Изобретение относится к радиотехнике, в частности к технике цифровой сотовой радиосвязи, и может быть использовано для создания цифровых радиотелефонных сетей нового поколения, оно особенно перспективно для создания мобильных наземных радиосетей для обслуживания мобильных и стационарных абонентов в провинциальных районах.
Задачей любой радиосети как средства коммуникации является организация передачи информации между двумя произвольными корреспондентами сети, находящимися на удалении друг от друга за счет частотного, временного, энергетического и аппаратурного ресурсов в условиях помех естественного происхождения и искусственных помех (радиофона). По способу доступа к информации различают синхронные (детерминированные) и асинхронные сети. По способу доступа к каналам существует частотное, временное и кодовое разделение каналов. Развиваются также и различные комбинации этих основных способов, включая и наиболее бурно развивающееся в последнее время направление сетей с коммутацией пакетов.
В настоящее время в зависимости от целевого назначения, скоростных требований и максимальных расстояний, на которых работают абоненты сети, образовались устойчивые стандартизованные классы радиосетей (ZigBee, Bluetooth, WLAN 802.11, WiMAX, GSM/CDMA, GPRS/3G, INMARSAT, IRIDIUM, GLOBALSTAR и др.), закрывающие основные потребности общества. Первые три из них микромощные, работают в ограниченных зонах (10-100 м), в пределах которых требуемое соотношение сигнал/шум достигается исключительно за счет близкого расположения абонентов. Три следующие используют мощности порядка одного ватта, работают на дистанциях в 10-15 км и используют вышки для подъема антенн базовых станций в целях обеспечения дальности связи и снижения излучаемой мощности. Три последние являются спутниковыми системами, используют в абонентских терминалах абонентов мощности в несколько ватт. Спутниковые системы обслуживают абонентов либо с геостационарной орбиты высотой 35875 км (для которой характерны отсутствие связи в северных широтах и ощутимая на слух задержка передачи сигнала), либо группировкой спутников с низкоорбитальных орбит высотой от 700 до 1500 км от поверхности земли.
Аппаратура базовых станций существующих на сегодняшний день наземных сотовых радиосетей ориентирована в первую очередь на мегаполисы, спроектирована из расчета средней мощности передатчика абонента порядка 1 Вт, предельной дальности до 10-15 км и среднестатистической загрузки каналов в условиях города. Плотность размещения базовых станций в регионе определяется либо предельной дальностью (для малозаселенных районов), либо пропускной способностью базовых станций и их конкретной загрузкой в конкретных районах города. Обработка запросов любых абонентов в базовых станциях осуществляется стандартным образом путем организации в базовой станции индивидуального логического и физического каналов обработки вызова и организации передачи информации для каждой пары корреспондентов. При этом в случае образования экстренных пиковых нагрузок, в отдельных территориальных зонах, из-за ограничений по количеству свободных физических каналов на базовой станции целые территории (как это уже бывало не раз) фактически могут остаться без связи.
В любом случае существующая аппаратура сотовой связи не рассчитана на полное и экономически эффективное покрытие таких крупных территорий как Россия, Канада, Индия, Китай, т.к. физически невозможно осуществить сплошное покрытие территории подобных стран радиовышками на расстоянии 30 км друг от друга и обеспечить их доступ в глобальную телефонную сеть. Большую часть территории таких стран составляют небольшие провинциальные города и поселки, для обслуживания которых достаточно всего одной базовой станции. Такие города имеют специфику - 80-90% информационного обмена, т.е. основной информационный обмен (включая обращения к абонентам местной телефонной сети) сосредоточен в пределах 5-10 километровой зоны, но вместе с тем необходима большая (радиусом порядка 30-50 км) общая зона покрытия базовой станции.
Распространение радиоволн у земной поверхности на значительные расстояния является весьма специфическим случаем радиосвязи. Как известно [1], множитель затухания прямой волны для разных длин волн вблизи земной поверхности приблизительно одинаково зависит от расстояния до источника излучения в пределах линии горизонта и совершенно по-разному (для разных длин волн) ведет себя за линией горизонта. В свою очередь, линия горизонта определяется высотой подъема антенн. Известны практические зависимости напряженности электрического поля от удаления до источника [2], существеннейшим параметром у которых является суммарная высота подъема антенн. Теоретически, при размещении антенн базовой станции на высоте 100-150 м можно обеспечить устойчивую связь в зоне 50 км, однако при этом значительно возрастет количество теоретически обслуживаемых абонентов и единовременная нагрузка на базовую станцию, что потребует увеличения пропускной способности базовой станции, существенного увеличения количества одновременно обслуживаемых физических каналов базовой станции и при традиционном подходе потребует не только качественного повышения соотношения сигнал/шум приемников базовых станций, но и приведет к многократному увеличению их стоимости.
Техническая задача радикального снижения себестоимости базовых станций, снятия нагрузки и увеличения их пропускной способности может быть решена только посредством принципиального упрощения и принципиального сокращения требуемого физического каналообразующего оборудования. В предлагаемом способе эта цель достигается со значительной экономией аппаратурных ресурсов, что особенно актуально для провинциальных районов. Создание базовых станций с «нулевой» себестоимостью позволит в дальнейшем эффективно решать вопросы их дублирования, резервирования и замены, что повысит живучесть систем радиосвязи такого типа.
В настоящее время доказано, что наивысшими показателями по эффективности использования радиочастотного ресурса обладают системы связи на основе сложных шумоподобных сигналов [5] стандартов с кодовым разделением каналов (типа CDMA, W-CDMA). Предельные значения пропускной способности систем на основе сложных широкополосных шумоподобных сигналов ограничены теоремой В.Котельникова (К.Шеннона):
где C - пропускная способность [бит/с],
W - ширина полосы канала [1/с],
Рс/Рш - отношение сигнал/шум,
Log2(…) - измеряется в битах.
Учитывая, что в соответствии с теоремой В.Котельникова (К.Шеннона) скорость передачи информации для широкополосных систем связи определяется шириной полосы пропускания и соотношением мощностей полезного сигнала и помех, существует две основных теоретических возможности повышения скоростей передачи базовой станции для абонентов, работающих в общей полосе - путем улучшения соотношения сигнал/шум (устранения фоновых шумов и помех) и путем увеличения полосы пропускания (переход в высокие частоты и расширение собственно полосы). Вместе с тем, для организации каждого конкретного канала связи между двумя абонентами в классических широкополосных мобильных сетях (CDMA, W-CDMA) требуется индивидуальное физическое канальное оборудование, объем которого в каждой конкретной базовой станции ограничен. Применять временное уплотнение каналов, как это делается в системах класса DECT и GSM, для систем с кодовым разделением каналов является весьма проблематичным, да и себестоимость сетей радиосвязи подобного рода (CDMA, W-CDMA) оставляет желать лучшего.
В практике радиосвязи существует несколько возможностей увеличения дальности связи - за счет увеличения мощности передаваемого сигнала, за счет увеличения высоты подъема антенн и за счет увеличения чувствительности приемников. Увеличение мощности передачи обычно ограничено требованием биологической безопасности абонента. Высота подъема антенн также ограничена предельной высотой порядка 100-150 м. Увеличение чувствительности приемника ограничено среднеквадратичной мощностью помех.
Наиболее перспективными являются способы увеличения дальности действия широкополосной базовой станции за счет повышения высоты подъема антенн и расширения динамического диапазона принимаемых радиосигналов путем уменьшения верхнего порога уровня шумов и помех в эфире, т.е. посредством улучшения помехоподавления. С учетом этого при создании перспективной системы радиосвязи, по-видимому, не стоит отказываться в принципе от концепции базовых станций, обеспечивающих гарантированное поднятие на достаточную высоту хотя бы одной антенны, чем обеспечивается минимизация энергозатрат абонентских комплектов. Одновременно следует приветствовать любые средства и способы подавления помех и расширения динамического диапазона радиоприемных устройств [1]. Таких способов существует достаточно большое количество, но, к сожалению, подавляющее большинство из них не совместимо друг с другом, обеспечивают подавление только определенных классов помех и уровень помехоподавления порядка 3-5 дБ.
Известен «Способ корреляционной обработки широкополосных сигналов» (RU 2153701, Кл7: G06G 7/19, H04B 1/10, 16.04.1998), состоящий в выделении помехи путем перемножения входной смеси помехи и полезного сигнала с опорным широкополосным сигналом, синхронным с полезным широкополосным сигналом и дальнейшей режекции полученного сигнала. Способ предусматривает выход из реального времени прохождения сигнала путем задержки его на время, превышающее длительность шумоподобного сигнала, что при большой загрузке базовой станции приводит к ограничению количества одновременного обслуживания абонентов и снижению скорости передачи информации. Кроме того, усложняется канал обработки из-за использования нескольких перемножителей, вычитателей сигналов, полосовых фильтров. Но самое главное, применение способа эффективно только в случае отсутствия перегрузки входных каскадов - усилителей и смесителей.
Известна «Система широкополосной связи» (SU 930700, Кл.3 H04B 1/62, 09.06.1980), обеспечивающая повышение помехозащищенности, содержащая на передающей стороне блок формирования сигнала и выходной согласующий блок, выход которого соединен с антенной, а на приемной стороне - две антенны, которые соединены соответственно с входами первого и второго приемных блоков, причем выход первого приемного блока подключен к одному входу сумматора, другие входы которого соединены с выходами блока регуляторов, сигнальные входы которого соединены с выходами второго приемного блока и входами коррелятора, выходы которого подключены к управляющим входам блока регуляторов, а выход сумматора соединен с входом демодулятора и с первым входом блока сравнения, выход которого подключен к соответствующему входу коррелятора, отличающаяся тем, что с целью повышения помехоустойчивости введены на передающей стороне блок сравнения и последовательно соединенные генератор «пилот-сигнала», регулирующий усилитель и сумматор, второй вход которого соединен с выходом блока формирования сигнала и с первым входом блока сравнения, выход которого подключен к управляющему входу регулирующего усилителя, выход которого соединен со вторым входом блока сравнения, причем выход сумматора подключен к входу выходного согласующего блока, а на приемной стороне введены последовательно соединенные полосовой фильтр, фазовращатель и усилитель, выход которого подключен ко второму входу блока сравнения, при этом выход сумматора соединен со входом полосового фильтра. Недостатком данного способа является собственно его высокая сложность, высокая сложность воспроизводства антенн, низкий уровень помехозащищенности, а также необходимость передачи и обработки специального «пилот-сигнала» в полосе передачи индивидуально для каждого канала.
Известен «Способ повышения помехозащищенности при передаче и приеме широкополосного сигнала с расширением спектра» (RU (11), 2127021, Кл.7: H04B 1/62, H04K 1/00, 25.06.1998) [6], при котором в передающем тракте формируют передаваемый полезный сигнал, измеряют частотный параметр такта псевдослучайного сигнала Fпсп в соответствии с заданной информацией, формируют цифровой фазовый шумовой сигнал с центральной частотой F0, суммируют его с полученным ранее цифровым псевдослучайным сигналом, усиливают полученный сигнал и передают через среду распространения, а в приемном устройстве принимают передаваемый сигнал с наложенным на него в среде распространения узкополосным сигналом с полосой Fузк<<Fпсп, фильтруют принятый сигнал путем пропускания через высокочастотный полосовой фильтр с полосой пропускания 2 Fпсп и центральной частотой F0, преобразуют входной сигнал в напряжение, пропорциональное мощности, полученный сигнал фильтруют в полосе (Fузк-Fпсп), усиливают, ограничивают полученный сигнал, а затем корреляционным методом обработки получают сигнал рассогласования между тактом Fпсп передаваемого сигнала и соответствующей тактовой частотой приемного устройства. Недостатками данного способа являются относительно низкий, порядка 20 дБ, коэффициент подавления узкополосных помех, создаваемых мощными узкополосными станциями, и потери амплитуды полезного сигнала в процессе его преобразования.
Известен «Способ «МетаСВЯЗЬ» - эфирной передачи-приема информации и устройство для его реализации» (RU 20022123510, М. Кл.7: H04B 1/10, 7/10; H01Q 21/24, 28; H04K 1/04; G01V 3/17, 03.09.02). Он заключается в организации системы антенн, содержащей одну передающую и две приемные антенны, причем все антенны являются поляризованными, причем приемные антенны имеют взаимно противоположную направленность поляризации, но расположены соосно и подключены параллельно и в противофазе (параллельно-последовательно), а их выходы подключены к входным цепям приемного устройства для обеспечения приема разностного информационного сигнала с антенн при приеме. Как вариант - передающих антенн может быть две, они расположены соосно, имеют противоположную направленность поляризации и соединены так же, как и приемные - параллельно-последовательно, для противофазного возбуждения на передаче, что увеличивает амплитуду принимаемого полезного разностного сигнала вдвое в сравнении с первичным сигналом, принимаемым одной из антенн. При этом эффективно подавляются все сигналы, отличающиеся от полезного сигнала тем, что поступают на антенны разной поляризации софазно. Данный способ применим для передачи радиосигналов любого типа, позволяет серьезно подавить любые внешние узкополосные и широкополосные помехи. Недостатками данного способа, помимо чисто конструктивных, является то, что он не позволяет подавить помехи от аналогичных же устройств, работающих по способу «МетаСВЯЗЬ» и все помехи в одной из плоскостей поляризации сигнала, что частично снижает общий уровень помех, но не позволяет принципиально расширить динамический диапазон приемников и ретрансляторов.
Наиболее перспективен и эффективен в этом плане - «Способ подавления узкополосной помехи в системе широкополосной связи» (RU 2002122545, Кл.7: H04B 1/66, H04K 1/00, 22.08.2002) [7, 8] рассчитан на подавление мощных узкополосных помех при передаче сложных шумоподобных сигналов. Он заключается в повышении коэффициента подавления узкополосной помехи в приемном устройстве и практически полном избавлении от мощной узкополосной помехи или группы узкополосных помех, в том числе сканирующих, в ограниченной полосе частот. Это достигается тем, что в системе широкополосной связи в передающем тракте формируют широкополосный шумовой сигнал в полосе частот (F0, F1), модулируют его по заданному закону модуляции для модуляции мощности с частотой модуляции Fмод<<(F1-F0), пропускают полученный сигнал через среду распространения, принимают его в приемном устройстве с наложенным на него в среде распространения сигналом узкополосной помехи с частотой F0<Fузк<F1, фильтруют в полосе частот (F0, F1), полученный сигнал разделяют на два сигнала, один из которых получают в результате усиления отфильтрованного в полосе частот (F0, F1) сигнала и ограничения его по амплитуде, а в качестве второго сигнала используется упомянутый отфильтрованный сигнал или линейно усиленный упомянутый отфильтрованный сигнал без изменения его формы, перемножают полученные два сигнала, результирующий сигнал фильтруют в полосе частот [ΔFузк, (F1-F0)], выделяют огибающую сигнала, полученного после фильтрации в полосе частот сигнала [ΔFузк, (F1-F0)], и демодулируют ее для получения информационного сигнала, где ΔFузк - частотная полоса спектра изменения квадрата амплитуды напряжения помехи. Недостатком этого способа является то, что он обеспечивает подавление только наиболее мощных узкополосных помех. Тем не менее, удаление именно таких помех позволяет принципиально расширить входной динамический диапазон приемника (или ретранслятора).
