3 Сети транкинговой связи

Работа добавлена на сайт samzan.net:

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………...4

ГЛАВА 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СЕТЯХ

МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ………………………………………………...6

Краткая историческая справка развития систем

мобильной связи………………………………………………………....6

Сети сотовой мобильной связи……………………………………8

1.3 Сети транкинговой связи…………………………………………..9

1.4 Сети персонального радиовызова………………………………..10

1.5 Сети мобильной спутниковой связи……………………………..12

1.6 Системы беспроводных телефонов……………………………...13

1.7 Стандартизация в области телекоммуникаций…………………14

1.8 Защита от воздействия электромагнитного излучения……….16

1.9 Глобальные системы связи будущего…………………………..17

Контрольные вопросы…………………………………………………18

ГЛАВА 2 СЕТИ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ………….19

Элементы сетей сотовой связи………………………………...19...
1. Функциональная схема системы сотовой связи……………...19
  1. Мобильная станция…………………………………………….23
  2. Базовая станция………………………………………………...26
  3. Центр коммутации……………………………………………..28
  4. Интерфейсы сотовой связи……………………………………29

Контрольные вопросы………………………………………………...30

Особенности мобильных сетей связи………………………...30
1. Полосы частот сотовой связи…………………………………30
  1. Многолучевое распространение сигналов и методы

расчета потерь при распространении………………….……………..31

Разнесенный прием………………………………………….…41
1. Работа с расширением спектра…………………………….….43
  1. Методы многостанционного доступа…………………..…….47
  2. Формирование каналов в сетях сотовой связи……….………58
  3. Пути повышения емкости системы сотовой связи…………..58

Контрольные вопросы…………………………………………………59

ГЛАВА 3 ОСНОВНЫЕ ЦИФРОВЫЕ СТАНДАРТЫ

МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ………………………………………………60

Мобильная связь стандарта GSM……………………………..60
1. История возникновения и развития сотовой связи

стандарта GSM 900/1800………………………………………….......60

Основные характеристики стандарта GSM…………………..62
1. Структурная схема и состав оборудования системы

связи GSM…………………………………………………………….......62

Сетевые интерфейсы и радиоинтерфейсы……………………72
1. Состояния мобильной станции………………………………..74
  1. Структура TDMA-кадров и формирование сигналов……….75
  2. Организация каналов в стандарте GSM………………….….…80
  3. Модуляция радиосигнала…………………………………..….81
  4. Обработка речи…………………………………………….…..82

Контрольные вопросы………………………………………………....87

Общеевропейская транкинговая система подвижной

радиосвязи стандарта TETRA………………………………………....87

История создания стандарта………………………………….87
1. Возможности цифровых транкинговых систем…………..…88
  1. Технологии передачи данных стандарта TETRA…………...89
  2. TETRA: краткое описание……………………………………90
  3. Радиоинтерфейс стандарта TETRA………………………….94
  4. Обнаружение и исправление ошибок, защита информации.96
  5. Кодирование речи……………………………………………..97
  6. Энергетика и качество покрытия сетей TETRA…………….97
  7. Функциональный набор стандарта TETRA…………………99
  8. Передача данных…………………………………………….100
  9. Идентификация и адресация в рамках стандарта TETRA...100
  10. Безопасность в сетях TETRA……………...………………..101
  11. Преимущества решений на базе стандарта TETRA……….102

Контрольные вопросы………………………………………………..102

Системы беспроводной связи стандарта DECT…………….103
1. Стандарт DECT и возможные сферы его применения……103
  1. Организация системы на основе стандарта DECT………...104
  2. Основные характеристики стандарта DECT………………105
  3. Основные принципы работы систем стандарта DECT……106
  4. Профили приложений стандарта DECT……………………112

Контрольные вопросы………………………………………………..112

ГЛАВА 4 СЕТЕВОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ………………………...113

Анализ трафика и покрытия территории………………………113
1. Номинальный сотовый план………………………………….…116
2. Выбор объектов размещения базовых станций………………..121
3. Строительство, оптимизация и развитие системы…………….124

Контрольные вопросы………………………………………………..127

ГЛАВА 5 ПАКЕТНАЯ ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ В GSM………...128

Архитектура сети GPRS…………………………………………128
1. Система коммутации пакетов…………………………………...131
  1. Обслуживающий узел поддержки GPRS (SGSN)…………131
  2. Шлюзовой узел поддержки GPRS (GGSN)………………..134
2. Каналы в GPRS…………………………………………………..135
3. Дополнительные возможности GPRS………………………….138

Контрольные вопросы………………………………………………..138

ГЛАВА 6 ПРЕДПОСЫЛКИ ПЕРЕХОДА

К ТЕХНОЛЛОГИИ 3G………………………………………..139

Условия внедрения технологии 3G……………………….……..139
1. Концепция построения систем связи третьего поколения……140
2. Доменная архитектура сети UMTS…………………………..…145
3. Системная архитектура сети UMTS…………………………...149
4. Сеть радиодоступа UTRAN……………………………………...151
5. Базовая сеть CN………………………………………………….154
6. Сетевые интерфейсы………………………………………….....156
7. Глобальные системы связи будущего…………………………..157

Контрольные вопросы………………………………………………. 159

ГЛАВА 7 ПРИМЕР РАСЧЕТА ЭЛЕМЕНТОВ

СИСТЕМЫ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ…………………………...…159

Методика расчета зоны покрытия на основе статистической

модели напряженности поля сигнала………………………………..159

Построение рельефа местности…………………………………165
1. Расчет напряженности поля в точке приема…………………...168

Список условных обозначений, сокращений и терминов…………..171

Список литературы……………………………………………………176

ВВЕДЕНИЕ

Связь (системы и сети передачи информации) – одна из наиболее динамично развивающихся отраслей телекоммуникационной индустрии, из-за постоянного роста потребительского спроса на услуги связи с одной стороны и достижений в области электроники, волоконной оптики и вычислительной техники. В 21 веке человечество вплотную подошло к реализации так называемых предельных задач в области развития телекоммуникаций – глобальных персональных систем связи. Глобальность связи обеспечивается созданием Всемирной сети связи, в которую интегрируются национальные и, входящие в них, региональные и ведомственные сети связи. Это позволит абоненту пользоваться различными услугами связи в любой точке земного шара по своему личному номеру, который он получит с момента рождения и который будет зарегистрирован во всемирной сети связи (в проекте). При этом большое значение отводится развитию сетей подвижной (мобильной) связи.

Преимущества систем мобильной связи состоит в том, что:

- при проведении сеанса связи абоненту не нужно присутствовать в строго определенном месте;

- малогабаритные универсальные абонентские терминалы (телефонные трубки) сопрягаются с компьютером и имеют интерфейсы для подключения к сетям подвижной связи всех действующих стандартов.

Бурное развитие мобильной связи связано с тем, что сети и системы связи имеют:

- гибкую архитектуру, что связано с динамическим изменением топологии сети при подключении, передвижении и отключении мобильных пользователей, без значительных потерь времени;

- быстроту проектирования и развертывания;

- отказ от дорогостоящей и не всегда возможной прокладки или аренды оптоволоконного или медного кабеля;

- высокую скорость передачи информации (до 10 Мбит/с и выше);

- высокую степень защиты от несанкционированного доступа.

Сети мобильной связи, как правило, беспроводные и базируются на совокупности двух групп технологий – сетевого взаимодействия и беспроводной передачи информации.

Сети мобильной связи можно разделить на следующие классы:

- сотовые системы подвижной связи (ССПС);

- профессиональные системы подвижной связи (ПСПС);

- системы персонального радиовызова (СПРВ), или пейджинговые системы (от англ. paging – письменное сообщение);

- системы мобильной спутниковые связи (СМСС);

- системы беспроводных телефонов (СБТ).

Все перечисленные системы подвижной связи построены на основе сотовой концепции.

В прошедшие годы беспроводным технологиям уделяется огромное внимание, имеются широко известные книги, например, Ю. А. Громакова «Стандарты и системы подвижной радиосвязи», вышедшей в 1998 году, В. Г. Карташевского, С. Н. Семенова, Т. В. Фирстовой «Сети подвижной связи», Вышедшей в 2001 году, К. Феера «Беспроводная цифровая связь», вышедшая в 2000 году и многие другие. Основные принципы, изложенные в этих книгах, продолжают оставаться основополагающими. Однако, в последнее время в мобильной связи произошли определенные изменения:

- аналоговые системы связи становятся историей, быстро развиваются цифровые системы связи, опираясь на соответствующие стандарты;

- практически не используется пейджинговая связь, благодаря успехам в развитии микроэлектроники и бурному развитию значительно подешевевшей сотовой связи.

Представленная на ваш суд книга является попыткой систематизированного изложения современных цифровых систем мобильной связи и их возможностей. Приведены описания современных цифровых стандартов систем мобильной связи, широко используемых в настоящее время, или перспективных стандартов, а также методики расчета основных параметров системы мобильной связи.

Авторы надеются, что книга будет полезна студентам, обучающимся по программе бакалавриата в высшей школе, а также учащимся колледжей, изучающим интенсивно развивающуюся область передачи информации.

ГЛАВА 1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СЕТЯХ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ

1.1 Краткая историческая справка развития систем

мобильной связи

1837 г. – американский художник Самуэль Финли Бирза Морзу изобрел телеграф, а годом позже азбуку Морзе.

1874 г. – французский инженер Жан Морис Эмиль Бодо изобрел телеграфный мультиплексор, позволявший по одному проводу передавать до шести телеграфных каналов.

1889 г. – владелец бюро похоронных услуг Элмон Браун Строуджер из Канзас-Сити разработал систему автоматической коммутации каналов.

1895 г. – Александр Степанович Попов продемонстрировал прибор для регистрации грозовых разрядов – прототип будущих беспроводных систем.

1910 г. – основатель телекоммуникационного гиганта Ericsson Ларс Магнус Эриксон придумал средство связи между собственным автомобилем и удаленными абонентами.

1909 г. – датский математик А. К. Эрланг опубликовал работу, в которой предложил формулы для вычисления числа абонентов АТС, желающих одновременно вести разговоры.

1909 г. – генерал-майор корпуса связи США Джорж Оуэн Скваер изобрел метод частотного разделения каналов.

В 1924 году специалисты компании Bell Labs создали первую в мире двухстороннюю автомобильную радиостанцию – первый автомобильный радиотелефон, позволявший общаться находящемуся в автомобиле абоненту с оператором стационарной (или второй автомобильной) радиостанции.

1928 г. – американский физик-электрик и изобретатель Гарри Найквист изложил принципы преобразования аналоговых сигналов в цифровые.

1933 г. – Эдвин Ховард Армстронг изобрел частотную модуляцию.

1947 г. – Владимир Александрович Котельников, 1948 г. – Клод Элвуд Шеннон сформулировали теорему о пропускной способности каналов.

1947 г. – D. H. Ring из Bell Laboratories американской компании АТ&Т доложил о разработке концепции сотовой связи.

1961 г. – Леонард Клейнрок в диссертации на соискание степени доктора философии разработал построение локальной вычислительной сети с коммутацией пакетов.

1962 г. – Александр Александрович Харкевич сформулировал основные принципы создания единой сети связи.

1969 г. – скандинавские страны Дания, Финляндия, Исландия, Норвегия и Швеция пришли к соглашению о формировании группы для изучения областей совместного действия в телекоммуникации и разработки рекомендаций. Это привело к стандартизации телекоммуникаций всех членов группы Скандинавской мобильной телефонной связи (Nordic Mobile Telephone – NMT), первой международной группы стандартизации в области мобильной связи.

1969 г. – Леонард Клейнрок построил первый узел ARPANET – прообраз будущего Интернета.

3 апреля 1973 года – глава подразделения мобильной связи компании Motorola Мартин Купер совершил первый в истории человечества звонок при помощи настоящего мобильного телефона.

1978 г. – Бахрейн, телефонная компания Batelco впервые в мире начала эксплуатацию коммерческой системы беспроводной телефонной связи.

1983 г. – в США вступила в эксплуатацию сеть стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone Service – Bell Labs).

1985 г. – в Великобритании был принят национальный стандарт TACS (Total Access Communication System), разработанный на основе американского стандарта AMPS.

1987 г. – расширена рабочая полоса частот этого стандарта (новая версия ETACS).

1985 г. – во Франции был принят стандарт Radiocom-2000.

Конец 80-х годов – приступили к созданию систем сотовой связи, основанных на цифровых методах обработки сигналов. С целью разработки единого европейского стандарта цифровой сотовой связи для выделенного в этих целях диапазона 900 МГц в 1982 г. Европейская Конференция Администраций Почт и электросвязи (СЕРТ) создала специальную группу Groupe Special Mobile. Аббревиатура GSM дала название новому стандарту (позднее GSM стали расшифровывать как Global System for Mobile Communication). Результатом работы этой группы стали опубликованные в 1990 г. требования к системе ССС стандарта GSM.

1990 г. – американская Промышленная Ассоциация в области связи TIA (Telecommunication Industry Association) утвердила национальный стандарт IS-54 цифровой сотовой связи. Он больше известен под аббревиатурой D-AMPS или ADS. Система должна была работать в полосе частот, общей с обычным AMPS. В то же время американская компания Qualcomm начала разработку нового стандарта сотовой связи, основанного на технологии шумоподобных сигналов и кодовом разделении каналов - CDMA (Code Division Multiple Access).

1991 г. – в Европе появился стандарт DCS-1800 (Digital Cellular System 1800 МГц), созданный на базе GSM.

В Японии был разработан и утвержден Министерством почт и связи Японии собственный стандарт сотовой связи JDC (Japanese Digital Cellular), близкий по своим показателям к стандарту D-AMPS.

1993 г. – в США Промышленная Ассоциация в области связи (TIA) приняла стандарт CDMA как внутренний стандарт цифровой сотовой связи, назвав его IS-95.

1995 г. – в Гонконге была открыта коммерческая эксплуатация первой сети стандарта IS-95.

1993 г. – в Великобритании вступила в эксплуатацию первая сеть DCS-1800 One-2-One.

В СССР работало немала выдающихся ученых и специалистов в области беспроводной связи.

Первая атмосферная линии связи (АЛС) в Москве появилась в конце 60-х годов: была пущена телефонная линия между зданием МГУ на Ленинских горах и Зубовской площадью протяженностью более 5 км. Качество передаваемого сигнала полностью соответствовало нормам. В те же годы опыты с АЛС проводились в Ленинграде, Горьком, Тбилиси и Ереване.

70 – 80-е годы – проектировались и строились современные сети связи.

Важным фактором является то, что при строительстве этих сетей использовалось, в основном, оборудование российского производства.

Сети сотовой мобильной связи

Появившись в 20-е годы 20-го века, радиотелефонная связь развивалась быстрыми темпами. С развитием техники системы радиотелефонной связи совершенствовались: уменьшались габариты устройств, осваивались новые частотные диапазоны, улучшалось базовое и коммутационное оборудование, в частности, появилась функция автоматического выбора свободного канала – транкинг. Но при огромной потребности в услугах радиотелефонной связи возникали и проблемы.

Главная из них – ограниченность частотного ресурса: количество фиксированных частот в определенном частотном диапазоне не может увеличиваться бесконечно, поэтому радиотелефоны с близкими по частоте рабочими каналами создают взаимные помехи.

Идея сотовой связи была предложена в ответ на необходимость развития широкой сети подвижной радиотелефонной системы связи в условиях ограничений на доступные полосы частот. Для оптимального (т. е. без перекрытия или пропусков) разделения территории на соты могут быть использованы только три геометрические фигуры треугольник, квадрат и шестиугольник. Наиболее подходящим является шестиугольник, так как если антенну с круговой диаграммой направленности установить в его центре, то будет обеспечен доступ почти ко всей соте.

Итак, для построения сотовой системы связи необходимо разделить обслуживаемую территорию на небольшие участки шестиугольной формы – соты, установить в центре каждой приемо-передающее оборудование, работающее в отведенной полосе частот и покрывающее данную территорию. Такая архитектура позволит использовать те же самые частоты повторно, без взаимных помех, так как соты, использующие одни и те же частоты, будут удалены друг от друга.

Системы сотовой связи отличаются гибкостью и разнообразием по вариантам конфигурации и набору выполняемых функций. Использование современных технологий и стандартов позволяет обеспечивать высокое качество связи, надежность и конфиденциальность.

Сети транкинговой связи

Сети транкинговой связи близки к сотовым (рисунок 1.1). Территория также делится на соты, осуществляется радиотелефонная связь с неограниченной мобильностью абонентов в пределах зоны обслуживания.

МС – мобильная станция;

БПС – базовая приемопередающая станция;

ТК – телефонный канал;

ЦКС – центр коммутации связи;

ТфОП – телефонная сеть общего пользования.

Рисунок 1.1 - Упрощенная структура транкинговой системы мобильной связи

Но имеются и отличия. Транкинговые системы – это профессиональные системы и предназначены для корпоративных групп абонентов – бригад скорой помощи, МЧС, пожарных, ФБС, милиции и т.д. Это системы подвижной связи со свободным и равным доступом мобильных станций к общему частотному диапазону и позволяют абонентам работать на любом переговорном канале сети.

В мировых стандартах профессиональных систем подвижной связи это называют «транкингом» (trunking – от англ. trunk – ствол, магистраль). Любой свободный переговорный канал временно закрепляется за мобильным абонентом для конкретного сеанса связи.

Транкинговые системы функционируют с ограниченной емкостью, поэтому стремятся предельно увеличить зону действия. Следовательно, мощность передатчика больше, чем у передатчика сотовой связи, больше расход энергии источника питания, больше габариты и масса мобильных станций (МС).

Отличаются транкинговые системы и набором предоставляемых услуг, например, возможно дистанционное включение абонентской радиостанции на передачу (дистанционное прослушивание "обстановки" у абонента).

Поиск свободного канала и вызывного сигнала может возлагаться на абонентскую станцию, осуществляющую последовательный (сканирующий) поиск незанятого канала во всем выделенном диапазоне частот, за счет использования устройств автоматического поиска вызывного канала (АПВК). В другом случае анализ занятости каналов связи возлагается на подсистему управления PMR (Professional Mobile Radio). При этом назначение свободного (вызывного) канала связи абонентской станции осуществляется по каналу управления.

К основным требованиям, предъявляемым к ПСПС, являются: обеспечение связи в заданной зоне, независимо от положения мобильных абонентов (МА); возможность взаимодействия отдельных групп абонентов; оперативность управления связью на различных уровнях; возможность приоритетного установления каналов связи; низкие энергетические затраты МС; конфиденциальность разговоров.

Специфика служебной связи обуславливает более высокие по сравнению с сотовой связью требования к оперативности и надежности установления связи.

Общей тенденцией развития ПСПС является от аналоговых стандартов к единым международным цифровым стандартам, обеспечивающим более высокое качество связи.

Сети персонального радиовызова

Пейжинговые системы связи обеспечивают одностороннюю передачу ограниченного по объему сообщения мобильному абоненту по радиоканалу в пределах определенной зоны. По принципу действия системы персонального радиовызова (СПРВ) – однонаправленная (симплексная) система связи, предназначенная для вызова подвижного абонента на двухстороннюю (отложенную на некоторое время) связь по принципу «в любое время, в любое место, любому человеку». «Любое место» ограничено зоной обслуживания сети подвижной связи и может составлять до 100 км.

Работу пейджинговой сети связи можно описать следующим образом. Мобильные абоненты системы связи всегда имеют при себе малогабаритный приемник персонального вызова (пейджер), находящийся в режиме дежурного приема. Вся обслуживаемая территория охватывается сетью малогабаритных передатчиков в соответствии с известной сотовой моделью их размещения, хотя возможна и радиальная модель. Эти передатчики с помощью проводной или радиоканальной связи подключены к выходу пейджингового терминала, который в свою очередь связан с телефонной сетью общего пользования. По сетям персонального радиовызова могут быть переданы различные виды информации: тональные (звуковые) сигналы, речевые цифровые, буквенные и буквенно-цифровые сообщения. Тональные сигналы используются, как правило, для привлечения внимания вызываемого абонента. Вызов может быть подан на пейджинговый терминал от телефонной сети либо через многоканальный телефон с многочастотным набором номера, либо (что пока чаще) через диспетчера центра обслуживания, который фиксирует передаваемое сообщение и вводит его в терминальный компьютер. Сообщение может также поступать непосредственно на пейджинговый терминал от сетевого компьютера, подключенного к телефонной сети через проводной модем.

Пейджинговый терминал преобразует поступившее сообщение в формат соответствующего кода СПРВ, переводит его в буферную память компьютера и ставит в очередь к ранее поступившим сообщениям. Далее закодированное сообщение излучается (выстреливается) в эфир. Включенные на прием абонентские пейджеры непрерывно анализируют адреса поступающих вызовов. При совпадении поступившего адреса с собственным сообщение принимается, записывается в буфер памяти и высвечивается на дисплее пейджера. При этом о принятом сообщении абонент извещается или звуковым и световым сигналами или вибрацией корпуса приемника.

Наряду с традиционными пейджерами разработаны и начинают внедряться малогабаритные двухсторонние пейджеры – твейджеры, или трансиверы (приемопередатчики), передающие подтверждение приема сообщения и краткую ответную информацию на базовую станцию (БС), что позволяет снизить мощность сотовых передатчиков базовых станций. Владелец двухстороннего пейджера знакомится с сообщением и может послать краткий ответ типа «да», «нет», «позвоню позже», который выбирает из памяти пейджера. Для уверенного приема в двухсторонних пейджерах предусмотрены штекеры для подключения внешней антенны. В такие абонентские приемники вводится ярд дополнительных сервисных услуг.

Отличительной особенностью пейджинговой связи является работа вне реального времени (РВ). В сочетании с краткостью сообщений обеспечивается весьма эффективное использование канала связи. Пейджинг технически проще и экономичнее сотовой связи, но имеет по сравнению с сотовой связью существенные ограничения. Поэтому, в настоящее время, его можно считать дополнением к сетям сотовой связи.

Сети мобильной спутниковой связи

Они призваны развить и дополнить существующие системы сотовой связи там, где она невозможна или недостаточно эффективна, например:

- при передаче информации в глобальном масштабе;

- в акваториях Мирового океана;

- в районах с малой плотностью населения;

- в местах разрывов наземной инфраструктуры.

В основу организации сети мобильной спутниковой связи (СМСС) заложена достаточно простая идея. На спутнике (сателлите) располагается активный ретранслятор СМСС. По заданной орбите спутник движется длительное время, получая электропитание от солнечных батарей, установленных на его платформах, или от малогабаритных ядерных электростанций (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - Структура систем спутниковой связи

На спутнике-ретрансляторе расположены специальная антенная система и приемопередающая аппаратура, осуществляющая прием, преобразование, обработку (например, усиление, изменение частоты несущей и пр.) и передачу сигналов в направлении земных станций (ЗС) – станций радиосвязи, расположенных на земной поверхности и предназначенных для обеспечения собственной связи.

В зависимости от вида предоставляемых услуг системы спутниковой связи (ССС) можно разделить на три основных класса: речевой (радиотелефонной) связи; пакетной передачи данных (ППД); определение местоположения (координат) потребителей.

Системы мобильной спутниковой связи классифицируют по двум признакам: типу используемых орбит и различию в зонах обслуживания и размещения ЗС.

По типу используемых орбит различают СПСС со спутниками, расположенными на геостационарных, высокоэлептических промежуточных и низких земных орбитах (англ. – Low Earth Orbit – LEO). Последние находятся в системах связи на низкоорбитальных спутниках (высота орбит 200…700 км). Системы мобильной связи на низкоорбитальных спутниках позволяют создать на поверхности Земли плотность потока мощности, достаточную для работы с легкими абонентскими станциями размером с портативную телефонную трубку, и дополняют сотовые сети. Практически во всех СМСС предусматривается довольно высокая степень интеграции с сотовой связью. В абонентских терминалах (АТ), предназначенных для спутниковых систем, предполагается два режима работы; в спутниковой системе и в каком-либо сотовом стандарте.

Наиболее распространенной международной системой подвижной спутниковой связи является глобальная сеть связи Inmarsat. Среди ряда стандартов этой системы выделяют сеть Inmarsat-М, предназначенную для обслуживания подвижных абонентских станций.

Во многих регионах мира спрос на услуги мобильной связи может удовлетворяться только с помощью спутниковых систем. В новых проектах космических аппаратов (КА) предполагается использование передовых технологий, позволяющих повысить пропускную способность канала связи и улучшить энергетические характеристики технических средств.

Системы беспроводных телефонов

Системы беспроводных телефонов (СБТ) в последние годы составили конкуренцию сотовым телефонам, особенно при обслуживании абонентов на дальности 25…1000м. Принцип построения СБТ во многом аналогичен построению сотовых сетей. Внедрение систем беспроводных телефонов позволяет реализовать концепцию персональной связи, обеспечивающую переговоры «всегда и в любом месте» при использовании малогабаритных абонентских станций (телефонных трубок в руке; англ. hand-held).

В первый период развития беспроводные телефоны использовались для персонального обслуживания на небольших территориях – в офисах фирм, квартирах, бассейнах и т.д. Связь осуществлялась в диапазоне 25…50 МГц с помощью частотной модуляции (как в системах радиовещания на метровых волнах). В системе связи применялось частотное разделение каналов, число которых не превышало десяти, а дальность обслуживания абонентов была менее 300 м. Современные цифровые стандарты систем беспроводных телефонов используют временное разделение каналов и пакетную передачу сообщений.

Стандартизация в области телекоммуникаций

Стандартизаций называется установление норм и правил на пользу и при участии всех заинтересованных лиц. Она определяет качество и массовость производимой продукции, что ведет к низким ценам и широкому распространению технологии. Стандартизация определяет взаимозаменяемость, как отдельных компонентов аппаратуры связи, так и взаимозаменяемость самой аппаратуры. Это способствует тому, что потребитель становится независимым от производителя, создаются условия для конкуренции. Разработка, утверждение и продвижение стандарта – это процесс не только технический, но и политический, показывающий, какая фирма добилась больших успехов в развитии той или иной технологии. Поэтому стандартизующая организация должна быть очень авторитетной, а процедура утверждения стандарта – максимально беспристрастной и открытой.

Головной организацией в мире в области стандартизации в телекоммуникациях является Международный телекоммуникационный союз (ITU – International Telecommunication Union), работающий под эгидой ООН. В его составе три важнейших стандартизующих организации. В сектор радиосвязи (ITU-R) вошли Международный консультативный комитет по радиовещанию и Международный комитет по регистрации радиочастот. В сектор телекоммуникаций международного телекоммуникационного союза (ITU-T) вошел международный комитет по телефонии и телеграфии, долгие годы издававший знаменитые «цветные книги» – сборники стандартов в области телекоммуникаций. Третий сектор – исследовательский (ITU-D), созданный на базе Бюро телекоммуникационных исследований.

Огромную роль в области утверждения международных стандартов играет Международная организация по стандартизации ISO (International Organization for Standardization) – неправительственный орган, членами которого являются как правительственный, так и частные организации. Прародителем ISO стала Международная электротехническая комиссия (МЭК, IEC – International Electrotechnical Commission), занимающаяся вопросами стандартизации в области электротехники и электроники. IEC и ISO поделили сферы влияния: IEC – стандарты в области электротехники и электроники, ISO – все остальные.

Особняком в перечне стандартизующих организаций стоит Институт инженеров по электротехнике и электронике (США) – IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). IEEE выпускает собственные стандарты, имеющие общемировое значение, которые затем утверждаются ISO и/или ITU. Особого внимания заслуживает комитет IEEE 802, занимающийся вопросами стандартизации технологий сетей передачи данных. В Казахстане вопросами стандартизации в качестве головного национального института занимается Госстандарт РК в сотрудничестве с отраслевыми институтами. Отечественные специалисты оперируют международными стандартами – ISO, ITU, IEEE, что гарантирует высокое качество в области стандартизации телекоммуникационных систем.

Стандарты в телекоммуникации позволяют обеспечивать взаимосвязь продукции разных производителей, облегчают внедрение новых технологий путем создания больших рынков для общей продукции. Основные стандарты и основные рынки, в которых используются эти стандарты, приведены в таблице 1.1

Таблица 1.1 - Основные стандарты мобильной связи

Год	Стандарт	Система мобильной связи	Технология	Первичный рынок
1981	NMT 450	Скандинавская мобильная телефонная связь	Аналоговая	Европа, Средний Восток
1983	AMPS	Усовершенствованная система мобильной связи	Аналоговая	Северная и Южная Америка
1985	TACS	Система связи со всеобщим доступом	Аналоговая	Европа и Китай
1986	NMT 900	Скандинавская мобильная телефонная связь	Аналоговая	Европа, Средний Восток
1991	GSM	Глобальная система для мобильной связи	Цифровая	По всему миру
1991	TDMA (D-AMPS) (IS136)	Множественный доступ с разделением по времени (Цифровая AMPS)	Цифровая	Северная и Южная Америка
1992	GSM 1800	Глобальная система для мобильной связи	Цифровая	Европа
1993	CDMA One (IS 95)	Множественный доступ с кодовым разделением	Цифровая	Северная Америка Корея, Китай
1994	PDC	Персональная цифровая сотовая (связь)	Цифровая	Япония
1995	PCS 1900	Персональные услуги связи	Цифровая	Северная Америка
2000	UMTS	Универсальная система мобильной связи	Цифровая	Европа
2001	GSM 800	Глобальная система для мобильной связи	Цифровая	Северная Америка

Процесс разработки стандартов основан на принципах кооперации, как на национальном, так и на международном уровнях. Он включает в себя взаимодействие между производственными организациями внутри страны, взаимодействие между производственными организациями и правительством данной страны, взаимодействие между организациями и правительствами на международном уровне.

