В такой схеме УРС и ЦРС берут на себя роль средств коммутации и ретрансляции принимаемых каналов, что обеспечивает создание каналов связи между любыми станциями сети. Используются и системы без ЦРС. В этом случае связи между УРС организуются не по радио, а с помощью проводных или оптоволоконных средств. Часто УРС и ЦРС одной системы радиосвязи сопрягают с различными другими системами связи, действующими на территории ее области обслуживания или охватывающими эту область, что позволяет организовать составные каналы связи нескольких систем.

В системах радиосвязи, как правило, целесообразно разбить ОО на ряд зон (сот) и создавать радиолинии только внутри таких сот (зональное обслуживание), а не соединять радиолиниями все пары РС независимо от их размещения в ОО. В каждой соте создается УРС, именуемая базовой станцией (БС), поддерживающая радиальную связь со всеми ОРС соты. Тем или иным способом организуется также связь между БС различных сот, что и обеспечивает создание каналов связи между любой парой РС системы. Системы, применяющие разбиение ОО на соты, называются сотовыми, в отличие от интегральных систем, где этот принцип не используется.

По сравнению с интегральными сотовые системы значительно выигрывают по требуемому энергетическому потенциалу радиолиний и полосе рабочих частот системы радиосвязи. Энергетический выигрыш определяется сокращением дальности связи и более рациональным распределением транслируемой информации по ОО. Первый фактор очевиден, особенно если учесть, что для наземных систем радиосвязи интегральное обслуживание не слишком малых областей связано с загоризонтным распространением радиоволн. Второй фактор менее очевиден, хотя и не менее значим. Для его пояснения целесообразно разделить информацию, которая может транслироваться в системах связи, на индивидуальную и групповую, или радиальную. К первому типу относится информация, предназначенная только одной РС, и не представляющая интерес для остальных станций системы, например голосовая информация. В отличие от этого групповая информация важна для группы станций или всех станций соты или системы (циркулярная информация), например радиовещательная информация. При интегральном обслуживании такое различие типов передаваемой информации не учитывается, и сигналы, отображающие всю информацию, транслируются на всю ОО. В сотовых системах передача информации может дифференцироваться таким образом, чтобы на каждую соту поступала только информация, предназначенная РС этой соты. Ясно, что такая дифференциация позволяет экономить энергетические ресурсы системы связи.

Повышение эффективности использования полосы частот при зональном обслуживании определяется возможностью повторения частот при передаче сигналов в различных сотах. Это реально в достаточно разнесенных по пространству сотах; уровень сигналов, достигающих другой соты, оказывается для каждой из них относительно малым.

Размещение сот внутри ОО существенно зависит от местных условий и может быть достаточно разнообразным. В качестве основной, хотя и грубой, модели такого размещения можно принять гексагональную сетку (рис. 12).

Рис. 12. Гексагональное размещение сот

Каждая сота граничит с шестью другими сотами. В соседних сотах должны использоваться только линейно разделимые сигналы.  В противном  случае, по крайней  мере в районах, примыкающих к границам сот, сигналы отдельных РС будут существенно  мешать друг другу, и их прием станет невозможным.  В соответствии с вышеизложенным линейно разделимые группы могут различаться, например, поляризацией, или для их разделения могут применяться скалярные методы.

Как следует из рис. 12, три группы (m = 3) разделимых сигналов А, В и С позволяют при гексагональном размещении сот исключить  работу соседних сот на сигналах одной и той же группы. Однако, как правило, сигналы данной соты создают значительные помехи не только в соседних сотах, но и в сотах, окружающих  соседние. Поэтому следует исключить использование одной и той же группы сигналов во всех сотах, граничащих  с любой данной. Оказывается, что минимальное число групп сигналов для реализации этого требования — семь (m = 7). На рис. 12 цифрами показано возможное размещение по сотам семи групп сигналов (1, 2, …, 7). Действительно, какую бы соту на этом рисунке мы ни рассмотрели, окажется, что шесть граничащих с нею сот имеют различные группы сигналов, отличные от ее собственной  группы. Ясно, что решение данной задачи при числе групп сигналов менее семи невозможно.  В сравнительно редких случаях, чтобы еще более разнести по пространству соты с повторяющимися сигналами, оперируют с m = 9 группами сигналов.

Оценим общее число линейно разделимых сигналов,  которые  требуются для всей ОО при сотовом обслуживании. Для простоты примем, что по трафику соты идентичны, так что для обслуживания каждой из них необходимо одно и то же число сигналов М. Итак, должно быть m групп сигналов по М сигналов в каждой, т.е. N = mM разделимых сигналов.

