Оглавление
ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ 1
ТЕХНОЛОГИИ ШИРОКОПОЛОСНОГО ДОСТУПА; ДИНАМИКА И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ, С. С. АДЖЕМОВ, Ю. Ф. УРЯДНИКОВ 4
ГЛОНАСС: ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НОВЫХ CDMA-СИГНАЛОВ, В. В. ШАХГИЛЬДЯН, В. В. БОЙКОВ 14
90 ЛЕТ МЭИС - МТУСИ ЭТАПЫ БОЛЬШОГО ПУТИ, А. С. Аджемов 28
РОССИЙСКИЙ ТЕЛЕКОМ НА РУБЕЖЕ ДЕСЯТИЛЕТИЙ, И. А. Богородицкая 43
ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ МАСШТАБА ПРИ ВИДЕОКОНТРОЛЕ ОБЪЕКТОВ В СИСТЕМАХ ТЕЛЕВИДЕНИЯ, В.Н. Безруков 45
РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ МОДЕЛИ ЭТАПОВ РАЗВИТИЯ НОВОГО ОПЕРАТОРА, Н. П. Резникова, А. В. Сергиенко 53
ПРИНЦИПЫ И ЗАДАЧИ ИНТЕГРИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЖИЗНЕННЫМ ЦИКЛОМ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ УСЛУГ, Т. А. КУЗОВКОВА, Е. Я. КАМЕНЕВА 62
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДОВЕРИЯ И БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ИКТ 69
ИНСТИТУТ ПОВЫШЕНИЯ КВАЛИФИКАЦИИ МТУСИ 70
МЕЖРЕГИОНАЛЬНЫЙ УЧЕБНЫЙ ЦЕНТР ПЕРЕПОДГОТОВКИ СПЕЦИАЛИСТОВ СИБГУТИ 71
АНАЛИЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОТОКОВ САМОПОДОБНОГО ТРАФИКА РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ НА МУЛЬТИСЕРВИСНОЙ СЕТИ СВЯЗИ, А. П. Пшеничников, М. Б. Полосухин 72
СТРУКТУРА И ИНТЕРФЕЙСЫ ФОТОННОЙ СЕТИ, В.Н. Гордиенко, М.С. Тверецкий 77
КОМПЕНСАЦИОННЫЙ ПРИНЦИП ПОДАВЛЕНИЯ СИГНАЛОВ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ В РАДИОРЕТРАНСЛЯТОРАХ СЕТЕЙ СПС, С. С. Шаврин, П.А. Агафонов 85
66-Я НАУЧНАЯ СЕССИЯ, ПОСВЯЩЕННАЯ ДНЮ РАДИО 95
ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ РЕЗОНАНСА ФОРМЫ СИГНАЛА В СОГЛАСОВАННОМ ФИЛЬТРЕ, С.С. Зельманов 96
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ДИСТАНЦИОННОГО ОБРАЗОВАНИЯ, И. В. Луняшин 105
2011 ГОД ОБЪЯВЛЕН ГОДОМ КОСМОНАВТИКИ 117
ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ
|
13-я Международная Конференция
30 марта - 1 апреля 2011 г., Москва, Россия
The 13th International Conference DIGITAL SIGNAL PROCESSING AND ITS APPLICATIONS
ОРГАНИЗАТОРЫ:
Российское научно-техническое общество радиотехники, электроники и связи им. А. С. Попова IEEE Signal Processing Society Российская секция IEEE Институт радиотехники и электроники РАН им. В. А. Котельникова
* Институт проблем управления РАН
* Институт проблем передачи информации РАН
* Московский научно-исследовательский телевизионный институт (ЗАО МНИТИ)
* Компания AUTEX Ltd. (ЗАО "АВТЭКС")
В КОНФЕРЕНЦИИ ПРИМУТ УЧАСТИЕ
Федеральное агентство по промышленности РФ Министерство образования и науки РФ Международный союз приборостроителей и специалистов по информационным и телекоммуникационным технологиям
ФГУП ГКРЧ
ГСКБ "АЛМАЗ-АНТЕЙ"
ЗАО "Инструментальные системы"
НТЦ "МОДУЛЬ"
ЗАО "СКАН Инжиниринг Телеком"
ГУПНПЦ "Элвис"
Владимирский государственный университет им. А. Г. и Н. Г. Столетовых
Московский авиационный институт Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
Московский институт радиотехники, электроники и автоматики
* Московский технический университет связи и информатики
* Московский энергетический институт
* Рязанский государственный радиотехнический университет
* Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. Проф. М.А. Бонч-Бруевича
* Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет им. В. И. Ульянова (Ленина)
* Ульяновский государственный технический университет
* Ярославский государственный университет им. П.Г.Демидова
* Московский физико-технический институт (университет)
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАБОТЫ КОНФЕРЕНЦИИ:
Теория сигналов и систем
Теория и методы ЦОС
Цифровая обработка многомерных сигналов
Цифровая обработка речевых и звуковых сигналов
Цифровая обработка изображений
ЦОС в системах телекоммуникаций
ЦОС в радиотехнических системах
ЦОС в системах управления и робототехники
Цифровая обработка измерительной информации
Нейрокомпьютерная обработка сигналов и изображений
Цифровое телевидение
Цифровое радиовещание
ЦОС в системах защиты информации
Проектирование и техническая реализация систем ЦОС
ЦОС в открытых системах
Проблемы подготовки специалистов в области ЦОС
РАБОТА КОНФЕРЕНЦИИ будет организована в форме пленарных и проблемно-тематических заседаний, стендовых докладов и заседаний "круглого стола". В качестве пленарных будут заслушаны заказные доклады по основным направлениям работы Конференции.
Рабочие языки конференции - русский и английский.
АДРЕС ПРОГРАММНОГО КОМИТЕТА:
Российское НТОРЭС им. А. С. Попова, Рождественка, 6/9/20, стр. 1, Москва, 107031 Тел. (495) 621-16-39 (Мусянков Михаил Иванович), 621-06-10, 621-71-08; Факс: (495) 621-16-39
E-mail: [email protected]; [email protected] http://www.dspa.ru и www.rntores.ru (раздел конференции)
ТЕХНОЛОГИИ ШИРОКОПОЛОСНОГО ДОСТУПА; ДИНАМИКА И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ, С. С. АДЖЕМОВ, Ю. Ф. УРЯДНИКОВ
|
С. С. АДЖЕМОВ, начальник отдела НИЧ МТУСИ, д.т.н.
Ю. Ф. УРЯДНИКОВ, зав. кафедрой "Теория электрических цепей" МТУСИ, д.т.н.; [email protected]
Ключевые слова: широкополосный доступ, проводной доступ, беспроводной доступ, радиодоступ, технологии широкополосного доступа.
Введение. Тройка ведущих технологий (индустриальная, информационная и телекоммуникационная), в конце прошлого тысячелетия запряженная землянами в карету мирового прогресса, уверенно держит путь к Глобальному информационному обществу (ГИО). В основе этой уверенности как потребности общества, так и постоянный рост трафика, достижения в области инфокоммуникационных технологий (ИКТ), позволившие создать архитектуру мультисервисных сетей, обеспечившие предоставление огромного спектра услуг пользователям стационарных и подвижных телефонных сетей. Важнейшим технологическим условием построения ГИО является создание и развитие адекватных сетей широкополосного доступа (ШПД) к ресурсам мультисервисных сетей, ибо какими бы фантастическими возможностями ни обладали последние, пользователи не смогут ими воспользоваться, если не получат доступ к ним.
