиной 1023 элемента),
5 - счетчик времени запаздывания сигнала от абонента,
6 - счетчик времени начала временного интервала приема сигнала ответа от абонента,
7 - дискретно-согласованный фильтр (ДСФ) узкополосного сигнала в виде ПСП,
8 - формирователь временных интервалов пакетирования сигналов (ПАК ПРД),
9 - регистратор момента окончания счета времени запаздывания,
10 - согласованный фильтр на широкополосный сигнал (ШПС) в виде ПСП,
11 - счетчик уточнения времени запаздывания сигнала,
12 - схема ИЛИ,
13 - формирователь ШПС подсинхронизации,
14 - счетчик временного интервала на подсинхронизацию,
15 - счетчик временного интервала передачи сигнала запроса при подсинхронизации,
16 - счетчик временного интервала приема ответа от абонента при подсинхронизации,
17 - блок корреляционной обработки широкополосных сигналов при подсинхронизации,
и со стороны абонентской радиостанции:
18 - дискретно-согласованный фильтр (ДСФ) узкополосного сигнала в виде ПСП,
19 - схема ИЛИ,
20 - счетчик временного интервала приема сигнала ответа на ответ,
21 - согласованный фильтр на широкополосный сигнал (ШПС) в виде ПСП,
22 - схема уточнения временных интервалов депакетатора сигналов по сигналам "запрос",
23 - формирователь точного момента времени окончания счета упреждения,
24 - депакетатор принимаемых сообщений,
25 - формирователь узкополосного сигнала (УПС) по закону ПСП (31 элемент),
26 - счетчик времени временного интервала формирования сигнала ответа,
27 - схема расчета времени упреждения излучения сигнала сообщения,
28 - формирователь широкополосного сигнала (ШПС) по закону ПСП (1023 элемента),
29 - схема коррекции текущего значения времени упреждения,
30 - схема уточнения времени упреждения,
31 - формирователь временных интервалов пакетирования сигналов,
32 - блок корреляционной обработки широкополосных сигналов подсинхронизации,
33 - схема ИЛИ,
34 - счетчик временного интервала приема сигнала "запрос" при подсинхронизации,
35 - формирователь ШПС подсинхронизации,
36 - счетчик временного интервала приема сигналов ответа на ответ при подсинхронизации,
37 - счетчик времени передачи сигнала "ответ" при подсинхронизации.

Перечисленные блоки на стороне базовой радиостанции соединены между собой следующим образом. ПАК ПРД 18 своими выходами соединен со входами схем ИЛИ 1 и 12, входами счетчиков 2, 6, 14, 15 и 16. Входы регистратора 9 соединены соответственно с выходами ПАК ПРД 18 через счетчик 6, ДСФ 7 и СФ ШПС 10, а выход блока 9 соединен со входами счетчиков 2 и 5. Выход счетчика 2 через схему ИЛИ 1 соединен со входом формирователя УПС ПСП 3, выход которого соединен со входом формирователя ШПС ПСП 4. Выход схемы ИЛИ 1 соединен со входом счетчика 5, выход которого соединен со входом блока расчета дальности. Выход ДСФ 7 соединен со входом согласованного фильтра ШПС 10. Выход счетчика уточнения запаздывания 11 соединен с другим входом блока расчета дальности, а один из его входов подключен к выходу ПАК ПРД 8 через схему ИЛИ 12, причем другой вход соединен с выходом блока корреляторов 17. Другие входы схемы ИЛИ 12 соединены соответственно с выходами счетчиков 14 и 15, а ее выход соединен со входом формирователя ШПС 13. Выход счетчика 16 соединен со входом блока корреляторов 17.