Первостепенной целью разработки стандартов для мобильной связи является специфицирование того, как сеть мобильной связи должна обрабатывать вызовы с телефонных аппаратов мобильной связи. Например, они включают в себя спецификацию следующих элементов:

процедуры приема и передачи сигналов телефонными аппаратами мобильной связи;
формат этих сигналов;
взаимодействие сетевых узлов;
основные сетевые услуги, которые должны быть доступны абонентам мобильной связи;
базовая структура сети (например, соты и т.д.).

Каждый стандарт мобильной связи был разработан с целью, удовлетворить конкретные требования тех стран, из которых были собраны исследовательские группы, вовлеченные в разработку стандарта. По этой причине, несмотря на то, что стандарт мог устаивать одну страну, он мог не подходить для другой страны.

На начало 2002 года сети мобильной связи стандарта GSM занимали 71% мирового рынка услуг цифровой связи и 68% мирового рынка услуг беспроводной связи.

Таким образом, GSM является основополагающей технологией, на которой росли технологии предыдущих и существующих систем мобильной связи и на которой будут отрабатываться будущие направления развития в области связи.

1.8 Защита от воздействия электромагнитного излучения

О том, является ли электромагнитное излучение (ЭМИ) вредным для здоровья, десятилетиями спорят политики и ученые, эксперты и простые граждане. Особой остроты полемика достигла несколько лет назад, когда массовое распространение сотовых телефонов стало очевидным. Сейчас споры несколько затихли, но вопросы остались.

Сегодня нет никаких экспериментально или статистически подтвержденных данных о вредоносном воздействии низко- и высокочастотного ЭМИ, генерируемого бытовой аппаратурой (компьютерной, коммуникационной и т.д.). Исследования проводились и проводятся в разных странах, и масштаб работ в этой области поистине поражает. В качестве примера приведем недавнее исследование, проведенное Датским обществом по борьбе с раком (Danish Cancer Society), охватившее свыше 420 тыс. человек, которое показало, что при нормальном использовании мобильного телефона (под которым понимают строгое следование рекомендациям производителя) риск заболевания раком не возрастает.

Ряд исследований показал, что долгие и частые разговоры по мобильному телефону все же могут нанести вред здоровью, но выявленное негативное воздействие, как правило, объясняется не воздействием излучения, а другими факторами.

Общепризнанной и бесспорной оценки этих сведений до сих пор нет. Некоторые исследователи говорят о том, что, возможно, на сегодняшний день известны далеко не все эффекты воздействия ЭМИ на живые организмы, другие – что некоторые аспекты воздействия могут проявиться спустя многие годы. Множество фирм предлагает продукцию, якобы теми или иными способами уменьшающую электромагнитное излучение от мобильных и стационарных беспроводных телефонов. Это чехлы для мобильников со специальным покрытием, удлиняющие насадки для антенн, чипы-наклейки и пр. Однако большинство этих так называемых защитных приспособлений неэффективно.

А если вдруг такой продукт окажется способным эффективно экранировать ЭМИ, пользы от него все будет немного, и даже наоборот: «экранированный» телефон поневоле станет работать на повышенной мощности сигнала, чтобы поддерживать связь с базовой станцией. А это значит, что результат будет обратным: вместо того чтобы уменьшиться, уровень облучения абонента телефоном значительно возрастет.

Если вы не уверены, что электромагнитное излучение является абсолютно безвредным, рекомендуем избегать приближения к его источникам. Ну, по крайней мере, насколько это возможно в современном мире.

Глобальные системы связи будущего

Системы мобильной связи эволюционировали в очень короткое время, и сейчас можно говорить о «поколениях» сотовой связи.

Системы первого поколения (1G) были аналоговыми, реализованными на достаточно надежных сетях, но с ограниченной возможностью предложения услуг абонентам. Кроме того, они не позволяли осуществлять роуминг между сетями.

Системы мобильной связи второго поколения (2G) являются цифровыми. Они привнесли существенные преимущества с точки зрения предложения абонентам усовершенствованных услуг, повышения емкости и качества. Система GSM относится к технологии 2G. Возросшая потребность в беспроводном доступе в Интернет привела к дальнейшему развитию системы 2G. Так появилась система, называемая 2.5G. Примером технологии 2.5G является GPRS (General Packet Radio Services) – стандартизованная технология пакетной передачи данных, позволяющая использовать оконечное устройство мобильной связи для доступа в Интернет. Другими свойствами цифровых сетей мобильной связи, являются свойства Интеллектуальной сети (IN), свойства системы позиционирования (определения местоположения) подвижных объектов, SMS (услуги службы коротких сообщений) и разработки в программном обеспечении системы сигнализации и сетевого управления.

Поскольку в настоящее время существует несколько систем 2G, использующих несовместимые технологии и работающих в различных частотных спектрах, они не могут завоевать массовый рынок на долгосрочный период. Эти факторы привели к концепции систем третьего поколения (3G), которые позволят осуществлять связь, обмен информацией и предоставлять различные развлекательные услуги, ориентированные на беспроводное оконечное устройство (терминал). Развитие подобных услуг началось уже для систем 2G, но для поддержки этих услуг система должна располагать высокой емкостью и пропускной способностью радиоканалов, а также совместимостью между системами, для того, чтобы предоставлять прозрачный доступ по всему миру. Примером системы 3G является Универсальная система мобильной связи UMTS, разработанная в 1998-1999 годах.

Под эгидой Международного союза электросвязи (МСЭ) ведутся работы по созданию глобальной международной системы мобильной связи, которая получила название FPLMTS (Future Land Mobil Telephone System). Эта система должна стать будущей сухопутной мобильной телефонной системой общего пользования. В ней предполагается разработка наземного и космического сегментов, а также совмещение всех технологий мобильных телекоммуникационных систем.

Архитектура этой системы включает в себя пикосоты радиусом в около 10…600 м, микросоты радиусом 1…4 км, соты радиусом действия 25…30 км, гиперсоты радиусом действия до сотен и тысяч км (обслуживается спутниковым сегментом).

Начала внедрения наземных компонентов системы связи FPLMTS было намечено на 2005 г., ввод спутниковой подсистемы ожидается в 2010 г. Создаваемая глобальная система мобильной связи относится к третьему поколению. Она будет действовать как единое целое, работая по принципу установления связи между абонентами «где угодно, когда угодно, с кем угодно».

Контрольные вопросы

1. Какие преимущества имеет сотовая структура покрываемой территории, по сравнению с радиальной?

2. В чем отличие между системами мобильной связи общего пользования и служебными системами мобильной связи?

3. Почему пейджинговая связь в настоящее время не популярна?

4. Назовите основные глобальные системы спутниковой связи.

5. Какие операторы сотовой связи действуют на той территории, где Вы проживаете?

6. В каких случаях при организации мобильной связи могут быть задействованы космические сегменты связи?

ГЛАВА 2

СЕТИ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ

2.1 Элементы сетей сотовой связи

2.1.1 Функциональная схема системы сотовой связи

Система мобильной связи строится в виде совокупности ячеек (сот), покрывающих обслуживаемую территорию. Ячейки обычно схематически изображают в виде правильных шестиугольников. В центре каждой ячейки находится базовая станция (БС), обслуживающая все мобильные станции (МС) в пределах своей ячейки. При перемещении абонента между ячейками системы происходит передача обслуживания от одной БС к другой – эстафетная передача (handover). Все БС соединены с центром коммутации (ЦК) мобильной связи по выделенным проводным или радиорелейным каналам связи. При больших размерах ССМС в ней могут создаваться несколько центров коммутации. С центра коммутации имеется выход на телефонную сеть общего пользования (ТфОП), через которую осуществляется взаимодействие систем мобильной связи, также выход к сетям PDN и ISDN. При перемещении абонента на территорию другой системы мобильной связи осуществляется передача его обслуживания от одной CСMC к другой CСMC – роуминг (roaming). На рисунке 2.1 приведена упрощенная функциональная схема системы мобильной связи.

Рисунок 2.1 Функциональная схема системы мобильной связи

Принципы построения цифровых ССМС позволили применить при организации сотовых сетей новые более эффективные модели повторного использования частот в несмежных сотах, чем в аналоговых сетях. В результате без увеличения общей полосы частот системы связи значительно возросло число каналов на соту. Это в первую очередь относится к стандарту GSM. Вид модуляции, способы кодирования и формирования сигналов в каналах связи, принятые в GSM, обеспечивают прием сигналов с отношением сигнал/помеха C/I=9 дБ, в то время как в аналоговых системах тот же показатель равен 17-18 дБ. Поэтому передатчики базовых станций, работающие на совпадающих частотах, могут размещаться в более близко расположенных сотах без потери высокого качества приема сообщений. Именно возможность повторного применения одних и тех же частот определяют высокую эффективность использования частотного спектра в сотовых системах связи.

Группа сот с различным набором частот называется кластером. Определяющим параметром кластера является размерность – количество используемых в соседних сотах частот. Базовые станции, на которых допускается повторное использование выделенного набора частот, удалены друг от друга на расстояние D, называемое защитным интервалом.

Смежные базовые станции, использующие различные частотные каналы, образуют группу из B станций. Если каждой базовой станции выделяется набор из N каналов с шириной полосы FК каждого, то общая ширина полосы FC, занимаемая данной системой сотовой связи составит

(1.1)

Таким образом, величина B определяет минимально возможное количество каналов в системе, и поэтому ее называют частотным параметром системы или коэффициентом повторения частот. Коэффициент B не зависит от количества используемых каналов и увеличивается по мере уменьшения радиуса ячейки. Таким образом, при использовании сот меньших размеров можно увеличить повторяемость частот. Наилучшее соотношение между B и D обеспечивается в шестиугольной соте.

Число каналов в соте (число абонентов) определяетс выражением

(1.2)

Размер соты R (радиус ячейки, т. е. радиус окружности, описанной около правильного шестиугольника) определяет защитный интервал D между сотами, в которых одни и те же частоты могут быть использованы повторно. Значение D зависит также от допустимого уровня помех и условий распространения радиоволн. В общем случае расстояние D между центрами ячеек связано с числом ячеек в кластере соотношением

(1.3)

(1.4)

Параметр

(1.5)

называется коэффициентом уменьшения соканальных помех или коэффициентом соканального повторения.

Поскольку интенсивность вызовов в пределах всей зоны обслуживания примерно одинакова, то соты выбираются одного размера. Размер R определяет также количество абонентов N, способных вести переговоры на всей территории обслуживания. Следовательно, уменьшение этого размера позволит не только повысить эффективность использования выделенной полосы частот и увеличить абонентскую емкость системы, но и уменьшить мощность передатчика и чувствительность приемников БС и ПС. Размерность кластера, приведенного на рисунке 2.2 равна семи.

(R – размер соты; D – защитный интервал)

Рисунок 2.2 Модель повторного использования частот для семи сот

Эффективным способом снижения уровня соканальных помех может быть использование секторных антенн. В секторе направленной антенны сигнал излучается в одну сторону, а уровень излучения в противоположном направлении сокращается до минимума. Секторизация сот позволяет более часто повторно применять частоты в сотах.

Самую высокую эффективность использования полосы частот, то есть наибольшее число абонентов сети в выделенной полосе частот, обеспечивает разработанная фирмой Motorola (США) модель повторного использования частот, включающая четыре БС – смотри рисунок 2.3.

Рисунок 2.3 Секторизация сот с формированием 12-ти групп частот

Каждая частота используется дважды в пределах модели, состоящей из четырех БС (или кластер состоит из четырех сот). Благодаря этому, каждая из четырех БС в пределах действия шести 60-градусных антенн может работать на 12-ти группах частот. Например, в сети GSM c общей полосой 7,2 МГц (36 частот), модель повторного использования частот с двумя базовыми станциями позволяет на одной БС одновременно применять 18 частот. В настоящее время развивается новое направление в подвижной связи, основанное на использовании интеллектуальных антенных систем, автоматически перестраивающих свои диаграммы направленности на источник излучения сигнала.

Следующий шаг развития сотовых систем подвижной связи после введения цифровой технологии – переход к микросотовой структуре сетей – смотри рисунок 2.4.

Рисунок 2.4 Микросотовая структура внутри макросотовой системы

При радиусе сот несколько километров их емкость может быть увеличена в 5-10 раз по сравнению с макросотами. Кроме того, возможно применение абонентских радиостанций существующих стандартов цифровых ССМС наряду с портативными маломощными абонентскими радиостанциями, служащими основой для создания систем персональной связи (PCS).

Микросотовая структура СМС органически сочетается с макросотами. Микросоты строятся на основе БС небольшой мощности, Обслуживающих участки улиц, помещения в зданиях, микросотовая структура может рассматриваться как развитие оборудования макросотовой БС, с управлением одним контроллером и взаимным соединением при помощи линий со скоростью передачи 64 кбит/с. Микросоты берут на себя нагрузку от медленно перемещающихся абонентов, например, пешеходов и неподвижных автомобилей.

Принципы построения создаваемых микросотовых сетей подвижной связи отличаются от существующих для макросотовых сетей. К таким отличиям относится отсутствие частотного планирования и «эстафетная передача» (handover).

Первое отличие связано с тем, что в условиях микросот трудно спрогнозировать условия распространения радиоволн и дать оценку уровня соканальных помех. Поэтому практически невозможно применить принципы частотного планирования в микросотах. Фиксированное распределение каналов приводит к низкой эффективности использования спектра частот. По данным причинам в микросотовых сетях связи действует процедура автоматического адаптивного распределения каналов (АРК) связи. Аналогичным образом для увеличения емкости сети микросоты могут быть разбиты на пикосоты в местах, где скапливается население (абоненты). Это торговые центры, развлекательные учреждения и т. п.

2.1.2 Мобильная станция

МС (В GSM обозначается МS) используется абонентом сети мобильной связи для осуществления связи в пределах сети. Существует несколько типов МS, каждый из которых позволяет абоненту устанавливать входящие и исходящие соединения. Производители МS предлагают абонентам большое число разнообразных, отличающихся по дизайну и возможностям аппаратов, удовлетворяющих потребности различных рынков. Различные типы МS располагают разными выходными уровнями мощности и, соответственно, могут осуществлять уверенную работу в пределах зон разных размеров. Так, например, выходная мощность обычной трубки, которую абоненты носят с собой, меньше, чем мощность установленного в автомобиле аппарата с выносной антенной, следовательно, зона ее работы меньше.

В рамках стандарта GSM приняты пять классов подвижных станций от модели 1-го класса с выходной мощностью 20 Вт, устанавливаемой на транспортном средстве, до портативной модели 5-го класса, максимальной мощностью 0,8 Вт, указанные в таблице 2.1. При передаче сообщений предусматривается адаптивная регулировка мощности передатчика, обеспечивающая требуемое качество связи.

Таблица 2.1 Классы подвижных станций

Класс мощности	Максимальный уровень мощности передатчика	Допустимые отклонения
1	20 Вт	1,5 дБ
2	8 Вт	1,5 дБ
3	5 Вт	1,5 дБ
4	2 Вт	1,5 дБ
5	0,8 Вт	1,5 дБ

МS стандарта GSМ состоится из следующих элементов:

- мобильного терминала (трубки);

- модуля идентификации абонента (SIМ).

В стандарте GSМ, в отличие от других стандартов, информация об абоненте отделена от информации о мобильном терминале. Абонентская информация хранится на смарт-карте SIМ. SIМ может вставляться в любой аппарат, поддерживающий стандарт GSМ. Это является для абонентов преимуществом, потому что они могут легко менять аппараты по своему желанию, что никак не влияет на обслуживание абонента сетью. Кроме того, это обеспечивает повышенную безопасность для абонента.

Структурная схема цифрового мобильного терминала (МС) приведена на рисунке 2.5. В ее состав входят: блок управления; приемопередающий блок; антенный блок.

Блок управления включает в себя микротелефонную трубку (микрофон и динамик), клавиатуру и дисплей. Клавиатура предназначена для набора номера телефона вызываемого абонента, а также команд, определяющих режим работы станции. Дисплей предназначен для отображения информации, предусматриваемой устройством и режимом работы станции.

Приемопередающий блок состоит из передатчика, приемника, синтезатора частот и логического блока.

В состав передатчика входят:

- аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - преобразует в цифровую форму сигнал с выхода микрофона (вся последующая обработка и передача сигнала речи производится в цифровой форме);

- кодер речи – осуществляет кодирование сигнала речи, т. е. преобразование цифрового сигнала с целью сокращения его избыточности;

- кодер канала – осуществляет кодирование и перемежение передаваемого сигнала с целью защиты от ошибок при передаче по радиоканалу, кроме того, кодер канала вводит в состав передаваемого сигнала информацию управления, поступающую от логического блока;

- модулятор – осуществляет перенос информации кодированного видеосигнала на несущую частоту.

Рисунок 2.5 Структурная схема цифрового мобильного терминала

Приемник по составу соответствует передатчику, но с обратными функциями входящих в него блоков:

- демодулятор – выделяет из модулированного радиосигнала кодированный видеосигнал, несущий информацию;

- эквалайзер – предназначен для частичной компенсации искажений сигнала из-за многолучевого распространения (фактически это адаптивный фильтр, настраиваемый по входящей в состав передаваемой информации обучающей последовательности символов). Блок эквалайзера не является функционально необходимым и в некоторых случаях может отсутствовать;

- декодер канала – обнаруживает и исправляет ошибки в принятом сигнале, осуществляет его деперемежение, а также выделяет из входного потока и направляет в логический блок управляющую информацию;

- декодер речи – восстанавливает сигнал речи в цифровом виде со свойственной ему избыточностью;

- цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) – преобразует принятый цифровой сигнал речи в аналоговую форму и подает его на вход динамика.

Логический блок – это микрокомпьютер, осуществляющий управление работой МС.

Синтезатор является источником колебаний несущей частоты, используемой для передачи информации по радиоканалу. Наличие гетеродина и преобразователя частоты обусловлено тем, что для передачи и приема используются различные участки диапазона частот.

Антенный блок включает в себя антенну, в простейшем случае четвертьволновой штырь, и коммутатор приема-передачи. Последний для цифровой станции может представлять собой электронный коммутатор, подключающий антенну либо на выход передатчика, либо на вход приемника, так как МС цифровой системы никогда не работает на прием и передачу одновременно.

Представленная на рисунке 2.5 структурная схема мобильной станции является упрощенной. На ней не показаны усилители, селлектирующие цепи, генераторы сигналов синхрочастот и цепи их разводки, схемы контроля мощности на передачу и прием и управления мощностью, схема управления частотой генератора для работы на определенном частотном канале и т. п. Для обеспечения конфиденциальности передачи информации в некоторых системах используется режим шифрования. В этих случаях передатчик и приемник МС включают, соответственно, блоки шифратора и дешифратора сообщений. Мобильная станция системы GSM включает также детектор речевой активности (Voice Activity Detector), который с целью экономного расходования энергии источника питания (уменьшения средней мощности излучения), а также снижения уровня помех, создаваемых для других станций при работающем передатчике, включает передатчик на излучение только на те интервалы времени, когда абонент говорит. На время паузы в работе передатчика в приемный тракт дополнительно вводится комфортный шум. В некоторых случаях в МС могут входить отдельные терминальные устройства (например, факсимильный аппарат), подключаемые через специальные адаптеры с использованием соответствующих интерфейсов.

2.1.3 Базовая станция

Блок-схема базовой станции показана на рисунке 2.6. Особенностью базовой станции является использование разнесенного приема, для чего станция должна иметь две приемные антенны. Кроме того, базовая станция может иметь раздельные антенны на пере дачу и прием (рисунок 2.6 соответствует этому случаю). Другая особенность – наличие нескольких приемников и такого же числа передатчиков, позволяющих вести одновременную работу на нескольких каналах с различными частотами.

Одноименные приемники и передатчики имеют общие перестраиваемые опорные генераторы, обеспечивающие их согласованную перестройку при переходе с одного канала на другой; конкретное число N приемопередатчиков зависит от конструкции и комплектации БС. Для обеспечения одновременной работы N приемников на одну приемную и N передатчиков на одну передающую антенну между приемной антенной и приемниками устанавливают делитель мощности на N выходов, а между передатчиками и передающей антенной – сумматор мощности на N входов.

Приемник и передатчик имеют ту же структуру, что и в МС, за исключением того, что в них отсутствуют ЦАП и АЦП, поскольку и входной сигнал передатчика, и выходной сигнал приемника имеют цифровую форму. Возможны варианты, когда кодеки (либо только кодек речи, либо и кодек речи, и канальный кодек) конструктивно реализуются в Рисунок 2.6 Блок-схема базовой станции

составе ЦК, а не в составе приемопередатчиков БС, хотя функционально они остаются элементами приемопередатчиков.

Блок сопряжения с линией связи осуществляет упаковку информации, передаваемой по линии связи на ЦК, и распаковку принимаемой от него информации. Для связи БС с ЦК обычно используется радиорелейная или волоконно-оптическая линия, если они не располагаются территориально на одном месте.

Контроллер БС (компьютер) обеспечивает управление работой станции, а также контроль работоспособности всех входящих в нее блоков и узлов.

Для обеспечения надежности многие узлы и блоки БС резервируются (дублируются), в состав станции включаются автономные источники бесперебойного питания (аккумуляторы).

В стандарте GSM используется понятие системы базовой станции (СБС), в которую входят контроллер базовой станции (КБС) и несколько (например, до шестнадцати) базовых приемопередающих станций (БППС) – рисунок 2.7. В частности, три БППС, расположенные в одном месте и замыкающиеся на общий КБС, могут обслуживать каждая свой 120-градусный азимутальный сектор в пределах ячейки или шесть БППС с одним КБС – шесть 60-градусных секторов. В стандарте D-AMPS в аналогичном случае могут использоваться соответственно три или шесть независимых БС, каждая со своим контроллером, расположенных в одном месте и работающих каждая на свою секторную антенну.

Рисунок 2.7 Система базовой станции стандарта GSM

2.1.4 Центр коммутации

Центр коммутации – это автоматическая телефонная станция ССС, обеспечивающая все функции управления сетью. ЦК осуществляет постоянное слежение за МС, организует их эстафетную передачу, в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении ПС из соты в соту и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностей.

На ЦК замыкаются потоки информации со всех БС, и через него осуществляется выход на другие сети связи – станционную телефонную сеть, сети междугородной связи, спутниковой связи, другие сотовые сети. В состав ЦК входит несколько процессоров (контроллеров).

Блок-схема центра коммутации представлена на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 - Блок-схема центра коммутации

Коммутатор подключается к линиям связи через соответствующие контроллеры связи, осуществляющие промежуточную обработку (упаковку/распаковку, буферное хранение) потоков информации. Управление работой ЦК и системы в целом производится от центрального контроллера. Работа ЦК предполагает участие операторов, поэтому в состав центра входят соответствующие терминалы. А также средства отображения и регистрации (документирования) информации. В частности оператором вводятся данные об абонентах и условиях их обслуживания, исходные данные по режимам работы системы, в необходимых случаях оператор выдает требующиеся по ходу работы команды.

Важными элементами системы являются база данных (БД) – домашний регистр, гостевой регистр, центр аутентификации, регистр аппаратуры. Домашний регистр (местоположения – Home Location Register, HLR) содержит сведения обо всех абонентах, зарегистрированных в данной системе, и о видах услуг, которые могут быть им оказаны. В нем фиксируется местоположение абонента для организации его вызова, и регистрируются фактически оказанные услуги. Гостевой регистр (местоположения – Visitor Location Register, VLR) содержит сведения об абонентах-гостях (роумерах), т. е. об абонентах, зарегистрированных в другой системе, но пользующихся в настоящее время услугами сотовой связи в данной системе. Центр аутентификации (Authentication Center) обеспечивает процедуры аутентификации абонентов и шифрования сообщений. Регистр аппаратуры (идентификации – Equipment Identity Register), если он существует, содержит сведения об эксплуатируемых ПС на предмет их исправности и санкционированного использования. В частности, в нем могут отмечаться украденные абонентские аппараты, а также аппараты, имеющие технические дефекты, например являющиеся источниками помех недопустимо высокого уровня.

Как и в БС, в ЦК предусматривается резервирование основных элементов аппаратуры, включая источник питания, процессоры и базы данных. ББД часто не входят в состав ЦК, а реализуются в виде отдельных элементов. Устройство ЦК может быть различным в исполнении разных компаний-изготовителей.

2.1.5 Интерфейсы сотовой связи

В каждом стандарте сотовой связи используется несколько интерфейсов, в общем случае различных в разных стандартах.

Предусмотрены свои интерфейсы для связи МС с БС, БС – с ЦК (в GSM отдельный интерфейс для связи приемопередатчика БС с КБС), ЦК – с домашним регистром, с гостевым регистром, с регистром аппаратуры, с ТфОП, с ISDN, с PDN и другие.

Все интерфейсы подлежат стандартизации для обеспечения совместимости аппаратуры разных фирм-изготовителей. Однако возможно использование различных интерфейсов, определяемых разными стандартами для одного и того же информационного стыка. В некоторых случаях используют уже существующие стандартные интерфейсы, например, соответствующие протоколам обмена в цифровых информационных сетях.

Интерфейс обмена между МС и БС называется эфирным интерфейсом, или радиоинтерфейсом. Радиоинтерфейс обязательно используется в любой ССС при любой ее конфигурации и в единственно возможном для своего стандарта сотовой связи варианте. Это позволяет МС любой фирмы-изготовителя успешно работать совместно с БС той же самой или любой другой фирмы, что удобно для компаний-операторов и необходимо для организации роуминга.

Тщательность проработки стандартов радиоинтерфейса обеспечивают эффективное использование полосы частот, выделенной для канала связи.

Контрольные вопросы:

1. С какой целью в сотах системы сотовой связи размещают микросоты и пикосоты?

2. Составьте схему связи мобильной станции с телефонной сетью общего пользования.

3. В каком случае при перемещении абонента происходит передача обслуживания, а в каком случае – роуминг?

4. С какой целью и по какому принципу группы сот объединяют в кластеры?

5. Какие параметры кластера определяют защитный интервал?

6. На основании рисунка 2.5 составьте укрупненную структурную схему МС.

7. Какой блок в схеме базовой станции на рисунке 2.6 является дублирующим?

8. Приведите примеры других сетей связи, с которыми может быть связан контроллер центра коммутации (схема приведена на рисунке 2.8).

9. Почему конфигурация радиоинтерфейса в любой системе связи выполняется в единственном варианте?

Особенности мобильных сетей связи

2.2.1 Полосы частот сотовой связи

Выделенные полосы частот жестко ограничены и вмещают в себя небольшое число частотных каналов, которые необходимо рационально использовать для повышения емкости системы связи.

Используемые полосы частот относятся к дециметровому диапазону радиоволн, которые, в основном, распространяются в пределах прямой видимости, дифракция на этих частотах выражена слабо, молекулярного поглощения и поглощения в гидрометеорах (каплях дождя, снежинках, частичках тумана) практически нет. Но наличие в условиях города преград в виде зданий, движущихся автомобилей и подстилающей поверхности приводит к появлению отраженных сигналов, интеферирующих между собой, следовательно, к адресату сигнал придет многими путями. Это явление называется многолучевым (многопутевым) распространением сигналов. Полосы частот, используемые в сотовой связи, представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Полосы частот, используемые в сотовой связи стандартами GSM

Стандарт	Частота, МГц	Длина волны, см
	Обратный канал	Прямой канал	Обратный канал	Прямой канал
GSM-900	890-915	935-960	32,8-33,7	31,2-32,1
GSM-1800	1710-1785	1805-1880	16,8-17,6	16,0-16,6
GSM-1900	1850-1910	1930-1990	15,7-16,2	15,1-15,6

Многолучевое распространение существенно затрудняет расчет интенсивности сигналов как функции удаления от базовой станции, так как в некоторых случаях результирующий сигнал может усиливаться, а в некоторых (что бывает гораздо чаще) – ослабевать. Для грамотного проектирования системы сотовой связи такой расчет необходим.

Многолучевое распространение сигналов и методы расчета

потерь при распространении

Типовая модель сухопутной системы мобильной радиосвязи PCS, или линии передачи сотовой системы, включает в себя высокоподнятую антенну (или несколько антенн) базовой станции (БС) и одну или несколько подвижных антенн, установленных на автомобиле или (более общий случай) в приемопередатчике подвижной или носимой радиостанции (МС). Существует относительно короткий участок распространения радиоволн по линии прямой видимости между БС и МС (LOS). В большинстве случаев имеет место неполный участок распространения радиоволн в пределах прямой видимости между антенной базовой станции, или точкой доступа, и антеннами подвижных радиостанций из-за естественных и искусственных препятствий. Присутствуют также множество трасс с переотражением (линии непрямой видимости — NLOS), а, следовательно многолучевое распространение сигнала. При таких условиях трасса радиопередачи, может моделироваться как случайным образом изменяющаяся трасса распространения. В иллюстративном примере (рисунок 2.9) антенна базовой станции расположена на высоте около 70 м, т.е. на крыше самого высокого здания. Прямая LOS трасса с распространением в свободном пространстве (d0СВ) пролегает между базовой антенной и первым зданием.

Рисунок 2.9 - Среда распространения радиоволн

Из-за его влияния на прямой трассе d0 вносится затухание, выражающееся в более быстром, чем в свободном пространстве, убывании интенсивности принимаемого сигнала (рисунок 2.10). Изменение среднего значения напряженности поля Е в зависимости от расстояния R МС от БС называют затуханиями, а всплески – замираниями. Расположенные в отдалении возвышенности отражают сигналы. Отраженные задержанные сигналы при приеме могут иметь мощность, сравнимую с мощностью ослабленных сигналов прямой трассы.

Рисунок 2.10 – Зависимость напряженности поля от расстояния между БС и ПС

Итак, существует более одного пути распространения радиоволн. Трасса распространения изменяется при перемещениях подвижного объекта, базового оборудования и/или движении окружающих предметов и среды, а, следовательно, изменяются параметры принимаемого сигнала.