В последние годы спектр технологий ШПД, использующих традиционные и нетрадиционные линии связи в различных средах распространения (медь, алюминий, эфир, оптоволокно), существенно расширился. Высоким требованиям по широкополосности в большей степени отвечают спутниковые технологии на частотах дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов либо оптические диапазоны на земле (FTTx, FSO и др.). Если же брать за основу стоимость предоставления услуг, то перспективными представляются технологии на базе уже построенной инфраструктуры с использованием телефонных и радиотрансляционных линий, линий электропередачи и кабельного телевидения, различных систем радиодоступа (xDSL, PLC, Wi-Fi, WiMAX и др.). Широкополосный доступ как ключевой экономический индикатор, кроме высокой скорости, обеспечивает непрерывное подключение к Интернету и так называемую двустороннюю связь, т. е. возможность принимать и передавать информацию на высоких скоростях одновременно. ШПД не только формирует богатство информационного наполнения (контент) и услуг, но и преобразует весь Интернет в плане сервиса.
В 2009 г. число абонентов ШПД в России достигло 11,3 млн человек, в том числе в Москве - 2,9 млн, Петербурге - 1,05 млн (данные Advanced Communications & Media). На конец 2009 г. проникновение широкополосного доступа, по словам министра связи и массовых коммуникаций РФ И.О. Щёголева, составило 26%. К 2015 г. пользовательская база ШПД в мире, по оценкам экспертов, превысит 3 млрд человек.
Краткая история технологий доступа. Родоначальником электронных сетей передачи данных можно считать П.Л. Шиллинга (первый электромагнитный телеграф, 1832), С.Ф.Б. Морзе (аналогичный аппарат, 1837; первый телеграфный код - азбука Морзе, 1838), Ж. М.Э. Бодо (первый мультиплексор, передача в одном проводе до шести телеграфных каналов, 1874), А. Г. Белла (телефон, 1875), Э. Грея (телефон плюс основы технологии телефонных сетей). К прогрессу проводных телекоммуникационных технологий причастны многие.
В XIX же веке, когда были созданы теоретические предпосылки принципов радиосвязи, появились беспроводные технологии связи. Здесь тоже трудно отдать приоритет кому-то одному: в 1893 г.Н. Тесла продемонстрировал передачу энергии электрических сигналов без проводов, в 1896 г. А. С. Попов передал первую в мире радиограмму, а Г. Маркони запатентовал изобретение электрической связи на расстояние без проводов.
В XX веке высокий темп изобретений и открытий в области технологий коммуникационных сетей задали достижения электроники и появившейся в середине столетия информационной технологии. Основные вехи: 1946 г. - первая система подвижной телефонной связи (хотя реальная система сотовой связи поступила в эксплуатацию лишь в 1978 г.); начало 60-х годов - зарождение эры спутниковой связи; 1962 г. - идея создания единой сети связи, прообраза Интернета, выдвинутая в статье А. А. Харкевича "Информация и техника".
Затем эстафету приняли ИКТ. 1969 г. (сеанс связи между первыми узлами компьютерной сети ARPANET) можно назвать датой рождения сети Интернет, которая оформилась как международная сеть в 1973 г. (впрочем, первая программа для электронной почты была разработана в 1971 г., а система доменных имен появилась лишь в 1984 г.). Первое подключение по телефонной линии (дозвон - dial-up) было осуществлено в 1990 г., а уже через год Всемирная паутина стала общедоступной. 1991 г., видимо, и следует считать началом "доступа" в современном понимании этого слова, т. е. доступа к спектру услуг сети, поскольку завершился этап создания отдельной сети для каждой услуги связи. Но ШПД появился чуть позже. Теоретически возможность широкополосной передачи по существующей телефонной сети была доказана в 1989 г., однако стандарт наиболее популярного модема технологии ADSL (асимметричная цифровая абонентская линия) как ответ на существенно расширившийся спектр услуг сети был утвержден в 1999 г. Затем в течение одного-двух лет появилось множество технологических решений ШПД, самыми значимыми из которых являются оптоволокно в дом и беспроводной доступ.
В ряду основоположников теории связи как отечественные ученые (Б. А. Введенский, В. А. Котельников, А. И. Берг, А. Л. Минц, А.Н. Колмогоров, А. А. Харкевич, Я.З. Цыпкин, М.В. Шулейкин, А. Я. Хинчин, В. И. Сифоров и др.), так и зарубежные (К. Эрланг, Г. Найквист, Н. Винер, К. Шеннон, Р. Пирс, С. Райс, Д. Миддлтон и др.).
Значителен вклад в копилку мирового прогресса телекоммуникаций, в том числе в развитие сетей доступа, МТУСИ. Подготовка специалистов электрической связи по проводам началась в 20-30-е гг. на кафедрах автоматической электросвязи, многоканальной электросвязи, радиопередающих устройств, радиоприемных устройств, линий связи, теории электрической связи, теории электрических цепей и др. А в 50-60-е гг. к этому процессу подключаются новые кафедры: радиотехнических систем, электроники и микроэлектроники средств телекоммуникаций, метрологии, стандартизации и измерений, систем радиосвязи и др. Целая плеяда выдающихся ученых, конструкторов, изобретателей и педагогов определила будущий научный потенциал университета: академики В. А. Котельников и А. А. Харкевич, профессора П. А. Азбукин, П. К. Акульшин, Н. А. Баев, A. С. Беркман, А. А. Вульф, И.Е. Горон, Г. В. Дашкевич, Л. А. Жекулин, А.Н. Казанцев, И. В. Коптев, И. А. Кощеев, Е. В. Китаев, Г. А. Левин, Б. Р. Левин, Ю. В. Лазарев, М.Г. Марк, Е.В. Мархай, Г. П. Матов, М.В. Назаров, B. Б. Пестряков, Б. П. Терентьев, Б. В. Халезов, М.Ю. Юрьев, С.Я. Турлыгин, И. А. Черданцев, М.В. Шулейкин и др.
Проводной широкополосный доступ. Огромное число технологий, реализующих ШПД, можно разделить на проводные (wireline) и беспроводные (wireless). Отличительный признак первых - доступ посредством соединительного провода (медного, алюминиевого, оптоволоконного), главное преимущество - "воспроизводимость" частотного ресурса. В беспроводных технологиях вместо "провода" - "эфир", поэтому их часто обозначают словом "радиодоступ". Термин "радио" вытеснил термин "беспроводной", используемый на заре развития радиотехники, когда появилось радиовещание, радиолокация, радиотелефония, радионавигация и др. Но затем возникли новые технологии радиосвязи (сотовая телефония, пейджинг, бесшнуровая телефония, абонентский радиодоступ и др.) и термин "беспроводной" обрел вторую жизнь в значении "удаленный доступ к сетевым узлам или серверам по радиоканалам". Классификация основных технологий ШПД на физическом уровне представлена на рисунке.
