Управление параметрами радиосигналов

С целью обеспечения возможно большего числа пользователей качественной радиосвязью в мобильных сетях связи используют управление параметрами радиосигналов. Управление на системном уровне позволяет регулировать уровень помехи по совмещенному каналу и получать требуемое качество приема полезных сигналов при одновременной работе значительного числа абонентов. В качестве управляемых параметров могут быть использованы такие параметры сигналов, как передаваемая мощность, частота, вид кодирования и модуляции и т. п., а также такой параметр излучения, как поляризация. В настоящее время поляризация используется для снижения уровня помех обычно между стационарными системами. При этом управление поляризацией отсутствует. Просто системы используют разные, как правило, ортогональные поляризации сигналов. В подвижных системах связи управление поляризацией сигналов и приемных антенн не используется.

Наиболее широко в системах подвижной радиосвязи используется управление мощностью излучения передатчиков. В системах GSM, например, реализовано управление мощностью излучения передатчиков абонентских станций, а в системах CDMA – управление мощностью излучения как абонентских, так и базовых станций.

Управление мощностью в системе связи подразумевает выбор такой мощности передатчика, при которой обеспечивается требуемая рабочая характеристика внутри этой системы. В качестве такой характеристики могут выступать скорость передачи данных в линии связи, емкость или пропускная способность линии связи, область обслуживания и др. В зависимости от электромагнитной обстановки на линии связи получить нужную характеристику можно, используя, как увеличенное, так и пониженное значение излучаемой мощности. Увеличение мощности передатчика повышает отношение сигнал/шум в приемнике, для которого сигнал этого передатчика является полезным. Это снижает частоту ошибки при приеме бита информации в цифровой линии связи, уменьшает влияние замираний на качество приема полезного сигнала и т. п. Однако увеличение мощности передатчика имеет и отрицательные стороны. К ним, в частности, относится увеличение помех между пользователями. В широкополосных сотовых сетях связи, таких как сети CDMA, где пользователи сети используют одну частоту, но разные коды, число пользователей, которое может работать в пределах соты, а также размер соты, ограничены уровнем помехи, присутствующей в сети. Увеличение уровня помехи приводит к снижению пропускной способности и размера соты. Даже в системах множественного доступа с разделением частот, где пользователи в пределах соты используют разные частоты, помеха может иметь место между разными сотами и снижать возможности повторного использования частот.

Управление мощностью позволяет избежать значительных помех между разными сотами. В благоприятной для приема полезного сигнала электромагнитной обстановке этому может способствовать, в частности, снижение уровня излучаемой мощности до значения, обеспечивающего требуемое значение рабочей характеристики линии связи. Хороший алгоритм управления мощностью позволяет сбалансировать достоинства и недостатки, связанные с изменением мощности в сторону ее увеличения или уменьшения.

Еще одним способом избежать недопустимых помех по совмещенному каналу является управление частотами базовых и абонентских станций. Это можно сделать, используя соответствующие схемы распределения частот каналов и алгоритмы управления ими. Схемы распределения каналов назначают каналы сотам сети таким образом, чтобы обеспечивалась пропускная способность сети при поддержании минимального отношения сигнал/помеха. Схемы можно разделить на три категории в зависимости от того, как разделяются соты, использующие совмещенные каналы:

- фиксированное распределение каналов;

- динамическое распределение каналов;

- смешанное распределение каналов.

При фиксированном распределении каналов все доступные каналы разбивают на группы и группу назначают каждой соте для ее исключительного использования. Рассмотренные ранее методы частотно-территориального планирования, где каждому средству назначалась одна частота, представляют частный случай фиксированного распределения радиочастотных каналов. Очевидно, что аналогичные операции могут быть выполнены и по отношению к группам частот. Простая схема фиксированного распределения каналов, когда каждой соте назначают одно и тоже число каналов, формируя равномерное распределение каналов, является эффективной, если трафик в такой сети распределен равномерно. Однако в реальных сотовых системах трафик далек от равномерного, и такая схема может привести к высокой вероятности блокировки связи (отказа в обслуживании) в сотах с высоким значением трафика, в то время как в сотах с низким трафиком радиочастотные каналы будут недоиспользованы.

Чтобы адаптироваться к неравномерной плотности трафика в сети, число каналов, присваиваемых каждой соте, может меняться в зависимости от ожидаемого в ней трафика.