Этот способ используется в настоящем изобретении для повышения помехозащищенности, но не решает главную техническую задачу, связанную со снижением стоимости оборудования базовых станций, с увеличением радиуса зоны обслуживания и квадратичным, по отношению к увеличению этого радиуса, увеличением количества одновременно работающих корреспондентов (что при традиционном подходе требует соответственно квадратичного увеличения количества физических каналов, т.е. оборудования базовой станции) - т.е. не решает задачу снятия нагрузки на физические каналы базовой станции и глобального сокращения физического канального оборудования аппаратуры базовых станций с увеличенной зоной обслуживания. Эта задача может быть решена путем групповой (без образования физических каналов) обработки в базовой станции сигналов между «внутризоновыми» мобильными корреспондентами (находящимися в пределах зоны действия данной базовой станции) и переноса логической процедуры обработки вызовов, образования речевого канала для таких корреспондентов, «мягкой» передачи каналов при перемещении корреспондента в зоны действия смежных базовых станций с аппаратуры базовых станций на аппаратуру абонентов, причем без существенного увеличения сложности последней, а также путем передачи функций обработки информационных потоков между мобильными абонентами и местной телефонной сетью общего пользования (ТФОП) с аппаратуры и физических каналов базовой станции на специальную, достаточно простую (без функций регистрации, роуминга и т.п.) специальную аппаратуру многоканального радиодоступа к ТФОП, либо даже на персональные абонентские контроллеры частных телефонных линий, что существенно снизит нагрузку на физическое канальное оборудование самой базовой станции, высвобождает ее аппаратурные ресурсы для межсетевого обмена и выхода в глобальную телефонную сеть, повышает пропускную способность и живучесть системы в целом.
Наиболее близким по существу и принятым в качестве прототипа настоящего изобретения является способ обработки сигналов от корреспондентов в базовых станциях стандарта CDMA (Стандарт IS-95 - в части радиоинтерфейса и стандарт IS-98 - в части работы базовых станций [3]). В данном стандарте определен ряд требований к системе передачи, в частности виды сверточного кодирования, модуляции, виды и количество каналов, количество корреляторов, необходимых для устранения эффекта многолучевости, режим эстафетной передачи абонентов между базовыми станциями, форматы кадров, процедуры установления связи и многие другие механизмы.
Обобщенная структурная схема сети сотовой радиосвязи стандарта CDMA приведена на фиг.1. Основные элементы этой схемы аналогичны используемым в сотовых сетях с частотным и временным разделением каналов (GSM, DCS-1800, PCS-1900, DAMPS). Она состоит из базовых приемных станций 1, центра управления и обслуживания, 2, центра коммутации подвижной связи 3, системы управления базами данных 4. Основное отличие данной сети заключается в том, что в состав сети CDMA включены устройства 5 оценки качества и выборки кадров. Кроме того, для реализации процедуры «мягкого переключения» между базовыми станциями, управляемыми разными контроллерами 6, введены линии передачи информации между устройствами оценки качества и выборки кадров и контроллерами базовых станций. Протоколы установления связи в CDMA, также как в стандартах AMPS, N-AMPS, основаны на использовании логических каналов. В CDMA имеются прямые каналы для передачи с базовой станции и обратные для приема базовой станцией. Структура каналов в CDMA стандарте IS-95 основана на принципе кодового разделения каналов. В пределах общей полосы пропускания формируются следующие прямые каналы:
- «пилотный» канал, канал синхронизации;
- канал вызова, используемый для вызова подвижной станции и приема сигнала подтверждения на базовую станцию (по каналу вызова на подвижную станцию передается информация об установлении соединения и назначении канала связи);
- канал прямого трафика для передачи оцифрованной речевой информации и данных, а также управляющей информации с базовой станции на подвижную.
Обратные каналы в CDMA:
- канал доступа обеспечивает связь подвижной станции с базовой станцией, когда подвижная станция еще не использует канал трафика. Канал доступа используется для установления вызовов и ответов на сообщения, передаваемые по каналу вызова, передачи команд и запросов на регистрацию в сети;
- канал обратного трафика обеспечивает передачу речевых сообщений и управляющей информации с подвижной на базовую станцию.
Данные каналы для базовой станции являются логическими (виртуальными) и организовываются путем кодового разделения в пределах спектра полосы пропускания. В стандарте IS-95 предусмотрены: 1 пилот-канал, 1 канал сигнализации, 7 каналов персонального вызова и 55 речевых каналов связи. Таким образом, базовая станция одновременно может передавать 64 логических канала. Для передачи всех 64 каналов используется одна и та же псевдослучайная последовательность. После выполнения процедуры установления обычного соединения на входящий вызов к подвижной станции или исходящего вызова от подвижной станции базовая станция на продолжительное время выделяет в распоряжение абонентов один из речевых логических каналов. При этом для каждого речевого канала в базовой станции осуществляется индивидуальная демодуляция радиосигнала (на приеме) и модуляция (на передаче) посредством предоставления соответствующего канального оборудования. Количество канального оборудования строго ограничено и рассчитано на обработку максимум 55 речевых логических каналов, что является серьезным ограничением системы в смысле количества одновременно работающих корреспондентов и особенно критично в случае пиковых нагрузок и значительного увеличения размеров соты.
Важной особенностью аппаратуры стандарта CDMA является регулировка уровня мощности. В стандарте IS-95 регулировка уровня мощности сигнала, излучаемого подвижной станцией, осуществляется в динамическом диапазоне 84 дБ с шагом 1 дБ. Механизм регулировки мощности ограничивает мощность, излучаемую как каждым абонентом, так и соответствующим каналом базовой станции до получения необходимого уровня приемлемой вероятности ошибки. Цель регулировки мощности в обратном канале - оптимизация площади соты. Для регулировки мощности в прямом канале используются два механизма - грубый и точный. Грубый - заключается в замере абонентом каждые 20 мс мощности сигнала базовой станции, учета затухания сигнала и корректировки своей излучаемой мощности до необходимого уровня. Точный - заключается в оценке базовой станцией количества ошибок в сигнале, принимаемом от абонентов и выдаче через каждые 1.25 мс команд абоненту на корректировку излучаемой мощности. Цель регулировки мощности в прямом канале - минимизация суммарной мощности, уменьшение взаимовлияния абонентов и как результат - увеличение абонентской емкости системы [4].
Приемники стандарта CDMA предполагают использование четырех корреляторов для обработки четырех каналов одновременно. В трех каналах обрабатываются одновременно три наиболее сильных сигнала, в четвертом постоянно осуществляется поиск сигнала с более высоким уровнем. Эти сигналы складываются - формируется результирующий сигнал. Многолучевое распространение радиосигнала, с которым приходится бороться всем стандартам сотовой связи, в данном случае является даже полезным. Кроме того, абонентская станция может принимать и обрабатывать одновременно сигналы нескольких базовых станций, что позволяет осуществлять «мягкую» эстафетную передачу абонента между базовыми станциями. Недостатком такого процесса передачи является одновременная загрузка оборудования (физических каналов) сразу двух базовых станций для обслуживания одного абонента.
Сложность аппаратуры базовых станций и жесткая ограниченность количества одновременно работающих корреспондентов обусловлена необходимостью индивидуальной обработки базовой станцией каждого входящего и исходящего вызова, включая процесс демодуляции радиосигнала, обработки запроса, предоставления речевого канала в глобальной телефонной сети и оборудования для организации каждого физического радиоканала с обратной модуляцией и передачей в полосе передачи. Такой единый подход, требующий демодуляции и обработки информационного сигнала в базовой станции, целесообразен для мегаполисов (для которых собственно и разрабатывались первые радиосети), где в подавляющем большинстве случаев прохождение информации между корреспондентами происходит с участием телефонной сети общего пользования, волоконно-оптических, радиорелейных или спутниковых каналов, или осуществляется с участием двух базовых станций. Вместе с тем, для большинства провинциальных городов и поселков, где проживает 50% населения страны, ситуация выглядит иначе - 80-90% информационного обмена происходит в пределах зоны действия одной соты, но требуется значительно большая (до 30-50 км) предельная дальность действия базовой станции. Увеличение дальности в принципе возможно различными способами, но это автоматически приводит к квадратичному росту числа одновременно обслуживаемых ей корреспондентов, т.е. квадратичному увеличению нагрузки на базовую станцию. Кроме того, второй серьезной проблемой для базовых станций дальнего радиуса действия станет проблема синхронизации, непосредственно связанная с приемом сложных широкополосных сигналов с кодовым разделением каналов. Если для обычных сотовых сетей синхросигналы формируются базовой станцией и по ним синхронизируются приемо-передатчики абонентов, причем сигналы синхронизации могут быть даже узкополосными, чем обеспечивается упрощение синхронизации и корреляционной обработки сигналов, то для систем дальнего радиуса действия сами расстояния между корреспондентами и базовой станцией могут значительно варьироваться и значительно изменяться в процессе сеанса связи, что делает затруднительной либо даже невозможной «привязку» синхронизации абонентов к сигналам синхронизации базовых станций для случая групповой обработки (без демодуляции принимаемого сигнала абонентов) в базовой станции, ведь задержки распространения сигнала на таких расстояниях будут варьироваться от сотых до десятых долей миллисекунд. Поэтому функции взаимной синхронизации приемо-передатчиков каждой пары корреспондентов для систем сверхдальнего радиуса действия предлагается перенести с аппаратуры базовой станции на аппаратуру абонентов. Однако для упрощения аппаратуры абонентов микромощных радиосетей и сетей ближнего радиуса действия формирование сигналов синхронизации может быть сохранено за базовой станцией радиосети.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи принципиального снижения аппаратурных затрат (себестоимости базовых станций), повышения пропускной способности (количества одновременно действующих речевых каналов и одновременно обслуживаемых корреспондентов) в радиотелефонных сетях с кодовым разделением каналов, значительного расширения зоны обслуживания и повышения живучести радиотелефонных сетей, благодаря возможности многократного дублирования, резервирования (включая горячий резерв) при многократном увеличении радиуса действия путем групповой обработки (без демодуляции) в базовой станции «каналов» связи как «внутризоновых» корреспондентов, т.е. корреспондентов, находящихся в зоне действия базовой станции, так и корреспондентов в зонах действия смежных с ней базовых станций и переноса процесса синхронизации, процедуры обработки вызовов, образования речевого канала, процедуры «мягкой передачи» каналов «внутризоновых» корреспондентов при их перемещении в пределах смежных зон, с аппаратуры базовых станций на аппаратуру абонентов без увеличения ее сложности.
Данный технический результат достигается следующим образом. В организации работы базовой станции, заключающейся в приеме базовой станцией спектра сигналов от абонентов в полосе частот приема (F0, F1), организации управления уровнем мощности, излучаемой абонентами, формировании сигналов синхронизации, обработке вызовов, организации обработки логических и физических каналов, организации регистрации абонентов, организации роуминга, передачи каналов корреспондентов при их переходе в зону обслуживания смежных базовых станций, организации выхода в глобальную телефонную сеть и передаче спектра сигналов абонентам в полосе частот передачи (F3, F4), предполагается принципиальное разделение исходящих от абонентов вызовов на два типа: первый тип - «внутризоновый» вызов, это вызов корреспондентов находящихся в зоне действия данной базовой станции и корреспондентов, находящихся в зонах действия смежных с ней базовых станций - т.е. если вызывающий и вызываемый мобильные корреспонденты находятся в зоне действия одной или двух смежных базовых станций. Второй тип вызова - «внешние» вызовы, это вызовы, при которых один из корреспондентов находится или вне зоны действия данной и смежных базовых станций либо вообще не относится к мобильным абонентам данной сети. Для обработки этих двух различных типов вызовов предлагается два различных, последовательно применяемых, механизма организации связи. При этом процедура исходящего вызова для любого абонента базовой станции разбивается на два этапа.
Первый этап заключается в выставлении абонентом, посылающим запрос, уровня минимально-необходимой мощности (по уровню «пилот-сигнала» базовой станции) и проверке наличия вызываемого корреспондента в пределах зоны действия данной базовой станции путем открытия канала вызова и посылки запроса корреспонденту через конвертор-усилитель базовой станции (с его ретрансляцией в зонах действия смежных базовых станций посредством специального механизма, который будет рассмотрен далее) без демодуляции сигнала в конверторе, с последующим открытием прямого логического речевого канала связи с корреспондентом через конвертор-усилитель базовой станции в случае получения подтверждения присутствия абонента в пределах зоны действия данной и смежных базовых станций и ответа корреспондента по каналу доступа.
Системы, выполняющие функции групповой обработки вызовов, характерные для первого этапа, ранее просто не могли быть созданы даже для весьма ограниченных (территориально) зон по следующим причинам. Для реализации предлагаемой схемы обработки запросов абонентов и организации речевых каналов требуется создать «идеальный» конвертор-усилитель, который усиливал бы до значительного уровня только спектр полезных сложных широкополосных сигналов от абонентов (амплитуда которых в точке приема базовой станцией, кстати сказать, гораздо ниже уровня радиофона местности) и не усиливал бы этот радиофон, т.е. не усиливал бы весь спектр естественных и промышленных широкополосных помех, сам становясь при этом мощнейшим источником радиофона в полосе приема абонентов. Кроме того, в реальном радиоэфире в спектре полосы приема базовой станции всегда имеются узкополосные помехи, в том числе сканирующие, наличие которых принципиально ограничивает динамический диапазон усиления усилителя конвертора, переводя его в режим насыщения и также превращает конвертор в источник мощнейших помех (узкополосных) в полосе приема абонентов, выводя всю систему связи из строя. В предлагаемом в настоящем изобретении способе групповой обработки каналов внутризоновых абонентов создание такого «идеального» конвертора заменяется совокупностью взаимодополняющих друг друга способов (описанных ниже), в определенной комбинации обеспечивающих требуемый результат.
При неполучении от аппаратуры вызываемого корреспондента сигнала о нахождении его в зоне действия данной и смежных базовых станций в течение определенного, достаточного для этого, промежутка времени Tmax, где Tmax - максимальное время отклика корреспондентов на внутризоновый вызов (порядка нескольких сотен миллисекунд), абонент, пославший вызов, переходит ко второму этапу вызова, при этом он направляет на базовую станцию сигнал внешнего вызова, а в базовой станции для таких вызовов осуществляется демодуляция сигнала с выделением корреляционным способом информационной составляющей сигнала для каждого внешнего вызова, затем полученную информацию обрабатывают программно-техническими средствами базовой станции индивидуально для каждого внешнего вызова и предоставляют абоненту, запросившему внешний вызов, физическое оборудование (физический канал) базовой станции для организации логических каналов связи, каналов выхода в глобальную телефонную сеть и необходимый сервис, включая процедуру организации роуминга, с одновременным формированием, выдачей в передающее устройство (устройство групповой передачи сигналов) и последующим излучением в эфир в полосе частот передачи (F3, F4) соответствующего спектра широкополосных сигналов, промодулированых псевдослучайной кодовой последовательностью по заданному, в соответствии с принципом кодового разделения каналов, закону модуляции мощности, для каждого абонента, запросившего внешний вызов.