Пусть абонент 1 относительно неподвижен, а часть окружающей среды движется со скоростью 100 км/час. Автомобили на автостраде становятся «отражателями» радиосигналов. Если во время передачи или приема абонент 2 также движется (например, со скоростью 100 км/час), то параметры случайным образом отраженных сигналов изменяются с большей скоростью. Скорость изменения уровня сигнала часто описывается доплеровским рассеянием.

Распространение радиоволн в подобных условиях характеризуется тремя, частично самостоятельными эффектами, известными как замирания из-за многолучевости распространения – быстрые замирания, затенение – медленные замирания (или экранирование) и потери при распространении. Замирания из-за многолучевости описываются через замирания огибающей (независящие от частоты изменения амплитуды), доплеровское рассеяние (селективный во времени, или меняющийся во времени, случайный фазовый шум) и временное рассеяние (изменяющиеся во времени длины трасс распространения отраженных сигналов вызывают временные изменения самих сигналов). Временное рассеяние приводит к появлению частотно-селективных замираний.

Когда приемник, передатчик или окружающая среда даже незначительно перемещаются, эффективное перемещение превышает несколько сотых длины волны. Например, в системах радиосвязи диапазона 2 ГГц длина волны равна 15 см. Таким образом, если приемник перемещается лишь на расстояние 1,5 см, он смещается на 1,5/15=0,1 длины волны. Перемещение на расстояние, большее, чем несколько сотых длин волны, может вести к флуктуациям огибающей.

Итак, замирания на трассе можно разделить на долговременные – медленные, или усредненные замирания и кратковременные, или быстрые замирания из-за многолучевости. Диапазон изменения уровня сигнала при быстрых замираниях может достигать 40дБ, из которых примерно 10 дБ – превышение над средним уровнем и 30 дБ – провалы ниже среднего уровня, причем более глубокие провалы встречаются реже, чем менее глубокие. При неподвижном абонентском аппарате интенсивность принимаемого сигнала не меняется. При перемещении ПС периодичность флуктуаций в пространстве составляет около полуволны, т. е. 10 – 15 см в линейной мере. Период флуктуаций во времени зависит от скорости перемещения ПС: например, при скорости 50 км/ч период флуктуаций составляет около 10мс, а при 100 км/ч – около 5мс. Частота замираний глубиной 30 – 10 дБ при скорости порядка 50 км/ч составляет 5 – 50 провалов в секунду соответственно, а средняя длительность замираний ниже уровня 30 – 140 дБ при той же скорости – порядка 0,2 – 2 мс. После того как быстрые замирания из-за многолучевости устраняются усреднением на интервале нескольких сотен длин волн, остается еще неселективное затенение. Причиной затенения являются в основном особенности рельефа местности вдоль трассы распространения радиосигналов сухопутных подвижных систем. Это явление вызывает медленные изменения средних значений параметров релеевских замираний. Хотя для затенения не имеется подходящей математической модели, распределением, наилучшим образом соответствующим экспериментальным данным в типичном городском районе, признан логарифмически нормальный закон распределения. Интенсивность медленных флуктуаций не превышает 5 – 10 дБ, а их периодичность соответствует перемещению ПС на десятки метров. Фактически медленные замирания представляют собой изменение среднего уровня сигнала при перемещении ПС, на которое накладываются быстрые замирания вследствие многолучевого распространения.

Формула для потерь при распространении в свободном пространстве (или потерь при распространении) для всенаправленных передающей и приемной антенн с единичным коэффициентом усиления (G = 1), расположенных друг от друга на расстоянии r метров, имеет вид

. (2.1)

Изотропная антенна – это идеальная антенна без потерь, которая излучает мощность равномерно во всех направлениях. В подвижной связи наиболее часто используют всенаправленные антенны, являющиеся приближениями идеальных изотропных антенн. Как передающие антенны они одинаково излучают во всех направлениях, как приемные – одинаково хорошо принимают сигналы со всех направлений. Коэффициент усиления этих антенн примерно равен единице: G=1, или 0 дБ.

Для двух антенн, разнесенных друг от друга на r метров, с коэффициентом усиления передающей антенны

GT=4pA/l2 (2.2)

и коэффициентом усиления приемной антенны

GR=4pA/l2, (2.3)

где PR – мощность сигнала, принимаемого МС, PT – мощность передаваемого сигнала, А – эффективная апертура антенны, λ – длина волны, С=3*108м/с – скорость света, f – частота несущей при передаче.

Формула для потерь при распространении в свободном пространстве принимает следующий вид:

. (2.4)

Полагаем, что PR = PRmin представляет собой минимальную мощность несущей, которая приводит к приемлемому, или «пороговому», значению вероятности ошибки на бит. Для речевой связи в качестве «приемлемой, или пороговой, характеристики» часто принимается BER = 310-2 при передаче без кодирования и предварительной обработки. Тогда радиус зоны уверенного приёма

, (2.5)

где rmax выражено в метрах.

Коэффициент усиления системы является полезным показателем для оценки характеристик системы, так как объединяет много параметров, представляющих интерес для проектировщиков систем радиосвязи. В простейшей форме, применимой только к аппаратуре, коэффициент усиления системы — это разность между выходной мощностью передатчика и пороговой чувствительностью приемника. Пороговая чувствительность приемника — это минимальная принимаемая мощность, необходимая для достижения приемлемого уровня характеристик, таких как максимальное значение вероятности ошибки на бит (BER). Коэффициент усиления системы должен превышать или, по крайней мере, быть равным сумме коэффициентов усиления и внешних по отношению к аппаратуре потерь.

Существует несколько методик расчета энергетических потерь мощности на трассе распространения от МС до БС, или обратно.

Расчет энергетических потерь мощности и бюджет линии при распространении радиоволн на трассах прямой (LOS) и непрямой (NLOS) видимости. Линия передачи соединяет радиопередатчик, имеющий радиочастотный (РЧ) усилитель мощности (УМ), с передающей антенной. В приемнике антенна соединяется в малошумящим радиочастотным усилителем (РЧ МШУ). Усиленный принятый сигнал поступает на преобразователь частоты вниз и демодулируется. В МС для передачи и приема используется одна и та же антенна. Передающий РЧ усилитель мощности возбуждает передающую антенну, которая излучает электромагнитные волны.

Пусть передающий РЧ усилитель отдает РТ ватт мощности передающей антенне. Плотность излучаемой мощности p, Вт/м2, или исходящий поток электромагнитной энергии, измеренный на расстоянии r от антенны, определяется формулой

(2.6)

Направленная антенна концентрирует излучаемую мощность в определенном направлении. Направленность такой антенны определяется как

(2.7)

Чтобы пользоваться таким определением направленности антенны (формулой 2.7), необходимо знать мощность, фактически излучаемую антенной. Эта мощность отличается от мощности в соответствующих точках передатчика и приемника из-за потерь в самой антенне.

Приемная антенна с эффективной апертурой А и на расстоянии r от всенаправленной передающей антенны принимает мощность PR, Вт, определяемую выражением

. (2.8)

У идеальных всенаправленных антенн G=1; следовательно, имеем

. (2.9)

Из (2.4) получаем выражение для потерь при распространении (Lf, дБ):

. (2.10)

Для изотропных передающей и приемной антенн с коэффициентами усиления, равными 1, (т. е. для идеальных всенаправленных антенн) и при отсутствии препятствий в пределах прямой видимости (LOS) основные потери передачи рассчитываются по формуле

(2.11)

или по формуле

. (2.12)

Из этих соотношений для основных потерь при распространении в пределах прямой видимости (LOS) следует, что принимаемая мощность уменьшается (относительно переданной мощности) на 6 дБ при каждом удвоении расстояния и при каждом удвоении значения радиочастоты.

Потери при распространении для систем непрямой видимости (NLOS) и прямой видимости (LOS). Из формул (2.11; 2.12) видно, что при работе в пределах LOS принимаемая мощность уменьшается по закону 1/r2 по мере увеличения расстояния r между антеннами. Другими словами, средние потери при распространении растут пропорционально степени n расстояния. Показатель степени n для систем прямой видимости при отсутствии препятствий на трассе распространения радиоволн равен 2 (n=2).

На основании экспериментальных данных была разработана и используется большинством инженеров (достаточно общая) модель для оценки потерь при распространении радиоволн при отсутствии прямой видимости. Эта модель описывается следующим выражением

, (2.13)

где n – показатель степени ;

d – расстояние или разнесение между БС и МС;

d0 – эталонное расстояние или длина отрезка трассы до первого препятствия (участок распространения в свободном пространстве);

LB – потери при распространении на трассе LOS для d0, м (формулы 2.11 и 2.12);

L – суммарные потери (при распространении) комбинированной трассы, состоящей из участков LOS и NLOS.

Показатель степени n показывает, насколько быстро возрастают потери при распространении с увеличением расстояния. Эталонное расстояние d0 предполагает, что в пределах него между антенной и точкой d0, имеет место распространение сигнала (беспрепятственное) в свободном пространстве. На практике значения d0 внутри зданий обычно лежат в диапазоне 1…3 м.

Абсолютные средние потери при распространении L(d), выраженные в децибелах, определяются как потери от передатчика до точки на эталонном расстоянии L(d0) плюс дополнительные потери при распространении, описываемые выражением (2.13).

Таким образом,

. (2.14)

(2.15)

Экспериментальные результаты показывают, что для типичных сотовых систем подвижной связи вне зданий при отсутствии прямой видимости NLOS , а для связи внутри зданий (AT@T Bell Laboratories).

Пример расчета

Определить абсолютные средние потери для d0=3 м и dобщ.=22 м в системе подвижной радиосвязи, работающей в разрешенном диапазоне частот 890…915 МГц (GSM). n=3,5. Первые 3 м – трасса LOS, далее – трасса NLOS.

Решение: Используем формулы (2.11) для d0=3 и (2.14) для dобщ.

Полные средние потери на комбинированной LOS и NLOS трассе длиной d=22 м для системы, работающей на частоте f=915 МГц, составляют -69 дБ.

Для прогнозирования средних потерь при распространении используются эмпирические модели, основанные на всесторонних натурных измерениях. Трасса пролегает от антенны базовой станции до антенны подвижного объекта. Экспериментальные кривые для потерь при распространении получаются измерением уровня мощности принятого сигнала (радиочастотной несущей) и вычитанием из мощности переданного сигнала. Например, если мы имеем всенаправленные антенны с коэффициентами усиления, равными 1, передаваемая мощность равна + 30 дБм и в некотором месте принимаемая мощность несущей PR = - 105 дБм, тогда потери при распространении

Lp = PТ - PR = + 30 дБм – ( -105 дБм) =135 дБм.

Поскольку PТ и PR выражены в одних и тех же единицах, то потери Lp могут быть выражены в децибелах.

Многочисленные измерения, выполненные Окомурой (Okomura), позволили получить эмпирическую формулу для средних потерь при распространении Lp, дБ, в случае изотропных (идеальных всенаправленных), имеющих коэффициенты усиления, равные 1, антенн базовой станции и подвижного объекта. Эта формула, известная также как метод прогнозирования Окомуры, имеет следующий вид

(2.16)

где r – расстояние между антеннами базовой и подвижной станции, км.

Радиочастота несущей fo, МГц, высота антенны базовой станции hb, м, и высота антенны подвижной станции hm, м; величины A, B, C и D выражаются соответственно следующим образом

(2.17)

(2.18)

(2.19)

(2.20)

где

, (2.21)

для средних и малых городов;

(2.22)

для крупных городов.

Данной формулой можно пользоваться, если выполняются следующие условия:

fо: от 150 до 1500 МГц;
hb: от 30 до 200 м; возможно расширение диапазона (от 1,5 до 400 м);
hm: от 1 до 10 м;
r: от 1 до 20 км; возможно расширение диапазона (от 2м до 80 км).

В Европе в результате исследований СOST-программы (Cooperation in Field of Sientific and Technical Research) было продолжено развитие эмпирических моделей затухания для мобильных систем. Так появилась Модель Волфиша-Икегами (WIM), нашедшая еще более широкое применение в области мобильных технологий.

В модели WIM различают два случая - LOS и NLOS (non-line-of-sight, т.е. в случае непрямой видимости). В случае LOS (прямая видимость) на прямой распространения от передатчика и приемника нет заграждений, и WIM-модель описывается уравнением

(2.23)

Потери в свободном пространстве

(2.24)

, (2.25)

где dm – расстояние в метрах.

Параметры, также используемые в NLOS WIM:

hb- высота антенны базовой станции(40-50 м от земли)

hm- высота антенны абонента (1-3 м от земли)

hB- высота зданий

∆hb =hb -hB – высота антенны базовой станции от уровня крыш.

b- расстояние между зданиями (20-50 м)

ω-ширина улиц (обычно b/2)

Теперь рассмотрим несколько вариантов в случае NLOS WIM.

, (2.26)

, (2.27)

. 2.28)

Модель NLOS WIM используется при расчете затухания в городской среде.

Модель радиосигналов с замираниями, обусловленными многолучевым распространением, полезна для последующего анализа распределений огибающей замирающей несущей (уровня сигнала), частоты выбросов сигнала и длительности замираний. Эти параметры и их представления требуются при рассмотрении некоторых аспектов проектирования линий и систем связи (таких как выбор методов исправления ошибок и доступа). Например, длительность замираний и частота выбросов позволяют установить связь между вероятностью ошибки на бит (BER) и вероятностью ошибок в слове (WER).

При проектировании высокоскоростных цифровых систем подвижной радиосвязи важно знать характеристики замираний из-за многолучевости, поскольку они вызывают пакетирование ошибок. При условии, что пакеты ошибок возникают, когда уровень огибающей сигнала падает ниже определенного порога, частота выбросов (пересечений уровня) может использоваться как подходящая мера частоты появления пакетов ошибок. Длительность замираний позволяет оценивать длину пакетов ошибок.

Итак, основное неудобство в сотовой связи доставляют быстрые замирания, поскольку они бывают достаточно глубокими, и при этом отношение сигнал/шум падает настолько сильно, что полезная информация может существенно искажаться шумами, вплоть до полной ее потери. Для борьбы с быстрыми замираниями используют два основных метода: разнесенный прием, т. е. одновременное использование двух или более приемных антенн, работа с расширением спектра: использование скачков по частоте, а также метод CDMA.

Межсимвольная интерференция может проявиться при значительных разностях хода между различными лучами в условия многолучевого распространения (в городах разности хода могут достигать единиц микросекунд).

В методе CDMA, при использовании широкополосных сигналов и рейк-приемников, наиболее сильные сигналы выравниваются по задержке и после этого складываются, что значительно снимает проблему межсимвольной интерференции. В относительно узкополосных ССС, использующих метод TDMA, применяют эквалайзеры – адаптивные фильтры, устанавливаемые в приемном тракте ЦОС, которые позволяют компенсировать межсимвольные искажения. Для борьбы с последствиями многолучевого распространения: для устранения обусловленных замираниями сигналов и межсимвольной интерференцией, используется помехоустойчивое канальное кодирование: блочное и сверточное кодирование, а также перемежение.

Разнесенный прием

Различные методы разнесения были предложены и проанализированы применительно к системам KB, тропосферной связи, а также микроволновым радиорелейным системам, работающим в пределах прямой видимости. Методы разнесения применительно к ОВЧ, УВЧ и микроволновым системам подвижной радиосвязи анализировались в течение последних 20 лет.

Хотя большинство из них относилось к аналоговым системам подвижной радиосвязи, однако, в принципе, они могут найти применение и в цифровых сотовых системах. Выигрыш, получаемый за счет разнесения, увеличивается по мере возрастания требований к качеству обслуживания в цифровых системах подвижной радиосвязи, поскольку более существенное влияние быстрых замираний многолучевости проявляется при цифровой передаче.

Методы разнесения требуют организации ряда путей передачи сигналов, называемых ветвями разнесения, и схемы их комбинирования или выбора одного из них. В зависимости от характеристик распространения радиоволн в системах подвижной радиосвязи существует несколько методов построения ветвей разнесения, которые могут быть разбиты на следующие группы, объединяющие:

пространственное,
угловое,
поляризационное,
частотное,
временное разнесение.

Пространственное разнесение. Этот метод наиболее широко используется из-за своей простоты и низкой стоимости. Он требует одной передающей антенны и нескольких приемных антенн. Расстояние между соседними приемными антеннами выбирается с таким расчетом, чтобы замирания из-за многолучевости в каждой ветви разнесения были некоррелированными.

В диапазоне 900 МГц, используя пространственное разнесение, можно достичь усиления сигнала в 3 dB, при этом расстояние между антеннами должно быть 5 – 6 метров (12…18 ) для горизонтального разнесения и 2 – 5 метров (12…18 ) для вертикального разнесения. В диапазоне 1800 МГц, расстояние должно быть уменьшено из-за меньшего значения длины волны.

Используя данный метод и выбирая сигнал с большим уровнем можно в значительной степени уменьшить воздействие замираний сигнала.

Следует отметить, что пространственное разнесение даёт немного большее усиление сигнала, чем при использовании поляризационного приёма, но, в свою очередь требует большего пространства для монтажа антенн.

Угловое разнесение. Этот метод, который получил название разнесения по направлению, требует несколько направленных антенн. Каждая антенна независимо реагирует на волну, приходящую под определенным углом или с определенного направления, и формирует некоррелированные замирающие сигналы.

Поляризационное разнесение. Этот метод позволяет реализовать только две ветви разнесения. Он использует тот факт, что сигналы, переданные с помощью двух ортогонально-поляризованных радиоволн, характерных для ОВЧ и УВЧ сухопутных систем подвижной радиосвязи, в точке приема имеют некоррелированные статистики замираний из-за многолучевости.

При использовании поляризационного приёма антенны разнесённого приёма заменяются одной антенной с двойной поляризацией. Данная антенна имеет нормальный корпус, но имеет две различные поляризационные антенные решетки. Самые популярные антенны – это антенны с горизонтальной/вертикальной поляризацией и антенны, имеющие наклонную поляризацию в 45о. Две антенные решётки соединяются в одну соединительную схему. Две антенные решетки могут быть использованы как совмещённые антенны. На практике считается, что коэффициент усиления с использованием двух типов разнесённого приёма, пространственного и поляризационного, одинаков, но в случае поляризационного приёма экономится размер монтажной площадки антенно-фидерной системы.

Частотное и временное разнесение. Различия в частоте и/или времени передачи могут быть использованы для организации ветвей разнесения с некоррелированными статистиками замираний.

Требуемый разнос по времени и частоте можно определить, исходя из имеющихся характеристик временного рассеяния и максимальной доплеровской частоты. Основное преимущество этих двух методов разнесения, по сравнению с пространственным, угловым, поляризационным, состоит в том, что для их реализации требуется лишь одна передающая и одна приемная антенны, а недостаток – в том, что требуется более широкая полоса частот.

Кодирование с исправлением ошибок может рассматриваться как один из вариантов временного разнесения в цифровых системах передачи.

Следует отметить, что для всех перечисленных методов разнесения, за исключением поляризационного, в принципе не существует ограничения на количество ветвей разнесения. Например, в некоторых системах радиосвязи, работающих в диапазоне 2,4 ГГц, при организации пространственного разнесения используется до пяти приемных антенн.

Разнесение позволяет существенным образом улучшить характеристики помехоустойчивости приема и надежность цифровых систем радиосвязи. Наличие двух ветвей разнесения позволяет снизить значение C/I (отношение сигнал/шум) с 30 дБ, соответствующее отсутствию разнесения, до 15 дБ при частоте ошибок на бит (BER), равной 10-3. При более низких значениях BER, например BER = 10-6, выигрыш за счет разнесения составляет 30 дБ.

Достаточно малогабаритные и относительно недорогие системы разнесения в настоящее время широко используются в системах мобильной радиосвязи, сотовой телефонии и передачи данных.

Работа с расширением спектра

Многолучевое распространение может вызывать ряд нежелательных эффектов. Радиосигналы, доходя до получателя разными путями, будут испытывать соответственно разные временные задержки. В точке приема сигналы суммируются. Если при этом среди отраженных сигналов преобладают сигналы, синфазные прямому сигналу, сигнал усиливается, если больше противофазных – ослабевает. Такие явления, называемые в радиотехнике замираниями или федингами (fading), обычно наблюдаются в ограниченных пространственных областях, чьи форма и расположение определяются расположением зданий и длиной волны, на которой ведется передача.

Широкополосный сигнал значительно меньше страдает от помех, особенно узкополосных. Узкополосная помеха способна "испортить" широкополосный сигнал только в каком-то относительно узком частотном диапазоне, и полезная информация может быть восстановлена по неповрежденным участкам несущего диапазона.

Это относится и к федингам, о которых говорилось выше: интерференция прошедших разными путями сигналов приводит к снижению суммарной интенсивности лишь в достаточно узком частотном диапазоне, и снова полезную информацию можно восстановить по неповрежденной части сигнала.

Конечно, сигнал несколько ухудшается, однако это несопоставимо с потерями качества связи при использовании обычных методов модуляции. Влияние помех и федингов на широкополосные сигналы показано на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11 - Воздействие узкополосных помех (а) и федингов (б) на широкополосный сигнал

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

- при перемещении точки приема условия периодически изменяются, так как сложение волн, приходящих с разных направлений, создает пространственную интерференционную картину (этот эффект особенно сильно сказывается на мобильных пользователях и типичен для узкополосных систем). Для систем с расширенным спектром (Spread Spectrum) действие этого эффекта сильно ослабляется из-за того, что на разных частотах в пределах его широкого спектра создаются разные интерференционные картины, что и вызывает выравнивание результирующего сигнала;

- время задержки сигналов при прохождении больших расстояний может меняться из-за изменений характеристик среды распространения, причем это сказывается по-разному на сигналах, приходящих разными путями, что при сложении вызывает временные флуктуации уровня сигнала (замирания). Несинфазное изменение уровня сигнала на разных частотах спектра (Spread Spectrum) сигнала приводит к сильному ослаблению этого эффекта на подобные системы.

Скачки по частоте.Это один из методов расширения спектра, принципиально отличающийся от методов CDMA. Несущая частота для каждого ФК периодически изменяется, т. е. каждый ФК периодически переходит на новый частотный канал. Поскольку релеевские замирания являются частотно-селективными, то, если при работе на некоторой частоте имело место замирание, при изменении рабочей частоты на 100-300 кГц замираний с большей вероятностью не будет. Следовательно, при достаточно частых изменениях частоты существенно снижается вероятность длительных замираний и, в сочетании с перемежением снижается вероятность групповых ошибок, а с одиночными ошибками можно успешно бороться с помощью помехоустойчивого канального кодирования.

Различают медленные и быстрые скачки по частоте. При медленных скачках период изменения частоты много больше длительности символа передаваемого сообщения, а при быстрых скачках – много меньше длительности символа.

Изменение частоты в пределах доступного диапазона может быть как регулярным (циклическим), так и нерегулярным (псевдослучайным), причем может быть выбран любой из имеющихся в наборе вариантов псевдослучайности. Режим работы со скачками по частоте не является обязательным и назначается по команде из центра коммутации.

Одна из особенностей формирования сигналов в стандарте GSM - использование медленных скачков по частоте в процессе сеанса связи – рисунок 2.12. Главное назначение таких скачков (SFH - Slow Frequency Hopping) – обеспечение частотного разнесения в радиоканалах, функционирующих в условиях многолучевого распространения радиоволн.

Рисунок 2.12 - Формирование медленных скачков по частоте в стандарте GSM

SFH используется во всех подвижных сетях, что повышает эффективность кодирования и перемежения при медленном движении абонентских станций. Принцип формирования медленных скачков по частоте состоит в том, что сообщение, передаваемое в выделенном абоненту временном интервале TDMA кадра (577 мкс), в каждом последующем кадре передается (принимается) на новой фиксированной частоте. В соответствии со структурой кадров время для перестройки частоты составляет около 1 мс.

В процессе скачков по частоте постоянно сохраняется дуплексный разнос 45 МГц между каналами приема и передачи. Всем активным абонентам, находящимся в одной соте, ставятся в соответствие ортогональные формирующие последовательности, что исключает взаимные помехи при приеме сообщений абонентами в соте. Параметры последовательности переключения частот (частотно-временная матрица и начальная частота) назначаются каждой подвижной станции в процессе установления канала. Ортогональность последовательностей переключения частот в соте обеспечивается начальным частотным сдвигом одной и той же (по алгоритму формирования) последовательности. В смежных сотах используются различные формирующие последовательности.

Эквалайзинг. Эквалайзинг используется в узкополосных TDMA-системах для компенсации межсимвольных искажений. Он предназначен для компенсации той разности хода между составляющими лучами при многолучевом распространении, которая приводит к межсимвольной интерференции. Эквалайзер – это адаптивный фильтр, настраиваемый таким образом, чтобы сигнал на его выходе был максимально очищен от межсимвольных искажений, содержащихся во входном сигнале. С помощью эквалайзера осуществляется создание модели канала и корректировка сигнала (рисунок 2.13).

Рисунок 2.13 - Принцип работы эквалайзера

Спецификация GSM предусматривает, что эквалайзер должен обеспечивать выравнивание импульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс. Работа эквалайзера основана на использовании алгоритма Витерби. В формате передаваемого сигнала предусматривается наличие стандартной кодовой комбинации. На приемном конце принятая кодовая комбинация S’ сравнивается с эталонной S, и по результатам сравнения вырабатывается модель канала. После создания модели принятый сигнал корректируется, при этом маловероятные комбинации за счет использования алгоритма Витерби не учитываются для сокращения вычислений. Таким образом, для устранения помех, вызываемых временной дисперсией, необходима передача дополнительной информации, обеспечивающей функционирование эквалайзера.

Методы многостанционного доступа

Понятие множественного доступа связано с организацией совместного использования ограниченного участка спектра многими пользователями. Понятие множественного доступа в беспроводной связи основано на изолировании сигналов, относящихся к различным каналам в пределах используемой несущей. Рассмотрим три базовых метода многостанционного доступа: FDMA или множественный доступ с частотным разделением (МДЧР); TDMA или множественный доступ с временным разделением (МДВР); CDMA или множественный доступ с кодовым разделением каналов (МДКРК).

FDMA – множественный доступ с частотным разделением. Из всего доступного диапазона каждому абоненту выделяется своя полоса частот Δf (частотный канал), которую он может использовать все 100% времени. Таким образом не временной фактор, а только лишь различия в частоте используются для разделения (дифференциации) абонентов. Подобный подход имеет заметное преимущество: вся информация передается в "реальном времени", и абонент получает возможность использовать всю полосу пропускания, выделенного ему сегмента. Ширина полосы сегмента может варьироваться в зависимости от используемой системы связи. Метод FDMA используется во всех аналоговых системах связи, при этом полоса частот Δf составляет 10 – 30 кГц. Основной недостаток FDMA – недостаточно эффективное использование полосы частот.

TDMA – множественный доступ с временным разделением. Стандарт TDMA активно используется современными цифровыми системами беспроводной связи. В отличие от систем частотного разделения, все абоненты системы TDMA работают в одном и том же диапазоне частот, но при этом каждый имеет временные ограничения доступа, т. е. частотный канал разделяется между несколькими пользователями. Каждому абоненту выделяется временной промежуток (кадр), в течение которого ему разрешается "вещание". После того, как один абонент завершает вещание, разрешение передается другому, затем третьему и т.д. После того, как обслужены все абоненты, процесс начинается сначала. С точки зрения абонента его активность носит пульсирующий характер. Чем больше абонентов, тем реже каждому из них предоставляется возможность передать свои данные, тем, соответственно, меньше данных он сможет передать. Если ограничить потребности (возможности) абонента известной величиной, можно оценить количество пользователей, которых реально сможет обслужить система с таким способом разделения среды. Временное разделение, как правило, накладывается на частотное разделение, и вещание ведется в выделенной полосе частот. Цифровая обработка сигналов по схеме TDMA используется в стандартах D-AMPS, GSM. В стандарте D-AMPS при сохранении той же полосы частотного канала Δf=30 кГц, что и в аналоговом стандарте AMPS, число физических каналов возрастает втрое и более чем втрое возрастает емкость системы.

По причине ограниченности ресурсов радиосоединения, предоставляемых в совместное использование большому количеству пользователей, метод управления радиоресурсами должен позволять разделять радиоресурсы на максимально возможное количество частей. Метод, избранный стандартом GSM, представляет из себя комбинацию методов разделения времени и частоты (Time-Division Multiple Access и Frequency-Division Multiple Access - TDMA/FDMA). Часть FDMA включает в себя разделенные по частоте полосы, шириной до 25 MHz, на 124 несущих полосы, разделенных между собой полосами по 200 kHz. Одна или несколько несущих частот приписываются к каждой базовой станции. К каждой из этих несущих частот применяется механизм разделения времени, используя схему TDMA. Основной единицей времени в схеме TDMA является период пакета (burst period).

CDMA - множественный доступ с кодовым разделением. Каналы трафика при таком способе разделения среды создаются присвоением каждому пользователю отдельного кода, который распространяется по всей ширине полосы. В данном случае не существует временного разделения, и все абоненты постоянно используют всю ширину канала. Нужно заметить, что полоса частот, выделяемая для организации одного канала, очень широка. Вещание абонентов накладываются друг на друга, но поскольку их коды отличаются, они могут быть легко дифференцированы.

В случае использования технологии CDMA сигнал может быть принят при наличии высокого уровня помех, но при этом сохраняется то же самое или более высокое качество передачи. Все абоненты совместно используют один и тот же частотный ресурс. В технологии CDMA одна и та же полоса частот используется в каждой соте и в каждом секторе секторизованной соты. В данном случае модель повторного использования частот выглядит как N=1. Эта модель N=1 является тем условием, которое обеспечивает для технологии CDMA более высокую пропускную способность (емкость) по сравнению с другими технологиями. Помехи, создаваемые другими абонентами и другими базовыми станциями, представляют собой фактор, в конечном итоге определяющий верхний порог пропускной способности сети технологии CDMA. При разработке первичной сети целью является сведение к минимуму общего уровня помех. В технологии CDMA существует множество способов снизить уровень помех и довести до максимума емкость сети.

