СПОСОБ ЗОНОВОЙ ДУПЛЕКСНОЙ СВЯЗИ С ВРЕМЕННЫМ РАЗНЕСЕНИЕМ КАНАЛОВ ПРИЕМА И ПЕРЕДАЧИ
METHOD FOR ZONAL DUPLEX COMMUNICATION WITH TIME DIVERSITY OF RECEIVING AND TRANSMITTING CHANNELS

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано при построении дуплексных систем зоновой радиосвязи, в том числе средневолновых и коротковолновых.
Известен способ реализации дуплексной радиотелефонной связи с использованием частотного разнесения каналов приема и передачи, широко применяемый в конвенциональных, транкинговых и сотовых системах связи (SmarTrunk, МРТ1327, APCO-25, AMPS и др.) [1, 2].
Способ заключается в том, что частоты приема и передачи каждого абонентского канала разнесены на величину дуплексного разноса частот, при котором обеспечивается одновременная работа устройств приема и передачи как в абонентской радиостанции, так и ретрансляторов базовой станции. Данный способ требует применения на абонентской радиостанции, работающей на приемопередающую антенну, дуплексного фильтра. Для обеспечения многоканальной работы дуплексных ретрансляторов на базовой станции требуется применение технически сложной схемы фильтрации сигнала, поступающего с приемных антенн и подаваемого на передающие антенны. Недостатком данного способа дуплексной связи при построении УКВ систем является сложность технических решений его реализации и соответственно повышенная стоимость аппаратуры, реализующей способ. Для обеспечения дуплексной связи в коротковолновом и средневолновом диапазонах, при использовании данного способа, требуется помимо частотного разнесения каналов приема и передачи дополнительно применять пространственное разнесение приемников и передатчиков базовой станции (многоканального ретранслятора), что еще более усложняет и удорожает ее реализацию [3, 4].
Известен способ дуплексной радиосвязи, позволяющий обеспечить дуплексную связь на одной рабочей частоте с использованием симплексных радиостанций (трансиверов) за счет временного разнесения процессов приема и передачи, а также сжатия информации перед передачей и восстановления ее при приеме [5]. Указанный способ позволяет реализовать дуплексный режим работы радиостанции при работе приемника и передатчика на общую антенну без установки дуплексного фильтра и обеспечивает передачу как аналоговых телефонных сигналов, так и цифровой речи и данных. Однако, данное техническое решение реализует режим работы радиолинии, включающей две радиостанции и не применимо в зоновой системе связи (базовая станция отсутствует).
Известен способ реализации дуплексной связи с использованием смешанного частотно-временного разнесения каналов приема и передачи каждого абонентского канала, применяемый в цифровых транкинговых и сотовых системах множественного доступа с временным разделением (D-AMPS, GSM, TETRA и др.) [6]. В соответствие с этим способом на каждой рабочей частоте, размещаются нескольких абонентских каналов, при этом, обеспечивается дуплексный разнос частот приема и передачи и временной разнос режимов приема и передачи в каждом абонентском канале. Применение временного разноса приема и передачи в абонентских каналах обеспечивает возможность реализации дуплексной связи с использованием симплексных абонентских радиостанций, что упрощает их техническую реализацию. Дуплексный разнос частот приема и передачи необходим для реализации дуплексной базовой станции, т.к. при ее работе происходит временное наложение процессов передачи и приема разных абонентских каналов. Таким образом, проблема обеспечения электромагнитной совместимости на базовой станции остается, что является недостатком метода.
T
R
Известен способ реализации дуплексной связи с использованием временного разнесения каналов приема и передачи [7], применяемый в некоторых системах множественного доступа с кодовым разделением (CDMA 2000 и др.), а также в ряде систем бесшнурового телефона (СТ2, DECT и др.). В соответствие с этим способом весь частотный ресурс системы последовательно выделяется каждому абонентскому каналу на интервал времени ∆T, в котором выделяется интервал времени передачи ∆T и интервал времени приема ∆T., при этом интервалы приема и передачи разделяются защитными интервалами ∆t. Данный способ дуплексной связи позволяет обеспечить условия электромагнитной совместимости на базовой станции, за счет временного разнесения интервалов приема и передачи всех абонентских каналов.
Недостатком данного способа является ограничение его применимости, вызванное необходимостью использования широкой полосы частот для его реализации. Так, например, реализация по описанному способу двух канальной радиотелефонной системы, даже без учета длительности защитных интервалов, потребует для сохранения той же занимаемой полосы частот снижения скорости цифрового потока и соответственно сжатия передаваемой цифровой речи в 4 раза, по сравнению с симплексной одноканальной передачей. Соответственно, для трехканальной системы - в 6 раз, для 4-х канальной системы - в 8 раз и т.д. Для сохранения неизменной величины сжатия речи потребуется во столько же раз увеличить занимаемую полосу передаваемого сигнала.