На стороне абонентской радиостанции указанные блоки соединены следующим образом. Депакетатор сигналов сообщений 24 своими входами соединен с выходом блока уточнения сигналов синхронизации 22, с одним из выходов счетчика 30, а выходами - с одним из входов схемы ИЛИ 19 и с входами соответственно счетчиков 20, 34 и 36. Выходы счетчика 20 соединены со входом ДСФ 18 через схему ИЛИ 19 и с входом формирователя точного момента времени 23, другой вход которого соединен с выходом ДСФ 18 и входом схемы уточнения сигналов синхронизации 22, а третий вход блока 23 подключен к выходу СФ ШПС 21 параллельно со входом схемы уточнения сигналов синхронизации 22. Выход формирователя 23 соединен с одним из входов счетчика времени упреждения 27, другой вход которого соединен с выходом счетчика 26, параллельно к которому подключен вход формирователя УПС 25. Выход счетчика 27 соединен со входом схемы формирования текущего времени упреждения 29, к другому входу которой подключен выход счетчика уточнения упреждения 30, а выходы счетчика 29 соединены со входом ПАК ПРД 31 и входами схем непосредственного формирования сигнала сообщения. Выход формирователя УПС 25 соединен со входом формирователя ШПС 28. Ко входу счетчика 26 подключен выход ПАК ПРД 31, оставшийся выход которого соединен со входом счетчика 37 временного интервала передачи ответного сигнала при подсинхронизации. Выход счетчика 37 соединен со входом формирователя ШПС 35 подсинхронизации сигналов. Выходы счетчиков 36 и 37 соединены со входами схемы ИЛИ 33, выход которой в свою очередь соединен со входами блока корреляторов 32 и счетчика уточнения времени упреждения 30.

В соответствии с временной диаграммой на фиг. 6 система упреждающей синхронизации и подсинхронизации сигналов сообщений работает следующим образом. На временном интервале служебной паузы, формируемом ПАК 8, осуществляется формирование сигнала общего вызова всем абонентам. При этом блоками УПС ПСП 3 и ШПС ПСП 4 генерируется составной сигнал. В радиостанции абонента осуществляется в блоке ДСФ 18 свертка узкополосного сигнала. По сигналу свертки на выходе УПС ПСП 3 разрешается согласованная фильтрация широкополосного сигнала в блоке 21, в результате которой выделяется точное значение в блоке 22 синхросигналов, устанавливающих фазу сигналов депакетатора 24. Далее, в i-ый момент времени, принадлежащий только одному абоненту, излучается блоками 25 и 28 составной сигнал ответа на запрос, аналогичный по структуре сигналу запроса. Этот сигнал выделяется в блоках 7 и 10 базовой станции, устанавливая в блоке 9 точное время начала формирования сигнала ответа на ответ i-му абоненту. Одновременно с этим в счетчике 5 расчитывается время распространения радиосигнала до i-го абонента по моменту времени прихода сигнала ответа i-го абонента. Значение времени распространения может быть использовано затем для оценки дальности i-го абонента относительно базовой радиостанции. Аналогичным образом выделяются последовательно ответы на запрос всех абонентов системы связи.

В жестком соответствии с моментом прихода сигнала i-го ответа базовая радиостанция последовательно формирует данному абоненту составной сигнал ответа на ответ в блоках 3 и 4, после выделения точного момента приема которого в блоке 23 абонента устанавливается значение времени упреждения передачи сообщения абонентом в блоке 27, в соответствии с которым затем устанавливаются временные интервалы ПАК ПРД 31.

В процессе упреждающей подсинхронизации формирователь ШПС 13 базовой радиостанции выдает сигнал общего запроса на подсинхронизацию абонентам, работающим в одном и том же временном канале. Сигнал запроса у абонентов выделяется в блоке корреляторов 32 и служит началом отсчета точного момента времени ответа на запрос у абонентов. В соответствии с временными диаграммами на фиг. 6 и 7 абоненты последовательно формируют ответы на запрос своими блоками формирования ШПС 35, которые выделяются на базовой радиостанции корреляторами 17 и уточняют в блоке 11 время запаздывания сигнала. Также в точном соответствии с моментами времени приема сигналов ответов базовая радиостанция блоком 13 формирует сигналы ответов на ответы, в результате выделения которых в блоках корреляторов 32 абонентов происходит уточнение в блоке 30 времени запаздывания, которое корректирует текущее значение упреждения времени излучения сигналов сообщений у абонентов в блоках 29.

