Методы увеличения пропускной способности беспроводного канала связи

Пропускная способность радиоканала связи (как, впрочем, и кабельного), т.е. теоретическая верхняя граница скорости передачи данных, определяется теоремой Шеннона-Хартли:

C = B log2 (1 + S / N) (2)

где

C - пропускная способность канала (бит в секунду);

B - ширина полосы канала (Гц);

S - полная мощность сигнала над полосой пропускания (Вт);

N - полная шумовая мощность (аддитивный белый гауссовский шум) над полосой пропускания (Вт);

S / N - отношением сигнал-шум (SNR).

Таким образом, скорость передачи в радиоканале фактически определяется уровнем помех, присутствующих в силу того, что среда передачи радиосигнала является средой общего пользования и в ней работают другие электронные устройства.

Однако, уровень шума не постоянен и в каждый момент времени (а тайм-слоты в беспроводных каналах связи используются очень короткие – менее 1 мс) имеют различное значение. Именно это обстоятельство и используется в сетях 3G и последующих для увеличения скорости передачи в моменты времени, когда соотношение сигнал/шум низко.

Увеличение пропускной способности беспроводного канала связи в сетях связи 3-го поколения осуществляется на основе комбинирования двух основных методов:

­ замена бита информации чиповой последовательностью, ортогональной с другими, используемыми на данной территории, последовательностями - метод кодового разделения CDMA;

­ замена бита информации символом, несущим несколько бит полезной информации, что достигается дополнительной модуляцией исходного битового сигнала - модуляции 8ФМ (восьми-позиционная фазовая модуляция), 16 КАМ (шестнадцати-позиционная комплексная амплитудная модуляция) и т.д., вплоть до 64 КАМ.

Выбор того или иного метода увеличения скорости передачи информации определяется состоянием канала связи (по соотношению сигнал/шум и по количеству искаженных бит), выявляемого посредством тестового радиоканала. Использование временных промежутков с благоприятным состоянием канала связи для более высокоскоростной передачи информации дает существенный выигрыш относительно систем беспроводной связи, полагающих неизменным во времени качество канала связи. В современных системах радиодоступа возможно максимально учесть условия распространения радиоволн в канале связи и адаптироваться к ним путем выбора наиболее подходящей схемы модуляции и кодирования. Например, в LTE доступны 29 схем модуляции и кодирования, выбирается та, которая в данных условиях распространения радиоволн обеспечивает максимальную пропускную способность.

Метод множественный доступ с кодовым разделением CDMA предполагает передачу голосового потока на одном частотном канале одновременно со многими другими кодированными голосовыми потоками, различающиеся лишь своим уникальным кодом чиповой последовательности, замещающей битовый интервал. Принимающая сторона использует тот же код для выделения сигнала из шума. Единственное отличие между множественными голосовыми потоками это уникальный код, слабо коррелированный с другими, используемыми в этой же соте.

Принцип кодового разделения каналов поясняет рис. 8. Передаваемый биполярный сигнал u(t) (рис. 4 а), т. е. последовательность логических нулей и единиц с уровнями -1 и +1, умножают на биполярную кодовую последовательность c1(t), такую, что на каждый информационный бит приходится m бит (чипов) кодовой последовательности. На рис. 4 б эта последовательность для простоты состоит из 8 чипов; на практике m = 4...256. В результате умножения получают последовательность v(t) = u(t) * c1(t) (рис. 4 в), которую и передают по каналу связи. В приемнике принятый сигнал вновь умножают на последовательность c1(t) и в результате получают unp(t) = … = u(t) (рис. 4 г, сплошная линия). Этим, однако, не ограничиваются и проводят интегрирование сигнала unp(t) на интервале передачи каждого бита. В конце каждого промежутка времени (0-1, 1-2, 2-3) проводят оценку значения интеграла, после чего интегратор обнуляют и начинают процесс интегрирования заново (рис. 1.8 г, пунктирная линия).

Рисунок 4 - Принцип кодового разделения

Таким образом, вычисляют корреляционную функцию принятого сигнала. В результате в конце каждого промежутка времени, соответствующего передаче одного бита, получают отрицательное или положительное число в соответствии с переданным информационным битом.

Канал, как правило, очень широк (от 1,23 МГц) и каждый голосовой поток занимает целиком всю ширину диапазона. В системах CDMA теоретически сигнал может быть слабее, чем уровень шума (для этого придется использовать очень длинную чиповую последовательность).

Следует отметить, что долгое время протокол CDMA считался более эффективным, нежели протокол TDMA. Действительно, с математической точки зрения разделение абонентских каналов по их коду – более эффективная операция, нежели по любым другим параметрам радиосигнала. Однако оказалось, что реализация данного протокола доступа для высокоскоростных (а, следовательно, широкополосных) каналов сопровождается сильной взаимной интерференцией между абонентскими каналами связи, которая может привести к полной деградации системы при увеличении количества обслуживаемых абонентов.

Методы модуляции рассмотрим на примере технологии EDGE (расширение стандарта сотовой связи GSM для более скоростной передачи информации). EDGE предусматривает замену вида модуляции: Гауссовой ЧММС на 8-ФМ. Это позволяет при сохранении символьной скорости передачи в радиоканале 271 ксимв./с увеличить скорость передачи данных в 3 раза, поскольку сигнал 8-ФМ имеет 8 позиций и каждая из них соответствует комбинации из трех бит (рис. 5). В результате появляются новые каналы передачи данных со скоростями 28,8; 32 и 43,2 кбит/с в одном временном интервале.

Рисунок 5 - Модуляция 8-ФМ

Модуляция 8-ФМ обладает мень­шей помехозащищенностью, чем Гаус­сова ЧММС, поэтому ее можно исполь­зовать в каналах с высоким отношением сигнал/помеха. Если при скорости пере­дачи 9 кбит/с требовалось защитное отношение сигнал/помеха в 9 дБ, то при применении 8-ФМ необ­ходимое защитное отношение возрас­тает до 15-17 дБ. Поэтому в сетях GSM - EDGE обеспечивают адаптивное изменение скорости передачи в соответствии с вариациями характеристик канала связи.

Более эффективной является модуляция 16-КАМ, обеспечивающая скорость до 2457 кбит/с (рис. 6).

Рисунок 6 - Модуляция 16-КАМ

Существуют модуляции и более высокого порядка - вплоть до 256-КАМ, но следует иметь в виду, что их применение требует существенного увеличения необходимого защитного отношения сигнал/помеха, а так же снижения доплеровского эффекта (т.е. накладывает ограничения на скорость перемещения абонента).