Второй этап выполняется в случае отсутствия корреспондента в пределах зоны действия данной (или смежных) базовой станции, т.е. только для «внешних» вызовов, и осуществляется традиционными (с демодуляцией радиосигнала и организацией как логического, так и физического канала) способами, по «традиционной схеме», аналогичной обычной обработке вызова и установлению соединения в стандартах CDMA. При этом все вызовы, поступающие на базовую станцию по специальным штатным каналам связи от других базовых станций, относятся к категории «внешних» и обслуживаются по традиционной схеме. Механизм регистрации абонентов в сети (если это требуется) и организации роуминга также строится по традиционной схеме на основе каналов внешних вызовов аппаратуры базовой станции, т.е. периодически и автоматически, независимо от осуществления вызовов абонентами корреспондентов, аппаратурой абонентов осуществляется регистрация абонентов в базовой станции (аппаратуре сети) для обеспечения возможности последующего вызова его из внешних сетей в режиме роуминга.
Организация системы синхронизации и механизм передачи каналов корреспондентов, запросивших внешний вызов при их переходе из зоны действия одной базовой станции в зону действия другой, смежной, могут быть различными в зависимости от класса создаваемой сети и предъявляемых к ней требований.
Суть решения, предлагаемого для реализации функций групповой передачи сигналов «внутризоновых» корреспондентов (включая обработку сигналов корреспондентов смежных базовых станций) на первом этапе вызова, заключается в создании специального конвертора-усилителя (при помощи совокупности взаимодополняющих друг друга способов, в определенной комбинации обеспечивающих требуемый результат) и передачи функций организации синхронизации (прим. авторов: для некоторых типов сетей возможна и организация синхронизации централизованным способом при помощи специальных синхросигналов, направляемых абонентам непосредственно с базовой станции), логической обработки вызовов, организации речевых каналов (модуляции/демодуляции) и процедуры «мягкой передачи» «каналов» корреспондентов при их перемещении между смежными зонами с аппаратуры базовых станций на аппаратуру абонентов. Главными проблемами при создании такого конвертора являются:
Проблема №1. Неизбежность усиления конвертором радиофона, попадающего в полосу приема конвертора (ведь полезный широкополосный сигнал будет находиться, как правило, значительно ниже уровня радиофона местности в точке его приема конвертором). Непосредственное усиление всего принимаемого спектра (радиофона) превращает конвертор в источник мощнейших фоновых и узкополосных помех в полосе приема абонентов, при весьма низком КПД усиления собственно полезного информационного сигнала. Каким-либо способом выровнять (пронормировать) уровни полезных широкополосных сигналов по отношению к уровню радиофона для традиционных технологий радиосвязи, в которых процесс модуляции осуществляется на основе модуляции амплитуды, фазы или частоты (или всевозможных их комбинаций) радиочастотного сигнала, где даже постоянная составляющая сигнала, возникающая в процессе преобразований имеет значение (несет информацию), является весьма проблематичным, поскольку применение для этих целей (нормализации уровней сигналов) нелинейных усилительных элементов приводит к искажению самой информационной составляющей.
Проблема №2. Ограничение динамического диапазона конвертора мощными узкополосными помехами, попадающими в полосу приема. Попадание таких помех в составе широкополосного спектра сигнала на вход конвертора-усилителя базовой станции при непосредственной прямой конвертации спектра сигналов переводит его в режим насыщения, не позволяя должным образом усиливать полезный широкополосный сигнал, тем более являющийся достаточно слабым на уровне общего радиофона, что принципиально ограничивает динамический диапазон усиления такого прямого конвертора.
Существует достаточно большое количество способов устранения узкополосных помех в широкополосных системах связи. Как отмечалось выше, все они чрезмерно сложны и дороги, недостаточно эффективны и очень чувствительны к типу помех и типу полезного сигнала и в редких случаях предназначены для работы со сложными широкополосными сигналами с кодовым разделением каналов. Как правило, эти разные даже по принципам действия способы не могут использоваться одновременно друг с другом, да и уровень помехоподавления обеспечивают не более 3-5 дБ каждый.
Радикальный (уровень помехоподавления более 40 дБ) и экономически эффективный способ подавления мощных узкополосных помех в широкополосных системах связи предложен автором и его коллегами (см. RU 2002122545, Кл.7: H04B 1/66, H04K 1/00, 22.08.2002). Помимо того, что данный способ позволяет «вырезать» наиболее мощные «узкополосные» (полоса спектра помехи может достигать 20% полосы спектра сигнала) помехи, причем даже сканирующие, из спектра сигнала, принимаемого базовой станцией-ретранслятором, и тем самым решать «Проблему №2» создания «Идеального конвертора». Принципиально важным является то, что данный способ применим для систем, в которых передача информации основана не только и не столько на модуляции амплитуды, фазы или частоты высокочастотного сигнала (или их различных сочетаний), принципиально требующих линейности преобразований, а на модуляции мощности широкополосного шумоподобного сигнала во времени, что допускает применение в тракте обработки радиосигнала нелинейных преобразований (элементов) без заметного искажения при этом полезной (энергетической) информационной составляющей. Данная особенность подобной системы связи позволит перед преобразованием спектра в ретрансляторе базовой станции осуществить предварительное выравнивание (нормирование) амплитуд всех поступающих радиосигналов, в простейшем случае при помощи обыкновенного логарифмического усилителя. При этом в лучшую сторону изменяется соотношение уровней слабого полезного широкополосного информационного сигнала и радиофона, причем без потерь полезной для данного класса систем радиосвязи (энергетической) информационной составляющей. Нормирование принимаемого спектра перед его преобразованием (переносом частоты) в ретрансляторе, приемлемое для систем радиосвязи такого рода, позволяет значительно ослабить влияние проблемы №1 при создании «Идеального» ретранслятора.
Решение проблемы №2 в ретрансляторе осуществляется в процессе переноса в область «нулевых» частот входного спектра сигнала, принимаемого базовой станцией-конвертором во время его обработки в конверторе способом, упомянутым выше (см. RU 2002122545, Кл.7: H04B 1/66, H04K 1/00, 22.08.2002) и описанным ниже. Причем сама процедура преобразования спектра сигнала вниз и вверх по частоте, именно для устранения мощных узкополосных помех перед усилением мощности может быть выполнена в ретрансляторе последовательно несколько раз (в несколько итераций), вплоть до достижения требуемых кондиций спектра сигнала, причем (в случае необходимости) даже в сочетании с нормированием уровня радиосигнала на каждой из этих итераций.
Этот способ помехоподавления (RU 2002122545, Кл.7: H04B 1/66, H04K 1/00, 22.08.2002) [9, 10] обеспечивает подавление самых разных мощных узкополосных помех (AM, ЧМ, в т.ч. сканирующих) по интегральной мощности более чем на 40 дБ превосходящих полезный широкополосный сигнал. Блок-схема устройства подавления, реализующего этот способ, приведена на фиг.2. Устройство состоит из следующих блоков: 7 - вход устройства, 8 - усилитель-ограничитель, 9 - линейный усилитель, 10 - перемножитель, 11 - полосовой фильтр, 12 - выход устройства. Механизм устранения помех, используемый в данном способе, заключается в следующем. Предположим, что на вход принимающего устройства поступила векторная сумма напряжений полезного сигнала Uсиг с частотой модуляции Fмод<<(F1-F0) и узкополосной помехи Uузк с полосой изменения квадрата напряжения Uузк помехи ΔFузк<<F1-F0, тогда при прохождении смеси «сигнал плюс помеха» через усилитель-ограничитель 8 помеха подавит полезный сигнал и останется нормированный член Uузк/|Uузк|, а при прохождении через линейный усилитель 9 соотношение не изменится, то есть получим k·(Uсиг+Uузк)·Uузк/|Uузк|, из чего следует, что при перемножении узкополосная помеха станет как бы гетеродином для полезного сигнала и в случае выполнения условия ΔFузк<<(F1-F0) после пропускания результирующего сигнала перемножения через полосовой фильтр 11 с полосой пропускания частот [ΔFузк, (F1-F0)] исключается сама узкополосная помеха. В целях упрощения дальнейшего изложения материала сигнал в полосе [ΔFузк, (F1-F0)] в рамках текста данного патента будем называть «низкочастотным» сигналом, хотя его реальная частотная полоса может составлять и 1, и 10, и 100 МГц. Выделяя далее огибающую из отфильтрованного сигнала, то есть мощность, получаем полезный сигнал с частотой Fмод, который затем можно обрабатывать корреляционным способом для получения информации. В данной системе важным является то, что значение имеет частотная полоса спектра изменения мощности помехи, а не частотная полоса, занимаемая самой помехой, что позволяет убирать и сканирующие помехи, не зная их реального месторасположения в спектре сигнала. Очень важным для этого способа обработки широкополосного сигнала (в отличие от способа по патенту RU (11), 2127021, Кл.7: H04B 1/62, H04K 1/00 25.06.1998 [7]) является то, что преобразование спектра осуществляется не на нелинейных элементах посредством выделения соответствующих гармоник (что приводит к потере амплитуды сигнала), а в процессе перемножения сигналов, т.е. практически без потери амплитуды, что качественно улучшает стабильность работы и качество системы в целом.
Каскадирование такого способа (неоднократное преобразование спектра вниз и вверх по частоте с поэтапным подавлением очередных наиболее мощных помех) позволяет убрать не одну помеху, а несколько. Применение (помимо грубого подавления мощных узкополосных помех) дополнительной процедуры нормирования уровней сигналов в спектре посредством пропускания его, например, через логарифмический усилитель на любом (или хотя бы на последнем) из этих этапов позволит достичь требуемых соотношений сигнал/шум, т.е. реального повышения «КПД ретранслятора», и существенного расширения динамического диапазона системы ретрансляции в целом.
Можно предложить следующую блок-схему устройства, осуществляющего автоматическое каскадирование, приведенную на фиг.3. К входу 13 устройства автоматического каскадирования подключаются последовательно друг за другом блоки 14 подавления одиночной помехи (для примера, на фиг.4 их количество равно трем), имеющих структуру, изображенную на Фиг.2, и работающих описанным выше способом, дополненные блоками 15 анализа спектра сигнала канала и блоками преобразования спектра вверх по частоте 16. Блоки 15 анализа спектра сигнала канала, пропускают на свой выход спектр сигнала, определяя при этом разницу между значением амплитуды максимального сигнала узкополосной помехи и усредненным значением амплитуд широкополосных сигналов в канале и в случае превышения ей некоторого, наперед заданного порогового уровня, формируют сигнал управления для схемы 17 приоритетного управления, которая обеспечивает передачу на выход 18 устройства автоматического каскадирования спектра сигналов именно того канала (выхода устройства подавления узкополосной помехи), который обеспечивает одновременно и требуемое пороговое значение между средним уровнем широкополосного сигнала и амплитудой максимальной узкополосной помехи в канале, и наивысший приоритет устройства подавления узкополосной помехи (в смысле логической близости выхода соответствующего устройства подавления одиночной узкополосной помехи в последовательной цепи устройств подавления к входу этой цепи). Спектры сигналов с выходов разных блоков подавления узкополосных помех перед их выдачей на выход устройства автоматического каскадирования «фазируют» введением индивидуальных схем 19 задержки, включаемых после блоков подавления, что обеспечивает одинаковое время прохождения спектров сигналов по любому из каналов на выход 18 устройства автоматического каскадирования. Как вариант, схемы анализа спектра сигнала канала, включая элементы фазирования, могут быть реализованы централизованно непосредственно в блоке 17 приоритетного управления, который в этом случае можно будет называть N-канальной схемой анализа. Несмотря на то что ΔFузк<<(F1-F2), каждый такой каскад вырезает не только помеху, но и часть полезного сигнала, и при определенном количестве помех будет, конечно, потерян и сам полезный сигнал. Однако попадание множественных мощных узкополосных помех в радиотракт системы является возможным, но достаточно редким событием, да и спектральная полоса модуляции мощности реальных узкополосных помех, как правило, несопоставима ни с шириной узкополосной помехи, ни с шириной полосы пропускания самой широкополосной системы связи. Тем не менее, ввиду особой ответственности, обусловленной централизацией функций в устройстве групповой обработки каналов базовой станции и их критичностью для работоспособности системы в целом, в радиотракте базовой станции должно быть предусмотрено многократное каскадирование схем подавления узкополосных помех, в то время как в аппаратуре абонентов для снижения их себестоимости достаточно двух-, трехкаскадной схемы.
Широкополосный высокочастотный полезный сигнал, фигурирующий в описанном выше способе подавления мощных узкополосных помех (RU 2002122545, Кл.7: H04B 1/66, H04K 1/00, 22.08.2002 [7, 8,]), в котором используется модуляция мощности во времени, может быть разных типов и сформирован самыми разными способами, например, как частотно-модулированный сигнал, как амплитудно-модулированный сигнал, но для целей создания предлагаемых в рамках настоящего патента радиосетей с групповой (интегральной) ретрансляцией спектра его следует формировать способами, основанными на модуляции интегральной мощности при помощи псевдослучайных последовательностей, например, так, как это описано в RU (11), 2127021, Кл.7: H04B 1/62, H04K 1/00 25.06.1998 [6], что является необходимым для получения сложных широкополосных сигналов, обеспечивающих кодовое разделение каналов, требуемое для организации адресации абонентов и разделения каналов абонентов в радиосети.
Как показали эксперименты, сигналы такого типа могут быть успешно использованы для создания систем сотовой телефонии с кодовым разделением каналов, потому что кроме самой возможности эффективного кодового разделения огромного количества каналов придают аппаратуре следующие крайне важные для мобильных решений качества [9, 10]:
- принципиальную возможность интегральной реализации радиотракта, причем без использования дорогостоящих и медленнодействующих (ведь это обсчет Фурье-преобразований) цифровых сигнальных процессоров;
- трех-, четырехкратное сокращение себестоимости изделий, даже без использования интегральной реализации - за счет отказа от частотно-фазовых методов обработки сигнала и использования связанных с ними дорогих прецизионных фильтрующих элементов, элементов подстройки и т.п.;
- высокую технологичность, воспроизводимость, надежность изделий, возможность полной герметизации изделий и действительно индустриальный интегральный способ производства;
- более высокую стабильность эксплуатационных параметров, т.к. температурные изменения электрических параметров компонентов не оказывают столь значительного влияния на основной передаваемый информационный параметр данного изделия - излучаемую мощность, какие они оказывают в традиционных фазово-частотных системах радиосвязи на частоту.
