CC BY
31
А.Н. Бабкин,
кандидат технических наук
АНАЛИЗ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ
РАДИОСВЯЗИ ОВД
ANALYSIS OF DIGITAL RADIO COMMUNICATION SYSTEMS PRODUCTIVITY FOR POLICE SERVICE
Проведен анализ производительности цифровых сетей радиосвязи ОВД. Рассмотрены важнейшие характеристики цифровых систем: пропускная способность канала связи, ширина полосы, отношение сигнал/шум. Рассмотрен алгоритм построения систем в существующих частотных диапазонах, выделенных МВД. Приведен пример расчета скорости передачи данных.
The analysis of productivity of digital radio systems is considered. The basic characteristics of digital systems: throughput of communication link, bandwidth of channel and signal/noise ratio — are examined. The algorithm of construction of systems in waveband recognized by the Ministry of the Interior of Russia is analyzed. The example of digital radio systems calculation is given.
Одним из важнейших направлений совершенствования систем радиосвязи ОВД является построение цифровых сетей. В настоящее время большинство сетей подвижной радиосвязи составляют аналоговые конвенциальные сети, которые занимают практически весь частотный диапазон, выделенный МВД. Канальный разнос в таких сетях составляет 25 кГц. Канальный разнос в 12,5 кГц практически не используется.
Для организации новых цифровых сетей необходимо руководствоваться следующими важнейшими принципами:
1. Использовать те же диапазоны частот, в которых работают аналоговые сети.
2. Принимать за минимальную ширину полосы канала связи 25 кГц или 12,5 кГц.
3. Освобождать в случае необходимости полосу канала связи в 25 кГц с переводом существующих аналоговых сетей на канальный разнос в 12,5 кГц. При этом необходимо обеспечивать те же зоны покрытия сетей, которые были при канальном разносе 25 кГц.
4. Освобождать в случае необходимости полосу канала связи в 25 кГц с переводом существующих аналоговых сетей в другой частотный диапазон (например, со 160 МГц на 450 МГц).
5. Проводить анализ электромагнитной обстановки с целью обеспечения максимальной пропускной способности канала связи (за счет уменьшения внешних и внутренних помех).
6. Увеличивать ширину полосы канала связи в случае, если минимальная ширина не обеспечивает требуемой скорости передачи данных системы связи.
Проведем анализ производительности цифровых сетей радиосвязи ОВД, которые должны функционировать в существующих частотных диапазонах.
Одним из важнейших параметров цифровых сетей радиосвязи является пропускная способность канала связи, которая определяется известной формулой Шеннона [1]
С = Вк>8,(1 +-5-), (1)
ш
где С — пропускная способность канала в битах в секунду; В — ширина полосы канала в герцах; Рс /Рш — отношение мощности сигнала к мощности шума на входе приемного устройства.
Определяющими параметрами являются ширина полосы и интенсивности сигнала и шума в канале связи.
При заданной ширине полосы скорость передачи данных можно увеличить за счет увеличения количества различных элементов сигнала в соответствии с формулой Найквиста
С = 2 В 1о§2 М, (2)
где М — число различных сигнальных посылок.
Верхнюю границу возможной скорости передачи задает отношение сигнал/шум, которое представляется в децибелах:
Р Р
р- (дБ) = 1018 рг . (3)
шш
Отношение сигнал/шум определяет защищенность сигнала. Защитное отношение [2] — минимальное отношение уровня полезного сигнала к уровню помехи на входе устройства (элемента) сети связи, при котором обеспечивается требуемое качество функционирования данной сети. Защитное отношение (А) задается в зависимости от назначения. Если сеть предназначена для организации радиосвязи подвижных абонентов с возможностью выхода в городскую телефонную сеть (1 категория), то А = 20 дБ; если сеть предназначена для организации связи без выхода в сети общего пользования (2-я категория), то А = 10 дБ.
Шум является основным фактором, ограничивающим производительность систем связи, и определить его значение в канале передачи можно следующим выражением:
р = р + р + р + р (дБ), (4)
ш т инт пер имп \ /
где рт, ринт, ртр, римп — соответственно тепловые и интермодуляционные шумы, перекрестные и импульсные помехи.
Тепловой шум является функцией температуры и равномерно распределен по спектру частот канала передачи. Тепловой шум, присутствующий в полосе диапазона В Гц, можно представить следующим выражением:
рт = р х В = к х Т х В (5)
где Р0 — плотность мощности шумов в ваттах на 1 Гц полосы; к — постоянная Больцмана (к = 1,3803 х10-23 Дж / К); Т — температура в кельвинах.
В цифровых системах связи в качестве меры производительности используется отношение энергии сигнала на 1 бит к плотности мощности теплового шума на 1 Гц:
Р / Р
ръ = рс х Тъ, (6)
где Рс — мощность сигнала, Ть — время передачи одного бита.
Если скорость передачи данных равна С, то Тъ = 1/ С.