Таким образом, из сказанного следует, что система синхронизации, обеспечивающая синхронное и синфазное с эталонными копиями ПСП базовой радиостанции доведение сигналов ПСП от разноудаленных абонентов реализуема и позволяет строить многоканальную систему радиосвязи с кодовым разделением каналов на основе ансамбля ШПС, построенного на циклических сдвигах ПСП одного вида.

Введенные принципы выравнивания временных интервалов передачи сообщений у всех абонентов системы связи за счет упреждающей синхронизации и выравнивания уровней сигналов абонентов путем их классификации с последующим назначением соответствующих временных каналов существенно расширяют класс ортогональных или близких к ортогональным ансамблей сигналов, пригодных для работы в такой системе связи. В частности, появляется возможность передачи сообщений от абонентов сигналами строго ортогональными только в дискретных точках, а не на всем временном отрезке передачи элемента сообщения. Типичными представителями ансамблей сигналов ортогональных в точке являются система ортогональных синусоидальных сигналов типа МЧТ (многочастотная телеграфия) и система двоичных дискретных сигналов, построенная на базе функций Уолша.

При использовании сигналов типа МЧТ каждому абоненту в качестве адреса назначается синусоидальный сигнал, частота которого является значением одной частоты из набора значений адресных частот, кратных частоте (средней скорости) передачи сообщений. Двоичное сообщение абонента модулирует по фазе (ОФТ или ДОФТ) синусоидальный сигнал с заданным значением адресной частоты (поднесущая частота). Далее модулированный сигнал переносится в общую полосу рабочих частот системы связи с помощью опорной радиочастоты, одинаковой у всех абонентов системы связи, например, методом однополосной модуляции. Сигналы всех абонентов, образованные аналогично сказанному, будут разделимы в приемнике базовой радиостанции, если жестко выдерживаются необходимые взаимные фазовые соотношения адресных поднесущих частот в коллективе абонентов, удаленных на разные расстояния от базовой радиостанции.

Для оценки необходимой точности упреждающей синхронизации радиостанций абонентов, обеспечивающей привязку фаз поднесущих адресных частот абонентов, рассмотрим следующий пример. Пусть в системе связи с 5-ю временными каналами необходимо передавать сообщения со скоростью 2,4 кбит/с от каждого абонента. Групповая скорость передачи каждого абонентского сообщения при этом составит величину 19,2 кбит/с (K_сж=8). Тогда для реализации, например, одновременной работы группы из 8 абонентов в одном временном канале через одну базовую радиостанцию необходимая полоса радиочастот составит величину (19,2 кГц • 8) равную 153,6 кГц. А в полосе частот 200 кГц смогут работать одновременно 10 абонентов (19,2 кГц • 10 = 192 кГц). Учитывая, что аналогичные группы абонентов смогут работать во всех 5 временных каналах, общее число абонентов, обслуживаемых одной базовой радиостанцией, будет соответственно равно 40 и 50.

Значение наиболее высокой частоты адресного поднесущего синусоидального сигнала в одной группе абонентов 200 кГц. Соответственно один период колебания этого сигнала 5 мкс, а практически целесообразная точность поддержания начальной фазы периода этого колебания 5 - 10%, что составляет величину 0,25 - 0,5 мкс. Вместе с тем точность оценки времени распространения радиосигнала между объектами абонентов и базовой радиостанцией определяется базой сигнала (≈1/4 от длительности элемента ПСП) и составит величину 0,05 - 0,1 мкс. А так как погрешность измерения времени распространения радиосигнала в свою очередь определяет точность упреждающей синхронизации (начальной установки фазы адресных поднесущих частот), то указанное требование к точности поддержания начальных фаз адресных поднесущих частот группового сигнала типа МЧТ выполняется с существенным (пятикратным) запасом. Исходя из последнего может быть увеличена верхняя адресная частота поднесущего сигнала в 3 - 4 раза в одной группе абонентов, что эквивалентно увеличению в 3 - 4 раза числа абонентов в группе. Вместо увеличения числа абонентов возможно снижение скорости передачи сообщений на поднесущих адресных частотах, если каждому абоненту выделять не одну адресную частоту, а, например, 4. Тогда, переходя к оптимальным МЧТ сигналам как в системе в целом, так и у каждого абонента, приходим к манипуляции поднесущих частот сообщениями со скоростью 4,8 кбит/с. Действительно, 4,8 кбит/с • 4 = 19,2 кбит/с, что может оказаться особенно полезным при многолучевом распространении радиосигналов.