Таким образом, если в приемо-передающих устройствах абонентов и базовой станции в качестве широкополосных сигналов с кодовым разделением каналов использовать шумоподобный сигнал, промодулированный псевдослучайной кодовой последовательностью по заданному, в соответствии с принципом кодового разделения каналов, закону модуляции мощности с частотой модуляции мощности Fmod<<min{(F1-F0), (F4-F3)}, где (F0, F1) - полоса приема базовой станции, a (F3, F4) - полоса приема абонентов, а приемные и передающие антенные тракты абонентов и базовой станции выполнить с использованием и на передаче и на приеме комплементарно связанных, но разных полос частот (F3, F4) и (F0, F1) соответственно и организовать формирование этих сигналов при передаче и обработку их при приеме так, чтобы сигнал, поступающий из приемной антенны базовой станции и абонентов, был отфильтрован в соответствующей полосе приема и на его основе были сформированы два сигнала, один из которых получают в результате усиления отфильтрованного в полосе приема сигнала и ограничения его по амплитуде, а в качестве второго использовать упомянутый отфильтрованный сигнал, или сигнал линейно усиленный (без изменения формы), если полученные два сигнала потом перемножить и результирующий сигнал отфильтровать в целях устранения наиболее мощной помехи, причем для абонентской станции в полосе частот {ΔF”узк, (F4-F3)}, а для базовой станции - в полосе частот {ΔF'узк, (F1-F0)}, где ΔF'узк, ΔF”узк - частотная полоса спектра изменения квадрата амплитуды напряжения максимальной узкополосной помехи, попадающей соответственно в полосу частот (F0, F1) в зоне приемной антенны базовой станции и в полосу частот (F3, F4) в зоне приемной антенны абонента соответственно, а при наличии нескольких мощных узкополосных помех в спектре принимаемого абонентской или базовой станцией сигнала полученный после фильтрации первой узкополосной помехи (группы помех) низкочастотный спектр перемножить с опорным узкополосным сигналом Fоп для переноса спектра информационного сигнала из области низких в область высоких частот и отфильтровать в соответствующей полосе высоких частот, например в полосе (F3, F4), после чего выполнить вышеописанную процедуру разделения сигнала на два сигнала с последующим усилением и ограничением одного из них, усилением без ограничения второго и перемножением результирующих сигналов в целях переноса информационного спектра в область низких, а помехи - в область нулевых частот и осуществления ее последующей фильтрации, причем весь этот вышеописанный процесс перехода в область высоких частот и фильтрации очередной максимальной узкополосной помехи, после перемножения сигналов параллельных каналов и перехода спектра сигнала в область низких частот, повторить многократно (т.е. выполнить несколько итераций этого преобразования) посредством автоматического каскадирования до достижения спектром сигнала заранее заданных кондиций в отношении мощных узкополосных помех в спектре итогового информационного сигнала в приемных устройствах абонентов или в отношении обеспечения требуемого значения величины динамического диапазона ретранслятора базовой станции соответственно, после чего в абонентской станции отфильтрованный таким образом «низкочастотный сигнал» демодулировать путем его преобразования в напряжение, пропорциональное мощности, с последующим ограничением уровня и выделением корреляционным способом информационного сигнала, соответствующего данному абоненту в соответствии с принципом кодового разделения каналов, а в базовой станции полученный «низкочастотный» сигнал дополнительно пронормировать, пропуская через блок нормализации (например, через логарифмический усилитель) с целью уменьшения влияния оставшихся в спектре сигнала узкополосных помех и выравнивания амплитуд полезных широкополосных информационных сигналов и амплитуд сигналов общего радиофона местности в точке приема, а затем перемножить полученный таким способом «низкочастотный сигнал» с опорным сигналом F2 для переноса спектра сигнала вверх на частоту передачи базовой станции и полученный сигнал отфильтровать в полосе частот передачи (F3, F4), после чего усилить его усилителем мощности с автоматической регулировкой усиления до необходимого уровня мощности и излучить в эфир через передающие антенны базовой станции для последующего приема этого сигнала приемными антеннами абонентов и обработки в соответствии с принципом кодового разделения каналов, причем для всех мобильных абонентов организацию управления процессом расчета и установления уровня собственной мощности излучения по уровню «пилот-сигнала» базовой станции и количеству ошибок в канале связи, а для внутризоновых корреспондентов и организацию управления процессами синхронизации приема и передачи, процедур организации логических каналов, включая логические процедуры посылки и подтверждения вызова, организации речевого канала, отбоя, мягкой передачи каналов при переходе корреспондента в смежную зону выполнять программно-техническими средствами аппаратуры абонентов, при том, что абоненты, не получившие за время Tmax, где Tmax - максимальное время отклика внутризонового корреспондента, сигнала подтверждения о наличии корреспондента в зоне действия данной базовой станции, будут направлять на базовую станцию сигнал внешнего вызова, а в базовой станции для таких вызовов будет осуществляться прием этого сигнала, но уже в качестве сигнала внешнего вызова в полосе (F0, F1), с обработкой этого сигнала, аналогично тому, как это делается в абонентском комплекте, но в полосе приема (F0, F1) и выделение корреляционным способом информационной составляющей сигнала для каждого внешнего вызова (осуществление процесса демодуляции) и, если затем выполнить обработку полученной информации программно-техническими средствами базовой станции индивидуально для каждого внешнего вызова, т.е. предоставить абоненту, запросившему внешний вызов, физическое канальное оборудование базовой станции для организации логических каналов связи, каналов выхода в глобальную телефонную сеть и необходимый сервис, включая процедуры регистрации, организации роуминга, с последующим формированием, выдачей в передающее устройство и излучением в радиоэфир через передающие антенны базовой станции для передачи абонентам в полосе частот передачи (F3, F4) соответствующего спектра широкополосных сигналов, промодулированных псевдослучайной кодовой последовательностью по заданному, в соответствии с принципом кодового разделения каналов абонентов, закону модуляции мощности, то такая система сможет обеспечить соединение как минимум «внутризоновых» корреспондентов смежных базовых станций без участия физических каналов базовой станции, что снизит нагрузку на физическое канальное оборудование и аппаратуру базовой станции и значительно повысит ее общую пропускную способность.
Организация процедуры посылки вызова и организации речевого канала между любыми внутризоновыми корреспондентами через конвертор-усилитель базовой станции принципиально не отличается от имевшей место традиционной процедуры посылки вызова и организации речевого канала между абонентом и базовой станцией - разве что вместо канального оборудования традиционной базовой станции ретранслируемые конвертором-усилителем базовой станции сигналы начинает принимать и обрабатывать абонент-корреспондент. Тем не менее, учитывая увеличившуюся размерность задачи и принципы передачи (в данном случае - ретрансляции) сигналов для радиосетей увеличившегося радиуса действия изменится как механизм управления мощностью абонентов, так и механизм синхронизации (вхождения в связь) корреспондентов, а также размерности регистров и механизм формирования псевдослучайных последовательностей, используемых для формирования широкополосного спектра сигналов.
Выставление уровня начальной максимально-необходимой мощности передатчика абонента, последующее уменьшение ее до минимально-необходимой мощности и отслеживание минимально-необходимого уровня излучения в процессе работы абонента должно осуществляться с использованием элементов механизмов, характерных для стандарта CDMA, с корректировкой на то, что главной задачей нового механизма при обслуживании мобильных абонентов в предлагаемой системе связи становится не столько минимизация мощности, излучаемой каждым из абонентов и пресловутой «площади соты», хотя она тоже важна с точки зрения энергопотребления мобильных абонентов в процессе работы системы, сколько относительное выравнивание и ограничение уровней сигналов, принимаемых от абонентов, на входе базовой станции, т.е. обеспечение возможности приема базовой станцией сигналов от подвижных станций с практически одинаковым уровнем мощности независимо от их удаления и поддержания требуемого соотношения этого уровня (уровня полезного сигнала) и уровня общего радиофона местности в месте размещения антенны базовой станции, с целью последующего группового усиления спектра полезных сигналов до требуемого уровня и предоставления всем абонентам равных возможностей доступа. При этом можно допустить, чтобы мощность спектра сигнала, излучаемого самой базовой станцией в полосе ее передачи, была достаточно высока и значительно превосходила мощность спектра, излучаемого любым из абонентов (т.е. чтобы связь по прямому каналу с любым абонентом была гарантирована). Разумеется, для первоначального грубого установления уровня мощности излучения абонентов и последующего самостоятельного управления абонентами уровнем собственной мощности излучения, базовая станция должна обеспечивать непрерывное формирование относительно мощного «пилот-сигнала», уровень мощности которого в точке расположения антенны абонента мог бы служить для абонента основой для расчета и выставления уровня собственной начальной мощности излучения.
После грубой фиксации уровня необходимой выходной мощности абонент, запрашивающий вызов корреспондента, формирует канал вызова и посылает этот вызов на базовую станцию, которая, не осуществляя демодуляции, конвертирует посредством описанного выше «идеального конвертора» весь принимаемый спектр сигналов (вызовы от всех абонентов) в полосу передачи базовой станции (F3, F4), усиливает весь спектр сигналов до требуемого уровня и передает через эфир абонентам-корреспондентам. Дополнительное снижение мощности излучения абонентов и доведение ее до уровня действительно минимально-необходимого возможно после осуществления процедуры синхронизации и вхождения корреспондентов в связь посредством взаимного контроля корреспондентами количества ошибок в поступающей информации и взаимной передачи соответствующих команд на коррекцию излучаемой мощности в пределах максимальных уровней мощности, определяемых на стадии их грубой установки по «пилот-сигналу» базовой станции.
Для организации синхронизации, особенно в системах дальней связи, в аппаратуре абонента формируются независимые приемный и передающий логические каналы синхронизации и вводятся схемы автоподстройки частоты синхронизации. Посредством этих каналов обеспечивается осуществление вхождения корреспондентов в связь непосредственно друг с другом, а в случае внешних вызовов и с аппаратурой базовой станции без использования специальных синхросигналов базовой станции. Для микромощных систем связи и систем связи незначительного радиуса действия в таком усложнении процедуры и аппаратуры синхронизации нет необходимости - достаточно синхросигналов с самой базовой станции.
Каналы синхронизации могут использоваться либо только для синхронизации, т.е. для постоянной передачи стартовых («адресных») циклических кодовых последовательностей, либо и для последующей (посредством цифровой модуляции псевдослучайной кодовой последовательности) передачи командной информации, т.е. могут одновременно являться и каналами вызова. Через них же, посредством цифровой модуляции, могут передаваться и команды управления обменом и команды управления мощностью. Передачу стартовых циклических кодовых последовательностей по каналу синхронизации абонентам желательно осуществлять в течение всего сеанса связи для того, чтобы корреспондентам можно было автоматически и быстро восстанавливать связь в случае сбоя или потери синхронизации. Однако, как отмечалось выше, в зависимости от конкретных требований и условий функционирования системы возможны и другие варианты организации синхронизации, ее поддержания и восстановления (см., например, патент RU №2295835, 2007 [11]). Номера логических каналов синхронизации являются уникальными для каждого абонента и в простейшем предельном случае соответствуют двоично-десятичному номеру абонента. Для защиты логических каналов от несанкционированного контроля и доступа возможно применение самых различных механизмов и способов кодирования. Наиболее эффективным с точки зрения сокращения аппаратурных затрат следует признать способы кодирования и формирования псевдослучайных последовательностей с использованием теории дискретных стохастических систем, ориентированные на схемы с дефицитом аппаратных ресурсов [9].
Процедуру вызова корреспондента, совмещенную с процессом и принципом самосинхронизации, рассмотрим на примере одного из самых простых вариантов. При посылке вызова абонент генерирует повторяющуюся стартовую (адресную) циклическую кодовую последовательность-преамбулу, формируемую, например, на основании двоично-десятичного номера вызываемого абонента. Это последовательность, хоть и ограниченная, но должна иметь значительно большую длину, чем длина самого двоично-десятичного кода номера вызываемого абонента-корреспондента. На эту циклическую последовательность код номера уникальным образом влияет, но большая часть ее бит используется для улучшения автокорреляционных свойств этой циклической последовательности и обеспечения ортогонализации стартовых циклических кодовых последовательностей разных абонентов. Данную стартовую циклическую кодовую последовательность абонент многократно (с кратностью большей, чем количество бит в самой стартовой циклической кодовой последовательности) передает в эфир посредством формирования соответствующего спектра сигналов в полосе передачи в течение определенного времени, достаточного для осуществления процесса синхронизации. После чего соответствующими командами передает по каналу синхронизации собственный телефонный номер, а в целях уточнения (для минимизации ложных вызовов) и номер вызываемого корреспондента, после чего ожидает от корреспондента поступления аналогичной повторяющейся циклической стартовой кодовой последовательности, соответствующей номеру собственного канала вызова для осуществления процесса синхронизации своего корреляционного приемника с передатчиком корреспондента.
Канал синхронизации приемника каждого абонента постоянно работает на прием, причем в качестве циклической псевдослучайной последовательности, с которой корреляционным способом сравнивается спектр входного сигнала, используется точно такая же уникальная стартовая циклическая последовательность, построенная по точно такому же алгоритму, на основе двоично-десятичного кода его собственного телефонного номера, которую должен генерировать вызывающий его абонент.
В процессе синхронизации, приемник, после выполнения каждого цикла сравнения входного спектра и собственной стартовой циклической последовательности пропускает такт (бит) и снова повторяет цикл, сдвигая тем самым в каждом цикле свою внутреннюю стартовую циклическую последовательность относительно всех последовательностей входящего спектра сигналов - до тех пор, пока не будет получено одномоментное совпадение кода, ожидаемого приемником, и кода, генерируемого передатчиком вызывающего его корреспондента, характеризующееся всплеском автокорреляционной функции. Момент синхронизации псевдослучайных последовательностей передатчика и приемника фиксируется аппаратурой приемника, после чего запускаются механизмы автоподстройки частоты синхронизации и начинается штатный прием служебной информации для обеспечения процедуры вызова и организации речевого канала. Для чего по каналу синхронизации (вызова) посредством цифровой модуляции спектра сигнала и посылки соответствующих команд вызываемому абоненту передается код номера телефона вызывающего абонента и команда запроса вызова. На основании переданного кода номера вызываемый абонент формирует соответствующую повторяющуюся циклическую последовательность для обеспечения аналогичного процесса синхронизации приемника вызвавшего его абонента и последующей посылки команды подтверждения вызова (Прим. автора: в практических разработках совершенно не обязательно запускать механизм поиска синхронизации в обратную сторону, в большинстве случаев можно организовать синхронный «обратный прием», используя в качестве опорной синхронизацию прямого канала, по которому осуществлялось обращение к корреспонденту). Так или иначе, после выполнения процедуры синхронизации своего приемника, абонент, запросивший вызов, получает возможность обмена командами со своим корреспондентом для организации речевого канала. В случае сбоя синхронизации процедура установления связи автоматически повторяется, однако существуют достаточно эффективные оперативные методы поддержания и восстановления синхронизации без осуществления процедуры повторного установления связи. Таким образом, принять команды подтверждения сможет только абонент, пославший вызов. Посредством обмена командами по каналам вызова и доступа могут быть отработаны самые различные процедуры установления соединения, а при наличии нескольких независимых каналов и синхронизации и приема возможно установление состояния занятости корреспондента, обслуживания повторных вызовов во время текущего соединения, завершения соединений и т.п. Как показали практические эксперименты, для организации вызовов одного миллиона абонентов может быть задействован непосредственно миллион логических каналов вызова и миллион логических каналов доступа без какого-либо серьезного увеличения аппаратурных затрат и проблем с идентификацией каналов приемными устройствами.
Получив на стадии процесса первичной синхронизации информацию о запросе обращения к нему, выбранный таким образом корреспондент должен будет выполнить процедуру грубого выставления начальной мощности излучения и автоматически, через конвертор базовой станции, направить по каналу доступа абонента, запросившего вызов, команду подтверждения своего присутствия в зоне действия данной базовой станции, с последующим (в случае принятия решения об ответе) открытием между данными корреспондентами логического канала для обмена речевой информацией через конвертор-усилитель базовой станции. Таким каналом может быть назначен один, например, из миллиона возможных логических речевых каналов, если каждому абоненту присвоить личный номер речевого канала (код стартовой кодовой последовательности). Увеличение числа логических речевых каналов до миллиона с аппаратурной точки зрения достигается практически бесплатно - простым увеличением на 24 разряда разрядности регистра стартовой кодовой последовательности в блоке формирования псевдослучайной кодовой последовательности приемника и передатчика аппаратуры абонентов.