Системы с многостанционным доступом на основе кодового разделения каналов (МДКРК) представляют собой развитие систем с прямым расширением спектра с помощью псевдослучайных последовательностей (ПСП) и систем, с расширением спектра путем перестройки рабочей частоты. Они создают основу для многостанционной связи. В системе МДКРК каждому пользователю выделена отдельная, отличающаяся от других ПСП (рисунок 2.14).

Рисунок 2.14 - Совместное использование спектра в МДКРК

Если эти ПСП взаимно некоррелированны, то в пределах одной соты К независимых абонентов могут передавать сообщения одновременно, занимая одну и ту же полосу радиочастот. В приемниках осуществляется корреляционная обработка сигналов (сжатие спектра), в результате чего происходит восстановление переданных сообщений di(t) = 1,...К. Ha рисунке 2.14 показана концепция совместного использования спектра в системе МДКРК на примере К равным 10 несущих с прямым расширением спектра. Если предположить, что 10 мобильных передатчиков осуществляют передачу одновременно, то на входе приемника базовой станции будут присутствовать 10 перекрывающихся во времени и по частоте сигналов. То же самое можно сказать о приемнике мобильной станции. Если мощности всех принимаемых сигналов считать равны Рs и толькo один полезный сигнал интерферирует с остальными девятью МДКРК сигналами равной мощности, то отношение сигнал/помеха (C/I) нa РЧ входе приемника будет равно 1/9 или - 9,54 дБ. Такое отрицательное значение отношения сигнал/помеха обусловлено внутрисистемной помехой, создаваемой девятью другими несущими с прямым расширением спектра, одновременно занимающими ту же самую полосу частот, что и несущая полезного сигнала. В результате корреляционной обработки (сжатия спектра) это отрицательное значение отношения несущая/помеха (С/I) в широкой полосе радиочастот преобразуется в положительное значение отношения сигнал/помеха (С/I) в узкой полосе модулирующих частот. Отношение сигнал/помеха в полосе модулирующих частот должно быть достаточно высоким, чтобы гарантировать достижение относительно низких значений Ре. Значение отношения сигнал/помеха (С/I) в полосе модулирующих частот выбирается на несколько децибелов выше по сравнению с отношением сигнал/шум (С/N).

В системах с прямым расширением спектра все каналы передачи сообщений (каналы трафика) в пределах одной соты одновременно совместно используют одну и ту же полосу радиочастот, т.е. радиоканал. Соседние соты могут использовать либо те же самые, либо соседние частотные каналы. Некоторые из подвижных объектов могут располагаться близко к базовой станции, а другие далеко от нее. Сильный сигнал, принимаемый базовой станцией от близкорасположенного подвижного объекта, будет маскировать слабый сигнал, принимаемый от удаленного подвижного объекта. Этот эффект маскирования или внутриполосной помехи, создаваемой близкорасположенным подвижным объектом, известен под названием помехи «ближний – дальний». Помеха этого вида представляет серьезную проблему при проектировании и применении МДКРК систем.

Управление мощностью позволяет снизить уровень помехи «ближний – дальний». Идеальная схема управления мощностью обеспечивает равенство погрешностей всех принимаемых базовой станцией сигналов подвижных объектов, расположенных в данной соте, независимо от перемещений, потерь при распространении радиоволн и/или расположения подвижного объекта. Измеренный уровень принимаемого пилот-сигнала на подвижном объекте позволяет оценить потери при распространении радиоволн от передатчика базовой станции до приемника подвижного объекта. По результатам оценки потерь на подвижном объекте формируется сигнал управления передаваемой мощностью и устанавливается необходимая мощность передатчика. Эта процедура повторяется с необходимой скважностью и благодаря этому достигается адаптивное управление мощностью.

Реальная точность управления мощностью равна 1,5 дБ. В идеальном случае она должна быть равна 0 дБ. Это означает, что все переданные сигналы от различных подвижных объектов должны быть приняты с одинаковой мощностью, т.е. разность их уровней равна 0 дБ. Это позволяет разрешить проблему близкорасположенного и удаленного пользователей и оптимизировать (максимизировать) емкость сотовых МДКРК систем.

На сегодня уже многие специалисты в сфере телекоммуникаций полагают, что технология сотовой связи с кодовым разделением каналов CDMA (Code Division Multiple Access) в ближайшие годы нового столетия затмит собой все остальные, вытесняя аналоговые NMT, AMPS и другие, составляя серьезную конкуренцию цифровым технологиям на базе TDMA.

Особенности кодового разделения каналов. CDMA обеспечивает существенное увеличение емкости сети. Как и метод множественного доступа с временным разделением, он подразумевает передачу голосовой информации только в оцифрованном виде. Не случайно подчеркивается, что этот метод возник недавно именно в телефонии – в основе его лежит давно применяемый в военной радиосвязи метод модуляции с использованием шумоподобного или широкополосного сигнала (ШПС: в англоязычной литературе используется термин spread spectrum, что переводится на русский язык как "распределенный", или "растянутый", "размытый" спектр). Полезная информация как бы "размазывается" по частотному диапазону, существенно более широкому, чем при традиционных способах модуляции сигнала (в данном контексте такой традиционно модулированный сигнал часто называют узкополосным). Осуществляется это за счет перемножения последовательности полезных битов информации на псевдослучайную последовательность более коротких импульсов. Полосы информационных сигналов могут быть расширены с коэффициентами от 10 до 10000 за счет представления их специальными двоичными последовательностями с использованием нескольких различных методов, описываемых ниже. В результате получается сигнал, который занимает больший частотный диапазон и имеет значительно меньшую интенсивность, чем получаемый при узкополосной модуляции. В этом случае информацию можно принять, только зная последовательность, на которую был перемножен полезный сигнал при передаче, в противном случае он будет выглядеть как шум (отсюда и второе название). В военных приложениях данный метод используется в первую очередь для защиты канала связи от перехвата (intercepting), помех (jamming) и подслушивания (covertness). Для понимания принципа работы важно следующее положение. Если два абонентских телефона, находящихся в зоне действия одной базовой станции, работают на общей частоте, но с разными кодирующими последовательностями, то эти сигналы практически не будут создавать помех друг для друга.

Все абонентские телефонные аппараты, работающие в зоне действия одной базовой станции, используют одну и ту же несущую частоту. Для передачи информации отводятся частотный диапазон (для IS-95: шириной 1,25 МГц) и фрагменты общей "большой" псевдослучайной последовательности, по-разному смещенные от условно выбранного начала этой последовательности. Емкость ячейки сети CDMA определяется тем, насколько независимы друг от друга коды, используемые абонентскими аппаратами. При работе по этой технологии размер ячейки, качество звука и емкость оказываются тесно взаимосвязанными, поэтому при проектировании сети следует выбирать некое оптимальное решение; улучшить одну из этих характеристик можно только за счет ухудшения другой. Дело тут в следующем. Чем больше CDMA-каналов в данной ячейке сети, тем выше уровень взаимных помех из-за неполной независимости кодовых последовательностей. Отсюда ясно, что чем более низкое качество передачи звука считается приемлемым, тем больше каналов можно разместить в ячейке сети. Взаимная зависимость между размерами ячейки и емкостью сети обусловлена тем, что можно обеспечить заданное качество передачи речи, только если соотношение сигнал/шум оказывается выше определенного значения.

Принципы кодового разделения каналов. Принципы кодового разделения каналов связи CDMA как уже отмечалось, основаны на использовании широкополосных сигналов (ШПС), полоса которых значительно превышает полосу частот, необходимую для обычной передачи сообщений, например, в узкополосных системах с частотным разделением каналов (FDMA). Основной характеристикой ШПС является база сигнала В, определяемая как произведение ширины его спектра F на его длительность Т:

В= F*T (2.26)

В результате перемножения сигнала источника псевдослучайного шума с информационным сигналом энергия последнего распределяется в широкой полосе частот, т. е. его спектр расширяется. В радиоустройствах, построенные по технологии Spread Spectrum (распределенный спектр), расширение спектра передаваемого сигнала осуществляется при помощи псевдослучайной последовательности (Pseudorandom Number, PN), задающей алгоритм распределения. Каждое приемное устройство для декодирования сообщения должно знать кодирующую последовательность. Устройства, имеющие различные PN, фактически не "слышат" друг друга. Так как мощность сигнала распределяется по широкой полосе, сам сигнал оказывается "спрятанным" в шумах и по своим спектральным характеристикам также напоминает шум в радиоканале.

Метод широкополосной передачи был подробно описан К. Е. Шенноном, который первым ввел понятие пропускной способности канала и установил связь между возможностью осуществления безошибочной передачи информации по каналу с заданным отношением сигнал/шум и полосой частот, отведенной для передачи информации. Для любого заданного отношения сигнал/шум малая частота ошибок при передаче достигается при увеличении полосы частот, отводимой для передачи информации.

В цифровых системах связи, передающих информацию в виде двоичных символов, длительность ШПС Т и скорость передачи сообщений V связаны соотношением Т = 1/V. Поэтому база сигнала В = F/V характеризует расширение спектра ШПС (Sшпс) относительно спектра сообщения. Расширение спектра частот передаваемых цифровых сообщений может осуществляться разными методами и/или их комбинацией. Рассмотрим два основных метода расширения спектра:

- прямым расширением спектра частот;

- скачкообразным изменением частоты несущей.

Метод прямого расширения спектра псевдослучайной последовательностью. Каждый информационный бит заменяется пачкой из десяти или больше бит, называемых «чипами». При этом пропорционально расширяется и полоса частот. Иными словами узкополосный сигнал умножается на псевдослучайную последовательность (ПСП или PN) с периодом Т, состоящую из N бит длительностью τ0 каждый. Получаем широкополосный шумоподобный сигнал (ШПС), база которого численно равна количеству элементов ПСП. Таким образом, для сдвига фазы несущей (фазовой манипуляции) используется быстрый поток битов. Полоса расширяется искусственно за счет увеличения скорости передачи данных (увеличения количества передаваемых бит). Битовые PN последовательности специально генерируются таким образом, чтобы в них количество нулей и единиц было приблизительно равное. Каждый из нулевых битов информационного потока заменяется PN-кодом, а единицы – инвертированным PN-кодом. Эта модуляция так и называется – модуляцией с разрядной инверсией. В результате этого смешивания получается PN-сигнал. Схема расширения спектра частот цифровых сообщений показана на рисунке 2.15.

Рисунок 2.15 - Схема прямого расширения спектра частот цифровых сообщений псевдослучайной последовательностью

Сущность широкополосной связи состоит в расширении полосы частот сигнала, передачи ШПС и выделении из него полезного сигнала путем преобразования спектра принятого ШПС в первоначальный спектр информационного сигнала.

В корреляторе (приемника) неинвертированный PN-код, близко совпадающий с локальным PN-кодом, генерирует бит информации "0". В то же время, последовательность, соответствующая "1", приводит к полной декорреляции, так как для этого информационного бита PN-код инвертирован. Таким образом, коррелятор будет производить поток единиц для инвертированной PN-последовательности и поток нулей – для неинвертированной PN-последовательности, что в конечном счете и будет означать восстановление переданной информации. Чаще всего передача реализуется квадратурно-фазовой модуляцией (quadrature phase-shift keying – QPSK), то есть одновременно передается по два бита (число от 0 до 4), закодированных четырьмя различными сдвигами фаз несущей частоты. Передатчик с одним PN-кодом не может создать точно те же боковые полосы (спектральные составляющие) как другой передатчик, использующий другой PN-код.

Перемножение принятого сигнала и сигнала такого же источника псевдослучайного шума (ПСП), который использовался в передатчике, сжимает спектр полезного сигнала и одновременно расширяет спектр фонового шума и других источников интерференционных помех. Результирующий выигрыш в отношении сигнал/шум на выходе приемника есть функция отношения ширины полос широкополосного и базового сигналов: чем больше расширение спектра, тем больше выигрыш. Во временной области – это функция отношения скорости передачи цифрового потока в радиоканале к скорости передачи базового информационного сигнала. Для стандарта IS-95 отношение составляет 128 раз, или 21 дБ. Это позволяет системе работать при уровне интерференционных помех, превышающих уровень полезного сигнала на 18 дБ, так как обработка сигнала на выходе приемника требует превышения уровня сигнала над уровнем помех всего на 3 дБ. В реальных условиях уровень помех значительно меньше. Кроме того, расширение спектра сигнала (до 1,23 МГц) можно рассматривать как применение методов частотного разнесения приема. Сигнал при распространении в радиотракте подвергается замираниям вследствие многолучевого характера распространения. В частотной области это явление можно представить как воздействие режекторного фильтра с изменяющейся шириной полосы режекции (обычно не более чем на 300 кГц). В стандарте AMPS это соответствует подавлению десяти каналов, а в системе CDMA подавляется лишь около 25% спектра сигнала, что не вызывает особых затруднений при восстановлении сигнала в приемнике.

В технологии CDMA для кодового разделения каналов используются ортогональные коды Уолша. Сигналы разных каналов взаимно ортогональны, что гарантирует отсутствие взаимных помех между ними на одной БС. Внутрисистемные помехи возникают в основном от передатчиков других БС, работающих на той же частоте, но с другим циклическим сдвигом.

Для максимизации абонентской емкости системы необходимо, чтобы терминалы всех абонентов излучали сигнал такой мощности, которая обеспечила бы одинаковый уровень принимаемых БС сигналов. Чем точнее управление мощностью, тем больше абонентская емкость системы.

Благодаря низкому уровню мощности сигнала, полученного методом прямого расширения спектра, практически не создаются помехи обычным радиоустройствам (узкополосным большой мощности), так как эти последние принимают широкополосный сигнал за шум в пределах допустимого. В другую же сторону – обычные устройства не мешают широкополосным, так как их сигналы большой мощности "шумят" каждый только в своем узком канале и не могут заглушить широкополосный сигнал весь целиком.

В результате можно сказать, что использование широкополосных технологий дает возможность использовать один и тот же участок радиоспектра дважды – обычными узкополосными устройствами и "поверх них" – широкополосными.

Метод скачкообразного изменения частоты несущей. Скачкообразное изменение частоты несущей во втором способе – смотри рисунок 2.16, осуществляется за счет быстрой перестройки выходной частоты синтезатора в соответствии с законом формирования псевдослучайной последовательности. Каждая несущая частота и связанные с ней боковые полосы должны оставаться в пределах ширины полосы, определяемой системе связи. Только в случае, когда предполагаемый получатель знает последовательность прыжков частоты передатчика, его приемник может следовать этим прыжкам частоты.

Рисунок 2.16 - Схема расширения спектра частот цифровых сообщений методом частотных скачков

При кодировке по методу частотных скачков (FHSS) вся отведенная для передач полоса частот подразделяется на некоторое количество подканалов (по стандарту 802.11 этих каналов 79). Каждый передатчик в каждый данный момент использует только один из этих подканалов, регулярно перескакивая с одного подканала на другой. Стандарт 802.11 не фиксирует частоту таких скачков – она может задаваться по-разному в каждой стране. Эти скачки происходят синхронно на передатчике и приемнике по заранее определенной псевдослучайной последовательности, известной обоим; ясно, что, не зная последовательности переключений, принять передачу также нельзя.

Другая пара передатчик-приемник будет использовать другую последовательность переключений частот, заданную независимо от первой. В одной полосе частот и на одной территории прямой видимости (в одной "ячейке") таких последовательностей может быть много. Ясно, что при возрастании числа одновременных передач возрастает и вероятность коллизий, когда, например, два передатчика одновременно перескочили на частоту № 45, каждый в соответствии со своей последовательностью, и заглушили друг друга. Для случаев, когда два передатчика пытаются использовать ту же самую частоту одновременно, предусмотрен протокол разрешения столкновений, по которому передатчик делает попытку повторно послать данные на следующей в последовательности частоте.

Ниже приводятся диаграммы для некоторых видов частотной манипуляции (ЧМ) FHSS.

Медленные «прыжки». Длительность передачи символа меньше времени нахождения на одной из подчастот. (т.е., на каждом подканале может быть передано более одного символа) – смотри рисунок 2.17.

Рисунок 2.17 - Диаграмма медленных «прыжков» (ТS – длительность передачи символа)

Быстрые «прыжки». Быстрые прыжки показаны на рисунке 2.18.

Рисунок 2.18 - Диаграмма быстрых «прыжков» (ТS – длительность передачи символа)

Длительность передачи символа больше времени нахождения на одной из подчастот ( на каждом подканале передается лишь часть кода символа).

Итак, ШПС-технологии для метода прямой последовательности имеют свойства:

- помехозащищенность;

- не создаются помехи другим устройствам;

- конфиденциальность передач;

- возможность повторного использования одного и того же участка спектра.

Формирование каналов в сетях сотовой связи

Частотный канал – это полоса частот, отводимая для передачи информации одного канала связи. При использовании метода TDMA в одном частотном канале передается информация нескольких каналов связи, т. е. в одном частотном канале размещается несколько физических каналов.

Физический канал в системе TDMA – это временной слот с определенным номером в последовательности кадров радиоинтерфейса.

Логические каналы (ЛК) различаются по виду информации, передаваемой по ФК. В принципе в ФК может быть реализован один из двух видов ЛК – канал трафика (КТ) или канал управления (КУ). Каждый из них может в общем случае существовать в одном или нескольких вариантов (типов). Логический канал трафика (КТ) – это канал передачи речи или данных. Логический канал управления предназначен для передачи управляющей информации (сигнализации). В таблице 2.3 приведена классификация логических каналов, используемых в ССС.

Таблица 2.3 - Классификация и типовые обозначения каналов

Признак	Обозначение	Название канала
Направление связи	F	Прямой (Forward)
	R	Обратный (Reverse)
Тип канала	L	Логический (Logical)
	P	Физический (Physical)
Назначение канала	A	Доступ (Access)
	P	Вызывной (Paging)
	S	Сигнализация (Signaling)
	T	Трафика (Traffic)
	C	Управления (Control)
Способ организации связи	A	Совмещенный (Associated)
	B	Широковещательный (Broadcast)
	C	Общий (Common)
	D	Выделенный (Dedicated)
	SD	Автономный (Stand-alone)
Вспомогательные каналы	A	Вспомогательный (Auxiliary)
	PI	Пилот-сигнала (Pilot)
	S или SYNC	Синхроканал (Synchronization)

Пути повышения емкости системы сотовой связи

Исходя из вышеизложенного, можно выделить четыре группы способов повышения емкости в системах сотовой связи.

1. Совершенствование методов обработки сигналов (цифровая обработка), переход от FDMA к TDMA и к CDMA. В пределах TDMA – переход от полноскоростного кодирования речи к полускоростному.

2. Дробление ячеек, т. е. переход к меньшим ячейкам (микросотам и пикосотам) в районах с интенсивным трафиком.

3. Использование адаптивного назначения каналов. Частотные каналы все или частично находятся в оперативном распоряжении ЦК, который выделяет их для пользования отдельным БС по мере поступления заявок (вызовов). Это позволяет гибко отслеживать флуктуации трафика. Данный метод используется в системе беспроводных телефонов. Адаптивным является и метод назначения физических каналов в CDMA.

4. Расширение выделяемой полосы частот, что в условиях жестких ограничений является малоперспективным.

Контрольные вопросы

1. Почему выделенные полосы частот жестко ограничены и вмещают в себя небольшое число частотных каналов?

2. На какой местности линия LOS длиннее: в городе, пригороде или открытой местности (степь или горы) и почему.

3. Что вызывает медленные и что вызывает быстрые замирания на трассе распространения радиоволн в сотовой системе связи?

4. Какие параметры аппаратуры и какие параметры системы связи определяют радиус зоны уверенного приема?

5. По аналогии с примером расчета потерь по лини NLOS, приведенном в 2.2.2 для частоты f=915 МГц рссчитайте потери по линии NLOS, изменяя расстояние между БС и МС от 1 км до 35 км с интервалом через 5 км. Построете график зависимости потерь LP в зависимости от d.

6. Проделайте аналогичные расчеты для расстояния d=15км, изменяя частоту f(МГц) от 915 до 1800 с интервалом в 300МГц. Постройте график зависимости LP в зависимости от f.

7. Какой вид разнесения используется в кластерах?

8. При каком виде множественного доступа (с частотным разделением, с временным разделением или с кодовым разделением) вещание ведется в режиме «реального времени»?

9. Что называется базой сигнала? Дайте определения таких параметров, как ширина спектра и длительность сигнала.

10. Каким образом при организации прыжков по частоте можно ослабить воздействие помехи?

11. Для каких целей в логических каналах используется управляющая информация?

12. Для чего необходимо повышать емкость систем мобильной связи?

13. Какой метод множественного доступа (FDMA или CDMA) наиболее распространен в настоящее время?

14. Что понимается под интенсивным трафиком?

ГЛАВА 3

ОСНОВНЫЕ ЦИФРОВЫЕ СТАНДАРТЫ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ

3.1 Мобильная связь стандарта GSM

История возникновения и развития сотовой связи

стандарта GSM 900/1800

В 1982 году Европейская конференция администраций почт и электросвязи (СЕРТ) создала специальную группу – Groupe Special Mobile (GSM), которая должна была заниматься разработкой единого европейского стандарта цифровой сотовой связи для выделенного диапазона 900 МГц. Аббревиатуру GSM позднее стали расшифровывать как Global System for Mobile Communications. Представлен первый стандарт цифровой сотовой связи GSM был только в 1991 году, когда 1 июля был осуществлен первый звонок в сети. В том же году появился стандарт DCS – 1800 (Digital Cellular System 1800 MHz), созданный на базе стандарта GSM с диапазоном частот 1710-1880 МГц. Разработчики GSM выбрали неопробованную в то время цифровую систему, противопоставив ее стандартизованным аналоговым системам сотовой подвижной связи, таким как AMPS в США и TACS в Великобритании. Они верили в то, что усовершенствование алгоритмов компрессии и цифровых процессоров позволит удовлетворить первоначальные требования к системе, и она будет развиваться по пути улучшения соотношения качество/стоимость. С самого начала разработчики GSM стремились обеспечить совместимость сетей GSM и ISDN по набору предлагаемых услуг. В 1993 году Австралия становится первой не-Европейской страной, подписавшей MoU (Меморандум о понимании). На данный момент MoU подписали 70 участников. Введены в эксплуатацию сети GSM в Норвегии, Австрии, Ирландии, Гонконге и Австралии. Число абонентов сетей GSM достигло одного миллиона. В Великобритании введена в эксплуатацию первая коммерческая система DCS 1800. В 1994 году MoU насчитывает уже 100 участников из 60 стран. Вводятся все новые сети GSM. Общее число абонентов сетей GSM превысило 3 миллиона. В 1995 году в США разработана спецификация для стандарта «Персональные услуги связи» (PCS). Это версия GSM, работающая в диапазоне 1900 МГц. Уже в 1998 году число абонентов мобильной связи по всему миру достигло 200 миллионов. MoU насчитывает 253 участника в более чем 100 странах. Сети стандарта GSM по всему миру насчитывают более 70 миллионов абонентов. Абоненты сетей GSM составляют 31% мирового рынка телекоммуникационных услуг. К 2004 году сети GSM существуют уже в 207 странах, и общее количество абонентов составляет 1046 млн. В 2007 году услугами GSM пользовались свыше 2,1 миллиардов абонентов в 920 сетях в 222 странах и регионах. Абоненты сетей GSM достигают 80% мирового рынка, в то время как доля сетей CDMA и WCDMA составляла 13,2% и 3,8% соответственно. Значение аналоговых сетей уменьшилось до 0,1%.

Изначально под стандарт GSM был выделен диапазон частот в пределах 900 МГц. И в настоящее время данный диапазон остается всемирным. В некоторых странах используются расширенные диапазоны частот, обеспечивающие большую емкость сети. Расширенные диапазоны называются Е – GSM (Extended) и R – GSM (Railway), в то время как обычный диапазон носит название P – GSM (Primary). В 1990 году для увеличения конкуренции между операторами, в Великобритании начали развивать новую версию GSM, которая адаптирована к диапазону 1800 МГц. Сразу после утверждения данного диапазона несколько стран сделали заявку на его использование. Введение данного диапазона увеличило рост количества операторов, приводя к увеличению конкуренции и, соответственно, улучшению качества обслуживания. Применение данного диапазона позволяет увеличивать емкость сети за счёт увеличения полосы пропускания и, соответственно, увеличение количества несущих. Диапазон 1800 использует следующие диапазоны частот: 1710-1805/1785-1880 МГц. До 1997 года стандарт 1800 носил название Digital Cellular System (DCS) 1800 МНz, в настоящее время носит название GSМ -1800.

В 1995 году в США была специфицирована концепция РСS (Реrsоnаl Cellular System). Основной идеей этой концепции является возможность предоставления персональной связи, то есть связи между двумя абонентами, а не между двумя мобильными станциями. РСS не требует, чтобы эти услуги были реализованы на основе сотовой технологии, но в настоящее время эта технология признана наиболее эффективной для данной концепции. Частоты, доступные для реализации РСS, находятся в области 1900 МГц. Поскольку в Северной Америке стандарт GSМ 900 не может быть использован из-за того, что эта полоса частот занята другим стандартом, стандарт GSМ -1900 является возможностью заполнения этого пробела. Основным различием между американским стандартом GSМ -1900 и GSМ - 900 является то, что GSМ - 1900 поддерживает сигнализацию ANSI.

Традиционно полоса 800 МГц была занята распространенным в США стандартом ТDМА (АМРS и D-АМРS). Как и в случае со стандартом GSМ - 1800 этот стандарт дает возможность получения дополнительных лицензий, то есть расширяет область работы стандарта на национальных сетях, предоставляя операторам дополнительную емкость. В таблице 3.1 приведены сравнительные данные различных частотных диапазонов.

Таблица 3.1 – Диапазоны частот

Передача	Диапазоны частот
	P-GSM 900	E-GSM 900	R-GSM 900	GSM 1800	GSM 1900
Uplink	890-915 МГц	880-915 МГц	890-925 МГц	1710-1785 МГц	1850-1910 МГц
Downlink	935-960 МГц	925-960 МГц	935-970 МГц	1805-1880 МГц	1930-1990 МГц

Основные характеристики стандарта GSM

Основные характеристики стандарта GSM приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2- Основные характеристики стандарта GSM

Частоты передачи подвижной станции и приема базовой станции (обратный канал), МГц	890-915
Частоты приема подвижной станции и передачи базовой станции (прямой канал), МГц	935-960
Дуплексный разнос частот приема и передачи, МГц	45
Скорость передачи сообщений в радиоканале, кбит/с	270, 833
Скорость преобразования речевого кодека, кбит/с	13
Ширина полосы канала связи, кГц	200
Максимальное количество каналов связи	124
Максимальное количество каналов, организуемых в базовой станции	16-20
Вид модуляции	GMSK
Индекс модуляции	ВТ 0,3
Ширина полосы предмодуляционного гауссовского фильтра, кГц	81,2
Количество скачков по частоте в секунду	217
Временное разнесение в интервалах TDMA кадра (передача/прием) для подвижной станции	2
Вид речевого кодека	RPE/LTP
Максимальный радиус соты, км	до 35
Схема организации каналов	TDMA

Структурная схема и состав оборудования системы связи

GSM

Структурная схема системы мобильной связи стандарта GSM представлена на рисунке 3.1. Сеть GSM делится на две системы: система коммутации (SSS) и система базовых станций (BSS). В стандарте GSM функциональное сопряжение элементов системы осуществляется посредством интерфейсов, а все сетевые компоненты взаимодействуют в соответствии с системой сигнализации МККТТ SS № 7 (CCITT SS № 7).

Центр коммутации мобильной связи MSC обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы мобильная станция. MSC аналогичен коммутационной станции и представляет собой интерфейс между фиксированными сетями (PSTN, PDN, ISDN и т. д.) и системой мобильной связи. Он обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами. Кроме выполнения функций обычной коммутационной станции, на MSC возлагаются функции коммутации радиоканалов. К ним относятся «эстафетная передача», в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении мобильной станции из соты в соту и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или при неисправностях.

Рисунок 3.1 - Структурная схема системы мобильной связи стандарта GSM

На данной схеме обозначены: MS – мобильная станция; BTS – приемно-передающие базовые станции; BSC – контроллер базовой станции; TCE – транскодер; BSS – оборудование базовой станции; MSC – центр коммутации мобильной связи; HLR – регистр положения; VLR – регистр перемещения; AUC – центр аутентификации; EIR – регистр идентификации оборудования; OMC – центр эксплуатации и технического обслуживания; NMC-центр управления сетью.

MSC обеспечивает обслуживание мобильных абонентов, расположенных в пределах определенной географической зоны.

MSC управляет процедурами установления вызова и маршрутизации, накапливает данные о состоявшихся разговорах, необходимые для выписки счетов за предоставленные сетью услуги.

MSC поддерживает процедуры безопасности, применяемые для управления доступом к радиоканалам. MSC управляет процедурами регистрации местоположения для обеспечения доставки вызова перемещающимся мобильным абонентам от абонентов телефонной сети общего пользования и обеспечения ведения разговора при перемещении мобильной станции из одной зоны обслуживания в другую. В стандарте GSM также предусмотрены процедуры передачи вызова между сетями (контроллерами), относящимися к разным MCS.

MSC формирует данные, необходимые для выписки счетов за предоставленные сетью услуги связи, накапливает данные по состоявшимся разговорам и передаёт их в центр расчётов (биллинг-центр). MSC составляет также статистические данные, необходимые для контроля работы и оптимизации сети.

MSC не только участвует в управлении вызовами, но также управляет процедурами регистрации местоположения и передачи управления.