Остановимся на вопросе о том, какое число сигналов  потребовалось бы для той же ОО при интегральном  обслуживании.  Здесь следует различать случаи индивидуальной  и групповой информации. При передаче индивидуальной  информации общее число радиолиний с ОРС при переходе от интегрального обслуживания к сотовому не меняется: оно остается равным числу ОРС, одновременно работающих во всей ОО. Поэтому при индивидуальной информации и обслуживании K сот достигается выигрыш в общем числе требуемых разделимых сигналов  по сравнению с вариантом интегрального  обслуживания в n раз:

n = K / m .                                                                                                           (14)

Поскольку число сот может достигать несколько сотен, то последнее соотношение означает, что требуемое число сигналов сокращается в десятки раз. Если, например, сигналы создаются на основе разделения по частоте, то это соответствует экономии спектра рабочих частот, необходимого для функционирования  системы, в то же число раз.

Иначе обстоит  дело при трансляции в системе циркулярной  информации.  При интегральном обслуживании требуется организация одной радиолинии на все ОРС,  размещенные в ОО, в то время, как при зональном обслуживании должны создаваться K таких радио- линий (по одной в каждой соте). Соответственно, требуемое число разделимых сигналов возрастет при переходе к сотовому обслуживанию в m раз (при K > m).

Подводя итог, можно сказать, что при трансляции индивидуальной информации сотовое обслуживание  позволяет обеспечить резкое повышение эффективности использования связных ресурсов всех видов, поэтому является основным  направлением дальнейшего совершенствования соответствующих  систем связи. При трансляции циркулярной информации целесообразность использования сотового обслуживания зависит от конкретных условий и требует специального анализа.

Отметим, что в реальных ситуациях трафик отдельных сот и условия работы в них (например, рельеф местности,  застройка  района  и т.п.)  обычно значительно  различаются. В связи с этим выделяемые каждой  соте связные ресурсы, в частности, количество разделимых сигналов, должны быть также различными.  Соответствующее централизованное распределение связных ресурсов между сотами называется частотно-территориальным планированием (ЧТП). В этом термине распределение частот понимается в расширенном смысле как распределение разделимых сигналов,  которые могут отличаться, как отмечалось выше, не только частотой. Слово «планирование» предполагает централизованное распределение ресурсов. Существуют  системы, где это распределение осуществляется децентрализовано. Тогда говорят, что в них ЧТП не осуществляется.

Проведенный анализ показывает, что характеристики систем передачи индивидуальной информации улучшаются по мере увеличения  числа сот. Однако  увеличивается и объем оборудования сети, а следовательно, ее стоимость.  Определенный компромисс  в этом вопросе достигается при секторизации сот, когда каждая из них делится на три или шесть секторов (рис. 13). Все сектора обслуживаются одной БС, расположенной в центре соты. БС снабжается специальной МЛА, называемой секторной антенной. Таким образом, секторизация увеличивает число сот в 3 или 6 раз за счет некоторого  усложнения  БС, но без изменения их общего количества в сети.

Остановимся на ЧТП при секторизации сот. В отличие от исходной структуры, когда соты граничили только по линиям, сейчас они граничат также в точках. Это принципиальное изменение топологии приводит к новым соотношениям для требуемого количества частот (частота здесь понимается  в указанном выше расширенном смысле). Если рассматривать, например, трехсекторный  вариант, то для обслуживания секторов одной соты требуются три частоты. Анализ показывает, что при сохранении требования об исключении  работы на одних и тех же частотах любых двух секторов, соседствующих с одним и тем же третьим сектором,  число частот в новой топологии  равно 12. Может показаться, что это приведет к снижению повторяемости использования частот и, как следствие, к ухудшению использования частотного ресурса в целом. Однако,  если учесть, что при новой топологии число сот возрастает в три раза, а число требуемых частот только в 12/7 раза, станет ясно, что секторизация приводит не к ухудшению,  а к существенному улучшению использования частот.

Рис. 13. Варианты секторизации сот

Пространственное статистическое  разделение.  Выше рассмотрен  вариант  пространственного  разделения по углу прихода волны, где передачу каждого разделяемого сигнала осуществляла своя передающая (ПРД),  а прием — одна или несколько (при разнесении по пространству) приемных (ПРМ) антенн.  Причем  требовалось значительное различие угловых  направлений от ПРМ антенн на ПРД антенны. В последние годы широкое развитие получили специальные многоантенные  системы передачи информации (МАСПИ), когда в состав радиостанции включается несколько приемных  и передающих антенн, сдвинутых  в пространстве на несколько длин волн. Такие системы направлены на борьбу с замираниями, возникающими в радиоканалах, и на повышение спектральной  эффективности путем многократного повторного использования выделенной полосы рабочих частот. Последний аспект построения МАСПИ рассмотрим подробнее.