Разумеется, для организации процедур посылки и подтверждения приема вызова, а также организации речевого канала в аппаратуре абонента должна использоваться отличная от простейшей, используемой в традиционных стандартах, расширяющая псевдослучайная последовательность, со значительно большими возможностями по кодовому разделению каналов и адресации абонентов, что, однако, сегодня достаточно эффектно решается даже аппаратными методами на основе дискретных стохастических систем, ориентированных на среды с ограниченными аппаратными ресурсами или посредством обычной процессорной логической обработки [12], кодов каналов в аппаратуре абонентов, что не требует дополнительных аппаратурных затрат, кроме увеличения на 20 разрядов разрядности регистров, формирующих псевдослучайные последовательности в приемнике и передатчике. В отличие от ситуации с традиционной базовой станцией, где для образования каждого логического речевого канала уже в самой базовой станции требуется как минимум два отдельных аппаратных коррелятора и все элементы индивидуальной цифровой и процессорной обработки демодулированного цифрового информационного сигнала.
Алгоритмы формирования уникальных (защищенных от прослушивания) номеров (кодов) предоставляемого речевого канала могут быть построены на различных принципах. Номер речевого канала можно формировать в аппаратах абонентов из номеров корреспондентов с использованием в абонентах идентичных алгоритмов формирования кода речевого канала. В тривиальном случае - путем присвоения речевому каналу номера вызываемого или вызывающего абонента. В более сложном случае - путем конкатенации последних, например трех десятичных цифр номеров обоих корреспондентов в двоично-десятичной форме. Уникальность при этом можно обеспечить, введя еще несколько разрядов в регистр формирования кодовой псевдослучайной последовательности речевого канала, которые будут устанавливаться (заполняться) у обоих корреспондентов кодом метки текущего системного времени, передаваемой абонентом, запрашивающим вызов, своему корреспонденту командой управления, по каналу вызова. Вместо кода метки времени может использоваться случайное число, или уникальный код, генерируемый в аппаратах корреспондентов по известному только им секретному алгоритму на основании информации, передаваемой по каналу вызова или доступа и т.д., и т.п.
Для реализации всех этих возможностей оптимальным следует признать приемники более чем с четырьмя корреляторами, что позволит одновременно, по нескольким каналам, принимать и сигналы синхронизации, и отраженные сигналы, и сигналы с двух и более базовых станций, выбирать и использовать лучший (с минимальным количеством ошибок) сигнал, посредством чего одновременно будет осуществляться автоматическая «мягкая» передача каналов корреспондента при переходе их из зоны действия одной базовой станции в зону действия другой.
Если при этом в полосу излучения каждой базовой станции добавить полученные по помехозащищенным линиям связи очищенные от помех и перенесенные в полосу передачи данной базовой станции спектры входных сигналов смежных с ней базовых станций, причем с таким же уровнем интегральной мощности, и обеспечить излучение такого спектра данной базовой станцией в зоне ее действия, то процесс перехода «внутризоновых» корреспондентов в смежную зону будет осуществляться вообще без логического вмешательства аппаратуры базовых станций - посредством автоматического выбора аппаратурой абонента базовой станции с лучшими энергетическими свойствами сигнала (либо кадра). Важным обстоятельством в пользу такого решения является то, что в связи со значительным увеличением размеров зон действия базовых станций вероятность пересечения абонентами сразу нескольких зон за время одного сеанса связи равна практически нулю. Таким образом, для реализации «мягкой» передачи каналов абонентов внутризоновых корреспондентов при их переходе в зону действия смежных базовых станций требуется введение в аппаратуру абонента всего лишь нескольких независимых каналов синхронизации и, соответственно, нескольких каналов приема информации на основе независимых корреляторов, необходимо также введение устройства выбора наиболее достоверного сигнала (либо кадров) в каждом из этих каналов, а в приемном устройстве каждой базовой станции «низкочастотный» сигнал, содержащий информацию, полученный после его нормализации в блоке нормализации (выполненном в простейшем случае на основе логарифмического усилителя), но перед перемножением его с опорным сигналом F2 для преобразования частоты, необходимо просуммировать с аналогичными нормализированными сигналами базовых станций i смежных зон, где i={0, …,К}, а К - общее число смежных зон базовой станции, принимаемыми по внешним помехозащищенным каналам связи. Одновременно с этим, также при помощи помехозащищенных каналов связи, следует обеспечить передачу собственного «низкочастотного» сигнала базовой станции на смежные базовые станции для осуществления его ретрансляции в полосе передачи (F3, F4) смежных базовых станций.
Принятие такой концепции позволит для наземных систем радиотелефонной связи большого радиуса действия вообще отказаться от функций и сложнейшей аппаратуры выполнения и контроля «передачи» корреспондентов (при их перемещении из зоны действия одной базовой станции в зону действия другой, смежной) с помощью специальных программно-аппаратных средств базовых станций, т.к. при размерах зоны обслуживания базовой станции порядка 30-50 км и реальной возможности значительного (десятки километров) перекрытия зон действия смежных базовых станций вероятность такого двойного перехода корреспондента из зоны досягаемости одной базовой станции в зону действия другой, а затем и третьей базовой станции за время одного сеанса связи становится практически нулевой. Причем, даже в случае наступления такого редкого события, прерванная связь может быть быстро (или даже автоматически) восстановлена, но уже с использованием механизмов и каналов «внешних вызовов» и штатной процедуры межстанционного обмена. Использование этого принципа позволяет дешево и эффективно осуществлять «мягкую передачу» мобильных абонентов от одной базовой станции к другой - смежной, обеспечивая неограниченное территориальное масштабирование подобного рода радиосетей, поскольку используемый подход требует ретрансляции каждой базовой станцией только (!) ограниченного количества сигналов с базовых станций смежных зон.
Предложенный механизм организации взаимодействия между абонентами может быть с успехом использован и при создании сетей с коммутацией пакетов, для осуществления непосредственной передачи пакетов между корреспондентами, находящимися в зоне действия одной или смежных базовых станций, обеспечивая разгрузку физических каналов базовых станций-маршрутизаторов пакетных радиосетей в целях повышения общей пропускной способности радиосистемы связи с коммутацией пакетов.
Для дополнительного снятия нагрузки с физических каналов и аппаратуры базовой станции с нее может быть снята задача организации соединений между мобильными абонентами сети, находящимися в зоне действия данной базовой станции, и абонентами местной телефонной сети общего пользования (ТФОП). Такие соединения обычно составляют значительную долю нагрузки на каналы базовой станции в провинциальных городах. Для них может быть предложен дополнительный отдельный механизм организации связи. В частности, для таких соединений предлагается использовать фактически только общий тракт приема, конвертации и передачи спектра базовой станции (т.е. используя только собственно Устройство групповой передачи сигналов корреспондентов, описанное в данной заявке), а обработку вызовов для таких соединений перевести с базовой станции на специальный многоканальный котроллер радиодоступа к местной ТФОП, размещаемый либо непосредственно на базовой станции, либо даже вне ее - на местном узле (станции) телефонной связи, который в упрощенном варианте (без регистрации абонентов, обеспечения роуминга и т.п.) просто выполнял бы функции организации соединения для связи мобильных абонентов с абонентами местной телефонной сети и даже обеспечивал возможность альтернативного (через ТФОП) выхода мобильных абонентов в глобальную телефонную сеть.
Организация взаимодействия такого контроллера с базовой станцией может быть организована различными способами. Контроллер может быть реализоан непосредственно в составе аппаратуры базовой станции и подсоединен кабельными линиями к ТФОП, при этом в самой базовой станции создается соответствующее канальное оборудование и располагается контроллер, обеспечивающий его взаимодействие с ТФОП посредством кабельных соединений.
Возможно размещение такого контроллера непосредственно на станции ТФОП и использование его в роли своего рода автоматического коммутатора для приемо-передачи эфирных вызовов мобильных абонентов, ретранслируемых через радиоэфир на такой автоматический коммутатор специальным Устройством групповой обработки каналов базовой станции с целью их последующей переадресации и передачи в ТФОП.
При этом приемо-передающий радиотракт базовой станции (Устройство групповой обработки каналов) для таких соединений будет использоваться лишь для управления мощностью абонентов и обеспечения «мягкой» передачи каналов при переходе корреспондентов в смежную зону, а также для ретрансляции на этот контроллер-коммутатор ТФОП обращений мобильных абонентов к абонентам ТФОП (и наоборот - передачи вызовов из местной ТФОП к мобильным абонентам радиосети), что снизит нагрузку на саму базовую станцию, сделает ее предельно дешевой и дополнительно освободит ее физическое канальное оборудование для обслуживания внешних вызовов. Сами же сигналы вызовов от мобильных абонентов к абонентам местной телефонной сети, имеющих, например, какой-то специфический «короткий» абонентский номер, должны сначала попадать на приемо-передающее устройство базовой станции (устройство групповой обработки каналов), а с него путем ретрансляции - на многоканальный телефонный контроллер-коммутатор общего радиодоступа к местной телефонной сети, размещенный на станции ТФОП, посредством которого и осуществляется последующее соединение мобильных абонентов с абонентами местной телефонной сети общего пользования. После соединения мобильных абонентов с контроллером-коммутатором ТФОП им может быть даже разрешен и последующий выход в глобальную телефонную сеть, что позволит повысить живучесть системы связи в целом.
Как вариант организации радиосети, вместо или одновременно с коллективным многоканальным контроллером радиодоступа к местной ТФОП для отдельных абонентов могут быть созданы прямые индивидуальные каналы радиодоступа к местной ТФОП с помощью персональных абонентских контроллеров радиодоступа к частной телефонной линии, для чего сигналы вызовов от мобильных абонентов к персональным абонентским контроллерам (имеющих «личный» абонентский номер) частных телефонных линий местной телефонной сети должны штатно ретранслироваться через приемо-передающее устройство базовой станции и радиоэфир на персональные абонентские контроллеры радиодоступа к частным телефонным линиям местной телефонной сети, посредством которых должно осуществляться последующее соединение мобильных абонентов с абонентами местной телефонной сети общего пользования либо даже их последующий «частный» выход в глобальную телефонную сеть.
В случае исключения из вышеописанного полного состава системы ряда функций и устройств, например функций базовой станции по организации выхода в глобальную телефонную сеть, или многоканального контроллера радиодоступа к местной ТФОП, на основе Устройства групповой обработки каналов может быть построена дешевая мобильная ведомственная локальная радиотелефонная сеть с возможностью выхода в ТФОП через персональные абонентские контроллеры радиодоступа к частным телефонным линиям, при этом все проблемы выхода глобальную телефонную сеть в такой системе может полностью взять на себя местная телефонная сеть общего пользования.
В случае исключения из состава такой системы помимо всего прочего даже персональных абонентских контроллеров радиодоступа к частным телефонным линиям на основе предлагаемых принципов и базового Устройства групповой обработки каналов может быть организована простая и дешевая, основанная на интегральном преобразовании и ретрансляции радиочастотного спектра сигналов, автономная, мобильная, локальная (например, корпоративная или ведомственная), радиотелефонная сеть.
Данный конкретный пример организации работы мобильной радиосети не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует принципиальную возможность достижения требуемого результата - переноса процесса организации синхронизации (если необходимо), организации вызова, коммутации каналов (организации соединения), организации речевого канала и процедуры «мягкой передачи» каналов при переходе корреспондента в смежную зону с аппаратуры базовой станции на аппаратуру абонентов, возможность новой организации процедуры взаимодействия мобильных абонентов с местной ТФОП и возможность фактического снятия с базовой станции нагрузки и конкретных ограничений на количество одновременно работающих в зоне корреспондентов. Главное же, что показывает этот пример: базовая станция радиосети с групповой обработкой каналов абонентов будет иметь себестоимость, несопоставимую с себестоимостью базовых станций, построенных на основе традиционных принципов демодуляции и индивидуальной обработки и формирования физических каналов в базовой станции для передачи информации между каждой парой корреспондентов, а количество одновременно обслуживаемых каналов (корреспондентов) - неизмеримо большее. Реальные схемы могут быть серьезно усовершенствованы и существенно оптимизированы с учетом конкретных требований и специфики конкретной радиосети. Например, для систем, работающих на небольшие расстояния, и микромощных систем «ближнего» радиуса действия, домашних радиосетей - возможно и даже целесообразно использование общей (централизованной, формируемой базовой станцией) широкополосной или простой узкополосной импульсной синхронизации, совмещение ее с «пилот-сигналом», формируемым для первоначальной установки мощности абонентов и т.п., при этом процесс синхронизации приема и передачи спектра собственно широкополосных сигналов в аппаратуре абонентов будет осуществляться на основе синхросигналов, формируемых самой базовой станцией.
Важным является то, что при подобной организации групповой обработки и коммутации каналов, количество одновременно разговаривающих внутризоновых корреспондентов будет определяться уже не конкретным количеством каналов базовой станции (количеством корреляторов, модуляторов и т.п.), а чисто физическими ограничениями полосы пропускания (приемо-передачи) и общего уровня взаимных и внешних помех, предельные значения которых устанавливает теорема В.Котельникова (К.Шеннона). Причем при перегрузках, если так можно выразиться, «информационного пространства», отказ системы будет носить не массовый катастрофический характер, а плавный, приоритетно-выборочный. Первоочередной приоритет на «отказ в обслуживании» в случае перегрузок «внутризоновой» системы связи системы будут иметь наиболее удаленные абоненты при полной работоспособности системы связи для абонентов центральной зоны. При этом для вызова спецслужб в экстренных ситуациях можно будет предоставлять доступ удаленным абонентам даже в случае «перегрузок» системы связи - всего лишь за счет возможности управления мощностью, т.к. вызов таких абонентов может осуществляться как внешний вызов с усиленными энергетическими характеристиками.
С учетом всего вышеизложенного обобщенная структурная схема предлагаемой радиосети может быть представлена в виде, изображенном на фиг.4. При этом играющее ключевую роль собственно радиоприемопередающее устройство 20 с элементами помехоподавления, блоком нормализации спектра сигнала, конвертором-усилителем и антенным блоком, посредством которого внутризоновые корреспонденты 21 могут общаться между собой, а также с базовой станцией 22 и контроллером радиодоступа 23 к местной ТФОП, либо с персональными абонентскими контроллерами 24 радиодоступа к частной телефонной линии может быть выделено и конструктивно оформлено в отдельное, а в некоторых случаях даже автономное устройство, называемое «Устройством групповой передачи сигналов внутризоновых корреспондентов сети» (сокращенно «Устройство групповой передачи сигналов»). Важной функцией этого устройства будет являться непрерывная генерация «пилот-сигнала» - для первоначального грубого установления уровней мощности излучаемой абонентами. Дополнительной функцией этого устройства, допустимой для некоторых типов радиосетей (микромощных сетей и сетей, работающих на небольшие расстояния), либо для организации синхронизации приемо-передачи сигналов при обслуживании внешних вызовов, может стать генерация сигналов синхронизации.