Все вышесказанное будет иметь место и при использовании в системе связи ансамбля дискретных двоичных сигналов в виде функций Уолша, также ортогональных в отдельных временных точках, а не на всем временном интервале передачи элементов сообщений. В качестве признака адреса сигнала, передаваемого абонентом, следует назначать каждому абоненту конкретный вид сигнала из набора возможных сигналов, соответствующих функциям Уолша. Передача двоичных сообщений при этом будет осуществляться передачей либо прямой функции Уолша, либо ей инверсной. Функции Уолша в этом случае играют роль поднесущих адресных сигналов, упоминавшихся ранее в связи с рассмотрением ансамбля оптимальных частотных сигналов типа МЧТ.

Аппаратура кодовременного разделения каналов базовой радиостанции, реализующая предлагаемый способ, показана на фиг. 10 и 11. Фиг. 10 иллюстрирует состав аппаратуры передающей части базовой радиостанции, в который входят:
1 - распределитель сигналов абонентов по временным позициям и номерам кодовых структур;
2, 4, 6, 8, 12, 14, 16, 18 - оперативные запоминающие устройства (ОЗУ);
3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19 - схемы управления адресами записи и считывания сигналов ОЗУ;
20, 21, 22 - блоки пакетирования сигналов сообщений;
23, 24, 25 - схемы объединения временных каналов (сигналов) в групповой сигнал;
26 - формирователь напряжений огибающих временных каналов;
27 - генератор сигналов псевдослучайной последовательности (ГНПСП) в виде M-последовательности;
28 - генератор сигналов системы ортогональных функций типа двоичных функций Уолша или синусоидальных функций типа МЧТ;
29 - многоотводный регистр сдвига, реализующий набор циклических сдвигов ПСП;
30, 32, 33 - модуляторы сигналов ПСП (Уолша или МЧТ) сигналами сообщений;
31 - линейный сумматор сигналов кодовременных каналов.

Перечисленные блоки соединены между собой следующим образом. Выходы сигналов источников сообщений абонентов соединены со входами распределителя сигналов абонентов по временным позициям и номерам кодовых структур 1, выходы которого подключены к соответствующим входам сигналов сообщений ОЗУ 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, выходы которых в свою очередь соединены со входами соответствующих схем объединения временных каналов 23, 24 и 25. К другим входам ОЗУ 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18 подключены выходы соответствующих схем управления адресами записи и считывания 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19, входы каждой из которых соединены с одним из выходов формирователя напряжений огибающих временных каналов 26, ко входам которого подключены сигналы тактовых импульсов записи и считывания сигналов ОЗУ. Соединенные указанным образом группа ОЗУ 2, 4, 6, схем управления ими 3, 5, 7 и схема объединения временных каналов 23 образуют пакетатор сигналов сообщений абонентов 20. Соответственно ОЗУ 8, 10, 12, схемы управления ими 9, 11, 13 и схема объединения 24 образуют блок пакетирования сигналов сообщений 21, а ОЗУ 14, 16, 18, схемы управления ими 15, 17, 19 и схема объединения 25 образуют блок пакетирования сигналов сообщений 22. Групповые сигналы каждого пакетатора 20, 21, 22 через соответствующие схемы объединения 23, 24, 25 поступают на одни из входов соответственно модуляторов 30, 32, 33, с другими входами которых соединены выходы регистра сдвига 29, а к третьим входам модуляторов 30, 32, 33 подключен источник опорного синусоидального генератора с частотой f_о. Выходы каждого из модуляторов соединены с соответствующими входами линейного сумматора 31, выход которого затем подключен к усилителю мощности групп кодовременных сигналов. Вход регистра сдвига 29 соединен с выходом ГНПСП 27. Вместо выходов регистра сдвига 29 ко входам д, е, ж модуляторов 30, 32 и 33 могут быть подключены соответствующие выходы формирователя 28 ортогональных сигналов МЧТ или Уолша.