Из известных наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ временного дуплекса, представленный в работе [8]. Временная диаграмма сеанса связи, при работе через ретранслятор в режиме временного дуплекса, представлена в указанной работе на рис.3.
Связь двух абонентских радиостанций через зональный ретранслятор осуществляется следующим образом. В режиме временного дуплекса вызывающая абонентская радиостанция на частоте передачи F1 передает вызывной сигнал, содержащий синхропосылку с номером вызываемого абонента (СП) и свой адрес отправителя (AO), затем переходит в режим поочередной передачи и приема кадров в интервалах T1 и T2 соответственно. В первом кадре данных КД1 передается идентификатор признака дуплексной связи. Ретранслятор после обнаружения идентификатора признака дуплексной связи синхронизируется с временной диаграммой вызывающей радиостанции для организации обратного канала во временных интервалах Т2 и формирует передачу вызывного сигнала на частоте f1 таким образом, чтобы дальнейшая передача по кадрам в сторону вызываемой радиостанции проводилась во временных интервалах Т1. Вызываемая радиостанция, приняв СП со своим номером вызываемого абонента, АО и первый кадр данных на временном интервале T1 на частоте f1, отвечает своим кадром данных на частоте F1 на интервале T2. В режиме ведения связи ретранслятор базовой станции в интервал времени T1 на частоте F1 принимает кадр данных от вызывающей станции и одновременно передает другой кадр данных в сторону вызываемой радиостанции на частоте f1. В интервал времени T2 направление передачи меняется на обратное - ретранслятор принимает кадр данных от вызываемой радиостанции на частоте F1 и передает кадр данных вызывающей радиостанции на частоте f1.
Завершение обмена происходит при передаче одной из радиостанций, участвующих в обмене, команды «отбой», при появлении которой установленная связь разрывается и абонентские радиостанции переходят в режим дежурного приема.
Описанный способ позволяет обеспечивать дуплексную связь двух радиостанций через зональный ретранслятор. Очевидно, что аналогично могут быть реализованы N каналов ретранслятора, которым потребуются N частот f (f1÷fN) и N частот F (F1÷FN), при этом частоты f должны будут разнесены с частотами F на величину дуплексного разноса для обеспечения дуплексной работы многоканального ретранслятора.
Недостатком описанного прототипа является сложность обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) приемной и передающей аппаратуры ретранслятора (базовой станции), при ее одновременной работе в режиме дуплекса. В базовых станциях УКВ диапазона ЭМС достигается (помимо обязательного дуплексного разноса частот приема и передачи) установкой в антенных цепях нетехнологичных и дорогостоящих дуплексных фильтров, комбайнеров, полосовых и режекторных фильтров. В зоновых системах и радиоузлах коротковолнового и средневолнового диапазонов для обеспечения ЭМС помимо частотного разнесения необходимо применять пространственное разнесение приемных и передающих устройств.
Задачей, на решение которой направлено предполагаемое изобретение, является улучшение условий электромагнитной совместимости приемной и передающей аппаратуры базовой станции, что позволяет снизить требования к цепям фильтрации принимаемых и передаваемых высокочастотных сигналов УКВ базовой станции, а для зоновых систем и радиоузлов коротковолнового и средневолнового диапазонов избежать необходимости пространственного разнесения приемных и передающих устройств базовой станции.
<mrow><mi>f</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>T</mi></mfrac></mrow>
Тбс
Rбс
Rбс
Решение задачи достигается тем, что в известном способе зоновой дуплексной связи с временным разделением каналов приема и передачи, при котором каждая из абонентских радиостанций в режиме ведения связи периодически переключается с приема на передачу с частотой
и производит поочередные передачу на базовую станцию и прием от базовой станции информационных кадров, которая, в свою очередь, производит ретрансляцию информационных кадров от одной абонентской станции на другую, применяется режим работы базовой станции, при котором в процессе работы производится циклическое и синхронное переключение с приема на передачу каналов ретрансляции базовой станции с частотой f, так, чтобы в интервал Т каналы ретрансляции одновременно находились в режиме передачи и в интервал Т - в режиме приема. При этом, базовая станция по всем свободным каналам (или по выделенному каналу) периодически передает сигнал синхронизации. При вхождении в связь вызывающая абонентская радиостанция принимает синхросигнал базовой станции и подстраивает собственный цикл прием-передача под общий цикл прием-передача всех каналов ретрансляции базовой станции, затем передает вызывной сигнал в интервал Т базовой станции. Вызываемая абонентская радиостанция, получив от базовой станции сигнал вызова, обеспечивает синхронизацию с базовой станцией по синхросигналу, передаваемому в составе вызывного сигнала, также путем подстройки собственного цикла прием-передача под цикл прием-передача канала ретрансляции базовой станции.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что введение существенных отличительных признаков составляет новизну и позволяет, как будет показано ниже, решить поставленную задачу.