Рис. 14. Структура МАСПИ

В варианте, представленном на рис. 14, на передающей станции установлено N ПРД антенн, а на принимающей  станции — не меньшее число приемных. Примем, что количество ПРД и ПРМ антенн одинаково. Последовательность брутто битов подается на модулятор, осуществляющий ФМ или КАМ  манипуляцию.  Выходные символы манипулятора могут быть представлены последовательностью комплекснозначных  чисел — значениями отсчетов комплексной  огибающей  выходного сигнала манипулятора.  Пусть отсчеты берутся один раз за элементарную посылку, так что частота их следования совпадает с частотой манипуляции B. При МОН этот сигнал передается через передающую антенну и занимает полосу частот 1/B.

В отличие от этого в рассматриваемом варианте поток отсчетов ЭП вначале разделяется на N подпотоков, следующих с тактовыми частотами B/N. Каждый подпоток транслируется через свою ПРД антенну, и все потоки передаются одновременно (параллельно). В результате занимаемая полоса частот сокращается в N раз. Возникает вопрос о принципиальной возможности  разделения подпотоков  на приемной стороне и, если это возможно, о путях реализации такого разделения.

Обсудим первую из этих проблем. Регулярное разделение здесь невозможно,  и речь может идти только о статистическом разделении. Для каждой пары антенн: I-я ПРД, J-я ПРМ может быть определен комплексный  коэффициент передачи, включающий  среднестатистическую и случайную составляющие. Среднестатистические значения коэффициентов передачи трасс будем считать для всех пар одинаковыми  и в дальнейшем анализе опустим  как несущественные. Для упрощения примем, что на всех трассах имеют место рэлеевские замирания, так что случайные составляющие коэффициентов передачи μ_I,_J являются комплексными  числами с нулевым средним значением и нормальным распределением квадратурных координат.  Набор этих чисел образует квадратную матрицу M. Будем полагать,  что система синхронизации приемника достаточно точно измеряет значения этих чисел, так что при приеме они могут считаться известными.

Что касается подпотоков символов манипулированного  сигнала, то в общем случае каждый из них может включать несколько символов. Примем, что каждый подпоток содержит всего один манипулированный символ, так что передача ведется по следующей схеме: из последовательности ЭП на выходе модулятора выделяется очередная группа  из N ЭП. Каждая посылка этой группы удлиняется по времени в N раз и сдвигается так, чтобы все посылки группы начинались одновременно. Далее каждая из них подается на свою ПРД антенну, и все антенны одновременно и параллельно излучают их. Далее по тому же алгоритму передается следующая  группа ЭП.  Именно такой метод статистического  уплотнения для МАСПИ был впервые предложен специалистами Bell Laboratories в 1996 г. и получил название Vertical-Bell Labs Layered Space (V-BLAST).

Обозначим набор комплексных  чисел α, отображающих группу передаваемых при этом ЭП, вектором-строкой Q = (α1 , α2 , ..., α N ). Тогда вектор наблюдений, т.е. выходных сигналов приемных антенн, примет вид

W = Q M + ℵ ,                                                                                                   (15)

где ℵ  — вектор шумов приемных систем; его J-я координата определяет значение отсчета шумов J-й приемной системы; как обычно,  координаты шумового  вектора полагаем нормальными и независимыми.

Теперь можно попытаться ответить на вопрос о разделимости передаваемой информации или, иначе говоря, о возможности определения координат вектора Q по координатам наблюдения W. Начнем с гипотетического  случая, когда шумов нет. В этом случае соотношение (15) представляет собой систему N линейных уравнений с N неизвестными. Такая система всегда имеет однозначное решение, кроме исключительного  случая равенства нулю ее определителя.  Поскольку  элементы матрицы M системы в рассматриваемом варианте являются случайными, вероятность указанного события нулевая, и с ней можно не считаться. Поскольку  решение системы уравнений является единственным, оно будет в точности совпадать с действительно переданными кординатами Q. Таким образом, разделимость символов переданного сообщения налицо независимо от степени уплотнения спектра N. Вообще говоря, в этом нет ничего удивительного. Возможность неограниченного увеличения удельной скорости передачи информации γ  при отсутствии шумов общеизвестна. Интерес представляет способ, которым  этот эффект достигнут.  Возможность  реализации уплотнения  за счет одновременного  использования ряда независимых  трасс распространения радиоволн, как это имеет место в МАСПИ, представляется сравнительно новым полезным фактом.