Способ, который может быть использован при фиксированном распределении каналов, чтобы управлять неравномерным трафиком, состоит в заимствовании каналов. Сота, которая использовала все свои каналы, может заимствовать на время свободный канал у соседних сот, если взятый взаймы канал не создает помех существующим вызовам.

Схемы, использующие заимствование, можно разделить на простые и гибридные (составные). В простой схеме заимствования любой свободный канал в любой соте может быть заимствован другой сотой, нуждающейся в дополнительном канале для обслуживания поступающих запросов. В гибридной схеме заимствования все каналы, присвоенные каждой соте, делят на две группы: локальные каналы и каналы, разрешенные для заимствования. Группа локальных каналов используется для обслуживания данной соты. Каналы этой группы не могут быть заимствованы другими сотами. Только каналы, входящие в состав группы каналов, разрешенных для заимствования, могут быть использованы соседними сотами сети в случае необходимости. Существует несколько стратегий заимствования каналов. Алгоритмы, реализующие ту или иную стратегию заимствования, различаются сложностью, гибкостью и рабочими характеристиками: емкостью трафика, для которого предпочтительно использование алгоритма заимствования и вероятностью блокировки (отказа) обслуживания.

Схемы динамического распределения каналов разработаны, чтобы адаптироваться к кратковременным изменениям трафика. В отличие от схем с фиксированным распределением при динамическом распределении отсутствует фиксированная связь между каналами и сотами. Все каналы хранятся в центральном общем фонде и назначаются сотам при поступлении новых вызовов. По окончании обслуживания вызова использованный канал возвращается в центральный фонд. В схемах динамического распределения каналов канал может быть использован только, если удовлетворяются ограничения на уровень помех.

В зависимости от типа управления схемы динамического распределения каналов можно разбить на централизованные и распределенные. В централизованных схемах динамического распределения каналов по поступившему запросу канал из центрального фонда назначает центральный контроллер. Распределенные схемы вместо централизованной информационной базы используют либо локальную информацию из окрестных сот о каналах, доступных в данное время, либо результаты измерений уровня сигнала.

Гибридные (составные) схемы распределения каналов представляют комбинации схем фиксированного и динамического распределения каналов. В гибридных схемах каналы, которые имеет система, группируют в фиксированное и динамическое множества. Каналы, принадлежащие фиксированному множеству, назначают сотам, используя схемы фиксированного распределения каналов. Каналы динамического множества хранят в общем фонде для будущих запросов. Если нужно обслужить запрос, а у соты нет номинальных каналов, соте назначают канал из динамического множества.

Следует заметить, что в настоящее время сложные схемы управления выбором рабочих каналов в сетях связи не имеют такого широкого применения, как схемы управление мощностью передатчиков. Однако появляющиеся новые стандарты на системы связи начинают применять и этот механизм управления радиочастотным ресурсом, обеспечивающий требуемое качество работы РЭС, образующих сеть, и более эффективное использование ресурса. В частности, стандарт IEEE 802.11h поддерживает динамический выбор частот в беспроводной локальной сети.

Механизмы управления параметрами сигналов не только обеспечивают ЭМС сетей, охваченных этими механизмами, но и позволяют улучшить рабочие характеристики сетей.

13.3. Радиоконтроль и его роль в управлении использованием
радиочастотного спектра и обеспечения ЭМС

Эффективное использование освоенных диапазонов частот при интенсивном росте числа пользователей этих диапазонов может быть достигнуто только посредством рационального управления использованием радиочастотного спектра (РЧС). Цель Администрации системы управления использованием РЧС состоит в том, чтобы в диапазоне частот, распределенном конкретной радиослужбе, обеспечить частотами максимально возможное число пользователей этой службы при требуемом качестве работы их радиоэлектронных средств. Цель достигается посредством решения двух задач:

- частотного планирования и присвоения рабочих частот новым РЭС;

- поддержания состояния реального использования РЧС в соответствии с планируемым.

Как любая система управления, система управления использованием РЧС должна иметь обратную связь, которая дает информацию, необходимую для управления (ошибку рассогласования):

1) о соответствии реального и запланированного использования РЧС;

2) о соответствии реального и требуемого качества работы РЭС;

3) об ЭМО на частотах, распределенных конкретной радиослужбе (или присвоенных конкретным радиоканалам). Информация необходима для работы алгоритмов, связанных с оценкой ЭМС РЭС, и для расчета зон обслуживания РЭС.