Исходя из (5) и (6), можно записать Р Р
— =------£--. (7)
Р0 к х Тх С
Данное отношение, выраженное в децибелах, принимает следующий вид:
Р
(дБ) = Pc(дБВт) - 10lg C - 10lg K - 10lg T .
P0
Данная формула показывает, что для получения желаемого уровня ошибок при повышении скорости передачи данных необходимо увеличивать мощность передаваемого сигнала по отношению к шуму.
ОтношенияPc /Рш и Pb / P0 являются важнейшими характеристиками, которые
определяют защищенность сигнала и, в целом, цифровых систем связи.
Используя формулы (1) и (7), можно связать данные отношения между собой:
р = B (2C /B -1). (8)
PcC
Данная формула представляет собой связь достижимой спектральной эффективности C / B и Pb / P0 в цифровых системах радиосвязи ОВД.
В качестве примера определим вероятность битовой ошибки и максимально возможную скорость передачи данных в конвенциальных цифровых радиосетях ОВД в канале с отношением сигнал/шум, равным 12 дБ.
Как указывалось выше, для организации цифровых сетей ОВД в существующем частотном диапазоне необходима ширина полосы В канала связи как минимум 25 кГц. В соответствии с (1) максимально возможная скорость передачи данных С при этом будет равна:
С = 25000х log 2(1 +15,8) = 25000 х 4 = 100000 (бит/с).
В соответствии с (2) число различных сигнальных посылок М составит М = 2С/2В = 2100000/2х25000 = 22 = 4, то есть сигнальная посылка будет кодироваться двумя битами.
Отношение Pb / P0 будет определяться выражением (8):
/р ^_2500°(2100000/25000- 1) = 3,75 (дБ).
100000
Для данного отношения теоретическая частота битовых ошибок при использовании фазовой манипуляции в соответствии с [3] составит 10-2.
Для уменьшения ошибок необходимо увеличивать полосу пропускания канала связи и улучшать отношение сигнал/шум (защищенность сигнала).
Формула Шеннона (1) дает теоретически достижимый максимум. На практике достигаются значительно меньшие скорости передачи. Одной из причин этого является то, что в формуле учитывается только тепловой шум устройств сети и не учитываются помехи, вызванные сложной электромагнитной обстановкой в местах размещения различных элементов сетей связи. Особенно опасен коррелированный шум, представляющий собой в основном интермодуляционные искажения, приводящие к увеличению коэффициента шума. Как известно [4], коэффициент шума (или шум-фактор) — это коэффициент, показывающий, насколько изменяется защищенность сигнала при его прохождении через устройство или элемент системы связи. Как показывает практика эксплуатации сетей подвижной радиосвязи ОВД, шум- фактор может достигать значений 6 дБ и более, что, безусловно, влияет на скорость передачи данных.
Так, в рассмотренном выше примере отношение сигнал/шум с учетом шум-фактора составит:
Р
(дБ) = 12 - 6 = 6( дБ).
С учетом совместимости цифровых сетей, работающих на соседних каналах и использующих одинаковый вид цифровой модуляции (например, фазовую манипуляцию), можно оценить фактическую производительность системы связи.
Так, в соответствии с [3] при использовании многофазной передачи сигналов ширина полосы определяется следующим образом:
В
С ,
ч1<0§2 М ) где 0 < г < 1.
Если М = 4, В < 25 кГц, фактическая скорость передачи составит С < 25 Кбит/с.
Таким образом, при организации новых цифровых сетей радиосвязи в условиях загруженности частотных диапазонов необходимо проводить анализ электромагнитной обстановки в местах расположения базовых приемо-передающих устройств и принимать организационно-технические меры к устранению (или значительному снижению) интермодуляционных искажений. Кроме того, следует выбирать тот вид модуляции, который позволяет наиболее эффективно использовать полосу частот и не приводит к блокированию радиосетей, работающих в соседних каналах.
Приведенный выше анализ производительности позволяет оценить эффективность функционирования цифровых сетей и обеспечить требуемое качество связи между абонентами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Галкин В. А. Цифровая мобильная радиосвязь: учебное пособие для вузов / В. А. Г алкин.— М.: Горячая линия - Телеком, 2007.— 432 с.
2. Пучков Г.Ю. Методические рекомендации по частотно-территориальному планированию радиосетей и обеспечению электромагнитной совместимости РЭС ОВД / Г.Ю. Пучков, С.В. Сергеев / ГУ НПО «Спецтехника и связь» МВД РФ. — М.: РИО ГУ НПО «Спецтехника и связь» МВД РФ, 1999. — 90 с.
3. Столингс В. Беспроводные линии связи и сети / В. Столингс; пер. с англ. А.В. Высоцкого и др. — М.: Издательский дом «Вильямс», 2003.— 640 с.
4. Томаси У. Электронные системы связи / У. Томаси. — М.: Техносфера, 2007.— 1360 с.