Одной из наиболее удачных технологий проводного ШПД, позволяющей использовать абонентские линии существующей телефонной сети, по праву считается xDSL (табл. 1), где "х" обозначает начальный символ в названии конкретной технологии ШПД. Самая первая - HDSL, в которой использовался алгоритм кодирования 2B1Q (4-уровневая импульсно-амплитудная модуляция, в каждом символе два бита) и механизм эхоподавления, что дало возможность по двум-трем витым парам передавать данные на расстояние до 6 км со скоростью более 2 Мбит/с без регенерации (при диаметре жил кабеля 0,5 мм). По каждой паре осуществлялся дуплексный обмен на скоростях до 1,024 Мбит/с. Принципиально то, что HDSL и ее вариации обеспечили повышение дальности передачи (без потери скорости) за счет повторителей, берущих энергию для работы непосредственно из линии, т. е. при их установке потребности во внешнем источнике питания не возникало. HDSL является симметричной технологией.
На начальном этапе ADSL позволяла передавать данные клиенту со скоростью 6 Мбит/с на расстояние до 6 км; скорость данных от абонента ограничивалась 64 кбит/с. Такие характеристики вполне удовлетворяли требованиям услуги "видео по запросу" (VoD), однако она не получила широкого распространения, зато асимметричная технология оказалась весьма востребованной для высокоскоростного доступа в Интернет.
Затем появилась технология VDSL, которая отличалась от других симметричных технологий DSL высокой скоростью. Основная область применения VDSL - доставка трафика от оптоволоконных окончаний до абонентов внутри зданий.
Полоса частот, в которой находится линейный сигнал DSL, практически освобождает низкочастотный диапазон 0,3-3,4 кГц для традиционной аналоговой телефонии. Верхняя частота линейного спектра DSL-технологий составляет единицы мегагерц.
Еще один способ организации проводного ШПД - использование сети электропитания в технологии PLC (Power Line Communication). Электросети доходят практически до каждого помещения, их инфраструктура - одна из самых развитых. Линии электропередач отличаются высоким уровнем шумов, быстрым затуханием высокочастотного сигнала, нестабильностью характеристик линий связи. Параметры таких линий связи (затухание сигнала, частотные и фазовые искажения и т.д.) меняются во времени в зависимости от уровня текущего энергопотребления. Высокий уровень помех и нестабильность накладывают серьезные ограничения на дальность связи (несколько сотен метров) и скорость передачи информации. Однако появление мощных цифровых процессоров обработки сигналов (Digital Signal Processor, DSP) дало возможность реализовать более сложные способы модуляции сигнала, такие как OFDM. Сейчас в технологии PLC используются 84 поднесущие частоты в диапазоне 4-21 МГц. Разновидность PLC - технология PowerPacket - положена в основу единого стандарта HomePlug1.0, в котором определена скорость передачи данных до 14 Мбит/с. Основное применение технологии PLC - доступ в Интернет, малый офис (SOHO) и "умный дом".
Возможность использования инфраструктуры кабельного телевидения предоставляет технология передачи данных по коаксиальному кабелю DОСSIS (Data Over Cable Service Interface Specifications). Она предусматривает передачу данных абоненту с максимальной скоростью до 42 Мбит/с (при ширине полосы пропускания 6 МГц и использовании КАМ-256) и получение данных от абонента со скоростью до 10,24 Мбит/с. Технология совершенствовалась, и появилось несколько версий спецификации DOCSIS, отличающихся не только скоростью передачи данных "сверху вниз" (максимальная скорость до нескольких сотен мегабит в секунду) и "снизу вверх" (до 120 Мбит/с), но и полосой частот.
Уникальной по скорости доступа является технология FTTx (Fiber to the x) - оптическое волокно до точки "х". Она может иметь различную архитектуру в зависимости от того, до какого места доходит оптоволокно. Влияние относительно высокой стоимости инфраструктуры сети сказалось в том, что первыми появились разновидности FTTN (Fiber to the Node) - волокно до сетевого узла и FTTC (Fiber to the Curb) - волокно до микрорайона. Чем выше скорость доступа и чем больше набор услуг, тем ближе к терминалу должна подходить "оптика": так возникли технологии FTTB (Fiber to the Building - волокно до здания) и FTTH (Fiber to the Home - волокно до квартиры). Следовательно, самая перспективная - FTTH, обеспечивающая наибольшую полосу пропускания, массовое обслуживание абонентов на расстоянии до 20 км от узла связи, скорость доступа для абонента до нескольких гигабит в секунду, что вполне приемлемо на ближайшую перспективу. Для предоставления мультисервисных услуг FTTx хорошо сочетается с xDSL.
Разновидностью FTTx является технология пассивных оптических сетей (Passive Optical Network, PON). Основанная на древовидной волоконно-кабельной архитектуре с пассивными оптическими разветвителями на узлах, она обеспечивает экономичный способ ШПД. Основные преимущества PON - использование лишь одного приемопередающего модуля для передачи информации множеству абонентских устройств и приема информации от них; частотное разделение потоков (по длине волны: нисходящий поток 1550 нм, восходящий - 1310 нм); множественный доступ с временным разделением (TDMA). В настоящее время используются четыре основные топологии построения оптических сетей доступа: кольцо, точка-точка, дерево с активными узлами и дерево с пассивными узлами.
По числу абонентов, использующих проводной ШПД, первое место в мире сейчас занимают технологии xDSL, второе - DOCSIS и третье - оптоволокно (FTTx). Однако в перспективе, как показывает динамика их развития, лидерство перехватит FTTx.
Беспроводной широкополосный доступ (БШПД) обеспечивает доступ пользователей к мультисервисным сетям в любом месте. Кроме того, беспроводная "последняя миля", в отличие от проводных технологий ШПД, может быть развернута за короткий срок, требует значительно меньших капитальных затрат на построение и прекрасно подходит для регионов, где внедрение проводных широкополосных сетей доступа экономически нецелесообразно или невозможно. Другие сферы применения БШПД: подключение удаленных узлов операторов связи, высокоскоростная передача данных для мобильных пользователей, создание резервных каналов, организация инфраструктуры при чрезвычайных ситуациях и для временного использования.
Особенности распространения радиоволн не позволяют создать универсальную технологию БШПД, которая удовлетворяла бы всем требованиям, таким, например, как обеспечение передачи на дальние и короткие расстояния, в любой местности. Поэтому для систем БШПД различают три уровня охвата пользователей:
* персональный уровень (Personal Area) доступа имеет самый малый радиус действия - до нескольких десятков метров. Он служит для образования так называемого бесшнурового информационного соединения между близко расположенными оборудованием и абонентом. Это персональные локальные сети WPAN;
* местный, или локальный, уровень (Local Area) охватывает в основном компьютерные сети, от домашних до корпоративных, оборудование которых сосредоточено в определенной локации одного здания или ряда зданий и окружающей их местности. Это локальные сети WLAN;
* городской уровень (Metropolitan Area) охватывает покрытие радиосистемой некой местности, которая может быть городом или его частью, кампусом, промышленным центром и даже административным районом. Это зоновые сети WMAN.