Состав аппаратуры и соединения основных ее блоков, реализующие прием сообщений в кодовременных каналах на базовой радиостанции, показаны на фиг. 11. Приемная часть аппаратуры базовой радиостанции содержит:
1 - коммутационное оборудование внешних каналов связи;
2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18 - оперативные запоминающие устройства (ОЗУ);
3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19 - схемы управления адресами записи и считывания сигналов ОЗУ;
20, 21, 22 - блоки депакетирования сигналов сообщений;
23 - формирователь напряжений огибающих временных каналов;
24 - измеритель уровней сигналов;
25 - генератор сигналов псевдослучайной последовательности (ГНПСП) в виде M-последовательности;
26 - многоотводный регистр сдвига, реализующий набор циклических сдвигов ПСП;
27, 28, 29 - блоки корреляционной обработки сигналов.

Перечисленные блоки соединены между собой следующим образом. Информационные выходы коммутационного оборудования 1 соединены с внешними каналами связи, например с каналами АТС общего пользования, а его управляющие входы соответственно с выходами блока управления коммутационным оборудованием. Информационные входы коммутационного оборудования 1 подключены к выходам блоков депакетирования сигналов сообщений 20, 21, 22, первый из которых состоит соответственно из ОЗУ 2, 4, 6, к одним из входов которых подключены выходы схем управления 3, 5, 7, а другие входы ОЗУ 2, 4, 6 соединены между собой параллельно и подключены к выходу блока корреляционной обработки сигналов 27, первый вход которого через первый отвод регистра сдвига 26 соединен с выходом ГНПСП 25, второй вход блока 27 соединен с выходом формирователя тактовых импульсов ПСП, а третий вход блока корреляционной обработки 27 подключен к выходу тракта сигналов промежуточной частоты радиоприемного устройства. Входы схем управления 3, 5, 7 соединены с соответствующими выходами формирователя напряжений огибающих временных каналов 23. Другой депакетатор 21 состоит из ОЗУ 8, 10, 12 и схем управления 9, 11, 13, которые соединены между собой и формирователем 23 аналогично описанному выше депакетатору 20. Однако запараллеленные входы ОЗУ 8, 10 и 12 соединены с выходом блока корреляционной обработки сигналов 28, вход опорной копии сигнала ПСП которого соединен с выходом ГНПСП 25 через отвод 2 регистра сдвига 26. Запараллеленные же входы ОЗУ 14, 16, 18 последнего депакетатора 22 соединены с выходом блока корреляторов 29, вход опорной копии ПСП которого соединен с ГНПСП 25 через отвод 3 регистра сдвига 26. Состав и все внутренние и внешние другие связи депакетатора 22 также полностью аналогичны описанным ранее для депакетатора 20. Вход измерителя уровней сигналов 24 соединен с выходом тракта сигналов промежуточной частоты (ПЧ) радиоприемного устройства, а выход измерителя 24 соединен со входом блока управления базовой радиостанции.