Центр коммутации осуществляет постоянное слежение за мобильными станциями, используя регистры положения (HLR) и перемещения (VLR).

Регистр положения HLR представляет собой базу данных о постоянно прописанных в сети абонентах. Информация об абоненте заносится в HLR в момент регистрации абонента и хранится до тех пор, пока абонент не прекратит пользоваться данной системой связи и не будет удалён из регистра HLR.

В базе данных содержатся опознавательные номера и адреса, параметры подлинности абонентов, состав услуг связи, информация о маршрутизации, регистрируются данные о роуминге абонента, включая данные о временном идентификационном номере мобильного абонента (TMSI) и соответствующем VLR. Долговременные данные, хранящиеся в регистре положения HLR приведены в таблице 3.3.

К данным, содержащимся в HLR, имеют дистанционный доступ все MSC- и VLR-сети, в том числе относящиеся к другим сетям при обеспечении межсетевого роуминга абонентов. Если в сети несколько HLR, каждый HLR представляет собой определенную часть общей базы данных сети об абонентах. Доступ к базе данных об абонентах осуществляется по номеру IMSI или MS ISDN (номеру мобильного абонента в сети ISDN).

HLR может быть выполнен как в собственном узле сети, так и отдельно. Если емкость HLR исчерпана, то может быть добавлен дополнительный HLR. В случае организации нескольких HLR база данных остаётся единой – распределённой. Запись данных об абоненте всегда остаётся единственной. К данным, хранящихся в HLR, могут получить доступ MSC и VLR, относящиеся к другим сетям, в рамках обеспечения межсетевого роуминга абонентов.

Таблица 3.3 – Долговременные данные, хранящиеся в регистре HLR

Состав долговременных данных, хранящихся в HLR
1	IMS1 - международный идентификационный номер подвижного абонента
2	Номер подвижной станции в международной сети ISDN
3	Категория подвижной станции
4	Ключ аутентификации
5	Виды обеспечения вспомогательными службами
6	Индекс закрытой группы пользователей
7	Код блокировки закрытой группы пользователей
8	Состав основных вызовов, которые могут быть переданы
9	Оповещение вызывающего абонента
10	Идентификация номера вызываемого абонента
11	График работы
12	Оповещение вызываемого абонента
13	Контроль сигнализации при соединении абонентов
14	Свойства (средства) закрытой группы пользователей
15	Льготы закрытой группы пользователей
16	Запрещенные исходящие вызовы в закрытой группе пользователей
17	Максимальное количество абонентов
18	Используемые пароли
19	Класс приоритетного доступа
20	Запрещенные входящие вызовы в закрытой группе абонентов

Регистр перемещения VLR также предназначен для контроля передвижения мобильной станции из одной зоны в другую. База данных VLR содержит информацию обо всех абонентах мобильной связи, расположенных в данный момент в зоне обслуживания MSC. Он обеспечивает функционирование мобильной станции за пределами зоны, контролируемой HLR.

Когда абонент перемещается в зону обслуживания нового MSC, VLR, подключенный к данному MSC, запрашивает информацию об абоненте из того HLR, в котором хранятся данные этого абонента. HLR посылает копию информации в VLR и обновляет у себя информацию о местоположении абонента. Когда абонент звонит из новой зоны обслуживания, VLR уже располагает всей информацией, необходимой для обслуживания вызова. В случае роуминга абонента в зону действия другого MSC, VLR запрашивает данные об абоненте из HLR, к которому принадлежит данный абонент. HLR в свою очередь передаёт копию данных об абоненте в запрашивающий VLR и в свою очередь обновляет информацию о новом местоположении абонента. После того как информация обновится, MS может осуществлять исходящие/входящие соединения.

Для обеспечения сохранности данных в регистрах HLR и VLR предусмотрена защита их устройств памяти. VLR содержит такие же данные, что и HLR. Эти данные хранятся в VLR, пока абонент находится в контролируемой зоне. Временные данные, хранящиеся в регистре VLR приведены в таблице 3.4.

Таблица 3.4 – Временные данные, хранящиеся в регистре VLR

	Состав временных данных, хранящихся в HLR и VLR
		1		1
	HLR		VLR
1	Параметры аутентификации и шифрования		1	TMSI - временный международный идентификационный номер пользователя
2	Временный номер подвижной станции, который назначается VLR		2	Идентификация зоны расположения
3	Адреса регистров перемещения VLR		3	Указания по использованию основных служб
4	Зоны перемещения подвижной станции		4	Номер соты «эстафетной передачи»
5	Номер соты при эстафетной передаче		5	Параметры аутентификации и шифрования
6	Регистрационный статус
7	Таймер отсутствия ответа (отключения соединения)
8	Состав используемых в данный момент паролей
9	Активность связи

При роуминге мобильной станции VLR присваивает ей номер (MSRN). Когда мобильная станция принимает входящий вызов, VLR выбирает его MSRN и передает его на MSC, который осуществляет маршрутизацию этого вызова к базовым станциям, находящимся рядом с мобильным абонентом.

VLR управляет процедурами установления подлинности во время обработки вызова. По решению оператора TMSI может периодически изменяться для усложнения процедуры идентификации абонентов, Доступ к базе данных VLR может обеспечиваться через IMSI, TMSI или через MSRN. В целом VLR представляет собой локальную базу данных о мобильном абоненте для той зоны, где находится абонент. Это позволяет исключить постоянные запросы в HLR и сократить время на обслуживание вызовов.

Центр аутентификации AUC предназначен для удостоверения подлинности абонентов с целью исключения несанкционированного использования ресурсов системы связи. AUC принимает решения о параметрах процесса аутентификации и определяет ключи шифрования абонентских станций на основе базы данных, сосредоточенной в регистре идентификации оборудования (Equipment Identification Register – EIR). Каждый мобильный абонент на время пользования системой связи получает стандартный модуль подлинности абонента (SIM), который содержит: международный идентификационный номер (IMSI), свой индивидуальный ключ аутентификации Ki и алгоритм аутентификации А3. С помощью записанной в SIM информации в результате взаимного обмена данными между мобильной станцией и сетью осуществляется полный цикл аутентификации и разрешается доступ абонента к сети. Процедура проверки подлинности абонента следующая показана на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Схема процедуры аутентификации

Сеть передает случайный номер (RAND) на мобильную станцию. На ней с помощью Ki и алгоритма аутентификации А3 определяется значение отклика (SRES), т. е. SRES = Кi*[RAND]. Мобильная станция посылает вычисленное значение SRES в сеть. Сеть сверяет принятое значение SRES со значением SRES, вычисленным сетью. Если значения совпадают, мобильная станция допускается к передаче сообщений. В противном случае связь прерывается и индикатор мобильной станции показывает, что опознавание не состоялось. Для обеспечения секретности вычисление SRES происходит в рамках SIM. Несекретная информация не подвергается обработке в модуле SIM.

Регистр идентификации оборудования EIR содержит базу данных для подтверждения подлинности международного идентификационного номера оборудования мобильной станции (IMEI). База данных EIR состоит из списков номеров IMEI, организованных следующим образом:

- белый список – содержит номера IMEI, о которых есть сведения, что они закреплены за санкционированными мобильными станциями;

- черный список – содержит номера IMEI мобильных станций, которые украдены или которым отказано в обслуживании по какой-либо причине;

- серый список – содержит номера IMEI мобильных станций, у которых выявлены проблемы, не являющиеся основанием для внесения в «черный список».

К базе данных EIR имеют доступ MSC данной сети, а также могут получать доступ MSC других мобильных сетей.

Центр эксплуатации и технического обслуживания ОМС является центральным элементом сети GSM. Он обеспечивает управление элементами сети и контроль качества ее работы. ОМС соединяется с другими элементами сети по каналам пакетной передачи протокола Х.25. ОМС обеспечивает обработку аварийных сигналов, предназначенных для оповещения обслуживающего персонала, и регистрирует сведения об аварийных ситуациях в элементах сети. В зависимости от характера неисправности ОМС обеспечивает ее устранение автоматически или при активном вмешательстве персонала. ОМС может осуществить проверку состояния оборудования сети и прохождения вызова мобильной станции. ОМС позволяет регулировать нагрузку в сети.

Центр управления сетью NMC позволяет обеспечивать рациональное иерархическое управление сетью GSM. NMC обеспечивает управление трафиком сети и диспетчерское управление сетью в сложных аварийных ситуациях. Кроме того, NMC контролирует и отражает на дисплее состояние устройств автоматического управления сетью. Это позволяет операторам NMC контролировать региональные проблемы и оказывать помощь при их решении. В экстремальных ситуациях операторы NMC могут задействовать такие процедуры управления, как «приоритетный доступ», когда только абоненты с высоким приоритетом (экстренные службы) могут получить доступ к системе. NMC контролирует сеть и ее работу на сетевом уровне и, следовательно, обеспечивает сеть данными, необходимыми для ее оптимального развития.

Итак, персонал NMT может сосредоточиться на решении долгосрочных стратегических проблем, связанных со всей сетью в целом, а локальный персонал каждого OMC/OSS может сосредоточиться на решении краткосрочных региональных или тактических проблем.

Оборудование базовой станции BSS состоит из контроллера базовой станции (BSC) и приемопередающих базовых станций (BTS). Контроллер базовой станции может управлять несколькими BTS. BSC управляет распределением радиоканалов, контролирует соединения, регулирует их очередность, обеспечивает режим работы со скачками частоты, модуляцию и демодуляцию сигналов, кодирование и декодирование сообщений, кодирование речи, адаптацию скорости передачи речи, данных и вызова. BSS совместно с MSC выполняет функции освобождения канала, если из-за радиопомех не проходит вызов, а также осуществляет приоритетную передачу информации для некоторых категорий мобильных станций.

Транскодер ТСЕ обеспечивает приведение выходных сигналов канала передачи речи и данных MSC (64 кбит/с ИКМ) к виду, соответствующему рекомендациям GSM по радиоинтерфейсу (Рек. GSM 04.08), со скоростью передачи речи 13 кбит/с – полноскоростной канал. Стандартом предусмотрено использование в перспективе полускоростного речевого канала 6,5 кбит/с. Снижение скорости передачи обеспечивается применением специального речепреобразующего устройства, применяющего линейное предикативное кодирование (LPC), долговременное предсказание (LTP), остаточное импульсное возбуждение (RPE или RELP). Транскодер, как правило, размещается вместе с MSC. При передаче цифровых сообщений к контроллеру базовых станций BSC осуществляется стафингование (добавление дополнительных битов) информационного потока 13 кбит/с до скорости передачи 16 кбит/с. Затем осуществляется уплотнение полученных каналов с кратностью 4 в стандартный канал 64 кбит/с. Так формируется определенная Рекомендациями GSM 30-канальная ИКМ-линия, обеспечивающая передачу 120 речевых каналов. Дополнительно один канал (64 кбит/с) выделяется для передачи информации сигнализации, второй канал (64 кбит/с) может использоваться для передачи пакетов данных, согласующихся с протоколом Х.25 МККТТ. Таким образом, результирующая скорость передачи по указанному интерфейсу составляет 30x64 + 64 + 64 = 2048 кбит/с.

Идентификаторы – ряд номеров, которые сеть GSМ использует для определения местоположения абонента при установлении соединения. Данные идентификаторы используются для маршрутизации вызовов к МS. Важно, чтобы каждый идентификационный номер был уникальным и был всегда корректно определён. Описание идентификаторов приведено ниже.

IМSI (International Mobile Subscriber Identity) уникально описывает мобильную станцию в глобальной мировой сети GSМ. Большинство операций внутри сети GSМ производятся именно по этому номеру. IМSI хранится в SIМ, в НLR, в обслуживающем VLR и в АUС. Согласно спецификациям GSM длина IМSI составляет как правило 15 цифр. IМSI состоит из трёх основных частей:

- MCC (Mobile Country Code) – код мобильной связи для страны (3 цифры);

- MNC (Mobile Network Code) – код оператора мобильной связи (3 цифры);

- MSIN (Mobile Station Identification Number) – идентификационный номер MS.

MSISDN (Моbile Station ISDN Number) это номер абонента, котрый мы набираем, когда хотим ему позвонить. Данных номеров может быть несколько у одного абонента. План нумерации для MSISDN полностью соответствует плану нумерации ТфОП:

- СС (Country Code) - код страны;

- NDC (National Destination Code) - национальный код пункта назначения (города или сети);

- SN (Subscriber Number) — номер абонента.

Для каждой сети РLМN существует свой NDC. В сети связи Республики Казахстан NDC + SN называется «национальный значащий номер». NDС для мобильных сетей обозначаются как DEF и называются «негеографическим кодом зоны». В России для каждой РLМN определены несколько NDС. Номер MSISDN может быть переменной длины. Максимальная длина составляет 15 цифр, префиксы не включаются (+7). Входящее соединение с абонентом сети Beeline осуществляется набором +7 777 ХХХ ХХХХ или же с кодом 705.

ТМSI (Теmporary Mobile Subscriber Identity) – временный номер IМSI, который может выдаваться МS при её регистрации. Он используется для сохранения конфиденциальности передвижения мобильной станции. МS всегда будет выходить в радиоэфир с новым номером ТМSI. ТМSI не имеет жесткой структуры как IМSI, длина его как правило составляет 8 цифр. Поскольку TМSI имеет в два раза меньший размер, чем IМSI, пейджинг в одном цикле осуществляется для двух абонентов, что также сокращает нагрузку на процессор. Каждый раз, когда МS делает запрос на системные процедуры (LU, попытка вызова или активация сервиса) МSС/VLR ставит новый ТМSI в соответствие с IМSI, МSС/VLR. передаёт ТМSI на МS, которая хранит его в SIМ-карте. Сигнализация между МSС/VLR. и МS используется только на основе ТМSI. Таким образом, реальный номер абонента IМSI не передается через радиоэфир. IМSI используется тогда, когда процедура Location Update выполнена неудачно или не назначен ТМSI.

IМЕI (International Mobile Terminal Identity) используется для уникальной идентификации мобильного терминала в сети. Данный код используется в процедурах обеспечения безопасности связи для идентификации украденного оборудования и предотвращения неавторизованного доступа в сеть. Согласно спецификациям GSМ длина IМЕI составляет 15 цифр:

- ТАС (Туре Арргоvаl Соdе) – код утвержденного типового образца (6 цифр);

- FАС (Final Assembly Соdе) – код окончательно собранного изделия,

присваивает производитель (2 цифры);

- SNR (Serial Number) – индивидуальный серийный номер (6 цифр).

Идентифицирует полностью все оборудование с учетом кодов ТАС и FАС.

- Sраrе – свободная цифра. Зарезервирована для будущего использования.

Когда данный код передается в МS, значение данного кода должно быть всегда «0».

IМЕISV (International Mobile Terminal Identity и Software Version number) – обеспечивает уникальную идентификацию каждого МТ, а также обеспечивает соответствие версии программного обеспечения, инсталлированного в МS, разрешенному оператором. Версия программного обеспечения является важным параметром, так как от этого зависят услуги, доступные для МS, а также способность выполнять речевое кодирование. Так, например, PLMN необходимо знать возможности речевого кодирования MS при установлении соединения (например, half rate/full rate, и т.д.). Данные возможности отображаются с помощью IМЕISV, первые 14 цифр которого повторяют IМЕI, а 2 последние:

- SVN (Software Version number) – номер программной версии, позволяют производителю МS идентифицировать различные версии программного обеспечения утверждённого типового образца МS. SVN со значением 99, зарезервирован для будущих целей.

МSRN (Моbile Station Roaming Number) – временный номер, необходимый для маршрутизации входящего соединения в тот МSС, в котором сейчас находится МS. Время использования МSRN очень маленькое - только проключение входящего соединения, после этого номер освобождается и может быть использован для проключения следующего соединения. МSRN состоит из трёх частей, таких же как в MSISDN, но в этом случае SN означает адрес обслуживающего МSC/VLR.

LAI (Location Area Identity) – номер области (LA), описывающий уникально LA в рамках всей мировой сети GSM. LAI состоит из следующих частей:

- MCC (Mobile Country Code) – код мобильной связи для страны (3 цифры);

- MNC (Mobile Network Code) – код оператора мобильной связи (3 цифры);

- LAC (Location Area Code) – код местоположения, максимальная длина LAC составляет 16 бит, что позволяет определить 65536 различных LA внутри одной PLMN.

- CGI (Cell Global Identity) используется для идентификации конкретной соты внутри LA. Идентификация соты осуществляется посредством добавления параметра Cell Identity (CI) к компонентам LAI. CI имеет размер 16 бит.

- BSIC (Base Station Identity Code) дает возможность MS различать соты с одинаковыми частотами. BSIC состоит из:

- NCC (Network Color Code) – цветовой код сети. Используется для того, чтобы разграничивать зоны действия операторов в тех местах, где сети операторов перекрывают друг друга.

- BCC (Base station Color Code) – цветовой код базовой станции. Используется для того, чтобы различать между собой базовые станции, использующие одинаковые частоты.

Сетевые интерфейсы и радиоинтерфейсы

В цифровых сотовых системах мобильной связи стандарта GSM используются интерфейсы трех видов для обеспечения соединения:

- с внешними сетями;

- между различным оборудованием сетей GSM;

- между сетью GSM и внешним оборудованием. Все существующие внутренние интерфейсы сетей GSM показаны на структурной схеме (рисунок 1.3). Они полностью соответствуют требованиям Рекомендаций ETSI/GSM 03.02.

Интерфейсы с внешними сетями:

- соединение с PSTN. Соединение с телефонной сетью общего пользования осуществляется MSC по линии связи 2 Мбит/с в соответствии с системой сигнализации SS № 7. Электрические характеристики 2 Мбит/с интерфейса соответствуют Рекомендациям МККТТ G.732;

- соединение с ISDN. Для соединения с создаваемыми сетями ISDN предусматриваются 4 линии связи 2 Мбит/с, поддерживаемые системой сигнализации SS № 7 и отвечающие Рекомендациям Голубой книги МККТТ Q.701-Q.710, Q.711-Q.714, Q.716, Q.761-Q.764, Q.766, Q.781, Q.782, Q.791, Q.795;

- соединения с международными сетями GSM. Подключение сети GSM к общеевропейским сетям GSM осуществляется на основе протоколов систем сигнализации (SCCP) и межсетевой коммутации мобильной связи (GMSC).

Внутренние GSM-интерфейсы:

- интерфейс между MSC и BSS (А-интерфейс) обеспечивает передачу сигналов управления BSS, передачи вызова, управления передвижением. А-интерфейс объединяет каналы связи и линии сигнализации. Полная спецификация А-интерфейса соответствует требованиям серии 08 Рекомендаций ETSI/GSM;

- интерфейс между MSC и HLR (В-интерфейс) совмещен с VLR. При необходимости определения местоположения мобильной станции MSC обращается к VLR. Если мобильная станция инициирует процедуру местоопределения, уточненная информация о ее местоположении заносится в регистры VLR. Эта процедура происходит всегда, когда MS переходит из одной области местоопределения в другую. Если абонент запрашивает специальные дополнительные услуги или изменяет некоторые свои данные, MSC также информирует VLR, который регистрирует изменения и при необходимости сообщает о них HLR;

- интерфейс между MSC и HLR (С-интерфейс) используется для обеспечения взаимодействия между MSC и HLR. MSC может послать указание (сообщение) HLR в конце сеанса связи для того, чтобы абонент мог оплатить разговор. Когда сеть фиксированной телефонной связи не способна исполнить процедуру установления вызова мобильного абонента, MSC может запросить HLR с целью определения местоположения абонента для того, чтобы послать вызов MS;

- интерфейс между HLR и VLR (D-ннтерфейс) используется для расширения обмена данными о положении мобильной станции и управления процессом связи. Основная услуга, предоставляемая мобильному абоненту, заключаются в обеспечении связи независимо от его местоположения. Для этого VLR информирует HLR о положении MS, управляет ею и переприсваивает ей номера в процессе передвижения;

- интерфейс между MSC (Е-интерфейс) обеспечивает взаимодействие между разными MSC при осуществлении процедуры HANDOVER -передачи абонента из зоны в зону при его движении в процессе сеанса связи без ее перерыва;

- интерфейс между BSC и BTS (A-bis-интерфейс) служит для связи BSC с BTS. Интерфейс определен Рекомендациями ETSI/GSM для процессов установления соединений и управления оборудованием. Передача осуществляется цифровыми потоками со скоростью 2,048 Мбит/с, возможно использование физического интерфейса 64 кбит/с.;

- интерфейс между BSC и ОМС (О-интерфейс) предназначен для связи BSC с ОМС, используется в сетях с пакетной коммутацией МККТТ Х.25;

- внутренний BSC-интерфейс контроллера базовой станции обеспечивает связь между различным оборудованием BSC и оборудованием транскодирования (ТСЕ); использует стандарт ИКМ-передачи 2,048 Мбит/с и позволяет организовать из четырех каналов со скоростью 16 кбит/с один канал на скорости 64 кбит/с.;

- интерфейс между MS и BTS (Um-радиоинтерфейс) определен в сериях 04 и 05 Рекомендаций ETSI/GSM;

- сетевой интерфейс между ОМС и сетью, так называемый управляющий интерфейс между ОМС и элементами сети, определен ETSI/GSM Рекомендациями 12.01 и является аналогом интерфейса Q.3, который определен в многоуровневой модели открытых сетей ISO OSI. Соединение сети с ОМС может обеспечиваться системой сигнализации МККТТ SS № 7 или сетевым протоколом Х.25. Сеть Х.25 может соединяться с объединенными сетями или с PSDN в открытом или в замкнутом режиме.

GSM-протокол управления сетью и обслуживанием также должен удовлетворять требованиям Q.3-интерфейса, который определен в ETSI/GSM Рекомендациях 12.01.

Интерфейсы между сетью GSM и внешним оборудованием:

- интерфейс между MSC и сервис-центром (SC) необходим для реализации службы коротких сообщений. Он определен в Рекомендациях ETSI/GSM 03.40;

- интерфейс к другим ОМС. Каждый центр управления и обслуживания сети должен соединяться с другими ОМС, управляющими сетями в других регионах или другими сетями. Эти соединения обеспечиваются Х-интер-фейсами в соответствии с Рекомендациями МККТТ М.30. Для взаимодействия ОМС с сетями высших уровней используется Q.З-интерфейс.

Состояния мобильной станции

В процессе развития мобильных систем был разработан ряд понятий, описывающих различные состояния мобильной станции. В таблице 3.5 приводятся ключевые понятия, которые помогают описать GSМ режимы обслуживания трафика.

Мобильная станция может иметь несколько состояний:

- Idle: МS включена и зарегистрирована в сети, но разговор не установлен;

- Activе (Busy): МS включена и находится в режиме установленного соединения;

- Detached: МS выключена.

Если МS не производила периодическую регистрацию продолжительное время, то она будет отмечена Implicit Detach. Дословный перевод означает принудительный перевод в detached.

Когда МS выключается, в системе мобильная станция отмечается как Detached. Когда МS включается, она начинает сканировать весь частотный диапазон GSМ, используя при этом специальные каналы управления. После того как МS находит логические каналы управления, она начинает измерять уровни сигнала на этих частотах, после чего эти данные запоминаются в МS. После того, как уровни были измерены, МS выбирает наилучшую соту по заданным критериям. После того как МS включилась, она должна зарегистрироваться в системе, после чего система помечает её как мобильную станцию в состоянии IDLE. Если оказывается, что МS находится в другой LA, то МS осуществляет процедуру обновления своего местоположения.

В процессе движения по сети МS постоянно производит измерения уровней сигналов на заданных оператором частотах для определения соты с наибольшим уровнем сигнала. Если МS находит лучшую частоту, она перестраивается на ее частоту. Если новая сота принадлежит другой LA то МS сразу же произведет процедуру Location Update для обновления данных об LA в обслуживающем VLR. Решение о смене соты в состоянии IDLE принимает сама МS, а в режиме Busy – BSC.

Таблица 3.5 - Состояния мобильной станции

Cостояние	Термин	Определение
IDLE	Регистрация (Registration)	Процесс, когда МS впервые выбирает PLMN, в свою очередь VLR посылает запрос в HLR, чтобы зарегистрировать абонента.
	Роуминг (Roaming)	Передвижение мобильной станции по сети, смена сот, LA, MSC/VLR и т.д. (наиболее характерно это понятие именно для смены MSC/VLR и PLMN)
	Международный роуминг (International Roaming)	Смена мобильной станцией не только PLMN, но и страны.
	Location Update	Обновление информации о местоположении MS. Инициатором всегда выступает сама MS.
	Cell selection / reselection	Процесс первого выбора/смены соты в режиме IDLE.
	Paging	Процесс, когда MS вызывается системой, т.е. когда на MS отправляется сообщение о вызове с идентификационным номером MS.
BUSY	Locating	Процесс выбора лучшей соты для выполнения хэндовера. Эту процедуру выполняет ВSC на основе измерений, которые сделали MS и BTS.
	Handover	Процесс переключения соединения на другую соту во время разговора.

Структура TDMA-кадров и формирование сигналов

В стандарте GSM принят многостанционный доступ с временным разделением каналов (TDMA). Общая структура временных кадров показана на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Структура временных кадров

Длина периода последовательности (гиперкадра) в этой структуре равна

Тг = 3 ч 28 мин 53 с 760 мс (12533,76 с). Гиперкадр делится на 2048 суперкадров, каждый из которых имеет длительность Тс = 12533,76/2048 = 6,12 с.

Суперкадр состоит из мультикадров. Для организации различных каналов связи и управления в стандарте GSM используются два вида мультикадров:

- 26-позиционные TDMA-кадры мультикадра;

- 51-позиционные TDMA-кадры мультикадра.

Суперкадр может содержать в себе 51 мультикадр первого типа или 26 мультикадров второго типа. Длительности мультикадров соответственно:

- Тм = 6120/51 = 120 мс;

- Тм = 6120/26 = 235,385 мс .

Длительность каждого TDMA-кадра Тк= 120/26 = 235,385/51 = 4,615 мс.

В периоде последовательности каждый TDMA-кадр имеет свой порядковый номер (NF) от 0 до NFmax, где NPmax = (26 х 51 х 2048) -1 = 2715647.

Таким образом, гиперкадр состоит из 2715647 TDMA-кадров.

Необходимость такого большого периода гиперкадра объясняется требованиями применяемого процесса криптографической защиты, в котором номер кадра NF используется как входной параметр.

TDMA-кадр делится на 8 временных позиций с периодом

То = 4,615/8 = 576,9 мкс = 0,577 мс.

Каждая временная позиция обозначается TN с номером от 0 до 7. Физический смысл временных позиций, которые иначе называются окнами, - время, в течение которого осуществляется модуляция несущей цифровым информационным потоком, соответствующим речевому сообщению или данным.

Цифровой информационный поток представляет собой последовательность пакетов, размещаемых в этих временных интервалах (окнах). Пакеты формируются немного короче, чем интервалы, их длительность составляет 0,546 мс, что необходимо для приема сообщения при наличии временной дисперсии в канале распространения.

Информационное сообщение передается по радиоканалу со скоростью 270,833 кбит/с. Это означает, что временной интервал TDMA кадра содержит 156,25 бита. Длительность одного информационного бита 576,9 мкс/156,25 = 3,69 мкс.

Каждый временной интервал, соответствующий длительности бита, обозначается BN с номером от 0 до 155; последнему интервалу, длительностью 1/4 бита, присвоен номер 156.

Для передачи информации по каналам связи и управления, подстройки несущих частот, обеспечения временной синхронизации и доступа к каналу связи в структуре TDMA-кадра используется 5 видов временных интервалов (окон):

- NB (Normal Burst) - нормальный временной интервал;

- FB (Frequency Correction Burst) - интервал подстройки частоты;

- SB (Synchronization Burst) - интервал временной синхронизации;

- DB (Dummy Burst) - установочный интервал;

- АВ (Access Burst) - интервал доступа.

NB применяется для передачи информации по каналам связи и управления (за исключением канала доступа RACH). Он содержит 114 бит зашифрованного сообщения и включает защитный интервал (GP) длительностью 30,46 мкс (8,25 бита). Информационный блок 114 бит разбит на два самостоятельных блока по 57 бит, разделенных между собой обучающей последовательностью в 26 бит. Кроме этого, в состав NB включены два контрольных бита (Steeling Flag), которые служат признаком передачи речевой информации или сообщений сигнализации. Обучающая последовательность (26 бит) предназначена для:

- оценки частоты появления ошибок в двоичных разрядах по результатам сравнения принятой и эталонной последовательностей. В процессе сравнения вычисляется параметр RXQUAL, принятый для оценки качества связи, который используется при вхождении в связь, при выполнении процедуры «эстафетной передачи» и при оценке зоны покрытия радиосвязью;

- оценки импульсной характеристики радиоканала на интервале передачи NB для последующей коррекции тракта приема сигнала за счет использования адаптивного эквалайзера;

- определения задержек распространения сигнала между базовой и мобильной станциями для оценки дальности связи. Эта информация необходима для исключения наложения пакетов данных мобильных станций, удаленных на различные расстояния, при их приеме базовой станцией. Удаленные на большее расстояние мобильные станции должны передавать свои пакеты раньше станций, находящихся в непосредственной близости от базовой станции.

FB предназначен для синхронизации мобильной станции по частоте. Все 142 бита в этом временном интервале нулевые. Это соответствует немодулированному излучению на частоте выше номинального значения несущей на 1625/24 кГц. FB используется для проверки работы приемопередающего тракта при небольшом частотном разносе каналов (200 кГц). FB содержит защитный интервал 8,25 бита так же, как и NB. Повторяющиеся временные интервалы подстройки частоты (FB) образуют канал установки частоты (FCCH).