Организация обмена информацией между устройством групповой передачи сигналов и базовой станцией в штатном варианте может осуществляться посредством кабельных каналов при помощи передачи широкополосного спектра сигналов, получаемых из электронного тракта устройства групповой передачи сигналов на «низкой частоте» в аппаратуру (физическое канальное оборудование) базовой станции. Однако этот обмен может быть обеспечен и посредством прямого обмена высокочастотными широкополосными радиосигналами на «общих основаниях» через радиоэфир, т.е. на принципах, используемых при организации радиосвязи между абонентами и устройством групповой передачи сигналов, с последующей индивидуальной обработкой логических каналов «внешних вызовов» аппаратурой базовой станции, что, конечно (из-за дополнительной «загрузки эфира»), несколько снизит предельное количество обслуживаемых одновременно внутризоновых корреспондентов (каналов связи), но позволит размещать базовую станцию на значительном удалении от устройства групповой передачи сигналов, а последнее сделать автономным, высотным, дешевым, многократно дублируемым, что в ряде применений является чрезвычайно актуальным. Действительно, как это показано на фиг.4, приемо-передающее устройство базовой станции, включая приемные и передающие антенны, элементы помехоподавления, нормализации и конвертации спектра, можно реализовать в виде отдельного блока (Устройства групповой передачи сигналов) и располагать отдельно (автономно) от базовой станции, точнее от канального оборудования базовой станции, осуществляющего обработку внешних вызовов. При этом всю информацию от приемо-передающего устройства на такую «модернизированную» базовую станцию можно передавать через радиоэфир в полосе частот (F3, F4), причем прием и обработку радиочастотного спектра сигнала в базовой станции, демодуляцию сигнала, можно осуществлять аналогично обработке и демодуляции сигнала в аппаратуре абонентов, с последующей логической обработкой поступающей информации и дальнейшей передачей посредством физического канального оборудования базовой станции в локальную или глобальную сеть, а передачу всей информации от передатчика такой базовой станции в вышеупомянутое приемо-передающее устройство (Устройство групповой передачи сигналов) можно осуществлять тоже непосредственно через радиоэфир, но в полосе частот (F0, F1) с последующим осуществлением в приемо-передающем устройстве процессов помехоподавления, нормализации спектра сигнала, его преобразования в полосу (F3, F4) и дальнейшей ретрансляции в зоне действия данной базовой станции.
Блок-схема «Устройства групповой передачи сигналов внутризоновых корреспондентов радиотелефонной сети с кодовым разделением каналов» в ее полнофункциональном виде приведена на фиг.5. Разумеется в различных конкретных вариантах организации и применения радиосистем отдельные его функциональные входы, выходы и даже элементы могут и не использоваться. Устройство групповой передачи сигналов содержит следующие элементы: приемную антенну 25, подключенную к входу полосового фильтра 26 с полосой пропускания частот (F0, F1), выход которого подключен к входу первого из N={1, …,М}, где М=[(F1-F0)/ΔF~узк], а ΔF~узк - усредненное значение частотной полосы спектров изменения квадрата амплитуды напряжения наибольших узкополосных помех в полосе частот (F0, F1) приема базовой станции в точке размещения ее приемной антенны, включенных последовательно преобразовательных каскадов, состоящих, в свою очередь, из последовательно включенных в каждом каскаде блока 27 подавления узкополосной помехи и блока 28 преобразования спектра сигнала вверх по частоте, что необходимо для осуществления нескольких итераций процедуры подавления самых мощных узкополосных помех. В каждом из блоков 27 подавления узкополосной помехи (как это было показано на Фиг.2), к входу блока подключены вход усилителя-органичителя 8 и вход линейного усилителя 9, выходы которых подключены к входам перемножителя 10, подключенного выходом к входу полосового фильтра 11 с полосой пропускания {ΔF'''узк, (F1-F0)}, где ΔF'''узк - частотная полоса спектра изменения квадрата амплитуды напряжения максимальной узкополосной помехи, попадающей в спектр обрабатываемого входного сигнала соответствующего блока, выходы полосовых фильтров в каждом блоке подавления узкополосной помехи одновременно являются выходами блоков подавления, каждый из которых, за исключением последнего (как это показано на Фиг.5), подключены к входу соответствующего блока 28 преобразования спектра сигнала вверх по частоте соответствующего преобразовательного каскада, в блоке преобразования осуществляется перемножение спектра сигнала, полученного из блока подавления на опорный сигнал частотой Fоп и фильтрация полученного в результате этого перемножения сигнала в полосе высоких частот, например (F3, F4). Выходы всех блоков подавления 27 узкополосной помехи дополнительно подключены к входам многоканальной приоритетной схемы 29 анализа соотношения амплитуды максимальной узкополосной помехи в спектре широкополосного сигнала и среднего уровня широкополосного сигнала в каждом канале. Причем выход первого блока подавления узкополосной помехи подключен к входу схемы 29 анализа, имеющему наивысший приоритет, а выходы последующих блоков подавления узкополосной помехи подключены в соответствующем последовательном порядке к последующим (в порядке уменьшения приоритета) входам этой приоритетной N-канальной схемы анализа, осуществляющей фазированную передачу на свой выход спектра сигналов со входа канала, обеспечивающего наперед заданное значение соотношения амплитуды максимальной узкополосной помехи и величины среднего уровня широкополосного сигнала в канале, но обладающего наивысшим приоритетом. Данная схема позволяет довести соотношение уровня амплитуды максимальной узкополосной помехи в спектре обрабатываемого сигнала и общего (среднего) уровня амплитуд сигналов этого спектра до заранее заданных или предельно возможных значений. Выход схемы 29 анализа подключен к входу блока 30 нормализации спектра, который может быть выполнен, например, на основе логарифмического усилителя, выход которого подключают к «низкочастотному» выходу 31 устройства групповой передачи сигналов, на котором формируется «низкочастотный» спектр сигнала для передачи на физическое канальное оборудование данной базовой станции и для передачи на устройства групповой обработки каналов смежных базовых станций с целью последующего преобразования его спектра сигнала в полосу передачи (F3, F4) и ретрансляции в зонах действия смежных базовых станций. На физическое канальное оборудование собственной базовой станции передаются (точнее сказать физическим канальным оборудованием селектируются и обрабатываются) только сигналы внешних вызовов корреспондентов, расположенных в зоне действия собственной базовой станции. Демодуляция информации в канальном оборудовании базовой станции осуществляется на основе принципов корреляционной обработки сигналов, аналогично тому, как это делается в абонентском комплекте, но в полосе приема базовой станции (F0, F1), процедура демодуляции достаточно подробно описана в литературе [1, 2, 11]. Выход блока нормализации спектра подключается также к входу блока 32 суммирования (смесителю) спектров «низкочастотных сигналов» собственно устройства групповой передачи сигналов, к которому подключены вход 33 данного устройства групповой передачи сигналов, предназначенный для приема «низкочастотного спектра сигналов» в полосе (0F, (F1-F0)) от физического канального оборудования данной базовой станции и выход блока 34 выравнивания уровней и суммирования, принимаемых по входам 35, спектров «низкочастотных сигналов», сформированных в полосе (0F, (F1-F0)) и поступающих от соответствующих «низкочастотных» выходов устройств групповой передачи сигналов смежных базовых станций. Запись (0F, (F1-F0)) - в рамках текста настоящего патента не предполагает обязательной передачи постоянной составляющей сигнала (допуская ее), поскольку в рамках данной системы связи постоянная составляющая сигнала не несет информации, тем более, что вся область нулевых частот «низкочастотного спектра сигнала» «вырезается» в процессе применения механизма помехоподавления, а точное воспроизведение постоянной составляющей может привести (и, как правило, приводит) к серьезному усложнению аппаратуры и в итоге - к ухудшению ее качественных показателей. Используемая запись - это чисто символическая запись, соответствующая полосе сигналов от частот, близких к нулевой (но не постоянной, или необязательно постоянной составляющей спектра сигнала) до частоты, соответствующей разности значений частот F1 и F0.
Прием по входам 35, выравнивание и суммирование спектров «низкочастотных сигналов» от смежных базовых станций и их последующая ретрансляция в полосе передачи в зоне действия данной базовой станции необходимы для реализации процедуры передачи каналов связи взаимодействующих внутризоновых корреспондентов без участия физического каналообразующего оборудования базовой станции. По входу 33 устройства осуществляется прием в устройство групповой передачи сигналов суммы сигналов от физического канального оборудования данной (собственной) базовой станции в полосе частот (0F, (F1-F0)), промодулированных соответствующим образом по закону модуляции мощности в соответствии с принятыми в рамках данной системы связи принципами кодового разделения каналов, с целью последующего смешения этих сигналов со спектром «низкочастотных» сигналов внутризоновых абонентов, спектрами аналогичных «низкочастотных» сигналов, принимаемых по внешним помехозащищенным каналам связи от смежных базовых станций в полосе (0F, (F1-F0)), для их последующего преобразования в полосу частот передачи данной базовой станции (F3, F4) и дальнейшего излучения в эфир. Для чего выход блока 32 суммирования (смесителя) подключен к центральному блоку 36 преобразования спектра сигнала вверх по частоте, осуществляющего перемножение спектра сигнала, получаемого с выхода блока суммирования (смесителя), с опорным сигналом F2, выход центрального блока 36 преобразования спектра соединен с входом проходного полосового фильтра 37 с полосой пропускания (F3, F4), высокочастотный сигнал с выхода которого направляют на первый вход блока 38 суммирования высокочастотных сигналов, ко второму входу которого подключен выход генератора 39 «пилот-сигнала», необходимого для организации процедуры управления мощностью излучения абонентов, а выход этого блока суммирования подключают к входу усилителя 40 мощности с автоматической регулировкой усиления, выход которого подключен, в свою очередь, к передающей антенне 41 устройства групповой передачи сигналов для последующей передачи результирующего спектра сигналов абонентам. Блок 34 суммирования «низкочастотных» сигналов от смежных базовых станций и блок 32 суммирования сигналов собственно устройства групповой передачи сигналов показаны на Фиг.5 и даже задекларированы в формуле изобретения в виде отдельных блоков исключительно в целях обеспечения функциональной наглядности и для того, чтобы подчеркнуть возможность и необходимость выравнивания уровней сигналов, получаемых от смежных базовых станций по независимым каналам связи, а также в целях отражения (обеспечения) возможности увеличения излучаемой мощности спектра сигналов «собственных» внутризоновых корреспондентов данной базовой станции в случае «чрезмерной активности» корреспондентов в зонах действия смежных базовых станций. При обеспечении должного соотношения уровней сигналов внешними средствами блоки суммирования 32, 34 (смесители) могут быть представлены и выполнены в виде единого (одного) блока суммирования. Кроме того, для микромощных сетей и радиосетей, работающих на незначительные расстояния, в целях упрощения механизма синхронизации и сокращения аппаратурных затрат (в абонентских комплектах) к дополнительному третьему входу блока 38 суммирования высокочастотных сигналов может быть подключен внутренний (собственный) генератор 42 синхросигналов устройства групповой обработки базовой станции.
Порядок работы основных элементов устройства групповой передачи сигналов полностью соответствует описанию выполнения соответствующих процедур в способе групповой передачи сигналов, приведенном в тексте описания настоящего изобретения выше, и состоит (см. Фиг.5) в приеме приемной антенной 25 устройства групповой передачи широкополосных сигналов в полосе приема (F0, F1), сформированных абонентскими устройствами, находящимися в зоне его действия с учетом принципа кодового разделения каналов, и основанных на модуляции мощности сигнала во времени, последующей глубокой и многократной фильтрации принимаемого спектра сигналов от мощных узкополосных помех (включая сканирующие), используя при этом сигналы помех «как бы в роли» сигнала гетеродина по отношению к полезному широкополосному сигналу и отсекая их (помехи) поочередно (в порядке убывания мощности очередной помехи) после каждого преобразования спектра сигнала вниз по частоте в каждом из отдельных блоков 27 подавления узкополосной помехи N-каскадной схемы подавления узкополосных помех. Сигнал с выхода N-каскадной схемы подавления узкополосных помех, точнее с выхода N-канальной схемы 29 анализа поступает на вход блока 30 нормализации спектра, выполняемого в простейшем случае на основе логарифмического усилителя. Главной задачей этого блока является нормализация амплитуд оставшихся (после подавления наиболее мощных) в спектре сигнала узкополосных помех и выравнивание амплитуд спектра полезных широкополосных информационных сигналов по отношению к амплитудам спектра сигналов общего радиофона местности в точке приема. Выход блока 30 нормализации спектра подключен к «низкочастотному» выходу 31 данного устройства групповой передачи сигналов. Таким образом, на выходе 31 на основе спектра собственного широкополосного входного сигнала, принимаемого приемной антенной устройства групповой передачи сигналов базовой станции в частотной полосе (F0, F1), формируется очищенный от помех «низкочастотный» спектр сигнала fj, для физического канального оборудования собственной базовой станции и для передачи на устройства групповой обработки каналов смежных базовых станций в целях распространения спектра этого сигнала, но уже в полосе (F3, F4) частот передачи в зонах действия смежных базовых станций. Этот же сигнал подается на блок 32 суммирования спектров сигналов, где суммируется со спектром сигналов в полосе частот (0F, (F1-F0)) от физического канального оборудования собственной базовой станции, принимаемым по входу 33 устройства групповой передачи сигналов и сигналом в полосе частот (0F, (F1-F0)) с выхода схемы 34 выравнивания и суммирования спектров «низкочастотных» сигналов, являющихся производными входного спектра сигналов смежных базовых станций, поступающих по помехозащищенным каналам связи с устройств групповой передачи сигналов смежных базовых станций и принимаемых по входам 35 устройства групповой передачи сигналов. По входам 35 устройство групповой передачи сигналов принимает на «низкой частоте», т.е. в полосе частот (0F, (F1-F0)), спектры входных, по отношению к нему, сигналов {fi, i≠j} (где j - номер собственной базовой станции) от устройств групповой передачи сигналов смежных базовых станций для их последующей ретрансляции в полосе частот (F3, F4) передачи в зоне действия собственной базовой станции.
Результирующий сигнал с выхода блока 32 суммирования спектров конвертируют в полосу передачи (F3, F4), посредством перемножения в перемножителе центрального блока преобразования спектра 36 с опорным сигналом F2 и фильтрации проходным полосовым фильтром 37 с полосой пропускания частот (F3, F4), с последующим суммированием полученного спектра высокочастотного сигнала в блоке суммирования 38 с «пилот-сигналом», получаемым от генератора 39 «пилот-сигнала», необходимым для организации процедуры управления мощностью излучения абонентов, а также для суммирования с дополнительным сигналом синхронизации, генерируемым генератором 42 синхросигнала. Централизованная генерация дополнительного синхросигнала базовой станцией является частным случаем и отступлением от базовой схемы организации синхронизации, принятой в настоящем изобретении, и целесообразна к применению в целях сокращения аппаратурных затрат для отдельных простейших микромощных радиосетей и сетей, работающих на короткие расстояния.