Аппаратура базовой радиостанции в процессе кодовременного разделения каналов работает следующим образом. Сигнал сообщения абонента, например A1, поступает при передаче на вход распределителя 1 на фиг. 11. Распределитель 1 устанавливает однозначное соответствие данному номеру абонента номеров временного и кодового каналов. В рассматриваемом примере это будет 1-ый временной и 1-ый кодовый канал. В соответствии со сказанным непрерывный сигнал сообщения абонента A1 поступит на вход блока пакетирования 1, обеспечивающего сжатие непрерывного сигнала сообщения в пакет 1-го временного канала с помощью ОЗУ 2, схемы управления 3 и формирователя огибающих временных каналов 26. После объединения в блоке 23 с 4-мя другими пакетами (сигналами сообщений других 4-х абонентов) групповой сигнал, содержащий 5 временных каналов, поступает на фазовый модулятор 30, в котором этим групповым сигналом модулируется ПСП с 1-ым номером циклического сдвига. После линейного сложения с выходными сигналами других фазовых модуляторов, содержащих групповые сигналы сообщений других абонентов, но на ПСП с другими номерами циклических сдвигов, сумма кодовременных сигналов усиливается по мощности и излучается в общей полосе частот, выделенной для передачи сообщений.

При приеме на базовой радиостанции сигналов от абонентов, излучаемых также в общей полосе частот, сумма сигналов абонентов из тракта промежуточной частоты радиоприемника поступает одновременно на входы всех блоков корреляционной обработки сигналов 27, 28 и 29, показанных на фиг. 11. При этом применительно к рассматриваемому примеру сигнал сообщения от абонента A1 с номером циклического сдвига ПСП, соответствующим 1-му, выделится на выходе блока корреляторов 27, опорная копия ПСП в котором также соотвествует 1-му номеру циклического сдвига. Вид выделенного сигнала - пакет сигналов сообщения, соответствующий 1-му временному каналу. Это же значение номера циклического сдвига ПСП может быть использовано (назначено) другими абонентами только в другие временные интервалы (т.е. в других временных каналах 2-5). В 1-ом временном канале одновременно с сообщением A1 могут передаваться сообщения от 2-х других абонентов только на ПСП с номерами циклических сдвигов 2 и 3.

Пакет сообщения абонента A1 с выхода блока корреляторов 27 поступает на вход депакетатора 20, в частности на вход ОЗУ 2, на выходе которого с помощью схемы управления 3 и формирователя огибающих временных каналов 23 восстанавливается исходное непрерывное сообщение от абонента A1. Выделенное сообщение через коммутационное оборудование 1 может быть направлено на внешние каналы связи, например городскую АТС.

На служебных временных интервалах временной диаграммы работы системы связи на фиг. 6 и 7 производится измерение блоком 24 уровней сигналов, приходящих от абонентов. Процесс измерения однозначно связан с моментом времени прихода сигнала ответа от каждого абонента при реализации процедуры упреждающей синхронизации, описанной ранее. В соответствии с результатами измерения уровней сигналов абонентов проводятся их классификация и периодическое уточнение классификации с последующим при необходимости изменением назначенных номеров кодовременных каналов как это было определено разработанным алгоритмом.

Приемопередающая аппаратура абонентской радиостанции показана на фиг. 12. Она содержит:
1 - переключатель каналов выделенных сообщений;
2 - переключатель каналов вводимых сообщений;
3, 11 - формирователь огибающих временных каналов;
4, 12 - коммутатор временных каналов;
5, 7, 13, 15 - схемы управления адресами записи и считывания сигналов ОЗУ;
6, 8, 14, 16 - оперативные запоминающие устройства (ОЗУ);
9 - депакетатор сообщений;
10 - измеритель уровня сигнала;
17 - схема объединения сигналов;
18 - блок упреждающей синхронизации передаваемых сигналов;
19 - генератор псевдослучайной последовательности (ГПСП);
20 - многоотводный регистр сдвига;
21 - модулятор;
22 - коммутатор сигналов подсинхронизации;
23 - схема узкополосной синхронизации принимаемых сигналов;
24 - компаратор;
25 - дискретно-согласованный фильтр;
26 - схема подстройки тактовых импульсов;
27 - блок корреляционной обработки широкополосных сигналов;
28 - схема синхронизации ШПС;
29 - корреляторы;
30 - формирователь сигнала опорной ПСП;
31 - пакетатор.