Самым успешным примером сетей WLAN является стандарт ШЕЕ 802.11 (Wi-Fi), т.е. Wireless Fidelity - "беспроводная точность". Принципы этой технологии были разработаны еще в начале 90-х годов, однако первая версия стандарта появилась в 1997 г., после чего и сама технология Wi-Fi, и оборудование для нее стали стремительно развиваться. Изначально стандарт 802.11 был ориентирован на диапазон 2,400-2,4835 ГГц с шириной полосы 83,5 МГц. Скорости передачи информации устанавливались на уровне 1 и 2 Мбит/с. Но уже в сентябре 1999 г. появляется дополнение к стандарту IEEE 802.11 - спецификация IEEE 802.11b, предусматривающая работу в диапазоне 2,4 ГГц только методом прямого расширения спектра со скоростями передачи информации до 5,5-11 Мбит/с. Вскоре выходит спецификация IEEE 802.На, ориентированная на работу в диапазоне 5 ГГц со скоростями передачи до 54 Мбит/с. А в 2003 г. утверждена спецификация IEEE 802.11g (диапазон 2,4 ГГц, скорость передачи до 54 Мбит/с).
При разработке стандарта 802.11g рассматривалось несколько конкурирующих технологий: метод ортогонального частотного разделения (OFDM) и метод двоичного пакетного сверточного кодирования (РВСС), реализованный в качестве дополнительного в стандарте 802.11b. В результате для стандарта 802.11g было принято компромиссное решение: технологии OFDM и прямого расширения спектра - базовые, а РВСС - дополнительные. Если удастся решить проблемы защиты информации и качества сервиса (протоколы безопасности и Quality of Service (QoS) - 802.11e, 802.11i, 802.11h и т.д.), Wi-Fi может стать универсальной платформой для беспроводных услуг и мобильной связи.
DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) - технология беспроводной связи на частотах 1880-1900 МГц - появилась в 1992 г. Стандарт был задуман для телефонии, однако благодаря своей технологичности (микросотовая архитектура) сразу стал использоваться для передачи данных. DECT относится к системам пакетной радиосвязи с частотно-временным разделением каналов (информация передается по радиоканалу в виде пакетов, организованных в кадры) и основана на технологиях FDMA (Frequency Division Multiple Access - множественный доступ с частотным мультиплексированием) и TDD (Time Division Duplex - дуплексный канал с временным разделением). Ширина полосы канала - 1,728 МГц. Основными недостатками DECT являются небольшая дальность связи (из-за ограничения мощности самим стандартом) и недостаточная защищенность, что делает возможным дистанционное прослушивание переговоров.
Технология iBurst (HC-SDMA, High Capacity Spatial Division Multiple Access) была создана в 2005 г. для фиксированных, портативных и мобильных абонентов. Стандарт IEEE 802.20 предусматривает реализацию "умных" антенных систем для более эффективного использования радиочастотного спектра. Интерфейс HC-SDMA, работающий аналогично GSM и CDMA2000 для мобильных телефонов, поддерживает роуминг между базовыми станциями (БС), обеспечивая таким образом бесшовное покрытие сети передачи данных для мобильных абонентов. Внедренные в данный момент системы iBurst позволяют передавать данные со скоростью до 1 Мбит/с для каждого абонента. В будущих версиях ожидается увеличение скорости до 5 Мбит/с.
Наиболее успешной разработкой сетей WMAN стала технология WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access - всемирное взаимодействие сетей для беспроводного доступа в микроволновом диапазоне). Она разработана в 2001 г. с целью предоставления универсальной беспроводной связи на большие расстояния для широкого спектра устройств - от рабочих станций и портативных компьютеров до мобильных телефонов. Таким образом, точки доступа могут быть не привязаны к положению на местности. Теоретически дальность связи WiMAX может достигать 30 км. Линейку стандартов 802.16 (WiMAX) можно отнести к беспроводным сетям доступа операторского класса. Стандарт 802.16а, принятый в 2003 г., задумывался как альтернатива таким технологиям вторичных сетей, как DSL, Ethernet, HPNA и т.п. Эта спецификация является расширением базового стандарта 802.16 и предусматривает работу в диапазоне 2-11 ГГц, а также возможность применения технологии OFDM. В 2004 г. была разработана версия фиксированного WiMAX (802.16d), а в 2005 г. - мобильного WiMAX (802.16е, скорость абонентов до 120 км/ч).
Конкурентами мобильной технологии WiMAX являются мобильные технологии 3G. Для соединения базовой станции с абонентской используется сверхвысокочастотный диапазон радиоволн: от 1,5 до 11 ГГц. В идеальных условиях скорость обмена данными может достигать 70 Мбит/с. Между БС устанавливаются соединения (прямой видимости), использующие диапазон частот от 10 до 66 ГГц, скорость обмена данными может достигать 140 Мбит/с. При этом по крайней мере одна БС подключается к сети с использованием классических проводных соединений. Стандарт предусматривает начальную и периодическую частотно-временную синхронизацию по сигналу БС, регулировку мощности абонентской станции, периодические изменения уровня принимаемого сигнала и отношения сигнал/шум, необходимые для адаптивного кодирования и модуляции. Архитектура сетей WiMAX не привязана к какой-либо определенной конфигурации, обладает высокой гибкостью и масштабируемостью. Другим преимуществом WiMAX является использование соединения между БС и пользователем на основе алгоритма планирования, который гарантирует параметр QoS для каждого соединения.
В табл. 2 представлены скорости передачи, тип кодирования и модуляция основных стандартов IEEE 802.
В конце прошлого века появилась возможность создания конкурента WiMAX - технологии HSPA (High Speed Packet Access - высокоскоростная пакетная передача данных), являющейся надстройкой к мобильным сетям WCDMA/UMTS. Однако в сетях стандарта UMTS внедрение HSPA произошло лишь в 2006 г. HSPA базируется на двух предшествующих стандартах: HSDPA (передача к абоненту - downlink) и HSUPA (uplink - передача от абонента). Максимальная теоретическая скорость передачи данных по стандарту - 14,4 Мбит/с (скорость передачи данных от БС до всех локальных абонентов) и около 5,8 Мбит/с от абонента. На первых стадиях внедрения стандарт обычно демонстрирует скорость 3,6 Мбит/с к абоненту, хотя рассматривается специалистами как один из переходных к технологиям мобильной связи 4G со скоростью более 6 Мбит/с (3,5G). Несомненным достоинством HSPA является то, что дальность связи практически равна дальности охвата сигналом БС. HSDPA, являясь развитием WCDMА, приближается к порогу спектральной эффективности, чего нет в технологии WiMAX. В то же время в WiMAX предусмотрена поддержка современных криптографических алгоритмов, а в HSPA этого нет, т. е. информация защищена в меньшей степени.
Мобильной технологией передачи данных дня сегодняшнего является LTE (Long Term Evolution). Первая сеть LTE была запущена в коммерческую эксплуатацию в конце 2009 г. в Швеции, но работу над этим стандартом 4-го поколения организация 3GPP начала еще в 2004 г. LTE представляет собой стандарт, направленный на совершенствование технологий CDMA/UMTS для удовлетворения будущих потребностей пользователей в скорости передачи данных, повышении эффективности и безопасности, снижении издержек, расширении спектра уже оказываемых услуг мультисервисных сетей, а также интеграции с существующими протоколами.
