Основы ортогонального многостанционного доступа с частотным разделением каналов – ofdma. Структура и формирование ofdma подканалов.

Множественный доступ с ортогональным частотным разделением (OFDMA) представляет собой улучшенную технологию OFDM и применяется в Mobile WiMAX, также являясь основой для систем мобильного широкополосного доступа следующих поколений. Так же эту технологию можно назвать многопользовательской версией OFDM. Различие состоит в том, что OFDMA приписывает наборы поднесущих отдельным пользователям, тем самым позволяя одновременную низкоскоростную передачу данных для нескольких абонентов.

С точки зрения формирования модуляционных символов OFDMA аналогичен OFDM: OFDMA-символ включает собственно зону передачи данных и предшествующий ему защитный интервал (повтор начального фрагмента символа), предназначенный для предотвращения межисмвольной интерференции). Сам символ – это совокупность модулированных ортогональных несущих.

В режиме OFDMA несущих значительно больше, чем в OFDM – до 2048 вместо 256, соответственно и число подканалов становится достаточным для организации работы сети: в разных режимах их от 32 до 70, по 24 или 48 информационных несущих в каждом. Используются не все 2048 несущих – около 200 нижних и 200 верхних частот составляют защитный интервал канала и не модулируются. Также не используется центральная частота канала (частота с индексом 1024). Кроме того, часть несущих – пилотные, предназначенные для служебных целей, а не для передачи информации. Точное число пилотных несущих и частот в защитных интервалах незначительно варьируется в зависимости от режимов OFDMA

Метод OFDMA позволяет получить большую гибкость при управлении различными пользовательскими устройствами с разными типами антенн. Он уменьшает взаимные помехи для устройств со всенаправленными антеннами и улучшает прием в условиях непрямой видимости, что весьма существенно для мобильных пользователей. Подканалы могут быть распределены между разными абонентами в зависимости от условий передачи и требуемой пропускной способности. Этим достигается более эффективное использование ресурсов.

Разбиение на подканалы для восходящего потока улучшает производительность, так как мощность передаваемого пользовательским устройством сигнала крайне ограничена. При применении OFDM устройство передает данные, используя весь набор поднесущих. OFDMA поддерживает множественный доступ, посредством которого передача ведется только на поднесущих выделенного пользователю подканала. К примеру, если OFDMA использует 2048 поднесущих и 32 подканала и пользователю выделяется только один подканал, то вся мощность передатчика будет сконцентрирована в 1/32 доступного спектра и может быть на 15 дБ больше, чем при OFDM.

Метод OFDMA с неполным набором несущих при передачи данных может использоваться не только в восходящем канале Uplink от абонента к базовой станции, но и в обратном направление – Downlink (от базы к абоненту). Такой двухсторонний метод OFDMA используется в мобильном WiMAX и носит название SOFDMA –масштабируемый доступ с разделением по ортогональным несущим.

17. Спутниковые навигационные системы. Обобщённая структура СНС.

Спутниковая система навигации — комплексная электронно-техническая система, предназначенная для определения местоположения (географических координат и высоты), а также параметров движения (скорости и направления движения и т. д.) для наземных, водных и воздушных объектов.

Состав:

- Космический сегмент – орбитальная группировка искусственных спутников земли

- Сегмент управления – наземный комплекс управления управления орбитальной группировкой космических аппаратов

- Аппаратура пользователей системы

18. Системы отсчёта времени, шкалы времени, синхронизация. Навигационная задача и методы её решения.

Системная шкала времени задается наземным хранителем времени в составе НКИК(наземный командно измерительный комплекс). Она может совпадать, но может и несколько расходиться со всемирным временем. Приведение в соответствие бортовых шкал НИСЗ(навигационный искусственный спутник Земли) со шкалой наземного хранителя производят путем операции сверки и коррекции времени с использованием каналов радиосвязи.

В современных навигационных системах для формирования системных шкал времени используют групповые атомные стандарты (как правило, цезиевые), что обеспечивает очень высокую равномерность этих шкал. Кроме того, системные шкалы времени у большинства навигационных систем синхронизируют со шкалой всемирного координированного времени. Таким образом обеспечивают достаточно высокую стабильность как для целей навигации, так и для передачи сигналов точного времени. Все потребители сигналов времени удобно классифицировать условно по трем категориям в зависимости от величины требуемой ими точности временной шкалы: низкая точность (погрешность более 1 мс), средняя точность (погрешность 1 МС...50 мкс), высокая точность (погрешность менее 50 мкс). Следует отметить, что в настоящее время число потребителей, которым требуется субмикросекундная погрешность, постоянно возрастает.которых известно с большой точностью. Таблица положений всех спутников называется альманахом, которым должен располагать любой спутниковый приёмник до начала измерений. Обычно приёмник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и если он не устарел — мгновенно использует его. Каждый спутник передаёт в своём сигнале весь альманах. Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных геометрических построений, на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве.