Абонентская приемопередающая аппаратура работает следующим образом.

Передаваемый групповой сигнал базовой радиостанции с выхода тракта ПЧ приемника абонентской радиостанции поступает на систему синхронизации принимаемых сигналов аппаратуры кодовременного разделения каналов, реализуемую блоками 23 и 27. В процессе выделения синхротактов последовательно обрабатываются узкополосные ПСП сигналы с помощью ДСФ в блоке 23 и синхронизирующие ШП сигналы схемой 28 в блоке 27. В соответствии с синхроимпульсами блока 28 по заданному номеру кодового признака ШПС в блоке 30 (номеру циклического сдвига ШПС) выделяется групповой сигнал временных каналов в корреляторах 29. Выделенные сигналы временных каналов, последовательность следования которых задает формирователь временных каналов 3, синхронизируемый блоком 23, поступают на коммутатор временных каналов 4. По заданному номеру временного канала, присущему данному абоненту, коммутатор временных каналов 4 выделит сигналы временных каналов этого абонента и подаст их на блок депакетирования 9, в котором из пакетов сигналов будут восстановлены непрерывные сигналы сообщений, переданных с базовой радиостанции. Переключатель 1 в зависимости от заданного режима обмена сообщениями выдаст потребителю либо один дуплексный канал, либо два симплексных.

Измеритель уровня сигнала 10 производит оценку уровня сигнала, принимаемого от базовой радиостанции, по которой блок управления абонентской радиостанцией производит регулировку уровня сигнала, излучаемого абонентской радиостанцией при передаче сообщений на базовую радиостанцию.

Передаваемый абонентской станцией сигнал сообщения через переключатель 2 (в симплексном или дуплексном режиме) поступает на пакетатор непрерывных сообщений 31, пакеты сигналов с выходов которого через коммутатор номеров заданных временных каналов 12 с помощью формирователя временных каналов 11 занимают свое временное положение в групповом потоке временных каналов. Упреждение излучения пакетов сигналов обеспечивается системой упреждающей синхронизации 18, которая обрабатывает узкополосные сигналы из ДСФ 25 в блоке 23 и сигналы из схемы синхронизации ШПС 28 в блоке 27, как это было описано ранее. Система упреждающей синхронизации 18 корректирует (уточняет) исходное начало цикла ПСП на величину упреждения 2τ в генераторе 19, а затем после реализации адресного значения номера циклического сдвига в регистре 20 (адреса ШПС) поступает на модулятор 21. На другой вход модулятора 21 с выхода схемы объединения сигналов 17 поступают пакеты сигналов в заданных временных интервалах, после наложения которых на ШПС, образованный высокочастотной ПСП и опорным синусоидальным сигналом с частотой f_o, модулированный сообщением ШПС преобразуется, усиливается по мощности и излучается в канал связи.

Таким образом, как это следует из приведенного описания, предлагаемый способ позволяет увеличить число абонентов, обслуживаемых системой радиосвязи, без увеличения групповой скорости многоканального сигнала, как это требует способ-прототип. При этом повышается эффективность использования полосы частот за счет уменьшения величины защитных временных интервалов и представляется возможность работы оптимальными ортогональными сигналами в коллективе абонентов, определяющая принципиально потенциально достижимую пропускную способность системы радиосвязи.