На чертежах фиг.1 приведены временные диаграммы работы двух абонентских станций и канала ретрансляции базовой станции, поясняющие суть способа. На диаграммах использованы следующие обозначения:
T - период цикла прием/передача (одинаков у абонентских станций и у каналов ретрансляции);
Ta
T - интервал времени нахождения в режиме передачи абонентской станции;
Ra
T - интервал времени нахождения в режиме приема абонентской станции;
Tбс
T - интервал времени нахождения в режиме передачи каналов ретрансляции базовой станции;
Rбс
T - интервал времени нахождения в режиме приема каналов ретрансляции базовой станции;
кл
τ - интервал времени, отведенный на переключение радиосредств с режима передача в режим приема или наоборот;
р
τ - интервал времени, необходимый радиосигналу для преодоления расстояния от абонентской радиостанции до базовой станции;
п
τ - интервал времени паузы, когда абонентская радиостанция не передает и не принимает;
синх
τ - длительность синхропосылки, передаваемой как базовой, так и абонентской радиостанцией;
F1 - частота, на которой производится обмен первой абонентской радиостанции с каналом ретрансляции базовой станции;
F2 - частота, на которой производится обмен второй абонентской радиостанции с каналом ретрансляции базовой станции.
На фиг.1,а и 1,г (фиг.1) показаны временные диаграммы работы соответственно первой и второй абонентских радиостанций, ведущих сеанс связи друг с другом через базовую станцию. Из диаграммы видно, что длительность цикла Т можно записать в виде формулы
Ra
Ta
n
кл
T=T+T+τ+τ
Ra
Ta
При этом для абонентской радиостанции T=T.
п
Длительность паузы τ целесообразно выбирать в соответствие с соотношением
<mrow><msub><mi>τ</mi><mi>n</mi></msub><mo>≥</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>к</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>p</mi><mi>max</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
pmax
max
где τ определяет максимально возможное удаление абонентской радиостанции от базовой станции l [км], при котором сохраняется принципиальная возможность обмена.
<mrow><msub><mi>l</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>300</mn></mrow><mrow><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>p</mi><mi>max</mi></mrow></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>м</mi><mi>с</mi></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
max
Очевидно, что радиус зоны обслуживания R, который предполагается обеспечить в данной системе, должен быть меньше величины l.
1
2
На фиг.1,б и 1,в (фиг.1) показаны временные диаграммы работы канала ретрансляции на частотах F (взаимодействие с первой абонентской радиостанцией) и F (взаимодействие со второй абонентской радиостанцией). Обе диаграммы строго синхронны и также должны быть синхронными с диаграммами других каналов ретрансляции базовой станции.
Тбс
Длительность интервала передачи каналов ретрансляции базовой станции Т должна быть равна интервалам приема и передачи абонентских радиостанций
<mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>б</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>R</mi><mi>a</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>T</mi><mi>a</mi></mrow></msub><mo>.</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Rбс
Длительность интервала приема каналов ретрансляции базовой станции Т должна быть больше интервала передачи, чтобы обеспечить прием от абонентских радиостанций удаленных на различные расстояния в пределах зоны обслуживания, т.е.
<mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>R</mi><mi>б</mi><mtext> </mtext><mi>с</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>T</mi><mi>б</mi><mtext> </mtext><mi>с</mi><mtext> </mtext></mrow></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>p</mi><mi>max</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Это требуется для того, чтобы базовая станция могла принимать информационные блоки от абонентских станций, не зависимо от удаленности абонентской станции в пределах зоны обслуживания.
Rбс
p2
Из диаграмм видно, что первая абонентская радиостанция (AP1) максимально удалена от базовой станции и при дальнейшем удалении ее задержанный сигнал на базовой станции будет частично теряться из-за его прихода после окончания интервала приема T. Вторая абонентская радиостанция (AP2) находится вблизи базовой станции, т.к. τ≈0.