Задача – определение местонахождения объекта, а так же его параметров движения.

Метод измерения расстояния от спутника до антенны приёмника основан на определённости скорости распространения радиоволн. Для осуществления возможности измерения времени распространяемого радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени, используя точно синхронизированные с системным временем атомные часы. При работе спутникового приёмника его часы синхронизируются с системным временем, и при дальнейшем приёме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приёма сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приёмник вычисляет координаты антенны. Все остальные параметры движения (скорость, курс, пройденное расстояние) вычисляются на основе измерения времени, которое объект затратил на перемещение между двумя или более точками с определёнными координатами.

 

В реальности работа системы происходит значительно сложнее. Ниже перечислены некоторые проблемы, требующие специальных технических приёмов по их решению:

Отсутствие атомных часов в большинстве навигационных приёмников. Этот недостаток обычно устраняется требованием получения информации не менее чем с трёх (2-мерная навигация при известной высоте) или четырёх (3-мерная навигация) спутников; (При наличии сигнала хотя бы с одного спутника можно определить текущее время с хорошей точностью).

Неоднородность гравитационного поля Земли, влияющая на орбиты спутников;

Неоднородность атмосферы, из-за которой скорость и направление распространения радиоволн может меняться в некоторых пределах;

Отражения сигналов от наземных объектов, что особенно заметно в городе;

Невозможность разместить на спутниках передатчики большой мощности, из-за чего приём их сигналов возможен только в прямой видимости на открытом воздухе.

P1=корень((X-x1)^2+(у-у1)^2+(z-z1)^2) + c(dt+dT1)

P2=……….

19. Спутниковые навигационные системы. Радиосигналы и навигационные сообщения в СНС.

Навигационные сообщения по своему содержанию делятся на опреративную и не оперативную информацию.

Оперативная – относится к спутнику из сигнала которого она бьыла получена:

- Оцифровка меток времяни

- сдвиг шкалы времяни спутника относительно шкалы системы

- относительные отличия несущей частоты спутника от номинального значения

- эфемеридная информация

Время привязки эфемеридной информации и частотно-временные поправки, имеющие получасовую кратность от начала суток, позволяют точно определять географические координаты и скорость движения спутника

Неопреративная информация – содержит альманах,включает в себя:

- данные о составе всех спутников системы

- параметры орбит всех спутников системы

- поправку к шкале времяни сестемы ГЛОНАСС

 

Альманах – набор данных об орбитах и работоспособности всех спутников созвездия, передаваемый каждым спутником в его навигационном сообщении.

Данные альманаха используются в приёмнике GPS для быстрого поиска и “захвата” сигналов спутников, непосредственно после его включения. Обновлённая наземная станция загрузки версии альманаха действительная 28 дней

TT FF (time to first fix) – Время до первого место определения. Время, которое затрачивается приёмником GPS от момента его включения до первой выдачи координат.

Doppler shift(Доплеровский сдвиг) Разница между частотами принятого и излученного сигналов, пропорциональная скорости взаимного сближения (удаления) приёмника и передатчика.

Эфемериды – Предвычисленные координаты спутника на орбите, т.е. прогноз его движения в пространстве и времени. Для текущего момента времени вычисляются пользовательскими приёмниками на основании эфемеридных данных, содержащихся в навигационном сообщении.

Эфемеридные данные – информация, переданная спутником в его навигационном сообщении и используемая в приёмнике GPS, для вычисления точных координат спутника. Набор эфемеридных данных действителен в течении нескольких часов.

20. Факторы, влияющие на точность в СНС. Дифференциальная подсистема.

Современные GPS-приемники, оснащенные самыми новыми технологиями, определяют местоположение нужного объекта очень точно. Аппараты, имеющие около 12 каналов, могут одновременно связываться сразу с двенадцатью GPS спутниками. Благодаря этим возможностям высокая четкость определения координат соблюдается как среди городских построек, так и в густых лесах.

 

На точность влияет не только наличие достаточного количества спутников в зоне видимости, но и атмосферные факторы. Средняя точность GPS-приемников повышается благодаря дифференциальным поправкам. Источниками, с помощью которых осуществляются поправки, есть глобальные дифференциальные подсистемы. Их использование абсолютно бесплатно, а точность при определении местоположения аппарата GPS увеличивается до 1-3 метров. А приемники на морских судах могут увеличить точность до 1-5 метров. В море такие поправки принимают от сети радиомаяков, которые расположены на побережье.

 

Системы дифференциальной коррекции (Дополнения глобальных навигационных спутниковых систем, англ. GNSS Augmentation) — методы улучшения характеристик работы навигационной системы, такие, как точность, надежность и доступность, через интеграцию внешних данных в процессе расчета. Для повышения точности позиционирования систем GPS и ГЛОНАСС на земной поверхности или в околоземном пространстве, используются спутниковые и наземные системы дифференциальной коррекции. Они обеспечивают некоторую территорию информацией о дифференциальных поправках. Спутниковые системы коррекции обычно используют геостационарные спутники.