Изобретение относится к области радиосвязи и может найти применение в цифровых системах подвижной радиосвязи. Технический результат - обеспечение малой скорости передачи группового сигнала при большом числе абонентов. Способ основан на временном разделении каналов передачи сообщения, при котором на передаче в процессе временного разделения каналов непрерывные потоки сигналов сообщений абонентов сжимают в периодические пакеты сигналов в соответствии с временной диаграммой временного разделения каналов, образуют групповой поток пакетов сигналов сообщений, в котором пакеты сигналов сообщений чередуют с защитными временными интервалами и интервалами передачи сигналов синхронизации, затем пакетами сигналов сообщений и синхросигналами модулируют несущую частоту радиолинии и излучают, а на приеме демодулируют радиосигнал, выделяют синхросигналы, в соответствии с которыми определяют номер требуемого временного канала в групповом потоке пакетов сигналов абонентов, из пакетов сигналов сообщений требуемого временного канала восстанавливают исходное непрерывное сообщение, во временную диаграмму работы системы связи вводят дополнительные временные интервалы для измерения уровней сигналов абонентов и времени распространения радиосигнала, в которых на базовой радиостанции измеряют уровни принимаемых сигналов абонентских радиостанций, сравнивают измеренные значения уровней сигналов между собой, объединяют абонентов в группы с близкими значениями уровней сигналов, каждой группе абонентов с близкими значениями уровней сигналов назначают один и тот же номер временного канала, а затем сигналы групп абонентов каждого временного канала дополнительно разделяют на кодовые каналы, причем в процессе дополнительного кодового разделения каналов пакеты сигналов сообщения каждого абонента кодируют одним из сигналов ансамбля квазиортогональных типа М-последовательностей или ортогональных сигналов типа функций Уолша или МЧТ, для обеспечения эффективного разделения которых в общей полосе частот приема сигналов базовой радиостанции абонентские радиостанции излучают сигналы с упреждением на удвоенную величину времени распространения радиосигнала до базовой радиостанции относительно принятых синхросигналов от базовой радиостанции, а при приеме на базовой радиостанции сигналы абонентских радиостанций обрабатывают в соответствии с видом их кодирующих сигналов, выделяют групповые пакеты сигналов временных каналов, а затем из пакетов сигналов требуемого временного канала восстанавливают переданный непрерывный сигнал сообщения. 1 табл., 12 ил.

Способ кодовременного разделения каналов в подвижных системах радиосвязи, основанный на временном разделении каналов передачи сообщений, при котором на передаче в процессе временного разделения каналов непрерывные потоки сигналов сообщений абонентов сжимают в периодические пакеты сигналов в соответствии с временной диаграммой временного разделения каналов, образуют групповой поток пакетов сигналов сообщений, в котором пакеты сигналов сообщений чередуют с защитными временными интервалами и интервалами передачи сигналов синхронизации, затем пакетами сигналов сообщений и синхросигналами модулируют несущую частоту радиолинии и излучают, а на приеме демодулируют радиосигнал, выделяют синхросигналы, в соответствии с которыми определяют номер требуемого временного канала в групповом потоке пакетов сигналов абонентов и из пакетов сигналов сообщений требуемого временного канала восстанавливают исходное непрерывное сообщение, отличающийся тем, что во временную диаграмму работы системы связи вводят дополнительные временные интервалы для измерения уровней сигналов абонентов и времени распространения радиосигнала, в которых на базовой радиостанции измеряют уровни принимаемых сигналов абонентских радиостанций, сравнивают измеренные значения уровней сигналов между собой, объединяют абонентов в группы с близкими значениями уровней сигналов, каждый группе абонентов с близкими значениями уровней сигналов назначают один и тот же номер временного канала, а затем сигналы групп абонентов каждого временного канала дополнительно разделяют на кодовые каналы, причем в процессе дополнительного кодового разделения каналов пакеты сигналов сообщения каждого абонента кодируют одним из сигналов ансамбля квазиортогональных типа М-последовательностей или ортогональных сигналов типа функций Уолша или многочастотной телеграфии (МЧТ), для обеспечения эффективного разделения которых в общей полосе частот приема сигналов базовой радиостанции абонентские радиостанции излучают сигналы с упреждением на удвоенную величину времени распространения радиосигнала до базовой радиостанции относительно принятых синхросигналов от базовой радиостанции, а при приеме на базовой радиостанции сигналы абонентских радиостанций обрабатывают в соответствии с видом их кодирующих сигналов, выделяют групповые пакеты сигналов временных каналов, а затем из пакетов сигналов требуемого временного канала восстанавливают переданный непрерывный сигнал сообщения.