SB используется для синхронизации по времени базовой и мобильной станций. Он состоит из синхропоследовательности длительностью 64 бита. SB содержит информацию о номере TDMA-кадра и идентификационный код базовой станции. SB передается вместе с FB. Повторяющиеся интервалы синхронизации образуют канал синхронизации (SCH).

DB обеспечивает установление и тестирование канала связи. По своей структуре DB совпадает с NB и содержит установочную последовательность длиной 26 бит. В DB отсутствуют контрольные биты и не передается никакой информации. DB лишь информирует о том, что передатчик функционирует.

АВ обеспечивает доступ мобильной станции к новой базовой станции. АВ передается мобильной станцией при запросе капала сигнализации, когда время прохождения сигнала еще неизвестно. Поэтому пакет имеет специфическую структуру. Сначала передается концевая комбинация 8 бит, затем – последовательность синхронизации для базовой станции (41 бит), что позволяет базовой станции обеспечить правильный прием последующих 36 зашифрованных бит. АВ содержит большой защитный интервал (68,25 бита, длительностью 252 мкс), что обеспечивает (независимо от расстояния до базовой станции) достаточное временное разнесение с пакетами других мобильных станций. Защитный интервал определяет максимально допустимые размеры соты с радиусом 35 км (время распространения радиосигнала в прямом и обратном направлении 233,3 мкс).

В GSM строго определены временные характеристики огибающей сигнала и спектральная характеристика сигнала. Временная маска огибающей для сигналов, излучаемых на интервале АВ полного TDMA-кадра, показана на рисунке 3.4, а маска огибающей для сигналов NB, FB, DB и SB полного TDMA-кадра на рисунке 3.5.

Рисунок 3.4 - Временная маска огибающей сигналов на интервале АВ

Рисунок 3.5 - Временная маска огибающей сигналов на интервалах NB, FB, DB и SB

Различные формы огибающих излучаемых сигналов соответствуют разным длительностям интервала АВ (88 бит) по отношению к другим указанным интервалам полного TDMA-кадра (148 бит). Нормы на спектральную характеристику излучаемого сигнала показаны на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 - Нормы на спектральную характеристику сигнала

Особенностью формирования сигналов в стандарте GSM является использование медленных скачков по частоте (Slow Frequency Hopping -SFH) в процессе сеанса связи для обеспечения частотного разнесения в радиоканалах, функционирующих в условиях многолучевого распространения радиоволн. SFH повышает эффективность кодирования и перемежения при медленном движении абонентских станций.

Организация каналов в стандарте GSM

Схема организации каналов в стандарте GSM с использованием частотного и временного разделения каналов показана на рисунке 3.7.

Рисунок 3.7 - TDMA/FDMA - схема организации каналов в стандарте GSM

Модуляция радиосигнала

В стандарте GSM применяется спектрально-эффективная гауссова частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Манипуляция называется гауссовой потому, что последовательность информационных битов до модулятора проходит через фильтр нижних частот (ФНЧ) с характеристикой Гаусса, что дает значительное уменьшение полосы частот излучаемого радиосигнала. Формирование GMSK радиосигнала осуществляется таким образом, что на интервале одного информационного бита фаза несущей изменяется на 90°. Это наименее возможное изменение фазы, распознаваемое при данном типе модуляции. Непрерывное изменение фазы синусоидального сигнала дает в результате частотную модуляцию с дискретным изменением частоты. Применение фильтра Гаусса позволяет при дискретном изменении частоты получить «гладкие переходы». В стандарте GSM применяется GMSK-модуляция с величиной нормированной полосы ВТ = 0,3, где В - ширина полосы фильтра по уровню -3 дБ, Т - длительность 1 бита цифрового сообщения. Функциональная схема модулятора показана на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 - Функциональная схема модулятора

Основой формирователя GMSK-сигнала является квадратурный (1/Q) модулятор. Схема состоит из двух умножителей и одного сумматора. Задача этой схемы заключается в том, чтобы обеспечить непрерывную точную фазовую модуляцию. Один умножитель изменяет амплитуду синусоидального, а второй – косинусоидального колебания. Входной сигнал до умножителя разбивается на две квадратурные составляющие. Разложение происходит в двух обозначенных «sin» и «cos» блоках.

Диаграммы, иллюстрирующие формирование GMSK-сигнала, показаны на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 - Формирование GMSK-сигнала

Модуляцию GMSK отличают следующие свойства, предпочтительные для мобильной связи:

- постоянную по уровню огибающую, что позволяет использовать эффективные передающие устройства с усилителями мощности в режиме класса С;

- компактный спектр на выходе усилителя мощности передающего устройства, что обеспечивает низкий уровень внеполосного излучения;

- хорошие характеристики помехоустойчивости канала связи.

Обработка речи

Обработка речи в стандарте GSM осуществляется с целью обеспечения высокого качества передаваемых сообщений и реализации дополнительных сервисных возможностей. Обработка речи осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи (Discontinuous Transmission - DTX), которая обеспечивает включение передатчика, когда пользователь начинает разговор, и отключает его в паузах и в конце разговора. DTX управляется детектором активности речи (Voice Activity Detector - VAD), который обеспечивает обнаружение и выделение интервалов передачи речи с шумом и шума без речи даже в тех случаях, когда уровень шума соизмерим с уровнем речи. В состав системы прерывистой передачи речи входит также устройство формирования комфортного шума, который включается и прослушивается в паузах речи, когда передатчик отключен. Экспериментально доказано, что отключение фонового шума на выходе приемника в паузах при отключении передатчика раздражает абонента и снижает разборчивость речи, поэтому применение комфортного шума в паузах считается необходимым.. DTX-процесс в приемнике предполагает интерполяцию фрагментов речи, потерянных из-за ошибок в канале. Структурная схема процессов обработки речи в стандарте GSM показана на рисунке 3.10, главным устройством в этой схеме является речевой кодек.

Рисунок 3.10 - Структурная схема обработки речи в стандарте GSM

Принцип выбранного в стандарте GSM метода кодирования речи состоит в извлечении основных характеристик речи в форме коэффициентов фильтра, по которым речь может быть восстановлена, используя низкоскоростную квантизацию. Структурные схемы кодера и декодера речи показаны на рисунке 3.11. Уменьшение скорости передачи речи до 13 кбит/с достигается тремя этапами:

- LPC - линейным кодированием с предсказанием;

- LTР - долговременным предсказанием;

- RPE - регулярным импульсным возбуждением.

На первом этапе входной сигнал разделяется на сегменты 260 бит по 20 мс. Затем в процессе LPC анализа вычисляются 8 коэффициентов цифрового LPC анализирующего фильтра, которые представляются как уровень, и минимизируется динамический диапазон фильтрованной версии.

На втором этапе происходит дальнейшее снижение динамического диапазона за счет долговременного предсказания, в процессе которого каждый сегмент выравнивается до уровня следующих друг за другом сегментов речи. В принципе, LTP фильтр вычитает предыдущий период сигнала из текущего периода. Этот фильтр характеризуется параметром задержки N и коэффициентом усиления b. Период вычисления этих параметров равен 5 мс.

Рисунок 3.11 - Структурная схема речевого PRE/LTP-LPC-кодека

Восемь коэффициентов r(i) LPC анализирующего фильтра и параметры фильтра LTP анализа кодируются и передаются со скоростью 3,6 кбит/с. Для формирования последовательности возбуждения остаточный сигнал пропускают через фильтр нижних частот с частотой среза 3...4 кГц. Окончательно периодическая последовательность фрагментов передается со скоростью 9,4 кбит/с. Общая скорость передачи составляет 3,6 + 9,4 = 13 кбит/с.

В декодере речевой сигнал восстанавливается по откликам последовательности регулярного импульсного возбуждения (RPE) двухступенчатым синтезирующим фильтром, при этом качество речи соответствует качеству речи, передаваемой по ISDN, и превосходит качество речи в аналоговых радиотелефонных системах.

Теоретически время задержки речевого сигнала в кодеке равно длительности сегмента и составляет 20 мс. Реальное время задержки с учетом операций канального кодирования и перемежения, а также физического выполнения рассматриваемых операций составляет 70.. .80 мс.

Детектор активности речи (VAD) предназначен для включения передающего устройства только при передаче информации. Если канал на мгновение свободен, его можно заблокировать. Поскольку средняя активность речи говорящего ниже 50%, то это обеспечивает существенную экономию энергии аккумуляторной батареи.

К VAD предъявляются следующие основные требования:

- минимизация вероятности ложной тревоги при воздействии только шума с высоким уровнем;

- высокая вероятность правильного обнаружения речи низкого уровня;

- высокое быстродействие распознавания речи для исключения задержек включения;

- минимальное время задержки выключения.

В стандарте GSM принята схема VAD с обработкой в частотной области. Структурная схема VAD приведена на рисунке 3.12.

Рисунок 3.12 - Структурная схема детектора активности речи

Ее работа основана на различии спектральных характеристик речи и шума. Считается, что фоновый шум является стационарным в течение относительно большого периода времени, его спектр также медленно изменяется во времени. VAD определяет спектральные отклонения входного воздействия от спектра фонового шума. Эта операция осуществляется инверсным фильтром, коэффициенты которого устанавливаются применительно к воздействию на входе только фонового шума. При наличии на входе речи и шума инверсный фильтр осуществляет подавление компонентов шума и в целом снижает его интенсивность. Энергия смеси (сигнал + шум) на выходе инверсного фильтра сравнивается с порогом, который устанавливается в период воздействия на входе только шума. Этот порог- находится выше уровня энергии шумового сигнала. Превышение порогового уровня принимается за наличие на входе смеси (сигнал + шум). Коэффициенты инверсного фильтра и уровень порога изменяются во времени в зависимости от изменения уровня входного шума. Решение об изменении параметров (коэффициентов и порога) принимается вторичным VAD на основе сравнения огибающих спектров в последовательные моменты времени. Если они аналогичны для относительно длительного периода времени, предполагается, что имеет место шум, следовательно, коэффициенты фильтра и шумовой порог можно изменять, т. е. адаптировать VAD к текущему уровню и спектральным характеристикам входного шума. VAD с обработкой в спектральной области удачно сочетается с речевым RPE/LTP-LPC-кодеком, так как в процессе LPC-анализа уже определяется огибающая спектра входного воздействия, необходимая для работы вторичного VAD.

Формирование комфортного шума осуществляется в паузах активной речи и управляется речевым декодером. Когда VAD в передатчике обнаружит, что говорящий прекращает разговор, передатчик остается еще включенным в течение следующих пяти речевых кадров. Во время первых четырех из них характеристики фонового шума оцениваются путем усреднения коэффициента усиления и коэффициентов фильтра LPC-анализа. Эти усредненные значения передаются в следующем, пятом кадре, в котором содержат информацию о комфортном шуме (SID-кадр). В речевом декодере комфортный шум генерируется на основе LPC анализа SID-кадра. Чтобы исключить раздражающее влияние модуляции шума, комфортный шум должен соответствовать по амплитуде и спектру реальному фоновому шуму в месте передачи. В условиях мобильной связи фоновый шум может постоянно изменяться. Это значит, что характеристики шума должны передаваться с передающей стороны на приемную сторону не только в конце каждого речевого всплеска, но и в речевых паузах так, чтобы между комфортным и реальным шумом не было резких рассогласований в следующих речевых кадрах. По этой причине SID-кадры посылаются каждые 480 мс в течение речевых пауз. Динамическое изменение характеристик комфортного шума обеспечивает натуральность воспроизведения речевого сообщения при использовании системы прерывистой передачи речи.

В условиях замираний сигналов в мобильной связи речевые фрагменты могут подвергаться значительным искажениям. При этом для исключения раздражающего эффекта при воспроизведении необходимо осуществлять экстраполяцию речевого кадра. Было установлено, что потеря одного речевого кадра может быть значительно компенсирована путем повторения предыдущего фрагмента. При значительных по продолжительности перерывах в связи предыдущий фрагмент больше не повторяется и сигнал на выходе речевого декодера постепенно заглушается, чтобы указать пользователю на разрушение канала. То же самое происходит и с SID-кадром. Если SID-кадр потерян во время речевой паузы, то формируется комфортный шум с параметрами предыдущего SID-кадра. Если потерян еще один SID-кадр, то комфортный шум постепенно заглушается. Применение экстраполяции речи при цифровой передаче, формирование плавных акустических переходов при замираниях сигнала в каналах в совокупности с полным DTX-процессом значительно улучшает потребительские качества связи с GSM.

Контрольные вопросы

1 Для чего в системах мобильной связи применяется процедура аутентификации?

2 Для чего в системах мобильной связи применяется процедура шифрования?

3 Для чего в структуре временных кадров используются биты синхропоследовательности?

4 Для чего в структуре временных кадров используются нулевые биты?

5 Что содержат зашифрованные биты в структуре временных кадров?

6 Для чего в структуре временных кадров используется обучающая последовательность битов?

7 Какую функцию выполняет речевой кодер в схеме обработки речи?

3.2 Общеевропейская транкинговая система подвижной

радиосвязи стандарта TETRA

История создания стандарта

Разработка Европейским Институтом Телекоммуникационных Стандартов (ETSI – European Telecommunications Standards Institute) стандарта для цифровых транковых систем TETRA (Trans-European Trunked RAdio) стала значительным этапом в процессе развития радиосвязи. При работе над стандартом были учтены опыт и достижения аналоговых транковых технологий МРТ 1327, а также некоторые принципы и решения, заложенные в GSM (Global Standard for Mobile telecommunication – стандарт для сотовой телефонии).

Интересным фактом стало то, что всемирное признание стандарта заставило создателей изменить аббревиатуру «TETRA», которая теперь расшифровывается как «TErrestrial Trunked RAdio» – «Земная или Всемирная транковая радиосвязь».

Работа ETSI поддерживается правительствами многих стран, операторами сетей связи, разработчиками и изготовителями оборудования, группами пользователей. Характерным в статусе Института является то, что издаваемые им стандарты, являющиеся обязательными для исполнения в Европе, признаются и широко применяются во всем мире (примером можно назвать повсеместное распространение GSM).

Основные разделы стандарта TETRA были одобрены разными странами в конце 1995 года (22 страны проголосовали «за» и ни одна «против»). В последующие годы в стандарт продолжали (и продолжают) вносится отдельные изменения и дополнения (как это имело место в МРТ 1327 и GSM).

Для создания органа, который мог бы действовать от имени всех заинтересованных сторон, в декабре 1994 года операторы сетей, производители и разработчики оборудования, контролирующие и тестирующие организации, крупнейшие группы пользователей подписали Меморандум о Взаимопонимании – TETRA MoU (TETRA Memorandum of Understanding). Таким образом, были объединены усилия по поддержке и быстрейшему внедрению TETRA в государствах – членах Меморандума.
        Членами Меморандума стали такие гиганты коммуникационного бизнеса, как Philips, Alcatel, Ericsson, Motorola, Nokia, Marconi и другие. Из крупных европейских компаний к TETRA MoU не присоединилась лишь Matra Nortel Communication, которая к тому времени разработала для французской полиции свою систему цифровой транковой связи Tetrapol.
        Кроме пропаганды стандарта, члены TETRA МoU заботятся о координации действий различных поставщиков и потребителей оборудования, следят за обеспечением «открытости» для широкого рынка, заботятся о совместимости аппаратуры различных производителей. На март 1999 года TETRA MoU насчитывала 63 организаций из разных стран.
       Целью разработки нового стандарта было, прежде всего, обеспечение служб общественной безопасности Европы современными цифровыми средствами связи с интегрированными возможностями по передаче данных и высокой степенью защиты.

Возможности цифровых транкинговых систем

Системы стандарта TETRA, как и другие цифровые транкинговые системы, предоставляют своим пользователям ряд преимуществ перед аналоговыми системами.

Они обеспечивают почти полную защиту радиопереговоров от прослушивания. Цифровые потоки информации нельзя расшифровывать с помощью простых аналоговых сканеров, что ограждает их от вмешательства широкого круга "радиолюбителей" – даже без принятия специальных мер по шифрованию данных в каналах связи (типа скремблирования).

Кроме того, цифровые системы предоставляют пользователю множество возможностей кодирования информации. Шифрование речи реализуется в виде цифровой обработки низкоскоростного потока данных, что позволяет применять сложные алгоритмы с высокой криптостойкостью, не ухудшающие качество восстановленной речи. В цифровых транкинговых системах не возникают проблемы неадекватности воспроизведения скремблированных радиопереговоров, свойственные аналоговым системам.

Еще одно преимущество цифровых систем – более эффективное использование радиочастотного спектра за счет увеличения числа каналов передачи трафика в отведенной полосе частот. Это обеспечивается благодаря объединению технологии компрессии речевого потока с высокой степенью сжатия данных и сложной модуляции несущей частоты. В частности, стандарт TETRA определяет значение для частотной полосы канала равным 6,25 кГц/канал.

К важным особенностям цифровых систем относится выравнивание качества речевого радиообмена по всей зоне обслуживания ретранслятора, тогда как для аналоговых систем характерно сильное ухудшение качества передачи речи при удалении от базовой станции (БС). В условиях городской застройки, где имеет место многолучевое распространение сигналов, качество передачи аналоговой информации заметно меняется даже при передвижении внутри одного квартала. Применение цифровых сигналов в сочетании с помехоустойчивым кодированием позволяет существенно улучшить качество передачи речи в пределах всей зоны обслуживания.

Технологии передачи данных стандарта TETRA

Согласование частот. Технология TETRA независима от частоты, но согласованное использование частот дает существенный экономический выигрыш при создании сетей национального и транснационального масштаба.
На прошедшей в августе 1999 года конференции TETRA MoU объявлено о принятии в Европе распределения частот для работы транковых сетей на базе стандарта TETRA. Для корпоративных пользователей выделена полоса частот 410–430 МГц, а для служб безопасности и полиции – 380–385 и 390–395 МГц.

В TETRA используется TDMA с четырьмя временными окнами (пакетами), обеспечивающими передачу четырех речевых каналов на несущую. Разнос соседних каналов 25 кГц.

Требуемый уровень излучения в соседнем канале – минус 60 дБ.

Дуплексный разнос каналов для передачи и приема – 10 МГц.

В TETRA применяется π/4-DQPSK модуляция, которая позволяет скорость передачи информационного цифрового потока с 36 кбит/с до 18 кбит/с. Это обеспечивается за счет того, что π/4-DQPSK модуляция использует алфавит из четырех символов:

{-π/4; π/4; -3π/4; 3π/4},

каждому из которых соответствуют два информационных бита

{00, 01, 10, 11},

Передаваемых в общем потоке со скоростью 36 кбит/с.

Преимущества выбора модуляции вида π/4-DQPSK проявляются в следующем:

-передача двух информационных бит одним символом в радиоканале увеличивает спектральную эффективность до 2 бит/с/Гц;

-передача информационных сообщений за счет изменения фазы несущей не требует при приеме абсолютной оценки фазы сигнала, при этом могут быть использованы очень простые схемы демодулятров;

-передача сообщений в радиоканале осуществляется с постоянной огибающей.

Стандарт TETRA пока является единственным цифровым транкинговым стандартом, использующим технологию TDMA (таблица 3.6).

Таблица 3.6 - Системы транкинговой связи

Стандарты и системы	Метод доступа	Разнос частотных каналов, кГц	Скорость передачиданных в радиоканале, байт/с	Длительность кадра, мс
DigiStar	FDMA	12,5	9600	60
EDACS Aegis	FDMA	25; 30	9600	Н/д
ACCESSNET-D	FDMA	12,5	4800	Н/д
Tetrapol	FDMA	10; 12,5	8000	20
TETRA	TDMA	25	36 000	57
APCO 25	FDMA	6,25; 12,5	9600	180

TETRA: краткое описание

Стандарт TETRA содержит два варианта спецификации: TETRA Voice + Data (TETRA V+D) и TETRA Packet Data Optimized (TETRA PDO). Как следует из названий, TETRA V+D описывает интегрированную систему передачи речи и данных, а TETRA PDO – специальную транкинговую систему, ориентированную только на передачу данных.

Стандарт TETRA находится в процессе постоянного развития. В ближайшей перспективе можно ожидать существенного расширения его функциональных возможностей, а также возможностей системной интеграции с сетями стандарта цифровой транкинговой связи АРСО 25 и с сетями сотовой связи стандарта GSM. Спецификации стандарта TETRA не накладывают ограничений на архитектуру сетей. Благодаря модульному принципу построения, сети связи стандарта TETRA могут быть реализованы с разными иерархическими уровнями и различной географической протяженностью (от локальных до национальных). Функции управления базой данных и коммутации распределяются по всей сети, что обеспечивает быструю передачу вызовов и сохранение ограниченной работоспособности сети даже при потере связи с ее отдельными элементами. Функциональной основой сетей цифровой транкинговой связи на базе стандарта TETRA являются центры коммутации и управления сетью (подсетью) ЦКУ-С (ЦКУ-ПС), осуществляющие управление сетями и коммутацию информационных потоков. Центры коммутации и управления сетью (подсетью) ЦКУ-С (ЦКУ-ПС) взаимодействуют с контроллерами базовых станций (КБС), к которым с помощью соединительных линий подключаются базовые станции (БС). Абонентские станции (АС) представляют собой портативные (носимые) и мобильные терминалы, с помощью которых осуществляется радиодоступ к сетям и передача речевой информации и данных. В ряде случаев для организации связи на местности используются мобильные ретрансляторы (МР). Передача данных осуществляется посредством подключения к абонентским станциям терминалов передачи данных, в качестве которых рассматриваются персональные компьютеры и специальные терминалы технологических систем телеметрии и телесигнализации. Центр управления интегральной сетью обеспечивает межсетевое взаимодействие, прежде всего межсетевой роуминг, централизованное управление, контроль информационных потоков и др.Взаимодействие с телекоммуникационными сетями общего пользования, в частности ТфОП, сетями передачи данных, может осуществляться на местном уровне через КБС, выполняющие в ограниченном объеме функции коммутаторов, а также через ЦКУ.

Обобщенная структурная схема организации связи в цифровых транкинговых сетях, построенных на базе стандарта TETRA, приведена на рисунке 3.13.

Рисунок 3.13 - Обобщенная структурная схема организации связи на базе стандарта TETRA

На схеме показана прямая (симплексная) связь между абонентскими станциями, а также связь портативных абонентских станций с БС и друг с другом через мобильную станцию в режиме ретрансляции.

Схема организации связи системы TETRA может иметь достаточно много модификаций. Сетевая иерархия и конкретная архитектура могут быть выбраны с учетом технологических, территориальных и других требований пользователей сетей.

Спецификации нескольких важнейших интерфейсов стандарта TETRA приведены на рисунке 3.14. К ним относятся:

- Air Interface (AI) – радиоинтерфейс между базовой станцией и абонентской радиостанцией;

- Direct Mode Operation (DMO) – интерфейс прямого соединения между двумя абонентскими радиостанциями;

- Terminal Equipment Interface (TEI) – интерфейс между абонентской радиостанцией и терминалом передачи данных (ТПД);

- Inter System Interface (ISI) – межсистемный интерфейс для объединения нескольких систем (возможно, от разных фирм-изготовителей) в единую сеть;

- Line-connected Station Interface (LSI) – интерфейс для подключения диспетчерских пультов к базовому оборудованию;

- Network Management Centre Interface (NMCI) – интерфейс центра управления системой;

- Gateways to PABX, PSTN, ISDN, PDN – интерфейс для подключения к внешним сетям (УПАТС, ТфОП, ЦСИО, СКП).

Рисунок 3.14 - Интерфейсы стандарта TETRA

Спецификации TETRA предусматривают не только прямую связь между абонентскими радиостанциями, но и использование абонентской радиостанции в качестве ретранслятора для расширения зоны обслуживания. Радиоинтерфейс стандарта предполагает работу в сетке частот с шагом 25 кГц. Стандарт регламентирует и дуплексный разнос для этих систем, который должен составлять 10 МГц. Системы TETRA могут использовать диапазоны частот 150-900 МГц. В странах Европы для систем TETRA выделены частоты в диапазонах 410-430, 870-876, 915-921 МГц (в первую очередь) или в диапазонах 450-470, 385-390, 395-399,9 МГц. В стандарте TETRA V+D, в котором применяется уплотнение каналов по технологии TDMA, на одной несущей частоте организуются четыре разговорных канала (рисунок 3.15). Каждый кадр имеет продолжительность 56,67 мс и содержит четыре временных интервала (time slots). Последовательность из 18 кадров образует мультикадр длительностью 1,02 с; один кадр является контрольным. Каждый временной интервал в составе кадра содержит 504 бита, 432 из которых – информационные.

Рисунок 3.15 - Временная диаграмма работы радиоканала в системе стандарта TETRA

В начале временного интервала передается пакет из 36 бит PA (Power Amplifier – управление излучаемой мощностью). За ним следует первый информационный блок (216 бит), далее – синхропоследовательность SYNC (36 бит) и второй информационный блок. Как и в любой системе на базе TDMA, соседние временные интервалы разделяются защитными периодами длительностью 0,167 мс, что соответствует 6 битам.

Для преобразования речи в стандарте TETRA V+D применяется кодек с алгоритмом типа CELP. Скорость цифрового речевого потока на выходе этого кодека составляет 4,8 кбит/с. До поступления речевого потока на вход модулятора к нему добавляется корректирующий код, после чего производится межблочное перемежение. В сетях на базе TETRA V+D используются все виды вызовов, характерные для транкинговых систем, в том числе статусные. Передача экстренного вызова влечет за собой прерывание вызова с обычным приоритетом, если все каналы системы заняты. Кроме того, абоненту или группе с соответствующими привилегиями может быть временно предоставлен так называемый открытый канал, т. е. ресурс, выделенный этим абонентам на определенное время. Открытый канал гарантирует его абонентам максимально быстрое соединение, естественно, за счет увеличения нагрузки на остальные каналы. По истечении установленного времени этот канал снова становится доступным для всех абонентов. При наличии свободного канала время установления соединения не превышает 0,3 с. TETRA предусматривает еще один необычный вид вызова – дистанционное включение абонентской радиостанции на передачу (дистанционное прослушивание "обстановки" у абонента). По запросу диспетчера избранной радиостанции посылается команда, вызывающая включение микрофона и режима передачи. Таким образом, диспетчер может получить звуковую картину событий у абонента, не ставя об этом в известность последнего, что важно для служб безопасности. Полная пропускная способность одного канала в системе на базе TETRA V+D составляет 7200 бит/с, а применение варианта TETRA PDO обеспечивает передачу данных со скоростью 28,8 кбит/с. Разработчики стандарта указывают, что сочетание технологий TETRA V+D и TETRA PDO позволяет получить систему с уникальными оперативными характеристиками, особенно важными для служб общественной безопасности. Так, по каналам TETRA PDO может осуществляться передача сжатого видеопотока, например, при видеосъемке на месте происшествия. Передача данных производится по схемам "точка - точка" и "точка - много точек". Кроме того, TETRA предусматривает поддержку сетевого протокола X.25 для пользовательских приложений. Благодаря наличию в стандарте спецификаций на шлюз с ISDN и PDN обеспечивается возможность взаимодействия с внешними сетями передачи данных. Следует отметить, что все производители систем TETRA обязательно предоставляют поддержку протокола TCP/IP, несмотря на отсутствие этой функции в стандарте.

Радиоинтерфейс стандарта TETRA

Стандарт TETRA использует технологию многостанционного доступа с временным разделенимем (Time Division Multiple Access, TDMA) совместно с технологией частотного дуплекса (Frequency Division Duplex, FDD). Тип модуляции радиоканала – относительная дифференциальная фазовая манипуляция со сдвигом кратным π/4 (π/4 DQPSK). Стандарт TETRA реализует максимально возможную в системах подвижной радиосвязи частотную эффективность – 4 логических канала занимают 25 кГц. Для сравнения: в системах APCO/ASTRO25 на одном частотном канале шириной 12,5 кГц реализуется только один логический канал.

На рисунке 3.16 представлена структура радиоинтерфейса стандарта TETRA в режиме TMO.

Рисунок 3.16 - Структура радиоинтерфейса стандарта TETRA в режиме TMO

Один из логических каналов базовой радиостанции TETRA является управляющим. Обычно это первый слот на первой несущей. Управляющая информация также передается в каждом 18 кадре на каждом логическом канале. При этом кадр общей длительностью 56,67 мс состоит из 4 временных интервалов (слотов).

Основные аспекты коммутации в рамках стандарта TETRA:

- голосовые вызовы занимают только один логический канал;

- вызовы передачи данных могут занимать до 4 логических каналов одновременно;

- голос и данные могут передаваться одновременно в различных логических каналах.

В режиме DMO картина иная (как показано на рисунке 3.17). В отсутствие базовой станции синхронизация между физическими каналами отсутствует. Синхронизацию в логическом канале осуществляет терминал-мастер (терминал, у которого нажата клавиша PTT). А кроме этого абонентские терминалы не могут использовать все доступные слоты. Первая фаза стандарта TETRA подразумевает использование в режиме DMO только одного логического канала из 4 доступных. При этом другие группы, закрепленные на этой же частоте, получат сообщение о занятости канала. Вторая фаза предполагает возможность осуществления одновременно 2 групповых вызовов в режиме DMO.

Рисунок 3.17- Структура каналов стандарта TETRA при работе в режиме DMO

Обнаружение и исправление ошибок, защита информации

Для обнаружения ошибок при передаче в канале радиосвязи, их исправления в канальном кодировании применяются технологии Forward Error Correction (FEC) и Cyclic Redundancy Check (CRC) в виде четырех процедур: блочного кодирования, сверточного кодирования, перемежения и шифрования, после чего формируются информационные каналы. Скорость выходного потока равна 36 кбит/с (рисунок 3.18). О функциях шифрования будет рассказано далее.