Дифференциальный режим навигационной спутниковой системы предполагает наличие как минимум двух навигационных приемников (контрольно-корректирующая станция и потребитель), находящихся в двух точках пространства. При этом дифференциальная контрольно-корректирующая станция (базовая станция) геодезически точно привязана к принятой системе координат. Разности между измеренными и рассчитанными в ней значениями псевдодальностей видимых спутников, а также разности между измеренными и рассчитанными псевдоскоростями по линии передачи данных передаются потребителю. Эти разности называются дифференциальными поправками.

 

Потребитель, в свою очередь, вычитает полученные поправки из измеренных псевдодальностей и псевдоскоростей. Если погрешности определения псевдодальностей слабо изменяются во времени и пространстве, то они существенно компенсируются переданными по линии передачи данных поправками. Основными слабо меняющимися погрешностями определения псевдодальности являются ошибки синхронизации, погрешности за счет ошибок эфемеридного обеспечения, некомпенсированные ионосферные погрешности. При полностью скомпенсированных ионосферных и эфемеридных погрешностях основными источниками ошибок остаются многолучевость, ионосфера, тропосфера и шум приемника.

СНС ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США) Космический сегмент. Сегмент управления. Сегмент потребителей.

Система Глонасс предназначена для глобальной оперативной навигации приземных

подвижных объектов. СРНСС разработана по заказу Министерства Обороны. По своей

структуре Глонасс так же, как и GPS, считается системой двойного действия, то есть может

использоваться как в военных, так и в гражданских целях.

Система в целом включает в себя три функциональные части (в профессиональной

литературе эти части называются сегментами) (рис. 1).

 

 

 

Рисунок 1. Сегменты высокоорбитальных навигационных систем Глонасс и GPS

 космический сегмент, в который входит орбитальная группировка искусственных

спутников Земли (иными словами, навигационных космических аппаратов);

 сегмент управления, наземный комплекс управления (НКУ) орбитальной

группировкой космических аппаратов;

 аппаратура пользователей системы.

Из этих трех частей последняя, аппаратура пользователей, самая многочисленная.

Система Глонасс является беззапросной, поэтому количество потребителей системы не

имеет значения. Помимо основной функции — навигационных определений, — система

позволяет производить высокоточную взаимную синхронизацию стандартов частоты

и времени на удаленных наземных объектах и взаимную геодезическую привязку. Кроме

того, с ее помощью можно производить определение ориентации объекта на основе

измерений, производимых от четырех приемников сигналов навигационных спутников.

В системе Глонасс в качестве радионавигационной опорной станции используются

навигационные космические аппараты (НКА), вращающиеся по круговой геостационарной

орбите на высоте 19100 км (рис. 2). Период обращения спутника вокруг Земли равен,

в среднем, 11 часов 45 минут. Время эксплуатации спутника — 5 лет, за это время параметры

его орбиты не должны отличаться от номинальных значений больше чем на 5%. Сам спутник

представляет собой герметический контейнер диаметром 1,35 м и длиной 7,84 м, внутри

 

которого размещается различного рода аппаратура. Питание всех систем производится от

солнечных батарей. Общая масса спутника — 1415 кг. В состав бортовой аппаратуры входят:

бортовой навигационный передатчик, хронизатор (часы), бортовой управляющий комплекс,

система ориентации и стабилизации и так далее.

 

 

Рисунок 2. Космический сегмент систем ГЛОНАСС и GPS

 

 

Рисунок 3. Сегмент наземного комплекса управления системы Глонасс

 

 

Рисунок 4. Сегмент наземного комплекса управления системы GPS

 

 

Сегмент наземного комплекса управления системы ГЛОНАСС выполняет следующие

функции:

 эфемеридное и частотно-временное обеспечение;

 мониторинг радионавигационного поля;

 радиотелеметрический мониторинг НКА;

 командное и программное радиоуправление НКА.

Для синхронизации шкал времени различных спутников с необходимой точностью на

борту НКА используются цезиевые стандарты частоты с относительной нестабильностью

порядка 10-13. На наземном комплексе управления используется водородный стандарт

с относительной нестабильностью 10^-14. Кроме того, в состав НКУ входят средства

коррекции шкал времени спутников относительно эталонной шкалы с погрешность 3—5 нс.

Наземный сегмент обеспечивает эфемеридное обеспечение спутников. Это означает, что на

земле определяются параметры движения спутников и прогнозируются значения этих

параметров на заранее определенный промежуток времени. Параметры и их прогноз

закладываются в навигационное сообщение, передаваемое спутником наряду с передачей

навигационного сигнала. Сюда же входят частотно-временные поправки бортовой шкалы

времени спутника относительно системного времени. Измерение и прогноз параметров

движения НКА производятся в Баллистическом центре системы по результатам траекторных

измерений дальности до спутника и его радиальной скорости.