Сопоставим, например, этот вариант с вариантом использования полосно-эффективных методов манипуляции высокой кратности. Пусть, например, в радиолинии уже используется КАМ256 и ставится задача дополнительного  двукратного  повышения γ. Если бы для решения этой задачи использовались полосно-эффективные методы манипуляции, пришлось бы перейти к КАМ65536.  Создание соответствующего  демодулятора представляется нереальным. Если использовать МАСПИ, то придется только вместо одной ПРД/ПРМ  антенны перейти к двум на каждой радиостанции. Здесь проявляется важная особенность пространственного статистического уплотнения — линейный рост γ с ростом числа антенн.

Заметим теперь, что при отсутствии шума решения уравнения (15) представляют собой некоторые линейные комбинации наблюдений. Коэффициенты в этих комбинациях будем именовать настройками. Настройки образуют квадратную матрицу R размерности N×N, элементы которой вычисляются определенным образом по элементам M. Если эта последняя известна, то можно считать известными и настройки,  что позволяет легко вычислять искомые решения из соотношения:

Q = W R.                                                                                                             (16)

Решения всегда будут принадлежать сигнальному  созвездию метода манипуляции,  так что вопрос об идентификации  полученных  решений здесь вообще не возникает. Полученные решения являются точными  и потому соответствуют отсутствию мешающих взаимодействий между параллельно передаваемыми по разным трассам ЭП, т.е. межсимвольные искажения (МСИ) в передаваемом сигнале  отсутствуют. Единственный набор настроек, удовлетворяющий этому условию, задается матрицей R. Метод приема, использующий эти настройки, именуется безинтерференционным (БИфМ).

Если выбрать настройки в соответствии с БИфМ и подать сигналы с шумами, то в силу линейности (15) интерференция по-прежнему  будет отсутствовать.  Однако  теперь в наблюдения, кроме сигнальных компонент, будут аддитивно входить и случайные составляющие, вызванные действием шумов приемных систем. При этом шум J-й такой системы будет входить с той же настройкой, что и наблюдение W_J (J-я координата W), и настройки будут влиять уже не только на учет сигнальных компонентов, но и на дисперсию шума.

Следует также отметить, что появление шума в определенном смысле качественно меняет ситуацию.  Решения уравнения (15) уже не будут, как правило, принадлежать сигнальному созвездию, необходима специальная процедура нормализации полученных  решений. Процедура сводится к отысканию ближайшего к полученному  решению символа созвездия. Может оказаться, и эксперимент подтверждает это положение, что при действии шумов настройки,  определяемые БИфМ,  оказываются весьма далекими от оптимальности. Это означает, что имеет смысл отойти от настройки,  исключающей интерференцию, и использовать вариант с определенным уровнем МСИ, но более благоприятный с точки зрения влияния шума. Прежде, чем рассматривать такие варианты,  имеет смысл остановиться на путях идеального приема соответствующих сигналов.

Структура  идеального приемника для данного случая следует из общих положений. Именно, получив вектор наблюдений W, приемник должен определить его расстояния до всех возможных векторов Q при используемом способе манипуляции и в качестве решения выбрать тот из них, расстояние до которого  минимально. Такое решение, будет решением максимального  правдоподобия (РМП), т е. реализует идеальный прием. Однако РМП имеет столь высокую сложность (с ростом N число требуемых операций увеличивается экспоненциально),  что практически  нереализуемо. Поэтому РМП, как правило, используется при машинном моделировании для оценки потенциальной помехоустойчивости  статистического  пространственного  разделения.  Наоборот, сложность БИфМ возрастает с ростом N линейно, но его помехоустойчивость, особенно при сильных шумах, оказывается недостаточной. Существуют  промежуточные варианты демодуляции в системах со статистическим пространственным уплотнением. Среди них отметим алгоритм минимума среднеквадратичной ошибки (МСКО).

Наконец, алгоритм последовательного исключения демодулированных компонент Serial Interference Cancellation (SIC) представляет собой вариант демодуляции с обратной связью по решению (ДОСР). Получив тем или иным способом (чаше всего методом МСКО) решение для очередной координаты  вектора Q, приемник  формирует соответствующий радиосигнал и с помощью матрицы M определяет вклад этого сигнала в вектор наблюдений, после чего вычитает его из указанного  вектора. Далее приемник  переходит к демодуляции следующей координаты вектора Q. Ясно, что чем позже определяется данная координата, тем меньше других ЭП влияет на ее определение и тем меньше вероятность ошибки на данном этапе. (Это утверждение справедливо в случае, если не произошла ошибка на одном из предыдущих этапов.) Поэтому очередность демодуляции отдельных ЭП влияет на качество демодуляции. Обычно с помощью матрицы M определяется номер ЭП, передаваемой с наибольшим коэффициентом передачи, с нее и начинается демодуляция. Такое решение диктуется двумя обстоятельствами:  во-первых,  указанные  выше осложнения при демодуляции первой ЭП нивелируются  повышенным  ее уровнем; во-вторых, ее повышенный  уровень означает и повышенный  уровень создаваемых ею МСИ при приеме остальных координат, из-за чего следует исключить  ее в первую очередь. Отметим, что сложность реализации ДОСР растет с ростом числа антенн полиномиально,  так что реализация хотя и не может быть признана простой, но все-таки является практически приемлемой.