Рисунок 3.18 - Формирование общей емкости одного физического канала

Кодирование речи

Для кодирования речи используется речевой кодек ACELP (линейное предсказание с возбуждением от алгебраической кодовой книги) со скоростью 4,8 кб/с. Если сравнивать по шкале MOS качество голоса в сетях стандарта TETRA с качеством голоса в привычных всем сетях GSM, что качество кодека TETRA оказывается незначительно меньшим (рисунок 3.19). Но при этом не стоит забывать, что стандарт TETRA в четыре раза эффективнее GSM с точки зрения использования частотного спектра.

Рисунок 3.19 - Сравнение качества голоса в сетях TETRA и GSM

Для справки: оценка MOS 4 означает «превосходное качество, незаметное ухудшение»; MOS 3 «хорошее качество, различимое, но не раздражающее ухудшение».

Энергетика и качество покрытия сетей TETRA

Важным следствием организации радиоинтерфейса является вопрос энергетики радиолиний TETRA. Говоря о зонах покрытия базовой радиостанции, следует упомянуть, что радиус зоны обслуживания зависит не только от типа модуляции и кодирования, но и от наличия естественных преград и окружающей электромагнитной обстановки. В условиях правильно реализованного антенно-фидерного оборудования достигались впечатляющие результаты – связь на расстоянии до 60 км от базовой станции (использовались радиостанции Motorola MTH800 и MTM800).

В отличие от аналоговых систем, где можно наблюдать постепенную деградацию качества передачи голоса с увеличением расстояния, в цифровых системах качество речи можно считать неизменно-высоким и независящим от удаления от базовой станции. Очевидно, что существует порог расстояния, при котором уровень ошибок превышает исправляющую способность кода, и связь становится невозможной. Цифровые системы дают заметное преимущества по покрытию и качеству речи. На рисунке 3.20 представлен сравнительный график ухудшения качества передачи голоса для аналоговых систем и систем TETRA.

Рисунок 3.20 - График ухудшения качества речи в аналоговых и цифровых системах связи

Существенным преимуществом сетей стандарта TETRA, в сравнении с аналоговыми системами или сетями APCO25, является функция автоматического регулирования излучаемой мощности мобильных терминалов. Автоматическое управление мощностью излучаемого сигнала позволяет существенно экономить ресурсы аккумуляторных батарей переносных терминалов, а также снизить уровень излучений вплоть до 15 дБм.

Функциональный набор стандарта TETRA

Можно определить следующие особенности голосовых вызовов в рамках стандарта TETRA:

- высокое качество голоса за счет применения цифровой обработки, что позволяет работать в условиях повышенного акустического шума;

-быстрое установление вызова (до 300 мс);

- индивидуальный вызов (радиостанция – радиостанция): многоуровневые приоритеты; дуплексный, полудуплексный вызовы;

- телефонный вызов (радиостанция – внешние телефонные сети);

- групповые соединения (радиостанция – группа радиостанций):

- групповые вызовы (абонент — группа абонентов);

- широковещательные вызовы (абонент — все абоненты);

- сканирование групп;

- динамическое перегруппирование (объединение абонентов в группы без программирования абонентских терминалов);

- управление зоной вызова (инициирование группового вызова только в определенных зонах);

- позднее подключение (позволяет абоненту подключиться к уже действующей группе),

- экстренные вызовы (вызовы с максимальным приоритетом);

- режим прямой связи (DMO)

Полный перечень дополнительных услуг, относящихся к голосовым вызовам и поддерживаемых в рамках стандарта TETRA, не имеет смысла перечислять в рамках настоящей публикации. Можно остановиться лишь на некоторых из них, наиболее важных:

- дистанционное прослушивание (позволяет диспетчеру прослушивать групповые и индивидуальные вызовы в системе);

- избирательное прослушивание (позволяет диспетчеру незаметно для абонента прослушивать окружающую абонента обстановку);

- вызов по сокращенному номеру;

- вызов с ожиданием;

- вызов с удержанием;

-установление соединения при освобождении вызываемого абонента;

- установление соединения по мере получения ответа абонента;

- приоритет доступа с отключением абонентов с меньшим приоритетом;

- приоритет доступа при исходящих вызовах;

- приоритет доступа при входящих вызовах;

- идентификация номера вызывающего абонента;

- запрет на идентификацию номера вызываемому абоненту;

- запрет на идентификацию номера вызывающему абоненту;

- уведомление занятого абонента о поступившем вызове;

-безусловная переадресация вызова;

- переадресация вызова при занятости вызываемого абонента;

- переадресация вызова при отсутствии ответа вызываемого абонента в течение заданного времени;

- переадресация вызова при недоступности вызываемого абонента;

- ограничение исходящих вызовов;

-ограничение входящих вызовов.

3.2.10 Передача данных

В рамках стандарта TETRA можно выделить следующие услуги по передаче данных:

- передача данных с коммутацией каналов, cо скоростью 2.4 – 28.8 кбит/с;

- передача данных с пакетной коммутацией, cо скоростью 2.4 – 28.8 кбит/с (фаза 1);

- передача коротких информационных и статусных сообщений (до 256 ASCII-символов в рамках одного сообщения).

Существуют несколько режимов передачи данных: без защиты (до 7.2 кбит/с), с низким уровнем защиты до 4.8 кбит/с) с высоким уровнем защиты (до 2.4 кбит/c). При применении незащищенной передачи данных функция проверки доставки данных должна выполняться приложениями верхнего уровня эталонной модели OSI.

Идентификация и адресация в рамках стандарта TETRA

При разработке механизмов идентификации и адресации в TETRA учитывались следующие предпосылки:

- взаимодействие множества сетей (и сетевых операторов), в каждой из которых работает большое число абонентов;

- уникальность идентификации любого абонента любой сети;

- возможность использования укороченных идентификаторов;

- поддержка роуминга и миграции абонентов.

Номерной план в рамках стандарта TETRA соответствует рекомендациям ITU E.212.

Для домашней сети TETRA выделяют следующие TSI номера (TETRA Subscriber Identities):

- ITSI — индивидуальный идентификатор абонента TETRA;

- GTSIs — групповой идентификатор абонента TETRA;

- ATSI — именной идентификатор абонента TETRA.

Для роуминговой сети TETRA:

- (V)ATSI — именной идентификатор роумингового абонента TETRA;

- (V)GTSIs — идентификатор роуминговой группы TETRA.

Каждая радиостанция TETRA обладает как минимум одним семейством TSI, в состав которого входят следующие элементы:

- один индивидуальный идентификатор (ITSI);

- один или несколько групповых идентификаторов (GTSI);

- один идентификатор-псевдоним (ATSI);

- один телефонный номер (согласно E.164).

Мигрирующие абоненты могут сохранять в визитных сетях имеющиеся ITSI, либо получать от оператора визитной сети новые идентификаторы-псевдонимы. В последнем случае они называются (V)ATSI. Мигрирующим абонентам могут быть также присвоены визитные групповые идентификаторы (V)GSSI.

Адресация TSI имеет два поля в структуре идентификатора (номера TETRA):

- идентификатор сети, состоящий из кода страны MCC (Мobile Сountry Сode) – 3(4) цифры и кода сети MNC (Мobile Network Code) – 4(5) цифр;

- короткий идентификатор абонента – до 7(8) цифр. Стоит сказать, что идентификаторы с номером выше 16777215 зарезервированы стандартом под шлюзы в другие сети.

Если абонент системы TETRA набирает несуществующий идентификатор, вызов отклоняется системой.

Несколько слов следует сказать о номерах TEI (TETRA Equipment Identities). Указанные номера являются уникальными для каждого абонентского терминала TETRA — не существуют двух радиостанций с одним и тем же идентификатором. Номер TEI состоит из 15 цифр и включает в себя сборочный код FAC (Final Assembly Code), код подтверждения TAC (Type Approval Code), а также электронный серийный номер ESN (Electronic Serial Number) и резервный номер SPR (Spare). Двухзначный сборочный код указывает на производителя и место сборки.

3.2.12 Безопасность в сетях TETRA

В рамках стандарта TETRA предусмотрены мероприятия по обеспечению безопасности в сети связи стандарта TETRA, направленные на исключение несанкционированного использования ресурсов системы и обеспечение конфиденциальности передаваемой информации в сети.

Эти мероприятия обеспечиваются следующими механизмами:

- аутентификация как абонентов, так и инфраструктуры;

- шифрование информации;

- обеспечение секретности параметров абонента.

Аутентификация абонентов осуществляется на основе главного ключа (K-key) и уникального номера TEI (см. выше). Абонентский терминал с неправильным идентификатором не допускается к ресурсам системы TETRA.

Шифрование информации является опциональной особенностью каждой конкретной системы стандарта TETRA. Радиоинтерфейс стандарта TETRA является защищенным априори. Но возможны и другие опции по шифрованию:

- E2E (End-to-End) – шифрование индивидуальных вызовов радиостанция-радиостанция (длина ключа шифрования может составлять 128 бит);

- шифрование групповых вызовов;

- шифрование радиоинтерфейса по алгоритмам TEA1, TEA2, TEA3 (TETRA Encryption Algorithm).

Секретность же параметров абонента обеспечивается посредством кодовой защиты конфигурации абонентского терминала и присвоения идентификаторов-псевдонимов.

3.2.13 Преимущества решений на базе стандарта TETRA

Использование стандарта TETRA позволяет:

- повысить частотную эффективность (требуется меньшее количество частотных каналов);

- повысить эффективность управления системой технологической радиосвязи;

- снизить эксплуатационные расходы;

- увеличить пропускную способность системы;

- увеличить разборчивость речи в тяжелой помеховой обстановке;

- улучшить качество связи;

- защитить переговоры абонентов;

- увеличить скорость реагирования на чрезвычайные ситуации, повысить безопасность технологического процесса и экономическую эффективность предприятия.

Контрольные вопросы

1 Назовите общие признаки и отличия стандартов GSM и TETRA.

2 Почему структура временного интервала в стандарте TETRA проще структуры временного окна (кадра, интервала) в стандарте GSM?

3 Имеются ли в стандарте GSM дистанционное прослушивание и избирательное прослушивание, аналогичные стандарту TETRA?

4 Почему стандарт TETRA допускает более низкое качество голосового звучания по сравнению со стандартом GSM?

5 За счет чего в стандарте TETRA более эффективно используется частотный ресурс по сравнению со стандартом GSM?

6 Почему в аналоговых системах связи с увеличением расстояния наблюдается постепенная деградация качества передачи голоса, а в цифровых системах связи этот эффект отсутствует?

7 Почему для корпоративных пользователей, служб безопасности и полиции более эффективным оказывается использование транкинговых систем связи, а не сотовых?

Системы беспроводной связи стандарта DECT
1. Стандарт DECT и возможные сферы его применения

Стандарт DECT для беспроводной телефонии был опубликован в 1992г. Европейским институтом телекоммуникационных стандартов (ETSI). В 1993г. на выстaвке CeBIT в Германии сразу несколько корпораций телекоммуникационной индустрии представили первые системы беспроводной связи и передачи данных на основе стандарта DECT (Digital European Cordless Telecommunications). Это были беспроводная учережденческая АТС производства Ericsson для ведомственных сетей связи, оборудование беспроводного абонентоского доступа Siemens и беспроводная LAN от Olivetti. Тремя годами позже, на CeBIT-96, уже 5 ведущих европейских производителей телекоммуникационного оборудования представили свои системы беспроводной телефонной связи DECT-стандарта: Alcatel, Ericsson, Nokia, Philips, Siemens.

Основные сферы применения стандарта DECT – это системы микросотовой связи для бизнеса (беспроводные учережденческие АТС для средних и крупных организаций, распределенных производств, заводов и т.п.), устройства абонентского доступа к телекоммуникационной сети общего пользования как альтернатива стандартному проводному подключению (Wireless Local Loop), односотовые радиотелефоны/радиоАТС для дома, для малых офисов.

По данным на декабрь 1996г., стандарт DECT одобрен для использования в 24 странах, еще более 12 стран на пути к этому. Среди одобривших этот стандарт не только страны Европы, но и Австралии, Индонезии, Южной Африки. Среди стран, где на использование DECT- системы требуется разрешение соответствующих органов, Аргентина, Бразилия, Сингапур, Таиланд. Этот стандарт обещает стать самым широко используемым стандартом на цифровые беспроводные системы телекоммуникаций. Одобрение стандарта DECT во многих странах за пределами Европы привело к тому, что стандарт сменил название на Digital Enhanced Cordless Telecommunications. В Росси Министерство связи открыло диапазон 1800-1900 МГц для DECT - систем.

Среди приложений DECT – системы для дома и малого офиса, микросотовые корпоративные системы, системы абонентского радиодоступа (WLL), системы доступа к сети GSM, микросотовые системы общего пользования (CTM), системы доступа к локальной сети, предоставляющие голосовую телефонию, факс, модем, электронную почту, Интернет, X.25 и многие другие услуги.

Оборудование DECT подходит для организации мобильной связи там, где на небольшой площади сосредоточено много абонентов. Это важно как для деловых применений, так и для операторов, предоставляющих услуги связи. Подключение абонентов к сетям связи с помощью оборудования DECT (решение вопроса «последней мили») может оказаться экономически эффективнее стандартного кабельного подключения, а в некоторых случаях – единственно возможным. Такие системы быстрее развертываются, проще расширяются, легче в управлении, надежны в эксплуатации.

Примером систем беспроводного абонентского доступа могут служить DRA 1900 производства Ericsson, SWING производства Lucent Technologies.
Среди односотовых радио-АТС для дома и малых офисов наиболее известны системы Gigaset производства Siemens, которые представляют собой систему из одного базового блока на 1-2 внешних городских линий и 4-8 радиотелефонов. Проходят сертификацию аналогичные устройства производства Samsung Electronics.

Примером микросотовой системы телефонной связи является система Freeset стандарта DECT производства корпорации ERICSSON, KIRK Telecom dect z 1500 производства KIRK Telecom.

Стандарт DECT обеспечивает радиодоступ для передачи информации исключительно в цифровом виде на расстояния от 5 м до 10 км. Основная характеристика данной технологии – высокая, по сравнению с обычными системами сотовой связи, плотность телефонной емкости в радиосоте малого радиуса.

Системы, разработанные на основе DECT, имеют высокую абонентскую емкость, свыше 10 000 Эрл/кв. км (или 50 – 100 тыс. терминалов/кв. км).

Продвижение беспроводных систем на рынке в немалой степени определяется и тем, как они используют радиочастотный ресурс. Для работы DECT требуется полоса 20 МГц. Чтобы учесть такие параметры, как абонентский трафик, зона покрытия и использование радиочастотного спектра, обычно используется интегральная единица Эрланг/МГц/кв.км. Емкости наиболее распространенных систем (в Эрланг/МГц/кв. км) составляют:

DECT - 500;

GSM-900 -10.

Организация системы на основе стандарта DECT

Система подключается к ГАТС или УПАТС и обеспечивает абонентов надежной и безопасной внутренней связью и возможностью выхода на городскую и междугородную сеть (доступ регулируется). На рисунке 3.21 показана схема организации системы стандарта DECT (фирма Гудвин Бородино) для промышленного предприятия.

КБС3-4..32E1/ПД/IP – контроллер базовых станций, имеющий от 4 до 32 потоков E1 с сигнализацией V5.2, EDSS1 и QSIG для сетей TDM и интерфейса Ethernet с поддержкой сигнализации SIP для сетей NGN. Программное обеспечение контроллеров базовых станций работает под управлением полноразмерной операционной системы Linux;

МБС-4E1/16Upn – мультиплексор базовых станций, подключаемых к сети TDM и управляющих 4-канальными базовыми станциями БС7-Upn, число которых может достигать 16;

БС7-Upn – 4-канальные базовые станции;

DECT-телефоны или портативные абонентские радиоблоки (ПАРБ), совместимые с профилем GAP, в обычном или промышленном (пылевлагозащищенном) исполнении.

Площадь радиопокрытия системы внутри зданий может достигать 360 тысяч кв. м, а на открытых рабочих площадках — до 36 кв. км. При перемещении сотрудника внутри зоны радиопокрытия обеспечивается непрерывная высококачественная связь.

Рисунок 3.21 - Схема организации связи для TDM-сети

3.3.3 Основные характеристики стандарта DECT

Основные характеристики стандарта DECT представлены в таблице 3.7.

Учитывая низкий уровень излучения встандарте DECT, можно говорить о нем, как об экологически чистом стандарте с безопасным уровнем излучения.

Таблица 3.7 Основные технические характеристики стандарта DECT

Рабочий спектр частот	1880 - 1900 MГц
Количество частот	10
Число каналов на одну частоту	24 (12 дуплексных каналов)
Разнос частот	1,728 MГц.
Метод доступа	MC/TDMA/TDD
Длительность фрейма	10 ms
Скорость передачи	1,152 Mbps
Метод модуляции	GMSK (BT = 0,5)
Сжатие голоса ADPСM (G.721)	32 Кбит/сек
Выходная мощность средняя (пиковая)	10 мВт (не более 250 мВт)

Основные принципы работы систем стандарта DECT

Принцип MC/TDMA/TDD. В выделенном диапазоне частот DECT использует 10 частотных каналов (MC – Multi Carrier). Временной спектр для DECT подразделяется на временные фреймы, повторяющиеся каждые 10 мс. Фрейм состоит из 24 временных слотов, каждый из которых индивидуально доступен (TDMA – Time Division Multiple Access), слоты могут использоваться либо для передачи либо для приема. В базовой речевой услуге DECT два временных слота – с разделением в 5 мс – образуют пару для обеспечения поддерживающей емкости обычно для полных дуплексных 32 kbit/s соединений (ADPCM – адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция – G.726 кодированная речь).

Рисунок 3.22 - Временной фрейм стандарта DECT

Для облегчения реализаций базового стандарта DECT временной фрейм в 10 мс разделяется на две половины (TDD – Time Division Duplex); первые 12 временных слота используются для передачи фиксированной части ("связь вниз"), а остальные 12 - для передачи носимой части ("связь вверх"), как показано на рисунке 3.22 .

Использование радиоспектра. При использовании принципа MC/TDMA/TDD для базового DECT (частотные и временные измерения), устройству DECT в любой момент доступен общий спектр из 120 дуплексных каналов. При добавлении третьего измерения (пространства) – при условии, что емкость DECT ограничивается помехами от сопряженных сот и достигается соотношение C/I (Carrier-to-Interface) = 10 дБ – можно получить очень низкий коэффициент повторного использования канала. Различные каналы связи в прилегающих сотах могут использовать тот же канал (комбинация частота/временной слот). Следовательно, при высокой плотности установки базовых станций DECT (например, на расстоянии 25 м в идеальной модели покрытия в форме шестиугольника) можно достичь высокой емкости трафика для базовой технологии DECT (как уже указывалось – 10000 Эрл/кв. км для частных сетей и до 40000 Эрл/кв. км для коммерческих сетей).

Структура временного слота стандарта DECT. Длина временного слота равна 417 мкс, как показано на рисунке 3.23.

SYN – канал синхронизации; Signal – канал сигнализации; CRC – код защиты от ошибок; I – канал информации.

Рисунок 3.23 - Структура временного слота

Передаваемый в слоте пакет содержит:

- 32 бита для синхронизации, которые включают 16 бит тактовой последовательности;

- 48 бит отводятся на канал сигнализации;

- 320 бит предназначены для передачи информации;

- 4 бита проверочных;

- 60 бит представляют собой защитный интервал.

Скорость передачи сообщений по информационному каналу составляет 320 бит/10 мс=32 кбит/с. Скорость передачи сигнала управления составляет 64 бит/10 мс=6,4 кбит/с. Общая скорость передачи в пакете равна 416 бит/10 мс=41,6 кбит/с.

Непрерывная передача сигнала. Базовая станция (БС) DECT постоянно передает сигнал, по крайней мере, по одному каналу, таким образом, выступая в качестве маяка, для соединения с мобильными DECT-трубками (портативными абонентскими радиоблоками – ПАРБ). Передача может быть частью активной связи, а может быть холостой. Передача маяка БС содержит служебную информацию – в многофреймовой мультиплексной структуре – об идентификации базовой станции, возможностях системы, статусе БС и пейджинговую информацию для установления входящей связи. ПАРБ, подключенные к передаче маяка, проанализируют передаваемую информацию и определят, есть ли у ПАРБ права доступа к системе (только те ПАРБ, у которых есть права доступа, могут установить связь), соответствуют ли возможности системы услугам, требующимся ПАРБ и – в том случае, если связь необходима – есть ли у БС свободная емкость для установления радиосвязи с ПАРБ.

Динамический выбор и динамическое выделение канала. DECT определяет постоянный динамический выбор канала и динамическое выделение канала. Все оборудование DECT обязано регулярно сканировать свое локальное радиоокружение, по крайней мере, один раз каждые 30 секунд. Сканирование означает получение и измерение силы местного радиочастотного сигнала по всем свободным каналам. Сканирование осуществляется как фоновый процесс и представляет список свободных и занятых каналов, один для каждой комбинации "временной слот/несущая", который будет использоваться в процессе выбора канала.

Свободный временной слот не используется (временно) для передачи или приема. В списке RSSI низкие значения мощности сигнала означают свободные каналы без помех, а высокие значения означают занятые каналы или каналы с помехами. С помощью информации RSSI, DECT-ПАРБ или DECT-БС может выбрать оптимальный (с наименьшими помехами) канал для установления новой линии связи.
Каналы с самыми высокими значениями RSSI постоянно анализируются в DECT-ПАРБ для того, чтобы проверить, что передача исходит от базовой станции, к которой у носимой части есть права доступа. АРБ засинхронизируется с БС, имеющей самый мощный сигнал, как определено стандартом DECT.

Каналы с самыми низкими значениями RSSI используются для установления радиосвязи с БС, если пользователь ПАРБ решит установить связь, или в случае, когда мобильной DECT-трубке передается сигнал о входящем звонке через прием пейджингового сообщения. В базовой станции DECT каналы с низкими значениями RSSI используются при выборе канала для установления передачи маяку (холостой передачи).
Механизм динамического выбора и выделения канала гарантирует, что связь всегда устанавливается на самом чистом из доступных каналов.

Установление связи. Установление связи, инициируемое пользователем (исходящая связь) Инициатива установления радиоканала в базовых приложениях DECT всегда принадлежит ПАРБ. ПАРБ выбирает (используя динамический выбор канала) наилучший из доступных каналов и связывается по нему с БС. Чтобы обнаружить попытки установления связи со стороны ПАРБ, БС должна принимать на этом канале, когда ПАРБ передает свой запрос на доступ. Чтобы ПАРБ могли использовать все 10 радиочастотных несущих DECT, БС постоянно последовательно сканирует свои незанятые принимающие каналы в поисках попыток ПАРБ установить связь. ПАРБ синхронизируются с этой последовательностью с помощью постоянно передаваемой базовой станцией служебной информации. На основе этой информации ПАРБ могут определять точный момент, когда возможен успешный доступ к БС на выбранном канале.
Установление связи, инициируемое сетью (входящая связь) При поступлении входящего вызова на DECT-ПАРБ, сеть доступа информирует об этом ПАРБ, отправив соответствующий идентификатор об этом ПАРБ по пейджинговому каналу. ПАРБ, приняв пейджинговое сообщение со своим идентификатором, устанавливает радиоканал для обслуживания входящего вызова, используя ту же процедуру, которая применяется при установлении исходящей связи.

Хэндовер. Благодаря мощному динамическому выбору и выделению канала и возможностям DECT, обеспечивающим хэндовер без прерывания связи, ПАРБ могут уходить от соединения, содержащего помехи, устанавливая второе соединение – на вновь выбранном канале, либо с той же базовой станцией (внутрисотовый хэндовер) либо с другой базовой станцией (хэндовер между сотами). Эти два радиосоединения временно поддерживаются параллельно, при этом передается идентичная речевая информация, и в то же время анализируется качество соединений. По прошествии некоторого времени базовая станция определяет, у какого радиосоединения лучше качество, и освобождает другой канал. Если DECT-ПАРБ перемещается из одной соты в другую, мощность получаемого сигнала БС, измеряемая с помощью динамического выбора и выделения канала носимой частью, будет постепенно уменьшаться. Мощность сигнала БС, обслуживающей соту, в направлении которой движется ПАРБ, будет постепенно возрастать. В тот момент, когда сигнал новой БС становится сильнее сигнала старой БС, происходит хэндовер без прерывания связи (как описано выше) к новой БС. Хэндовер без прерывания связи, совершенно независимо инициируемый мобильной DECT-трубкой, остается незамеченным для пользователя. Хотя хэндовер всегда инициируется DECT-ПАРБ, возможны ситуации, в которых линия связи "АРБ-БС" не обеспечивает требуемого качества. На этот случай в DECT предусмотрены протоколы оповещения, которые позволяют БС передать сообщение о воспринимаемом качестве соединения ПАРБ, который может затем инициировать хэндовер.

Разнесенные антенны. Хэндовер в DECT – это механизм ухода от каналов, подверженных воздействию помех, или каналов с низким уровнем сигнала. Однако хэндовер происходит недостаточно быстро, чтобы противодействовать ситуациям быстрого замирания. Для этой цели DECT-БС может быть оборудована разнесенными антеннами. Стандартом предусмотрен протокол сигнализации для контроля за выбором антенны БС с мобильной DECT-трубки. Благодаря тому, что радиолиния между БС и ПАРБ имеет природу дуплекса с временным разделением (симметрии), выбор лучшей антенны БС улучшает не только качество "восходящей линии связи", но и качество "нисходящей линии связи", на низкой скорости.

Совместимость. Свойства совместимости технологии радиодоступа в основном базируются на возможности ухода (хэндовера) в частотной области от зашумленной радиолинии, не полагаясь на информацию, переданную по первоначальному каналу (подверженному воздействию). MC/TDMA/TDD, постоянный динамический выбор и выделение канала и процедуры хэндовера в стандарте DECT демонстрируют отличные возможности совместимости даже в условиях сильной интерференции.

Защищенность. Использование технологии радиодоступа, предоставляющей мобильность, подразумевает значительный риск в отношении защищенности. Стандарт DECT предусматривает меры противодействия естественным дефектам защищенности, свойственным бесшнуровой связи.

Для предотвращения несанкционированного доступа были введены эффективные протоколы прописки и аутентификации, а концепция усовершенствованного кодирования обеспечивает защиту от прослушивания.

Прописка. Прописка – это процесс, благодаря которому система допускает конкретную мобильную DECT-трубку к обслуживанию. Оператор сети или сервис-провайдер обеспечивает пользователя ПАРБ секретным ключом прописки (PIN-кодом), который должен быть введен как в БС, так и в ПАРБ до начала процедуры.

До того, как трубка инициирует процедуру фактической прописки, она должна также знать идентификацию БС, в которой она должна прописаться (из соображений защищенности область прописки может быть ограничена даже одной выделенной (маломощной) БС системы). Время проведения процедуры обычно ограничено, и ключ прописки может быть применен только один раз, это делается специально для того, чтобы минимизировать риск несанкционированного использования.
Прописка в DECT может осуществляться "по эфиру", после установления радиосвязи с двух сторон происходит верификация того, что используется один и тот же ключ прописки. Происходит обмен идентификационной информацией, и обе стороны просчитывают секретный аутентификационный ключ, который используется для аутентификации при каждом установлении связи. Секретный ключ аутентификации не передается по эфиру.

Мобильная DECT-трубка может быть прописана на нескольких базовых станциях. При каждом сеансе прописки, ПАРБ просчитывает новый ключ аутентификации, привязанный к сети, в которую он прописывается. Новые ключи и новая информация идентификации сети добавляются к списку, хранящемуся в АРБ, который используется в процессе соединения. Трубки могут подключиться только к той сети, в которую у них есть права доступа (информация идентификации сети содержится в списке).

Аутентификация. Аутентификация трубки может осуществляться как стандартная процедура при каждом установлении связи. Во время сеанса аутентификации базовая станция проверяет аутентификационный ключ, не передавая его по эфиру.

Принцип нераскрытия идентификационной информации по эфиру заключается в следующем: БС посылает трубке случайное число, которое называется "запрос". Трубка рассчитывает "ответ", комбинируя аутентификационный ключ с полученным случайным числом, и передает "ответ" базовой станции. БС также просчитывает ожидаемый "ответ" и сравнивает его с полученным "ответом". В результате сравнения происходит либо продолжение установления связи либо разъединение.

Если кто-то подслушивает по эфирному интерфейсу, для того чтобы украсть аутентификационный ключ, ему необходимо знать алгоритм для выявления ключа из "запроса" и "ответа". Этот "обратный" алгоритм требует огромной компьютерной мощности. Поэтому стоимость извлечения ключа подслушиванием процедуры аутентификации невероятно высока.

Шифрование. Процесс аутентификации использует алгоритм для вычисления "ответа" из "запроса" и аутентификационный ключ в трубке и на базовой станции. Он представляет собой способ отправки идентификационной информации пользователя в зашифрованной форме по эфиру для предотвращения кражи идентификационной информации.
Этот же принцип может быть применен для данных пользователя (например, для передачи речи). Во время аутентификации обе стороны также просчитывают ключ шифрования. Этот ключ используется для шифрования данных, передаваемых по эфиру. Получающая сторона использует тот же ключ для расшифровки информации. В DECT процесс шифрования является частью стандарта (хотя и необязательной).

Профили приложений стандарта DECT

В профилях приложений содержатся дополнительные спецификации, определяющие как эфирный интерфейс DECT должен быть использован в конкретных приложениях.

Стандартные сообщения и суб-протоколы были созданы из набора средств базового стандарта и подстроены под конкретные приложения с целью обеспечения максимальной совместимости оборудования DECT от разных производителей.

Помимо профилей ETSI также разработал спецификации тестов на соответствие профилю, позволяющие проводить всестороннее тестирование оборудования DECT, претендующее на удовлетворение требованиям профиля.

Контрольные вопросы

1 Чем отличается временной фрейм стандарта DECT от фрейма стандарта GSM?