С выхода блока 38 суммирования спектров высокочастотных сигналов результирующий высокочастотный сигнал, в составе которого присутствуют спектры сигналов внешних вызовов, формируемые физическим канальным оборудованием собственной базовой станции, спектры сигналов, принимаемых как приемной антенной собственной базовой станции, так и приемными антеннами смежных базовых станций (причем только смежных!), а также «пилот-сигнал» и (при необходимости) дополнительный синхросигнал собственного внутреннего генератора 42 синхросигналов устройства групповой обработки каналов данной базовой станции поступает на вход усилителя мощности 40 с автоматической регулировкой усиления для последующего излучения в эфир при помощи передающей антенны 41 в зоне действия данной базовой станции, обеспечивая при этом возможность выполнения процедуры «мягкой» передачи каналов корреспондентов при их перемещении в смежные зоны за счет осуществления самостоятельного выбора аппаратурой абонентов (корреспондентов) наилучшего с точки зрения достоверности передаваемой информации пути (канала, кадра) передачи информации от данной или любой из смежных базовых станций, для чего в аппаратуре абонентов должно быть предусмотрено наличие нескольких независимых каналов синхронизации и приема на основе независимых корреляторов, а также устройство выбора наилучшего сигнала, как об этом упоминалось выше.
Принимая во внимание появление высокоэффективных способов подавления помех и повышение эффективного значения динамического диапазона ретрансляции способами, предложенными автором и его коллегами, количество одновременно обслуживаемых одной базовой станцией речевых каналов внутризоновых корреспондентов может возрасти на порядки. Вместе с тем, достигаемая низкая себестоимость базовых станций, заложенные в ее структуру и в структуру Устройства групповой передачи сигналов принципы и возможности масштабируемости подобного рода радиосистем, позволяет не только увеличивать размер зоны обслуживания, но и неограниченно территориально масштабировать систему, увеличивая площадь покрытия территорий радиосетями данного класса. Кроме того, предложенные принципы обеспечивают возможность физического разделения ретрансляционного (собственно устройства групповой передачи сигналов) и каналообразующего механизмов (физического канального оборудования) базовой станции, возможность их автономного размещения и возможность их эффективного взаимодействия через радиоэфир, что открывает широкие возможности для создания сетей с многократной избыточностью как по количеству самих базовых станций (благодаря их низкой себестоимости), так и по количеству автономных приемопередающих устройств-дублеров (устройств групповой передачи сигналов) с нулевой себестоимостью для каждой из базовых станций, параллельно и одновременно работающих на каждую такую базовую станцию. Для чего несколько автономных устройств групповой передачи сигналов размещают в территориально различных точках в зоне действия одной базовой станции и обеспечивают их одновременную и параллельную работу в эфире в режиме «горячего» резерва, при этом выбор конкретного пути прохождения информационного сигнала между внутризоновыми корреспондентами базовой станции (т.е. выбор конкретного устройства приемо-передачи, через которое будет осуществляться передача графика), также как и выбор пути прохождения сигнала между корреспондентами и базовой станцией будет осуществляться при помощи устройств выбора наиболее достоверного сигнала аппаратуры абонентов и базовой станции соответственно. Для этих целей в аппаратуру абонента и в аппаратуру базовой станции вводят по несколько независимых каналов синхронизации и по несколько каналов приема информационного сигнала на основе независимых корреляторов, а также устройство выбора наиболее достоверного сигнала. Тем самым обеспечивается возможность динамического, в реальном масштабе времени, выбора корреспондентами (!) приемо-передающего устройства базовой станции (устройства групповой передачи сигналов), обеспечивающего наилучшие параметры прохождения радиосигнала. При желании может быть организована работа нескольких устройств групповой обработки каналов и в более простом режиме «холодного» резерва, посредством обеспечения включения очередного автономного устройства групповой передачи сигналов взамен устройства вышедшего из строя. Все это существенно повысит надежность и живучесть предлагаемой системы связи в целом, многократно сократит главный фактор, определяющий энергопотребление абонентов - энергозатраты на передачу по радиоканалу (мощность излучения), что позволит уменьшить емкость и размеры аккумуляторов, габариты аппаратов абонентов, а тем самым обеспечит возможность и предпосылки для дальнейшего совершенствования и развития систем данного класса.
В качестве антенн, с целью обеспечения дальности, свойственной направленным антеннам, и круговой диаграммы направленности, необходимой для работы базовой станции, могут использоваться многосекторные антенны из совокупности направленных антенн [13]. Конструирование подобных многосекторных антенн для базовых станций, работающих по предложенному в настоящем изобретении способу групповой передачи сигналов, может основываться на принципах, заложенных в само Устройство групповой передачи сигналов, и даже может быть физически выполнено непосредственно на его основе. При этом описанное в настоящем изобретении «Устройство групповой передачи сигналов» будет полностью интегрировано в состав такой многосекторной антенны. Работа такой интегрированной системы будет осуществляться посредством приема спектров сигналов отдельных антенн всех секторов, последующего индивидуального или группового подавления мощных узкополосных помех, выравнивания уровней и суммирования всех спектров с последующим конвертированием суммарного спектра сигналов в диапазон передачи, усилением и излучением полученного сигнала передающими антеннами всех секторов.
Таким образом, использование широкополосных сигналов с кодовым разделением, основанным на модуляции мощности сложного сигнала при помощи псевдослучайной последовательности, с подавлением всех внешних узкополосных и нормализации широкополосных помех (радиофона) с последующим прямым преобразованием спектра конвертором-усилителем базовой станции, позволяет осуществить групповую передачу сигналов внутризоновых корреспондентов путем прямого преобразования спектра сигналов и полностью перенести, как это было показано выше на примерах, функции синхронизации (в случае необходимости), логической обработки вызовов, организации речевых каналов и «мягкой передачи» внутризоновых корреспондентов при их перемещении между смежными зонами с аппаратуры базовых станций на аппаратуру абонентов без существенного увеличения ее стоимости, а также (правда с некоторыми минимальными дополнительными аппаратурными затратами на создание контроллеров ТФОП), перенести с физических каналов базовой станции функции организации связи мобильных абонентов с абонентами местной телефонной сети общего пользования, обеспечивая при этом альтернативные возможности выхода в глобальную сеть и, соответственно, повышая живучесть системы в целом. Дополнительные преимущества по надежности и живучести предлагаемой радиосети обеспечиваются возможностью автономного (по радиоканалу) и одновременного (в режиме динамического «горячего резерва») использования нескольких Устройств групповой передачи сигналов для обеспечения работы каждой базовой станции.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности признаков, достаточных для получения требуемого технического результата. Настоящее изобретение промышленно применимо, т.к. может быть реализовано на стандартной элементной базе с использованием выпускаемых в настоящее время известных элементов преобразования сигналов, микропроцессоров, интегральных систем на кристалле и антенных систем. Особенно перспективным применение способа и устройств групповой передачи сигналов может быть в новейших сетях сотовой связи - в целях глобального расширения зон «покрытия», повышения надежности, живучести и для создания экономически эффективной и коммерчески выгодной мобильной и стационарной (класса WLL) связи даже для провинциальных и труднодоступных районов.
Источники информации
1. Кн. «Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами», под ред. Тузова Г.И. - М.: Радио и связь, 1985, с.51, 52, 210-212.
2. Кн. «Адресные системы управления и связи» под ред. Тузова Г.И. - М.: Радио и связь, 1993, с.35, рис 2.4 и 2.5.
3. Кн. «Средства мобильной связи» В.Андрианов, А.Соколов, “BHV”, Санкт-Петербург, 1999, с.140-156.
4. Кн. «Сети подвижной связи» В.Г.Карташевский, С.Н.Семенов, Т.В.Фирстова. - М.: Эко-Трендс, 2001, с.40-52.
5. Шахнович И. Сверхширокополосная связь. Второе рождение? - ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, 2001, №4, с.8-15.
6. Патент №2127021 RU. Способ повышения помехозащищенности при передаче и приеме широкополосного сигнала с расширением спектра. / Авт.: Калугин В.В., Смирнов В.А., Бобков М.Н., Приоритет от 25.06.1998.
7. Патент №2232464 RU. Способ подавления узкополосной помехи в системе широкополосной связи. / Авт.: Бобков М.Н., Галицын А.А., Калугин В.В., Приоритет от 22.08.2002.
8. US Patent №7250541 В2. Method for suppressing narrowband noise in a wideband communication system. / Inv.: M.Bobkov, A.Galitsyn, V.Kalugin. Priority date 22.08.2002.
9. Галицын А.А. Технология C-UWB - основа для информационно-телекоммуникационных систем нового поколения. ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, 2008, №5, с.
10. Галицын А.А. Технология широкополосной высокозащищенной радиосвязи (С-UWB): что лежит «под сукном» у российских чиновников? - ПЕРВАЯ МИЛЯ. Приложение к журналу ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 1/2008(4), с.8-13.
11. Короновский А.А., Москаленко О.И., Попов П.В., Хромов А.Е. «Устойчивый к шумам способ скрытой передачи информации» - ПЕРВАЯ МИЛЯ. Приложение к журналу ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 1/2008(4), с.14-16.
12. Алексенко А.Г., Галицын А.А., Иванников А.Д. «Проектирование радиэлектронной аппаратуры на микропроцессорах» - М., Радио и связь, 1984, с.12-44.
13. Кн. «Сверхширокополосные антенны», Под ред. Л.С.Бененсона, Мир М., 1964, с.114.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| СПОСОБ ГРУППОВОГО ОПОЗНАВАНИЯ ОБЪЕКТОВ ("СВОЙ-ЧУЖОЙ") И ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЦЕЛЕУКАЗАНИЯ НА ОСНОВЕ БЕСПРОВОДНОЙ СИСТЕМЫ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ РАДАРОВ | 2009 |
|
RU2507538C2 |
| СПОСОБ ПОДАВЛЕНИЯ УЗКОПОЛОСНОЙ ПОМЕХИ В СИСТЕМЕ ШИРОКОПОЛОСНОЙ СВЯЗИ | 2002 |
|
RU2232464C2 |
| СПОСОБ ЛОКАЛЬНОГО ПОДАВЛЕНИЯ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ | 2007 |
|
RU2363106C1 |
| СПОСОБ И УСТРОЙСТВО РАДИОПОДАВЛЕНИЯ КАНАЛОВ СВЯЗИ | 2002 |
|
RU2229198C1 |
| СПОСОБ РАДИОПОДАВЛЕНИЯ КАНАЛОВ СВЯЗИ | 2002 |
|
RU2207734C1 |
| МОБИЛЬНАЯ АППАРАТНАЯ МНОГОКАНАЛЬНОЙ СВЯЗИ | 2023 |
|
RU2808786C1 |
| МОБИЛЬНАЯ АППАРАТНАЯ СОТОВОЙ СВЯЗИ | 2015 |
|
RU2577525C1 |
| МОБИЛЬНАЯ СТАНЦИЯ ОПЕРАТИВНОЙ СВЯЗИ | 2004 |
|
RU2271072C1 |
| ПОДВИЖНАЯ АППАРАТНАЯ КВ-УКВ РАДИОСВЯЗИ | 2019 |
|
RU2711025C1 |
| СПОСОБ "МЕТАСВЯЗЬ" ЭФИРНОЙ ПЕРЕДАЧИ-ПРИЕМА ИНФОРМАЦИИ И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ | 2002 |
|
RU2234190C2 |
Изобретение относится к радиотехнике, в частности к технике цифровой сотовой радиосвязи, и может быть использовано для создания цифровых радиотелефонных сетей. Технический результат - повышение пропускной способности. Способ групповой передачи сигналов между «внутризоновыми» корреспондентами данной и смежных с ней базовых станций осуществляется путем передачи функций управления мощностью излучения, процессом синхронизации приемо-передачи, логическими процедурами обработки вызовов, образования речевого канала, образования каналов доступа в местную телефонную сеть общего пользования и процедуры «мягкой передачи» корреспондентов при их перемещении в пределах зон действия смежных базовых станций с аппаратуры базовых станций на аппаратуру абонентов, а также перенесения с физических каналов базовой станции на простые контроллеры общего радиодоступа функций организации связи мобильных абонентов с абонентами местной телефонной сети общего пользования, сведению функций базовой станции для вышеуказанных транзакций к групповому приему, преобразованию спектра, передаче в эфир спектров их сигналов. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.