Скорость передачи данных по стандарту LTE теоретически достигает 326,4 Мбит/с на прием (download) и 172,8 Мбит/с на передачу (upload), в международном же стандарте прописано 173 Мбит/с на прием и 58 Мбит/с - вверх. Радиус действия БС LTE зависит от мощности и используемых частот: оптимально это порядка 5 км, но при необходимости возможно 30 или даже 100 км (при увеличении высоты антенны). Сеанс передачи данных, инициированный в зоне покрытия LTE, технически может быть проведен без разрыва в сеть 3G (WCDMA, CDMA2000). Достоинством LTE является то, что, в отличие от WiMAX, ее внедрение возможно на уже существующей инфраструктуре операторов как GSM (в России - операторы "большой тройки"), так и CDMA ("Скай Линк", "БайкалВестКом"), что заметно снижает стоимость развертывания сети. Таким образом, эволюция технологий передачи данных в сотовых системах связи от стандарта NMT (1G - 1981 г.) к LTE (4G - 2009 г.) привела к увеличению скорости передачи информации в 272 тыс. раз! За 30 лет был пройден путь от аналоговых до широкополосных цифровых технологий передачи данных.
Сверхширокополосный доступ (UltraWide Band, UWB). Направление развития новых технологий доступа, если проследить историю сетей связи, легко определить: это увеличение скорости доступа, которое позволит не просто быстро получать информацию, а выйти на качественно иной уровень взаимодействия с мультисервисными сетями. При условии, что сигнал должен иметь гармоническую несущую, проблема выбора технологии сводится к поиску оптимального метода модуляции несущей. Таковы традиционные механизмы реализации сверхширокополосного доступа.
Наиболее отработаны в настоящее время технологии UWB, основанные на использовании MultiBand OFDM. Их суть в том, что OFDM-модуляция сигнала производится в полосе 500 МГц и более, а затем с помощью аналогового преобразования переносится на центральную частоту того поддиапазона, в котором в данный момент ведется передача. Для увеличения помехоустойчивости и скорости передачи информации здесь можно использовать сверточное кодирование сигнала и квадратурную манипуляцию поднесущих. У технологии много достоинств. Это, во-первых, присущая OFDM-системам устойчивость к многолучевому распространению, а значит, отсутствие острой необходимости в дополнительных входных цепях типа Rake receiver. Во-вторых, требуемая точность синхронизации приемного и передающего устройств ниже, чем для других UWB-технологий, что существенно сказывается на сложности входного тракта и времени синхронизации. В-третьих, ортогональное частотное мультиплексирование позволяет увеличить гибкость спектральной приспосабливаемости доступа за счет включения/выключения отдельных поднесущих.
К недостаткам данного подхода следует отнести необходимость высоких вычислительных ресурсов для осуществления быстрого преобразования Фурье, относительную сложность модемов и довольно высокое отношение пиковой мощности к средней излучаемой мощности в OFDM-символе.
Тем не менее, как показывают оценки, такая система обеспечивает большую скорость доступа по сравнению с подходом прямого расширения спектра при той же используемой полосе и более устойчива в многолучевой среде. В 2003 г. ряд компаний внесли свои предложения, основанные на OFDM-подходе, в результате чего был разработан стандарт 802.15.4а (WPAN).
Существующие технологии UWB, как и технологии ШПД, традиционно используют стационарные сигналы, т.е. вынужденные колебания линий связи. При отказе от постулата гармонической несущей возникает возможность применения различных сверхширокополосных нестационарных сигналов, когда форма их элементов определяется свободными колебаниями линии связи. Использование несинусоидальной (широкополосной) несущей (последовательность ультракоротких импульсов, различные псевдослучайные последовательности либо шумовая несущая и др.) представляет собой только зарождающееся направление UWB-технологий. Расчеты показывают, что такой подход позволяет реализовать максимально возможную скорость доступа. Эти технологии - примеры сверхширокополосных технологий доступа далекого будущего. Их особенность в принципиальном отсутствии частотного разделения, поскольку одна технология доступа будет использовать весь диапазон частот физической линии связи, не создавая помех другим системам. При этом легко осуществляется кодовое разделение каналов - аналогично тому, как в 3G. В этих случаях цифровые сверхширокополосные несущие, в отличие от импульсных, позволяют решить "проблему энергии" излучаемого сигнала, т. е. минимизировать амплитуду элемента сигнала. Использование сверхширокополосных нестационарных сигналов как результат развития технологий широкополосного доступа за весь предшествующий период позволяет конструктивно решить проблему одновременного увеличения скорости передачи информации, количества каналов и помехозащищенности доступа.
Заключение. Движущейся силой развития мировой инфокоммуникационной индустрии является потребность человека в персонифицированных мультисервисных услугах в любое время и в любом месте. Это основополагающий фактор для становления информационного общества. В планах Еврокомиссии на ближайшее время - довести покрытие услугами ШПД до 90% территории континента и вдвое уменьшить цифровой разрыв между странами. Первой и пока единственной технологией мобильного ШПД, отвечающей этим требованиям, является технология LTE, где скорость доступа (более 100 Мбит/с) сочетается с приемлемыми экономическими, техническими и функциональными свойствами.
Однако у ученых уже есть наработки по предоставлению доступа со скоростями, соответствующими скоростям существующих транспортных сетей передачи информации. Это позволит отрасли связи оставаться динамичной и эффективной как в собственных границах, так и на пути формирования информационной экономики.
Получено 18.11.10
ГЛОНАСС: ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НОВЫХ CDMA-СИГНАЛОВ, В. В. ШАХГИЛЬДЯН, В. В. БОЙКОВ
|
В. В. ШАХГИЛЬДЯН, президент МТУСИ, чл.-корр. РАН
В. В. БОЙКОВ, аспирант МТУСИ; [email protected]
Ключевые слова: спутниковая навигация, ГЛОНАСС, GPS, Galileo, шумоподобные сигналы, меандровые сигналы, энергетический спектр.
Введение. В ближайшее время российская глобальная спутниковая навигационная система (ГСНС) ГЛОНАСС будет укомплектована 24 космическими аппаратами (КА) "Глонасс-М" - этого количества достаточно для оказания потребителям услуг спутниковой навигации на территории всего земного шара. За последние несколько лет ГЛОНАСС - при значительной поддержке со стороны государства - преодолела путь, на который американской ГСНС GPS потребовалось два десятилетия. Правительство РФ уделяет самое пристальное внимание коммерческим аспектам внедрения ГЛОНАСС: ее позиции в корпоративном секторе укрепляет ряд принятых федеральных законов, решаются задачи по организации производства мультисистемных чипов-приемников для навигационной аппаратуры потребителя (НАП) с требуемыми характеристиками и т. д.
Однако для коммерческого успеха ГЛОНАСС необходимо решить такую сложную задачу, как контроль ее самого многочисленного и автономного сектора - рынка персональной НАП (смартфонов, мобильных телефонов и малогабаритных навигаторов). Здесь доминируют приемники с поддержкой сигнала L1 американской GPS, ежегодные объемы продаж которых исчисляются как минимум десятками миллионов. Заинтересовать зарубежных производителей подобной аппаратуры в создании мультисистемных приборов с возможностью приема сигналов ГЛОНАСС крайне важно и крайне трудно.