Tбс
Rбс
В соответствии с фиг.1 канал ретрансляции БС циклично в интервал времени T передает на частоте F1 информационный блок для AP1 и на частоте F2 информационный блок для AP2, а в интервал времени T принимает на частоте F1 информационный блок от AP1 и на частоте F2 информационный блок от AP2. Это позволяет устранить влияние передающей аппаратуры на приемную в рамках одного канала ретрансляции. Однако, поскольку временные диаграммы работы других каналов ретрансляции совпадают с вышеописанным (переключение всех каналов базовой станции производится синхронно), то это справедливо также для всей базовой станции.
xx
На фиг.2 представлена структура взаимодействия N каналов ретрансляции с 2N абонентских радиостанций и распределение по каналам ретрансляции частотно-временного ресурса. Каждый канал ретрансляции взаимодействует с парой абонентских радиостанций, при этом задействуются две частоты и два интервала времени каждого цикла работы. Стрелками показаны направления передачи сигнала. Условное обозначение частот F, где первый индекс обозначает номер канала ретрансляции, второй индекс - номер AP в паре. Поскольку процессы приема и передачи разделены во времени, то дуплексного разноса частот не требуется. Значения частот должны отличаться друг от друга на величину не менее полосы частот, занимаемой сигналом. Конкретные значения частот по каналам ретрансляции могут быть распределены произвольным образом.
В интервал времени T1 все каналы ретрансляции находятся в состоянии приема информационных кадров от абонентских радиостанций. В интервал времени T2 все каналы ретрансляции находятся в состоянии передачи информационных кадров в сторону абонентских радиостанций.
Описанным выше способом могут передаваться: аналоговая речь, цифровая речь и данные. При передаче аналоговой речи для сжатия и последующего восстановления речевых посылок (фрагментов речи) может быть использован метод линейного сжатия аналогового сигнала, описанный в работе [5]. Аналоговый метод передачи позволяет одним каналом ретрансляции связывать более двух модемов, используя параллельное подключение дополнительных абонентских радиостанций к одной или второй радиостанции пары, подключенной к данному каналу ретрансляции.
Ta
Передача данных предлагаемым способом может осуществляться с использованием высокоскоростного модема, обеспечивающего формирование блоков данных, соответствующих длительности интервалов передачи T.
При передаче цифровой речи предварительно должно быть осуществлено вокодерное сжатие речевого сигнала для получения цифрового потока с минимальной скоростью, при сохранении удовлетворительного качества речевого сигнала. Далее полученный сигнал должен передаваться в канал с использованием высокоскоростного модема.
В заключении заметим, что использование предлагаемого способа обеспечивает существенное снижение влияния передающих трактов базовой станции на приемные тракты, что позволяет снизить требования к цепям фильтрации принимаемых и передаваемых высокочастотных сигналов УКВ базовой станции. Использование предлагаемого способа при реализации коротковолновых, средневолновых и более низкочастотных многоканальных ретрансляторов и радиоузлов позволяет обеспечить минимальное разнесение приемных и передающих антенн, а для каналов ретрансляции малой и средней мощности реализовать одновременный прием и передачу на одну приемопередающую антенну.
Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет решить поставленную задачу.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Ипатов В.П., Орлов В.К., Самойлов И.М., Смирнов В.Н. Системы мобильной связи: Учебное пособие для вузов / Под. ред. Ипатова В.П. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003. - 272 с.
2. Тамаркин В.М., Громов В.Б., Сергеев С.И. Системы и стандарты транкинговой радиосвязи. - М.: Информационно-Технический центр «Мобильные Коммуникации»., 1998 г.
3. Головин О.В. Декаметровая радиосвязь. - М.: Радио и связь, 1990 г.
4. Левченко В.И., Шадрин Б.Г., Петухов Е.В., Юрьев А.Н. Система коротковолновой радиосвязи. Патент РФ №46398, опубл. 27.06.2005 г. Бюл. №18.
5. Юрьев А.Н., Ярошевич Б.Н. Способ дуплексного радиообмена телефонными сигналами. Патент РФ на изобретение №2208910, опубл. 20.07.2003 г.
6. Карташевский В.Г., Семенов С.Н., Фирстова Т.В. Сети подвижной связи. - М.: Эко-Трендз, 2001 г.
7. Невдяев Л.М. Мобильная связь 3-го поколения. - М.: МЦНТИ, 2000.
8. A.M. Овчинников, А.В. Козлов, П.А. Минаев. Направления развития конвенциональных систем: временной дуплекс и одночастотная ретрансляция. "Технологии и средства связи" №1, 2007 г., с.87, рис.3 - прототип.