При сравнении энергетической эффективности различных многоантенных  систем возникает вопрос о критериях такого сравнения. Дело в том, что этот критерий должен теперь учитывать не только требуемое значение нормированного отношения сигнал/шум в той или иной точке схемы, но и общее число передатчиков, приемных и передающих антенн. Представляется, что различные многоантенные системы должны сравниваться при следующих условиях:

– равенстве суммы средних мощностей всех используемых для трансляции одного сообщения передатчиков;

– равенстве суммарной площади всех используемых для трансляции одного сообщения ПРД антенн;

– равенстве суммарной площади всех используемых для трансляции одного сообщения ПРМ антенн.

Для того чтобы вычленить эффекты, создаваемые именно наличием нескольких  антенн, следует полагать одинаковыми способы манипуляции (включая значность) и характер замираний. Эти обстоятельства могут быть учтены в некотором интегральном, разумным образом сконструированном  количественном показателе, который  будем называть эквивалентным приведенным отношением сигнал/шум h_БЭ. Опишем его формирование на примере системы V-BLAST с одинаковым числом ПРМ и ПРД антенн. Примем за основу значение h_ББ, определяемое для каждой отдельной трассы ПРД–ПРМ без учета остальных.  Исходя из имеющих место на этой трассе замираний для нее должно быть определено среднеквадратичное значение этой величины — h_Б0 . Метод V-BLAST для трансляции одного сообщения использует один передатчик и одну передающую антенну (сообщения, излучаемые каждой антенной, различны). В приеме каждого сообщения участвуют все N приемных антенн. Поэтому обычная система, с которой имеет смысл сравнивать данную МАСПИ, должна иметь ту же ПРД антенну и ту же мощность передатчика, но приемную антенну с площадью в N раз превосходящей используемые. Поэтому здесь

Именно на основе h_БЭ и проведено сравнение результатов моделирования, приведенных на рис. 15. На рисунке показаны кривые помехоустойчивости  для канала с рэлеевскими замираниями при различных методах демодуляции. Кроме того, здесь приведена кривая помехоустойчивости  обычной  системы передачи с одной ПРД и одной ПРМ антенной. Все кривые представлены как функции от h_БЭ.

Рис. 15. Помехоустойчивость передачи сообщений в системе V-BLAST при модуляции КАМ16:

БИфМ — безинтерференционный метод приема;

МСКО — демодуляция по методу минимума среднеквадратичной ошибки;

ДОСР — демодуляция с обратной связью по решению;

РМП — решение максиального правдоподобия

Анализируя рис. 15, следует иметь в виду, что в методе V-BLAST, как и при других неортогональных порождающих матрицах, в МАСПИ наблюдаются два разнонаправленных влияния на помехоустойчивость передачи:

– разнесение трансляции сигналов по ряду трасс, за счет чего помехоустойчивость  возрастает;

– помехи приему каждого сообщения вследствие параллельной трансляции других сообщений, что снижает помехоустойчивость.

Данные, представленные на рис. 13, указывают на тот факт, что при всех рассмотренных вариантах  демодуляции  положительное  влияние превосходит  отрицательное.  При БИфМ и МСКО они почти сравниваются, но при переходе на ДОСР и тем более при РМП обеспечивается значительный энергетический выигрыш.  К этому положению следует прибавить и тот факт, что V-BLAST в N раз повышает удельную скорость передачи информации. Таким образом, МАСПИ действительно представляет собой перспективное направление совершенствования основных характеристик систем связи.

Вопросы для самопроверки

3.1. Принципы организации сотовой связи.

3.2. Распределение полосы рабочих частот в сотовой связи.

3.3. Сравнение эффективности сотового и интегрального обслуживания.

3.4. Пространственное разделение сигналов в МАСПИ.

3.5. Полосная и энергетическая эффективность системы МАСПИ V-BLAST.

3.6. Демодуляция сигналов МАСПИ V-BLAST.