Перенос на 2013 г. ввода в коммерческую эксплуатацию европейской ГСНС Galileo и неопределенность с готовностью китайской системы Compass дают ГЛОНАСС уникальный шанс для завоевания рынка. Именно поэтому ОАО "Информационные спутниковые системы" им. М. Ф. Решетнева (ОАО "ИСС") разрабатывает спутник 3-го поколения этой серии - "Глонасс-К" (1-е поколение - "Глонасс", 2-е - "Глонасс-М"). Его основные отличия: увеличенный гарантийный срок эксплуатации (10 лет), уменьшенная масса, негерметичное исполнение и др. И самое важное: "Глонасс-К" будут обладать тремя новыми сигналами с принципом кодового разделения (CDMA). По имеющейся информации, два закрытых сигнала предназначаются для спецпотребителей в диапазонах частот L1 (1575,42 МГц) и L2 (1227,6 МГц) и один - открытый сигнал в диапазоне L1. ОАО "ИСС" заявляет: "Необходимость разработки спутников 2-го этапа возникла в связи с возросшими требованиями потребителей к выходным характеристикам ГЛОНАСС. Потенциальная точность навигационных определений ГСНС ГЛОНАСС с использованием новых КА будет доведена до уровня дециметров. Орбитальная группировка на базе спутников "Глонасс-К" 2-го этапа позволит существенно снизить влияние различных помех, а также сложности рельефа и плотности городской застройки на точность".
Ниже в статье рассматриваются основные свойства CDMA-сигналов, которые планируется реализовать в КА новой серии, перспективы их использования, в том числе с точки зрения коммерческого успеха ГЛОНАСС, даются рекомендации по дальнейшему улучшению их рабочих характеристик, описываются новые принципы формирования кодовых последовательностей.
Сигналы ГСНС. Каждая ГСНС, как известно, передает разные фазоманипулированные сигналы на разных частотах. Однако спутники GPS и Galileo генерируют разный псевдослучайный код на одной частоте (принцип кодового разделения сигналов - CDMA), а ГЛОНАСС - один сигнал на нескольких разных частотах (принцип частотного разделения сигналов - FDMA). Ключевые параметры позиционирования GPS, ГЛОНАСС и Galileo, такие как система отсчета времени и система координат, также различны (табл. 1). Все это и определяет высокую стоимость и сложность внутреннего устройства мультисистемных приемников.
Из табл. 1 можно сделать несколько важных выводов и предположений. Во-первых, у разработчиков будущих навигационных устройств достаточно большой выбор различных сигналов (в сумме не менее двух десятков с учетом сигналов для спецпотребителей и китайской Compass). Во-вторых, сигналы 1-го поколения ГСНС ГЛОНАСС работают на уникальных частотах. В профессиональных устройствах, где габариты, масса и потребление электроэнергии некритичны, а требования к точности максимальны, будут приниматься все современные высокоточные сигналы трех или четырех ГСНС. В то же время для производителей НАП критичны масса устройства (стандартный телефон весит немногим более 100 г) и работоспособность (не менее суток от аккумуляторной батареи емкостью порядка 1000 мАч). Из положительных моментов для НАП можно отметить лишь растущие вычислительные мощности микропроцессоров, что дает возможность перекладывать часть навигационных расчетов на процессор и оптимизировать конструкцию.
Итак, можно предположить, что с большой долей вероятности производители таких устройств будут ориентироваться на сигналы в диапазонах L1, L2 и, возможно, L5. Две частоты необходимы для надежности и вычисления тропосферной задержки. В перспективе это сулит огромные преимущества: использование в одном приемнике сигналов трех ГСНС на одной опорной частоте с принципом кодового разделения (CDMA). Это позволит упростить конструкцию НАП и работать с созвездием 70-80 спутников. С запуском "Глонасс-К" именно на частотах L1, L2 планируется разместить новые CDMA-сигналы. Частота L5 также рассматривается.
Отметим ряд позитивных тенденций в области производства недорогих мультисистемных чипов-приемников для ГЛОНАСС. В 2010 г. КБ "Навис" организовало выпуск микросхем серии NV08C с характеристиками, близкими к аналогам GPS (габаритные размеры - 9x11x2,5 мм, масса - менее 5 г). Чип не требует дополнительных компонентов для включения, кроме элемента питания и антенны, и поддерживает основные действующие сигналы ГЛОНАСС, GPS, Galileo, Compass [1, 2]. Таким образом, при правильном стимулировании производителя, например в виде новых сигналов, задача проникновения ГЛОНАСС на рынок, где сейчас практически господствует GPS, представляется вполне решаемой.
Сигналы L1 ГЛОНАСС и GPS. Так как сигнал от спутника до потребителя проходит примерно 20000 км, необходима большая избыточность. С помощью избыточного кодирования приемник обнаруживает сигнал КА, даже когда соотношение сигнал/шум существенно меньше единицы. Псевдослучайная последовательность (ПСП) - это ключевой элемент кода ГСНС. Существующие ПСП в сигналах 1-го поколения представляют собой так называемые М-последовательности: они построены с помощью регистров сдвига, имеют длину 2(n) - 1 и хорошие автокорреляционные свойства. В обработке сигналов автокорреляционная функция (АКФ) определяется интегралом и показывает связь сигнала с копией самого себя, смещенного на величину т.
[Формула:
Материалы доступны в бумажной версии издания]
В сигнале для гражданского применения L1 ГЛОНАСС используется последовательность максимальной длины (М-последовательность) 2(9) - 1 = 511. Для передачи применяется двоичная фазовая модуляция. Максимальный боковой пик (в данном случае 24) и его отношение к основному пику (24/511 = 4,7%) позволяют оценить вероятность нахождения ложного соответствия. Обратное соотношение характеризует получаемый выигрыш при обработке.
Сигналы различных спутников, если они передаются на одной частоте, создают помехи. Для учета таких факторов служит функция взаимной корреляции двух сигналов (ВКФ), которая в общем случае для непрерывных функций f(t) и g(t) определяется интегралом
[Формула:
Материалы доступны в бумажной версии издания]
ВКФ для различных ПСП сигнала L1 ГЛОНАСС не столь критична, так как в этой ГСНС используется принцип частотного разделения каналов спутников.
В случае GPS в сигнале L1 используется ПСП длины 2(10) -1 = 1023. Характеристики ее АКФ играют уже второстепенную роль, так как здесь действует принцип CDMA, или кодового разделения сигналов. С учетом необходимости разделения сигналов разных спутников важны характеристики их ВКФ. Для минимальных боковых пиков ВКФ используется особый класс ПСП, который называют последовательностями Голда. Коды Голда позволяют получить не только большой набор последовательностей, но и однородные и ограниченные значения ВКФ. Последовательности Голда могут быть сгенерированы путем суммирования по модулю 2 двух М-последовательностей одинаковой длины. Результирующие коды Голда имеют ту же длину, что и исходные М-последовательности.
В табл. 2 приведены предпочтительные пары М-последовательностей для генерации кодов Голда; число сгенерированных кодов Голда равно 2(т) + 1, где т - длина сдвигового регистра; длина кода N = 2(т) - 1. ВКФ принимает одно из трех значений в зависимости от т.
Для ВКФ ПСП сигнала GPS L1 боковые пики принимают всего три значения, не превышают 6% и, следовательно, позволяют уверенно находить и идентифицировать сигналы спутников GPS.