1. Способ групповой передачи сигналов мобильных внутризоновых корреспондентов смежных базовых станций радиотелефонной сети, при котором в базовой станции посредством приемной антенны принимают спектр радиосигналов от мобильных внутризоновых корреспондентов в полосе частот приема (F0, F1), демодулируют сигналы от каждого из мобильных корреспондентов и на основе информации, полученной по технологическим каналам управления, предоставляют синхронные речевые каналы приема и передачи смежных базовых станций каждому из внутризоновых мобильных корреспондентов, причем информацию, передаваемую каждому мобильному внутризоновому корреспонденту, модулируют и посредством передающей антенны выдают в эфир в полосе частот передачи (F3, F4) базовой станции, отличающийся тем, что:
в передатчиках корреспондентов формируют высокочастотный широкополосный шумовой сигнал стационарной несущей, который в соответствии с передаваемой информацией модулируют, используя в качестве модулируемого параметра мощность радиочастотного сигнала, а в качестве модулирующего - частотный параметр, с частотой модуляции мощности Fmod << min{(F1-F0), (F4-F3)}, где (F1-F0) - частотная полоса передачи, а (F4-F3) - частотная полоса приема корреспондентов, полученный сигнал умножают аналоговым способом на обеспечивающие кодовое разделение каналов псевдослучайные кодовые последовательности, формируемые идентичными, но независимыми (асинхронными) генераторами псевдослучайных кодовых последовательностей, стартующими с соответствующих стартовых адресов (кодов), которые в процессе установления соединения в приемниках и передатчиках взаимодействующих корреспондентов изменяют надлежащим образом - попарно, в соответствии с общим алгоритмом установления соединения, для формирования на базе этих кодов - с использованием общеизвестного принципа кодового разделения каналов и принципа самосинхронизации, основанного на сдвиге во времени формируемых на основе этих, попарно назначаемых адресов, циклически повторяющихся адресных псевдослучайных кодовых последовательностей ограниченной длины в приемнике, до констатируемого корреляционным методом совпадения во времени этих циклических последовательностей с точно такими же, циклически повторяющимися, адресными псевдослучайными последовательностями передатчика, технологических каналов, необходимых для передачи между взаимодействующими корреспондентами в процессе установления соединения командной и адресной информации, на основании которой в приемниках и передатчиках взаимодействующих корреспондентов в соответствии с общим алгоритмом установления соединения формируют идентичные стартовые сеансовые коды речевых каналов, чем обеспечивают идентичность, а благодаря принципу самосинхронизации - и синхронность генераций псевдослучайных кодовых последовательностей в передатчиках и приемниках взаимодействующих корреспондентов, необходимые для формирования как технологических, так и собственно речевых каналов и обеспечения передачи по ним, соответственно, командной, адресной и речевой информации, при этом процесс передачи сигналов между внутризоновыми корреспондентами данной и смежных с ней базовых станций, осуществляют следующим образом: в базовой станции, ближайшей к корреспонденту, радиочастотные сигналы, передаваемые корреспондентом, принимают и интегрально - наряду с радиочастотными сигналами других мобильных корреспондентов, фильтруют в полосе частот приема (F0, F1) базовой станции, полученный сигнал используют для формирования двух сигналов, один из которых получают в результате усиления отфильтрованного в полосе частот приема (F0, F1) спектра входного сигнала и ограничения его по амплитуде, а в качестве второго используют вышеупомянутый, отфильтрованный в полосе приема (F0, F1) спектр входного сигнала, либо тот же спектр входного сигнала, но линейно усиленный без изменения формы сигнала, полученные два сигнала перемножают, а результирующий сигнал фильтруют в полосе частот {ΔF”узк, (F1-F0)} для устранения наиболее мощной узкополосной помехи, где ΔF”узк - частотная полоса спектра изменения квадрата амплитуды напряжения наиболее мощной узкополосной помехи, попадающей в полосу частот приема (F0, F1) в зоне приемной антенны данной базовой станции, полученный после фильтрации наиболее мощной узкополосной помехи низкочастотный спектр сигнала, содержащего информацию, перемножают с опорным узкополосным сигналом Fоп, посредством чего переносят низкочастотный спектр сигнала из области низких в область высоких частот, фильтруют полученный сигнал в полосе высоких частот, после чего над отфильтрованным сигналом вышеописанную процедуру разделения на два сигнала с последующим усилением и ограничением одного из них, усилением с сохранением формы второго сигнала и перемножением результирующих сигналов для переноса спектра сигнала, содержащего информацию, снова в область низких, а очередной наиболее мощной из оставшихся помех - в область нулевых частот с последующим переносом отфильтрованного, в очередной раз, от наиболее мощных узкополосных помех низкочастотного спектра сигнала, содержащего информацию, в область высоких частот, повторяют до достижения требуемого значения динамического диапазона усиления базовой станций, после чего низкочастотный спектр, содержащий информационный сигнал, дополнительно нормализуют и перемножают этот нормализованный низкочастотный сигнал с узкополосным опорным сигналом F2 и, тем самым переносят спектр результирующего сигнала вверх по частоте на полосу частот передачи (F3, F4) базовой станции, полученный сигнал фильтруют в этой полосе, усиливают усилителем мощности с автоматической регулировкой усиления, а затем излучают в эфир через передающие антенны базовой станции и передают на приемники соответствующих внутризоновых мобильных корреспондентов данной и смежных с ней базовых станций, в свою очередь в приемниках взаимодействующих внутризоновых мобильных корреспондентов данной и смежных с ней базовых станций, отобранных в соответствии с общим алгоритмом установления соединения методами, основанными на вышеупомянутых принципах кодового разделения каналов и самосинхронизации, принимают в полосе частот приема (F3, F4) приемника радиочастотный сигнал от данной и смежных с ней базовых станций и используют его для формирования двух сигналов, один из которых получают в результате усиления отфильтрованного в полосе частот приема (F3, F4) спектра входного сигнала и ограничения его по амплитуде, а в качестве второго используют вышеупомянутый, отфильтрованный в полосе приема (F3, F4) спектр входного сигнала, либо тот же спектр входного сигнала, но линейно усиленный без изменения формы сигнала, полученные два сигнала перемножают, а результирующий сигнал фильтруют в полосе частот {ΔF'узк, (F4-F3)} для устранения наиболее мощной узкополосной помехи, где ΔF'узк - частотная полоса спектра изменения квадрата амплитуды напряжения наиболее мощной узкополосной помехи, попадающей в полосу частот приема (F3, F4) в зоне приемной антенны соответствующего корреспондента, после чего выделяют огибающую полученного сигнала и по известным законам демодуляции осуществляют демодуляцию этого, промодулированного по мощности, полезного сигнала для получения собственно информации.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в передатчиках корреспондентов формируют радиочастотный широкополосный сигнал с нестационарной несущей, для чего высокочастотный широкополосный шумовой сигнал аналоговым способом, но по правилам логического умножения - аналогового ключа, умножают на обеспечивающую кодовое разделение каналов псевдослучайную последовательность импульсов, которую генерируют идентичными, но независимыми (асинхронными) генераторами псевдослучайных кодовых последовательностей, а модулируют данный сигнал по мощности с частотой модуляции мощности Fmod << min {(F1-F0), (F4-F3)}, где (F1-F0) - частотная полоса передачи, а (F4-F3) - частотная полоса приема корреспондентов, используя в качестве модулирующих параметров позиционный или временной параметры изменения положения или, соответственно, длительности передаваемых импульсов относительно моментов их изменения, ожидаемых в отсутствие модуляции, а в приемниках соответствующих корреспондентов для получения собственно информации демодуляцию промодулированного по мощности полезного сигнала, полученного после выделения огибающей, осуществляют анализируя корреляционным способом уровень рассогласования модулирующих параметров принимаемых импульсов и аналогичных параметров немодулированных последовательностей импульсов, специально для этого генерируемых в приемниках.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для обеспечения «мягкой передачи» внутризоновых корреспондентов данной и смежных с ней базовых станций при перемещении корреспондентов в зону действия смежной базовой станции в каждой базовой станций результирующий низкочастотный спектр полезного сигнала, полученный после удаления мощных узкополосных помех и нормализации, содержащий информационный сигнал, перед перемножением его с опорным сигналом F2, суммируют с аналогичными, формируемыми в смежных базовых станциях, нормализованными низкочастотными спектрами полезного сигнала смежных базовых станций, которые передаются от смежных базовых станций по выделенным каналам связи, при этом решение о выборе конкретного пути прохождения (трафика) сигнала приема и трафика сигнала передачи между внутризоновыми мобильными корреспондентами через ту или иную из смежных базовых станций принимают специальные, реализованные на базе многоканальных приемников с независимыми корреляторами средства выбора наиболее достоверного трафика аппаратуры взаимодействующих корреспондентов путем анализа достоверности информации в соответствующих каналах приема.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что несколько автономных базовых станции-дублеров, которые работают в радиоэфире одновременно и параллельно с основной станцией в режиме горячего резерва, размещают в территориально различных точках зоны действия основной станции, при этом решение о выборе конкретного пути прохождения (трафика) сигнала приема и трафика сигнала передачи через основную станцию или через ту или иную базовую станцию-дублер между внутризоновыми мобильными корреспондентами основной станции принимают специальные, реализованные на базе многоканальных корреляционных приемников средства выбора наиболее достоверного трафика аппаратуры взаимодействующих корреспондентов путем анализа достоверности информации в соответствующих каналах приема.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что для обеспечения соединения мобильных корреспондентов с абонентами местной и глобальной телефонной сети в пространстве номеров (адресов) мобильных абонентов резервируют специальные номера (адреса) для обращения к многоканальному приемнику контроллера-коммутатора общего радиодоступа к абонентам местной телефонной сети, а передачу сигналов от мобильных корреспондентов к абонентам местной телефонной сети осуществляют посредством организации беспроводного соединения между мобильными корреспондентами и многоканальным приемником контроллера-коммутатора по способу п.1 через базовую станцию, в которой сигналы всех корреспондентов, интегрально очищают от мощных узкополосных помех и конвертируют из полосы приема (F0, F1) в полосу передачи (F3, F4), после чего их на общих основаниях, непосредственно через радиоэфир направляют на многоканальный приемник контроллера-коммутатора общего радиодоступа к местной телефонной сети, в котором сигналы каждого из обратившихся к нему мобильных корреспондентов демодулируют по способу п.1 для получения технологической (командной, адресной) информации, необходимой для установления соединения с данным контроллером-коммутатором, и информации, на основании которой при помощи контроллера-коммутатора производят последующий набор номера абонентов местной телефонной сети общего пользования или номеров абонентов глобальной телефонной сети для осуществления соединения с этими абонентами, а также для получения цифровой речевой информации, которую в контроллере-коммутаторе декодируют и через обслуживаемые контроллером-коммутатором каналы местной телефонной сети общего пользования передают соответствующим абонентам этой сети, и наоборот, сигналы от абонентов местной (или глобальной) телефонной сети, поступающие из этой сети на многоканальный контроллер-коммутатор, в нем оцифровывают и кодируют, затем модулируют в многоканальном передатчике контроллера-коммутатора и асинхронно, с учетом номеров вызываемых мобильных корреспондентов, по способу п.1 в виде широкополосного спектра сигналов в полосе (F0, F1) через радиоэфир передают на базовую станцию, где их интегрально, по способу п.1, наряду с сигналами всех мобильных корреспондентов очищают от мощных узкополосных помех, конвертируют из полосы приема (F0, F1) в полосу передачи (F3, F4) базовой станции и далее через радиоэфир направляют соответствующим - согласно общему алгоритму установления соединения, принципам кодового разделения каналов и самосинхронизации, мобильным корреспондентам для последующей демодуляции и получения цифровой технологической и речевой информации.
6. Способ по п.5, отличающийся тем, что для каждого из мобильных абонентов его собственный номер в пространстве номеров мобильных абонентов помимо основного назначения резервируют для осуществления соединения самого этого мобильного корреспондента с его персональным абонентским контроллером радиодоступа к частной телефонной линии местной телефонной сети и посредством набора на гарнитуре мобильного корреспондента его собственного мобильного номера способом, аналогичным способу п.5, при помощи которого производят соединения мобильных корреспондентов с многоканальным контроллером-коммутатором, осуществляют соединение мобильного корреспондента с его персональным абонентским контроллером радиодоступа к частной телефонной линии местной телефонной сети и последующий выход в местную и глобальную телефонную сеть.
7. Устройство групповой передачи сигналов внутризоновых корреспондентов смежных базовых станций радиотелефонной сети, содержащее приемную антенну, подключенную ко входу полосового фильтра с полосой пропускания частот (F0, F1), выход которого подключен ко входу первого из N={1,…, М}, где М=[(F1-F0)/ΔF~узк], а ΔF~узк - усредненное значение частотной полосы спектров изменения квадрата амплитуды напряжения наибольших узкополосных помех в полосе частот (F0, F1), соответствующих, включенных последовательно, преобразовательных каскадов, состоящих в свою очередь из последовательно включенных в каждом каскаде блока подавления узкополосной помехи и блока преобразования спектра сигнала вверх по частоте, причем в каждом из блоков подавления узкополосной помехи ко входу блока подключены вход усилителя-ограничителя и вход линейного усилителя, выходы которых подключены ко входам перемножителя, подключенного выходом ко входу полосового фильтра с полосой пропускания {ΔF'”узк, (F1-F0)}, где ΔF'”узк - частотная полоса спектра изменения квадрата амплитуды напряжения максимальной узкополосной помехи, попадающей в спектр обрабатываемого входного сигнала соответствующего блока, выходы полосовых фильтров в каждом блоке подавления узкополосной помехи одновременно являются выходами блоков подавления, каждый из которых, за исключением последнего, подключен только ко входу многоканальной приоритетной схемы анализа соотношения амплитуды максимальной узкополосной помехи в спектре широкополосного сигнала и среднего уровня широкополосного сигнала в каждом канале, имеющему наинизший приоритет, подключены ко входу блока преобразования спектра сигнала вверх по частоте соответствующего преобразовательного каскада, в блоке преобразования спектра вверх по частоте осуществляется перемножение спектра сигнала, полученного из блока подавления узкополосной помехи соответствующего преобразовательного каскада, на опорный сигнал частотой Fоп и фильтрация полученного в результате этого перемножения сигнала в соответствующей полосе высоких частот, кроме того, выходы всех блоков подавления узкополосной помехи дополнительно подключены ко входам многоканальной приоритетной схемы анализа соотношения амплитуды максимальной узкополосной помехи в спектре широкополосного сигнала и среднего уровня широкополосного сигнала в каждом канале, причем выход первого блока подавления узкополосной помехи подключен ко входу этой схемы, имеющему наивысший приоритет, а выходы последующих блоков подавления узкополосной помехи подключены в соответствующем последовательном порядке к следующим, в порядке уменьшения приоритета, входам многоканальной приоритетной схемы анализа соотношения амплитуды максимальной узкополосной помехи в спектре широкополосного сигнала и среднего уровня широкополосного сигнала в каждом канале, осуществляющей фазированную передачу на свой выход спектра сигналов со входа канала, обеспечивающего наперед заданное значение соотношения амплитуды максимальной узкополосной помехи и величины среднего уровня широкополосного сигнала в канале, обладающего при этом наивысшим приоритетом, выход многоканальной приоритетной схемы анализа соотношения амплитуды максимальной узкополосной помехи в спектре широкополосного сигнала и среднего уровня широкополосного сигнала в каждом канале подключен ко входу блока нормализации спектра сигнала, выход которого подключен к «низкочастотному» выходу устройства групповой передачи сигналов корреспондентов, на котором формируется «низкочастотный» спектр сигнала для передачи на физическое канальное оборудование данной базовой станции и для передачи на устройства групповой передачи сигналов корреспондентов смежных базовых станций, а также подключен к первому входу блока суммирования спектров низкочастотных сигналов, ко второму входу которого подключены вход данного устройства групповой передачи сигналов корреспондентов, предназначенный для приема «низкочастотного» спектра сигнала в полосе (0F, (F1-F0)), где 0F - обозначает частоту, близкую к нулевой, от физического канального оборудования собственной базовой станции, а к третьему входу блока суммирования спектров низкочастотных сигналов подключен выход блока выравнивания уровней и суммирования спектров «низкочастотных» сигналов, поступающих соответственно в полосе частот (0F, (F1-F0)) по «низкочастотным» входам этого блока от «низкочастотных» выходов устройств групповой передачи сигналов корреспондентов смежных базовых станций, в свою очередь выход блока суммирования спектров низкочастотных сигналов подключен к центральному блоку преобразования спектра сигнала вверх по частоте, осуществляющему перемножение спектра сигнала, получаемого с выхода блока суммирования спектров низкочастотных сигналов, с опорным сигналом F2, выход центрального блока преобразования спектра сигнала вверх по частоте соединен со входом проходного полосового фильтра с полосой пропускания (F3, F4), выход проходного полосового фильтра соединен со входом блока суммирования спектров высокочастотных сигналов, выход блока суммирования спектров высокочастотных сигналов подключают ко входу усилителя мощности с автоматической регулировкой усиления, выход которого в свою очередь подключен к передающей антенне устройства групповой передачи сигналов.
8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что ко второму дополнительному входу блока суммирования спектров высокочастотных сигналов подключен выход внутреннего генератора синхросигналов устройства, предназначенный для осуществления режима централизованной синхронизации приемопередачи сигналов корреспондентов и базовой станции, а к третьему дополнительному входу блока суммирования спектров высокочастотных сигналов подключен выход генератора пилот-сигнала, предназначенный для обеспечения режима централизованного управления мощностью излучения мобильных корреспондентов.
| ПЕРЕМЕЩЕНИЕ СОЕДИНЕНИЯ СВЯЗИ В СИСТЕМЕ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ, ОСНОВАННОЙ НА КОДОВОМ И ВРЕМЕННОМ УПЛОТНЕНИИ | 1999 |
|
RU2216127C2 |
| СИСТЕМА СВЯЗИ С БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗЬЮ, ОСНОВАННОЙ НА КОДОВОМ И ВРЕМЕННОМ УПЛОТНЕНИИ, МЕЖДУ МОБИЛЬНЫМИ И/ИЛИ СТАЦИОНАРНЫМИ ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ | 1999 |
|
RU2202855C2 |
| US 5663958 A, 02.09.1997 | |||
| US 5946634 A, 31.08.1999. | |||