Эта информация может быть получена посредством радиоконтроля. Присваивая частоту РЭС или реализуя частотный план, Администрация гарантирует оператору сети связи или пользователю РЭС определенное качество функционирования при условии соблюдения всеми пользователями спектра правил его использования и ограничений, установленных в разрешении на работу РЭС. Но если Администрация, занимающаяся вопросами управления использованием РЧС, выделяет участки спектра в определенных целях и назначает частоты радиоэлектронным средствам, которые при определенных условиях могут использоваться этими средствами в указанных целях, то логичным выглядит и осуществление контроля за соблюдением условий использования выделенных участков спектра и присвоенных радиочастот. Поэтому радиоконтроль является одним из важнейших элементов в системе управления использованием РЧС. Свои функции радиоконтроль выполняет, используя стационарные и подвижные станции радиоконтроля, оборудованные средствами измерений, необходимыми для решения технических задач радиоконтроля.

На рис. 13.4 представлена обобщенная структурная схема системы управления использованием РЧС (УИ РЧС), которая показывает место радиоконтроля в этой системе. В системе управления использованием РЧС можно выделить две петли обратной связи. Одна замыкается через систему радиоконтроля и дает информацию об электромагнитной обстановке и нарушениях или отклонениях планируемого и реального использования спектра. Вторая проходит через пользователя РЧС, который реагирует на качество работы РЭС, разрешенного ему для использования. Однако при поступлении жалоб на помехи со стороны пользователя поиском источников помех (ИП) и устранением помех все равно занимается служба радиоконтроля.

Можно выделить следующие основные технические задачи, решаемые службой радиоконтроля в интересах администрации управления использованием РЧС и обеспечения ЭМС:

1.
Контроль загрузки (занятости) РЧС и радиоканалов. Загрузка радиочастотного канала определяется процентом времени от общего времени наблюдения за каналом, в течение которого канал занят пользователями. Загрузка радиочастотного спектра – это функция, описывающая занятость радиоканалов на частотном и временном интервалах наблюдения.

Решение этой задачи позволяет оценить насколько реальное использование спектра соответствует запланированному. Оно позволяет выявить «перегруженные» каналы и каналы, которые используются относительно мало, и перераспределять нагрузку между ними, а при необходимости производить новые частотные назначения. В процессе решения этой задачи получают информацию об электромагнитной обстановке в контролируемой полосе частот (на каких частотах и как долго работают РЭС, каков уровень их излучений в точке, где выполняется радиоконтроль ), а также на частотах, планируемых для присвоения новым РЭС, включая информацию о внешнем электромагнитном фоне, формируемом источниками естественных и индустриальных помех. Эта информация используется в задачах частотно-территориального планирования и анализа ЭМС РЭС. Решение задачи позволяет выявить частоты, на которых работают РЭС без соответствующих разрешений.

2. Контроль и измерение параметров излучений. Поскольку параметры излучений, предписанные конкретному передатчику, имеющему разрешение на работу, содержатся в базе данных частотных присвоений, то контроль осуществляют посредством измерения параметров излучений по полю на станциях радиоконтроля и сравнения измеренных значений со значениями, содержащимися в базе данных. Решение задачи позволяет найти источники радиоизлучений, параметры которых не соответствуют параметрам, установленным в разрешении на работу, и которые, вследствие этого, могут привести к нарушению условий ЭМС.

3. Опознавание радиосигналов и идентификация источников излучений. Процедура решения включает проверку идентификационных сигналов, определение класса принимаемого излучения и местоположения источника излучений. Совместно с решением задачи Контроль загрузки РЧС позволяет установить местоположение РЭС, работающих без соответствующего разрешения.

4. Поиск и идентификация источников помех. Задача обычно возникает при поступлении жалоб на помехи от пользователей РЧС. Решение задачи должно установить источник помехи и помочь Администрации выяснить причину появления помехи: является ли помеха следствием нарушения ограничений, установленных в разрешении на работу передатчика, или обусловлена ошибкой самой Администрации при выполнении процедуры присвоения частоты. Последнее обстоятельство может потребовать коррекции процедур присвоения частот и анализа ЭМС.

Если исключить из рассмотрения специальные задачи радиоконтроля, в том числе задачи исследовательского характера, которые Администрация управлением использования РЧС может ставить перед службой радиоконтроля, то сформулированные технические задачи являются основными в деятельности радиоконтроля.

Радиоконтроль решает задачу обеспечения ЭМС на этапе эксплуатации РЭС. Кроме того, он дает информацию для решения задач частотно-территориального планирования.