Текущая точность ГЛОНАСС и GPS. Потребителей в первую очередь интересует доступность рассмотренных сигналов и точность ГСНС. Считается, что в настоящее время точность определения координат системой ГЛОНАСС несколько отстает от аналогичных показателей для GPS. В 2010 г., по данным информационно-аналитического центра Федерального космического агентства РФ, текущие ошибки навигационных определений ГЛОНАСС по долготе и широте составляли от 4 до 8,5 м (при 7-8 видимых спутниках), а ошибки GPS - от 2 до 8,8 м (при 6-11 спутниках). При совместном использовании обеих ГСНС, насчитывающих в среднем 14-19 КА, ошибки (в зависимости от точки приема) равны 2-5 м.
В то же время постоянно ведутся работы по повышению точностных характеристик систем. К 2011 г. точность ГЛОНАСС, благодаря пополнению орбитальной группировки, увеличению точности эфемерид, улучшению характеристик потребительских устройств и постепенной замене спутников более совершенными, должна возрасти до 3 м. При совместном использовании ГСНС точность повысится примерно в 1,5 раза. В октябре 2010 г. газета "Маркер" [3] провела исследование готовности современных навигаторов на базе ГЛОНАСС выполнять свои функции по определению местоположения и скорости транспортных средств. Было проведено тестирование трех GPS-и трех ГЛОНАСС-совместимых терминалов, установленных на одном автомобиле (табл. 3).
В целом точность систем соответствует расчетным данным при приемлемом уровне ошибок. Однако очевидно, что для качественного перехода на так называемый дециметровый уровень необходимы использование новых сигналов повышенной точности и работа трех и более ГСНС.
Заместитель гендиректора ФГУП "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" С. Ревнивых делает вывод: "Потенциальный предел погрешности для абсолютных определений в реальном времени нами оценивается в 70-80 см. Он может быть достигнут при полностью развернутой новой группировке на базе аппаратов "Глонасс-К" и дальнейшей модернизации наземного комплекса управления до глобального. Пока все измерительные средства сосредоточены на нашей территории. Когда инфраструктура будет распределена по разным частям света, появится возможность для улучшения точностных характеристик сигнала".
Повышение точности ГСНС с увеличением длины ПСП. Важная характеристика сигналов ГСНС - это период повторения ПСП в сигнале. Для L1 он составляет 1 мс, а значит, изменения фазы происходят с частотой 0,511 МГц (ГЛОНАСС) и 1,023 МГц (GPS). Между изменениями фазы (передача так называемого одного чипа - символа ПСП) проходит не менее 3135 (ГЛОНАСС) и 1540 (GPS) полных периодов электромагнитных колебаний. Эту характеристику будем называть количеством циклов на чип. Таким образом, самым логичным способом повышения точности позиционирования представляется использование более длинных ПСП; необходимо также увеличивать скорость передачи чипов. Сигнал при этом занимает более широкую полосу спектра. Во всех сигналах ГСНС 2-го поколения это используется в полной мере. В результате длина ПСП выросла на порядок (табл. 4).
Увеличение длины ПСП сигнала позволяет в итоге довести значение боковых пиков ВКФ до 2%. Данная характеристика улучшается пропорционально квадратному корню длины ПСП. В новых сигналах длина ПСП превышает 10000 двоичных символов, что дает хорошую помехозащищенность и гарантированное кодовое разделение разных спутников (CDMA). В сигналах для спецпотребителей используются, как правило, сверхдлинные последовательности, если стоит задача передавать навигационные данные, которые практически не поддаются дешифровке с помощью подбора ПСП.
Меандровые сигналы ГСНС. Второе поколение ГСНС в настоящее время прочно ассоциируется с новым типом сигналов. Так, в системе Galileo (в отличие от ГЛОНАСС и GPS 1-го поколения, где используются рассмотренные выше традиционные сигналы) появились так называемые меандровые, или ВОС-сигналы (Binary Offset Carrier modulated signals). Если у традиционных сигналов каждый чип ПСП дальномерного кода - это одиночный прямоугольный импульс определенной длительности, то у меандровых каждый расширяющий спектр символ ПСП имеет сложную форму и представляет собой некоторый отрезок меандрового колебания той же длительности с одинаковым числом меандровых импульсов (меандровый символ). Меандровое колебание определяется выражением
[Формула:
Материалы доступны в бумажной версии издания]
Идея меандровых сигналов не нова и связана с манчестерским кодом, при котором каждый такт делится на две части. Информация кодируется сменой потенциала (или фазы в случае ВОС-сигнала) в середине каждого такта: единица - перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль - обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд. В среднем ширина спектра при манчестерском кодировании в два раза шире, чем при обычном кодировании.
Важные свойства ВОС-сигналов определяются двумя параметрами:
[Формула:
Материалы доступны в бумажной версии издания]
Соответственно, при рассмотрении свойств нового класса сигналов для сравнительной характеристики типов меандровой модуляции применяется обозначение: ВОС (f(м), f(с)). На практике частоты f(м), f(с) обычно кратны опорной синхрочастоте f(оп) в ГСНС (в частности, для систем GPS и Galileo f(оп) = 1,023 МГц). Поэтому для обозначения ВОС-сигналов часто используется сокращенная форма записи; так, в сигнале ВОС (2,1) частота кода соответствует 1,023 МГц, а частота меандра - 2,046 МГц. На рис. 1 показан пример, где меандр r(t) накладывается на ПСП g(t) и в итоге получается результирующий сигнал d(t).
Важные достоинства новых сигналов:
* обострение основного пика АКФ ВОС-сигналов благодаря применению более коротких импульсов в меандровом символе, что приводит к повышению точности;
* более эффективное использование частотного спектра, в частности возможность одновременного функционирования ГСНС со старыми и новыми радиосигналами. Это достигается благодаря "расщеплению" спектра у ВОС - сигналов (при четном количестве меандровых импульсов в пределах символа ПСП) [4].
На практике, как будет показано далее, используется синусная аппроксимация для возможности расщепления спектра. На рис. 2 приведены АКФ одиночных меандровых символов ВОС (1,1), ВОС (2,1) и ВОС (4,1).
Из графиков следует, что центральный пик АКФ обостряется, однако появляется достаточно много боковых пиков. При определенных условиях это может привести к ложным срабатываниям. Просто повышать частоту меандра из-за этого бессмысленно [5].
Важная характеристика меандрового импульса - его энергетический спектр (спектральная плотность мощности), который определяется как преобразование Фурье от АКФ. Рис. 3, где приведены нормализованные энергетические спектры трех вышеприведенных меандровых импульсов (включая прямоугольный в центре), демонстрирует их второе важное свойство: сигналы достаточно равномерно используют спектр и вполне допускают сосуществование на одной опорной частоте.
МВОС-сигналы GPS и Galileo. Стремление достичь дальнейшего выигрыша в качестве функционирования ГСНС нового поколения за счет использования ВОС-сигналов обусловливает разработку разнообразных и более сложных по сравнению с рассмотренными комбинированных ВОС-сигналов, получивших название МВОС-сигналов (Multiplexed BOC). В LlC-сигнале GPS используется ТМВОС-модуляция (Time-Multiplexed BOC). CBOC-модуляция (Complex BOC) применяется в Galileo. В основе лежит идея комбинирования двух меандров: ВОС (1,1) и ВОС (6,1) - во временной или фазовой координате. При этом результирующий энергетический спектр сигнала делится в определенных пропорциях [6, 7]:
Р(МВОС) = 10/11 р(ВОС)(1,1) + 1/11 Р(ВОС)(6,1).
На рис. 4 приведены формы сигналов (СВОС и ТМВОС) после умножения на ПСП.
АКФ СВОС - и ТМВОС-сигналов улучшается в части остроты центрального пика (рис. 5).
Энергетический спектр МВОС (СВОС и ТМВОС) при этом получает несколько дополнительных максимумов, что обусловливает некоторые преимущества МВОС-сигналов перед обычными ВОС-сигналами [8].
Сигналы с СВОС-модуляцией применяются на спутнике Giove-B Galileo, а сигналы с ТМВОС - на семи новых КА GPS, причем в обеих ГСНС используется частота L1 [9].
ВОС-сигналы и перспективы ГЛОНАСС. Для ГЛОНАСС сигнал ВОС (2,2) на частоте L1 заявлен на аппарате "Глонасс-К" - он будет обладать рабочими характеристиками, аналогичными ВОС (1,1). Усложненные варианты модуляции, аналогичные МВОС, в настоящий момент не рассматриваются. Можно предположить, что спектральные характеристики в этом случае также будут стандартными, так как простые ВОС-сигналы были хорошо исследованы при разработке европейской системы Galileo. Обнадеживает то, что новые CDMA-сигналы ГЛОНАСС по своим параметрам существенно превзойдут сигналы первого поколения и будут сравнимы с сигналами конкурентов.
Многоуровневые сигналы - аналоги ВОС-сигналов пока мало исследованы, хотя теоретически их использование должно привести к получению более острого основного пика АКФ, уменьшению дополнительных пиков, распределению энергетического спектра с несколькими основными максимумами. Как отмечалось выше, АКФ и ВКФ сигналов в общем случае - это комплексные функции. А что получается в случае многофазной модуляции? Фазовая модуляция изменяет несущую частоту f0 сигнала следующим образом:
[Формула:
Материалы доступны в бумажной версии издания]
Это означает, что комплексная огибающая нашего сигнала является действительной функцией. Корреляционная функция этой огибающей определяется так, как ее привыкли вычислять для сигнала, состоящего из символов -1 и 1.
Если модуляция четверичная, то р = 4, значение al принадлежит множеству О, 1, 2, 3, начальная фаза выбирается "фи"0 = 0; "фи"l принимает возможные значения: 0, "пи"/2, "пи", 3"пи"/2. Комплексная огибающая сигнала является комплексной функцией. Корреляционную функцию комплексной огибающей, т.е. для комплексных символов Gl(t) = ехр(j"фи"l), следует вычислять обычным способом, но конечным результатом в этом случае будет действительная часть комплексной корреляционной функции, а также модуль комплексной корреляционной функции. Для больших значений p эти рассуждения следует повторить, выбирая "фи"0 так, чтобы обеспечить равномерную расстановку значений фаз сигнала на фазовой плоскости.
Корреляционную функцию следует вычислять по формуле
[Формула:
Материалы доступны в бумажной версии издания]
В дальнейшем для расчетов используется именно действительная часть.
На рис. 6 приведена АКФ 4-уровневого сигнала (1,1; 3,1; 2,0; 2,2). Это аналог сигнала ВОС (4,1) по количеству символов, однако с намного более предпочтительными характеристиками (кривая 1) по сравнению с ВОС (2,1) (кривая 2).
Увеличение длины до 16 символов (0, 1, 2, 0, 2, 0, 0, 0, 3, 3, 3, 1, 3, 1, 2, 3) еще более улучшает характеристики (кривая 3).
Данные свойства представляются крайне перспективными. Они позволяют предложить для ГЛОНАСС новые сигналы, отличные от рассмотренных МВОС-сигналов GPS и Galileo, но с аналогичными или даже лучшими характеристиками. Однако их размещение на самой востребованной частоте L1 требует, именно из-за ее популярности, тщательного изучения взаимного влияния с другими ГСНС, так как используемая полоса спектра существенно расширяется. В любом случае на ближайшие десять лет, а возможно и далее, многоуровневые конструкции выглядят многообещающе.
Заключение. Конечно, с таким рычагом, как государственная поддержка ГЛОНАСС, к 2012 г. производителей навигационного оборудования можно будет подтолкнуть к выпуску комбинированных приемников ГСНС для диапазона L1, однако высокие пошлины и другие защитные меры не панацея. Имея в виду предстоящее соперничество четырех ГСНС, надо реально смотреть в будущее. Через
5-10 лет, когда их орбитальные группировки 2-го поколения будут полностью сформированы, у разработчиков НАН будет возможность выбирать сигналы с наиболее предпочтительными параметрами. Полностью закрыть рынок РФ для устройств без поддержки ГЛОНАСС просто невозможно, значит, необходимо всех потребителей (не только российских!) убедить в преимуществах отечественной ГСНС. Единственно возможный для этого путь - обеспечить аналогичные или даже более высокие, чем у конкурентов, в том числе с точки зрения новых CDMA-сигналов, характеристики. Причем теоретические изыскания в этой сфере не менее важны, чем технические аспекты производства микрочипов (исследования ВОС-сигналов 2-го поколения для GPS и Galileo, например, ведутся уже около десяти лет). И использование многоуровневых аналогов меандров в ГЛОНАСС - это, возможно, шанс для отечественной навигационной системы добиться в будущем коммерческого успеха.
ЛИТЕРАТУРА
1. Свириденко В. А. Перспективы российского рынка ГЛОНАСС/GPS-приемников: мнение разработчика//Электроника: наука, технология, бизнес. - Январь, 2010.
2. Писарев А. ГЛОНАСС: нельзя ждать, пока проснутся конкуpeнты//CNews. - Октябрь, 2010.
3. Чеберко И., Каштанов М. Точность ГЛОНАСС стала сравнима с GPS, показали результаты контрольных тестов//Газета "Маркер". - И октября 2010 г.
4. Ярлыков М. С. Меандровые шумоподобные сигналы (ВОС-сигналы) в новых спутниковых радионавигационных системах//Радиотехника.- 2007.- № 8.
5. Ярлыков М.С. Характеристики меандровых сигналов (ВОС-сигналов) в спутниковых радионавигационных системах нового поколения//Радиотехника. - 2008. - № 8.
6. Betz J.W. The Offset Carrier Modulation for GPS Modernization//Proceeding of the National Technical Meeting of the Institute of Navigation (ION - NTM99). - January 1999. - P. 639.
7. Betz J. W. Description of the L1C signal. - ION GNSS, 2006.
8. Avila-Rodriguez J.A. The MBOC Modulation. A Final Touch for the Galileo Frequency and Signal Plan//Inside GNSS. - September 2007.
9. Galileo Open Service, Signal In Space Interface Control Document. - OS SIS ICD. - Draft 1. - European Space Agency. - February 2008.
Получено 07.12.10
90 ЛЕТ МЭИС - МТУСИ ЭТАПЫ БОЛЬШОГО ПУТИ, А. С. Аджемов
|