2 Сравните временные фреймы стандартов DECT и TETRA.

3 Стандарт DECT предназначен для макросотового, пикросотового или пикосотового планирования?

4 Чем объясеяется низкий уровень излучения встандарте DECT и, следовательно, экологичность стандарта, по сравнению с GSM, например?

5 Что обеспечивает прописка мобильной DECT-трубка на нескольких базовых станциях?

6 Какие значения мощности радиочастотного сигнала при сканировании каналов говорят о том, что канал свободен или занят?

7 Что обеспечивает хэндовер в стандарте DECT?

8 Совместим ли стандарт DECT с другими стандартами мобильной связи?

ГЛАВА 4

СЕТЕВОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ

Анализ трафика и покрытия территории

Стоимость проектируемой сотовой сети является одним из важнейших факторов. Вложенные в строительство сети средства должны окупаться в заданный период. При проектировании конкретной системы, группа специалистов по технической, финансовой, маркетинговой стороне проекта должны разработать бизнес-план, в котором, исходя из условий рынка, технических и финансовых возможностей оператора должны быть оценены объемы возможных затрат и объемы предполагаемой прибыли от реализации конкретного проекта.

На начальном этапе проектирования системы под пропускной способностью системы понимают предполагаемое количество обслуживаемых абонентов. Пропускная способность сети на этапе проектирования должна быть выбрана достаточной, для удовлетворения всей потенциальной емкости рынка мобильной связи в намеченном регионе.

Зона радиопокрытия сети городской сотовой связи, должна охватывать всю территорию города, пригородных населенных пунктов и путей сообщений.

Вероятность блокировка вызовов или (GoS – Grade of Service) – процент неудачных попыток установления соединения, вызванных перегрузками в сети, вычисляется по формуле Эрланга Б и используется для расчета вероятности блокировки вызовов при заданной величине нагрузки и заданном количестве каналов трафика.

Вероятность поступления вызовов в момент, когда все каналы заняты, может быть рассчитана по формуле

, (4.1)

где N- количество каналов трафика;

А - обслуживаемая нагрузка, Эрланг.

Нагрузка на одного абонента может быть посчитана по формуле

, (4.2)

где n - количество соединений за промежуток времени, например, 1 час или 3600 сек.;

Т- среднее время разговора в течение соединения, сек.

В соответствии с требованиями операторских лицензий, величина отказов внутри отечественных сотовых сетей общего пользования принимается на уровне Ротк 5%, а расчетная удельная нагрузка на одного абонента 0.015 Эрланг. Иногда, закладывая запас на проектирование, расчет трафика производят исходя из нагрузки (входящая + исходящая) на одного абонента в ЧНН равной 0.025 Эрл и вероятности блокировки 2%. Опыт работы сотовых сетей в России и Казахстане показывает, что средняя нагрузка, создаваемая одним абонентом, колеблется на уровне (0.007 - 0.016) Эрл., таблица 4.1.

При анализе доступных для планирования частот, важнейшим пунктом является оценка электромагнитной совместимости (ЭМС) подсистемы базовых станций BSS. ЭМС рассматривается на двух уровнях:

- межсистемная ЭМС;

- внутрисистемная ЭМС.

В рамках требований межсистемной ЭМС рассматриваются вопросы, относящиеся к обеспечению совместной работы приемопередающего оборудования подсистем BSS с радиоэлектронными средствами (РЭС) гражданского и специального назначения, работающими в соответствующих частотных диапазонах и в пределах координационных расстояний. Основой для обеспечения межсистемной ЭМС является разделение частотного диапазона, определяемое Регламентом радиосвязи Республики Казахстан.

Анализ межсистемной ЭМС проводится на этапе выдачи Агентством по Информатизации и Связи разрешений на использование операторами связи радиочастот.

В рамках рассмотрения межсистемной ЭМС могут быть выделены вопросы обеспечения объектной ЭМС. Объектная ЭМС должна обеспечить совместную работу различных РЭС, устанавливаемых на одном объекте, и предусматривает отсутствие взаимных помех под воздействием излучаемых радиочастот, их гармоник и продуктов интермодуляции.

На этапе анализа абонентского распределения учитывается:

- плотность застройки территории, ее неравномерность;

- направление и загруженность автомобильных дорог в данном районе;

- статистика загрузки существующих сетей PSTN или PLMN.

На основании полученных данных определяется топология сотовой сети. Топология подсистем базовых станций BSS строится на основе сотовых структур. Радиусы сот подбираются в соответствии с плотностью абонентской нагрузки и требованиями по пропускной способности. Различают 3 градации размеров сот:

- макросоты радиусом (3.5 - 35) км;

- микросоты радиусом (0.5 - 3.5) км;

- пикосоты радиусом до 0.5 км.

Таблица 4.1 – Таблица Эрланга

n	.007	.008	.009	.01	.02	.03	.05	.1	.2	.4
1	.00705	.00806	.00908	.01010	.02041	.03093	.05263	.11111	.25000	.66667
2	.12600	.13532	.14416	.15259	.22347	.28155	.38132	.59543	1.0000	2.0000
3	.39664	.41757	.43711	.45549	.60221	.71513	.89940	1.2708	1.9299	3.4798
4	.77729	.81029	.84085	.86942	.0923	1.2589	1.5246	2.0454	2.9452	5.0210
5	1.2362	1.3223	1.3223	1.3608	1.6571	1.8752	2.2185	2.8811	4.0104	6.5955
6	1.7531	1.8610	1.8610	1.9090	2.2759	2.5431	2.9603	3.7584	5.1086	8.1907
7	2.3149	2.3820	2.4437	2.5009	2.9354	3.2497	3.7378	4.6662	6.2302	9.7998
8	2.9125	2.9902	3.0615	3.1276	3.6271	3.9865	4.5430	5.5971	7.3692	11.419
9	3.5395	3.6274	3.7080	3.7825	4.3447	4.7479	5.3702	6.5464	8.5217	13.045
10	4.1911	4.2889	4.3784	4.4612	5.0840	5.5294	6.2157	7.5106	9.6850	14.677
11	4.8637	4.9709	5.0691	5.1599	5.8415	6.3280	7.0764	8.4871	10.857	16.314
12	5.5543	5.6708	5.7774	5.8760	6.6147	7.1410	7.9501	9.4740	12.036	17.954
13	6.2607	6.3863	6.5011	6.6072	7.4015	7.9667	8.8349	10.470	13.222	19.598
14	6.9811	7.1154	7.2382	7.3517	8.2003	8.8035	9.7295	11.473	14.413	21.243
15	7.7139	7.8568	7.9874	8.1080	9.0096	9.6500	10.633	12.484	15.608	22.891
16	8.4579	8.6092	8.7474	8.8750	9.8284	10.505	11.544	13.500	16.807	24.541
17	9.2119	9.3714	9.6171	9.6516	10.656	11.368	12.461	14.522	18.010	26.192
18	9.9751	10.143	10.296	10.437	11.491	12.238	13.385	15.548	19.216	27.844
19	10.747	10.922	11.082	11.230	12.333	13.115	14.315	16.579	20.424	29.998
20	11.526	11.709	11.876	12.031	13.182	13.997	15.249	17.613	21.635	31.152
21	12.312	12.503	12.677	12.838	14.036	14.885	16.189	18.651	22.848	32.808
22	13.105	13.303	13.484	13.651	14.896	15.778	17.132	19.692	24.064	34.464
23	13.904	14.110	14.297	14.470	15.761	16.675	18.080	20.737	25.281	36.121
24	14.709	14.922	15.116	15.295	16.631	17.577	19.031	21.784	26.499	37.779
25	15.519	15.739	15.939	16.125	17.505	18.483	19.985	22.833	27.720	39.437
26	16.334	16.561	16.768	16.959	18.383	19.392	20.943	23.885	28.941	41.096
27	17.153	17.387	17.601	17.797	19.265	20.305	21.904	24.939	30.164	42.755
28	17.977	18.218	18.438	18.640	20.150	21.221	22.867	25.995	31.388	44.414
29	18.805	19.053	19.279	19.487	21.039	22.140	23.833	27.053	32.614	46.074
30	19.637	19.891	20.123	20.337	21.932	23.062	24.802	28.113	33.840	47.735
31	20.473	20.734	20.972	21.191	22.827	23.987	25.773	29.174	35.067	49.395
32	21.312	21.580	21.823	22.048	23.725	24.914	26.746	30.237	36.295	51.056

При этом, пикосоты могут вкладываться в микросоты, а те в макросоты для увеличения пропускной способности в точках локально увеличенного трафика. Таким образом, адаптируется топология подсистемы базовых станций к величине, плотности и территориальному распределению абонентской нагрузки.

При строительстве PLMN важно так же учитывать:

- возможность появления другого оператора в регионе. Если такой оператор уже существует, то оценивается его работа, ценовая политика, учитываются недостатки и достоинства его сети;

- оценивается платежеспособность и материальное благосостояние населения, а так же другие технические, экономические, социальные факторы, так или иначе влияющие на процесс планирования.

4.2 Номинальный сотовый план

Номинальный сотовый план – это графическое изображение будущей сотовой сети и выглядит он как набор сот, нанесенный поверх географической карты. Но прежде чем определить расположение BS и сот на карте, необходимо произвести соответствующие расчеты. Общее количество базовых станций, определяется двумя параметрами:

- обеспечение непрерывного радиопокрытия;

- обеспечение необходимой пропускной способности.

На начальном этапе невозможно предсказать, как и в каком количестве будет распределена нагрузка в системе. На данном этапе проектирования необходимо обеспечить непрерывное радиопокрытие заданной территории.

Необходимо выбирать расстояния между BSС для того, чтобы в случае внедрения приемопередатчиков GSM 1800 в целях увеличения емкости, удовлетворялись требования по силе и качеству сигнала. Что касается пропускной способности, то можно достаточно широко варьировать ее величиной за счет изменения количества приемопередатчиков и применения полускоростных (HR) каналов.

Оптимальное расстояние между соседними BSС и радиусом сот зависит от типа местности и от частотного диапазона. Приведенные в таблице 4.2 величины рекомендованы компанией Ericsson при строительстве двухдиапазонных сетей стандартов GSM 900/1800. Эти величины являются мерой оценки необходимого количества BSС по критерию непрерывного покрытия.

Таблица 4.2 – Оптимальные размеры сот

Условия	GSM 1800	GSM 900
	Радиус соты, км.	Расстояние между BSС, км.	Радиус соты, км	Расстояние между BSС, км.
Город	2.7	4.0	3.7	5.6
Пригород	5	7.5	8.1	12.2
Открытая местность	22	33	27	41

В местах, где предполагается большая нагрузка, BSС необходимо
располагать несколько ближе друг к другу, чем в местах меньшей
концентрации трафика.

Рисунок 4.1 – Номинальный сотовый план

После того, как собраны данные о предполагаемой нагрузке и
требуемом покрытии, составляется номинальный сотовый план, который
представляет собой географическую презентацию сети на карте (рисунок
4.1). Необходимо отметить, что номинальный сотовый план является первым этапом сетевого планирования.

После того, как получен номинальный сотовый план, необходимо рассчитать зоны покрытия и частоты интерференции.

Для наиболее эффективного планирования важно учитывать законы распространения радиоволн в конкретных условиях. Для этих целей существуют специальные компьютерные программы, в которых заложены цифровые карты местности и используются общепринятые эмпирические модели распространения радиоволн в городской и пригородной застройке, такие как "Окомура-Хата", "Ли" и др. Вычислительные программы, основанные на этих алгоритмах, позволяют:

- предсказывать зоны покрытия базовыми станциями;

- предсказывать зоны интерференции в будущей сети.

Входными данными для вычислительных программ является:

- частотный диапазон;

- расположение BS;

- мощности излучения BS;

- параметры антенных систем.

Необходимо учитывать диаграмму направленности антенн. В таблице 4.3 представлен пример данных, которые необходимо учитывать при выборе антенных систем.

Таблица 4.3 - Параметры антенны Allgon 7331.06

Параметр	Значение
Коэффициент усиления	16 дБ
Поляризация	Х-поляризация 45°
Ширина ДН в вертикальной плоскости по уровню 3 дБ	9°
Ширина ДН в горизонтальной плоскости по уровню 3 дБ	65°
Максимальная входная мощность	300 Вт на порт

Номинальный сотовый план является упрощенным (идеализированным). Реально, на распространение радиоволн влияет множество факторов (рельеф местности, дома, движущиеся объекты и т.д.). Проблемы, связанные с затенением, многолучевым распространением радиоволн проявляются на действительном покрытии системы. В реальной ситуации форма покрытия от одной соты не имеет идеального шестигранника, как показано на рисунке 4.1, а имеет более сложную форму.

Помимо проблем, перечисленных выше, в системе GSM присутствует еще одна – проблема временной дисперсии. Эта проблема вызвана отражением от удаленных объектов. Для оценки данной проблемы используется показатель качества - отношение C/R Carrier-to-Reflection (отношение основного сигнала С к отраженному сигналу R). Для открытых районов распространение радиоволн осуществляется в зоне прямой видимости. В таких случаях прием сигналов возможен на достаточно больших расстояниях из-за малого затухания сигнала. Но, максимальный радиус соты в системе GSM составляет 35 км. Это обусловлено проблемой временного выравнивания (Time Alignment). Чтобы этого избежать следует использовать системные опции, например, опцию Extended Range, которая путем использования двух последовательных временных интервалов TDMA позволяет увеличить значение ТА, и, тем самым, увеличить зону обслуживания до 72 км и более.

В условиях ограниченного частотного ресурса, повторное использование частот из выделенного частотного диапазона позволяет обеспечить непрерывное радиочастотное покрытие на достаточно больших территориях. В классической теории сотового планирования, соты группируются в кластеры, в каждом кластере используется фиксированный набор частот, который повторяется через определенное расстояние. Помимо обеспечения непрерывным покрытием больших территорий, повторное использование частот на сетях сотовой связи увеличивает и пропускную способность системы. Но, как говорится, за все надо платить.

Отрицательная сторона повторного использования частот – это возникновение интерференции (рисунки 4.2, 4.3). В основном, проектировщики сотовых систем оценивают внутрисистемную ЭМС (С/I, С/А). С/I - Carrier - to - Interference. Интерференция по основному каналу. С/А - Carrier - to - Adjacent. Интерференция по соседнему каналу (+/- 200, 400 кГц).

Рисунок 4.2 – Интерференция по основному каналу

Рисунок 4.3 – Интерференция по соседнему каналу

Требования к внутрисистемной ЭМС, заложенные в стандарте GSM:

- по основному каналу: С/I > 9 dB;

- по соседнему, отстройка (+/-200 кГц): С/А < -9 dB;

- по соседнему, отстройка (+/-400 кГц): С/А < -41 dB;

Как было отмечено выше, анализ межсистемной ЭМС проводится на этапе выдачи АИС разрешений на использование операторами связи конкретных радиочастот. Внутрисистемная ЭМС должна анализироваться и рассчитываться оператором. Внутрисистемная ЭМС сетей сотовой связи обеспечивает отсутствие взаимных радиопомех между работающими в данной сети радиосредствами. Основным критерием внутрисистемной ЭМС является допустимая величина уровня интерференции, которая не должна быть выше значения, установленного стандартом GSM.

К внутрисистемной ЭМС относятся следующие вопросы:

- обеспечение необходимых частотных развязок между приемными и передающими трактами радиооборудования в эфирной среде и в различных элементах антенно-фидерных систем при объединении передатчиков и приемников базовых станций;

- отсутствие излучения на соседних радиоканалах в пределах одной соты, а также взаимно направленного излучения на одинаковых или соседних радиоканалах в смежных сотах.

Добавка о кластере. Соты с одинаковыми частотами должны быть разнесены в пространстве на расстояние не меньше чем 3R. Второе требование гласит, что С/I должен быть не меньше 12 дБ, при наличии в сети 6 сот с одинаковыми частотами. Для расчета величины С/I используется следующая формула

, (4.4)

где - количество интерферирующих сайтов;

qS - расстояние между одноименными частотами;

у - показатель потерь на трассе между MS и BSС (таблица 4.4).

Таблица 4.4 - Значения у на трассе для различных районов города.

Городская

застройка

Пригород

Открытая

местность

3.5

Например, если в кластере 7 сайтов (Кисп = 7), то б сайтов (=6), окружает обслуживающую соту на расстоянии D1 = 4.58 Ri . Если за пределами этого набора нет других кластеров, содержащих ту же частоту то

Таким образом, при проектировании систем сотовой связи с применением плана повторного использования частот можно брать за основу кластерную структуру с коэффициентом повторного использования КИСП > 3. Если же в системе присутствует больше 6 кластеров с одноименными частотами, то величина С/I немного уменьшится. Поэтому при проектировании крупных сетей необходимо брать пространственный разнос между одноименными частотами с небольшим запасом в сторону увеличения расстояния.

Выбор объектов размещения базовых станций

Определение точки установки базовой станции осуществляется исходя из территории обслуживания, конфигурации сети, особенностей городской застройки, ожидаемых параметров абонентского трафика в зоне обслуживания BS, разработанной топологической модели территории обслуживания сети и частотно-территориального плана.

При выборе объектов размещения базовых станций необходимо использовать следующее оборудование:

- цифровой фотоаппарат;

- цифровую видеокамеру;

- бинокль;

- лазерный дальномер;

- GPS приемник;

- компас (для измерений на земле, в отсутствие окружения металлических предметов). Измерения компасом на крышах запрещено в силу неправильного указания направления на Север;

- измеритель силы сигнала типа TEMS компании ERICSSON.

При выборе объектов размещения базовых станций необходимо учитывать следующее:

- привязка к сетке номинального плана;

- тип объекта;

- место размещения антенн;

- пространственное разнесение антенн;

- существующие препятствия;

- место размещения оборудования;

- питание базовой станции;

- транспортная сеть;

- договор с арендодателем.

Привязка к сетке номинального плана осуществляется после того как составлен номинальный сотовый план. Важно, чтобы объекты, выбранные для размещения базовых станций, как можно ближе располагались к точкам номинального плана. В некоторых случаях, на одну точку номинального плана могут выбираться несколько потенциальных объектов. Это делается для того, чтобы выбрать наилучший объект с точки зрения радиочастотного покрытия. После того, как объект выбран, необходимо зафиксировать данные об этом объекте, а именно:

- координаты (широта, долгота);

- высота земли над уровнем моря;

- адрес объекта;

- высота объекта.

Требования к объектам, пригодным для установки оборудования базовых станций, репитеров и контроллеров, антенно-фидерных устройств, электропитания и т.д. определяются согласно ведомственным нормам технологического проектирования ("Комплексы сетей сотовой и спутниковой мобильной связи общего пользования РД 45.162-2001").

Объекты могут быть:

- производственные;

- административные;

- жилые и общественные здания;

- на специальные металлоконструкции на крыше и стенах зданий;

- антенные, осветительные опоры, дымовые трубы.

При выборе мест размещения антенн, на этапе расчета радиопокрытия с помощью программных средств вычисления, высоты подвеса антенн выбираются приближенно. Например, для среднего города, высота подвеса антенн выбирается в пределах 20 - 40 м. Последнее зависит от типа застройки района. Если значение высоты подвеса антенны, принятое при расчете, отличается на 15% от существующей, то считается, что на существующей высоте можно располагать антенные системы. В случае если высота подвеса антенн получается больше расчетной, то следует обратить внимание на возникновение интерференционных зон. Если же высота подвеса антенн получается ниже, то необходимо вернуться к этапу расчета и убедиться, не повлияло ли это на покрытие (возникновение белых пятен). В идеале, для построения оптимальной системы, необходимо, чтобы структура сотовой сети была регулярной, все сектора имели строгую азимутальную привязку, например, 0°, 120°, 240°. Практика показывает, что добиться регулярной структуры достаточно сложно, так как не всегда можно должным образом сориентировать антенны, например, из-за не обеспечения санитарно-защитных зон.

Существует две причины пространственного разнесения антенн:

- обеспечение усиления принимаемого сигнала за счет пространственного разнесения антенн базовой станции;

- изоляция антенных систем.

Для обеспечения усиления принимаемого сигнала используют 2 типа разнесения:

- горизонтальное разнесение. Антенны с вертикальной поляризацией располагаются друг от друга на расстоянии 12 – 18 λ или 4-5 метров для GSM 900 и 2 - 3 метра для GSM 1800. Антенны с горизонтальной поляризацией в GSM не используются;

- вертикальное разнесение. При вертикальном разнесении значение 12 -18 λ необходимо умножить на 5, что соответствует 20 - 25 метров для GSM 900 и 10 - 15 метров для GSM 1800.

Для изоляции антенн GSM 900 необходимо придерживаться следующего:

- горизонтальная изоляция составляет 0.4 м.;

- вертикальная изоляция составляет 0.2 м.

Одним из важных факторов проектирования мест расположения базовых станций является обеспечение прямой видимости на пути распространения радиоволн от антенн базовых станций. Иными словами, для правильного планирования расположения антенн базовой станции, необходимо, чтобы не перекрывалась первая зона Френеля. Для GSM 900 первая зона Френеля составляет 5 метров. Помимо существования первой зоны Френеля необходимо, чтобы обеспечивалась санитарно-защитная зона, а также, чтобы поле, создаваемое антенной, не «засвечивало», например, крыши, где могут проводить работы люди. Для обеспечения санитарно-защитной зоны, необходимо чтобы в диаграмму направленности антенны не попадали, например, дома на расстоянии 35 - 50 м.

При выборе места расположения оборудования базовой станции руководствуются принципом, чем ближе оборудование размещается к антенной системе, тем лучше. Это связано с затуханием сигнала в антенном фидере, соединяющего антенну и базовую станцию. Близкое расположение также обусловлено ценой фидера, чем больше длина фидера, тем дороже. Необходимо также учитывать, что помещение, где будет располагаться базовая станция, должно быть просторным, тем самым, обеспечивая возможность дальнейшего расширения базовой станции.

Для того чтобы избежать несанкционированного выключения внешнего источника питания базовой станции необходимо, при проектировании предусмотреть резервное питание базовой станции. В связи с чем, в помещении размещения базовой станции должно быть предусмотрено место под установку аккумуляторных батарей.

Для функционирования сети GSM необходимо чтобы BTS была соединена с BSC. Соединение BTS и BSC может осуществляться через:

- радиоканал;

- оптическое волокно;

- медные провода.

Прежде чем принять решение о строительстве, необходимо заключить договор на аренду с собственником помещения, где будет располагаться оборудование базовой станции и антенных систем. Без наличия договора аренды решение о строительстве не может быть принято.

На этапе составления проекта должны быть все необходимые данные для проектирования сети, а именно:

- информация о покрытии;

- информация о месте расположения базовых станций;

- информация о месте расположения MSC;

- информация о месте расположения BSC;

- информация об организации транспортной сети.

На основании имеющейся информации, составляется окончательный сотовый план строительства всей системы, присваиваются имена строящимся объектам (BTS, BSC, MSC). Помимо этого готовятся файлы для загрузки сотовых параметров в BSC (Cell Design Data). В этих данных содержится информация обо всех запускаемых сотах.

Строительство, оптимизация и развитие системы

На этапе строительства системы определяется, какое оборудование будет использовано при строительстве сети и как оно будет установлено. Выбираются типы антенных систем, конфигурации приемопередатчиков BTS. Анализируются возможности по подключению к транспортной сети компании. При этом в случае, применения радиорелейных линий связи, определяется также наличие прямой видимости в направлении узла радиорелейных линий или соседних BTS. Если расчеты показывают, что выполняются все требования по покрытию и интерференции, то заключаются договора с владельцами помещений и выполняются работы по монтажу системы и запуску в работу. После строительств системы и запуска ее в работу, производится ряд измерений, нацеленных на определение рабочих характеристик системы, определение энергетических характеристик общей зоны покрытия.

В сетях сотовой связи, широко применяются измерения зон покрытия базовыми станциями. Такие измерения, как правило, проводятся на этапе планирования, а также в ходе эксплуатации для анализа функционирования сети, при техническом обслуживании сети, при анализе её расширения и для уточнения зон охвата в ходе проверки смоделированных с помощью компьютерных программ зон покрытия. Применение современных систем автоматизированного проектирования сетей мобильной радиосвязи не даёт удовлетворительных результатов. Это связанно с тем, что многие модели, заложенные в системы проектирования, являются эмпирическими, следовательно, приближенными. Причем очень сложно в данные модели заложить достоверно всю информацию об исследуемом районе (плотность застройки, тип материалов застройки, высотную модель застройки). Если же последние факторы, в какой- то степени являются известными, то такие факторы как погодные условия, движущиеся объекты, влияющие на распространения радиосигналов – случайны, и не могут быть заложены в данные модели. Отсюда следует, что анализ работоспособности системы не может быть проведен с помощью данных систем проектирования без проведения натуральных измерений в сети сотовой связи. Следует различать несколько видов измерений, ориентированных на решение различных видов проблем на сети:

- измерения, для получения относительно кратковременных или мгновенных данных с одного или нескольких положений;

- исследование покрытия создаваемого определенной базовой станцией или сектором антенной системы (соты);

- длительные измерения, нацеленные на измерение и построение диаграмм распределения мощностей принимаемого сигнала на всей территории обслуживания;

- измерения качественных показателей сигнала в зоне обслуживания определенной сети сотовой связи;

- измерения в многоуровневых сетях сотовой связи для определения значений системных параметров.

Каждый класс измерений предполагает использование различных типов установок (измерительных комплексов) проведения натуральных измерений мощности принимаемого сигнала. Установки для измерения мощности принимаемого сигнала могут быть выполнены как:

- стационарные установки. Измеритель мощности принимаемого сигнала использует антенну, расположенную в стационарном пункте (фиксированное положение на поверхности земли, фиксированные направление и высота);

- мобильные установки. Измеритель мощности принимаемого сигнала располагается на транспортном средстве (автомобиле) для проведения контроля, и имеют следующие преимущества перед стационарными установками: они могут использоваться как стационарные и мобильные установки (если автомобиль находится в движении); следовательно, они могут применяться для измерения как пространственного, так и временного распределения силы сигнала;

- переносные измерители. Измерения с помощью переносного измерителя мощности принимаемого сигнала проводятся вручную. В качестве данного измерителя может выступать сотовый телефон, работающий в режиме измерителя напряженности поля.

В настоящее время существует очень широкий спектр измерительных комплексов, позволяющих определять не только зону охвата базовых станций, но и проводить измерения уровня интерференции сигналов, качества речи, а также расшифровать системную информацию, которая передаётся по радиоинтерфейсу. Наиболее распространенной является TEMS – измерительная система, специально разработанная для проведения анализа работоспособности радиочастотного тракта сотовых систем. За основу измерителя мощности принимаемого сигнала в этих системах взяты обычные сотовые телефоны Ericsson GH 688, Ericsson R520m, Ericsson T58, соответствующие рекомендациям ETSI. TEMS, расшифровывается как Test Mobile System, и состоит из программного обеспечения (Test Mobile Software) и модифицированного мобильного аппарата ((Test Mobile Station). К TEMS так же может быть подключено дополнительное оборудование системы глобального позиционирования GPS. Таким образом, TEMS представляет собой законченную мощную систему, предназначенную для всестороннего тестирования радиоинтерфейса между MS и BTS. Удобный пользовательский интерфейс позволяет отображать на мониторе персонального компьютера множество важнейших параметров характеризующих работу сети, как в тестовом, так и в графическом виде. Программа позволяет декодировать всю передаваемую по радиоэфиру системную информацию GSM и записывать результаты всех измерений в файлы данных, которые потом можно просмотреть и проанализировать. Ниже перечисляются основные возможности, которые представляет данная система для обслуживающего персонала:

- интерактивный контроль 2-х и более MS;

- контроль сообщений, передаваемых по 2, 3-му уровню сигнализации;

- произвольный выбор соты в свободном и активном режимах;

- сканирование и мониторинг интересующих частот;

- проигрывание файлов с информацией об отсканированных частотах;

- контроль авторизации;

- просмотр информации о статусе сети;

- фильтрация потоков системной информации;

- возможность присвоения каждой соте сети определенное название;

- синхронизация данных с географическими координатами;

- возможность самостоятельного изменения класса мощности MS;

- считывание и изменение информации на SIM карте;

- тестирование каналов трафика;

- возможность посылки SMS-сообщений;

- возможность просмотра информации о качестве сигнала (Rx Quality) в свободном режиме;

- определение значений SQI (Speech Quality Index);

- расчет C/I и C/A;

- возможность произвольного выбора обслуживающей соты;

- возможность производства процедуры хэндовера из любой соты в любую другую, в независимости от того, какая сота является обслуживающей;

- определение расстояния между MS и BSС в режиме установленного соединения;

- определение номера таймслота в режиме установленного соединения.

Помимо проведения драйв-тестов, после запуска системы необходимо проводить анализ статистических данных, касающихся качества обслуживания абонентов. При анализе статистики, в отличие от использования TEMS, оператор оценивает интегральные показатели качества по каждой соте в целом.

К оцениваемым параметрам относятся:

- сброшенные соединения на каналах трафика (TCH) и сигнализации (SDCCH);

- перегрузки (congestion) на каналах трафика (TCH) и сигнализации (SDCCH);

- хэндоверные характеристики (процент успешных, сброшенных, с возвратом и т.д. из общего числа попыток);

- время простоя базовых станций.

Оператор, помимо перечисленных, может оценивать множество других показателей качества. Количество показателей зависит от поставленных задач и возникающих проблем в сети, связанных с качеством обслуживания абонентов. При анализе пути развития системы, необходимо выбрать, каким образом и где, надо увеличить пропускную способность. Использование стандарта GSM 1800 наиболее эффективно в качестве дополнений к стандарту GSM 900 на относительно больших территориях с высокой плотностью абонентской нагрузки, прежде всего на территории больших городов, в локальных зонах с интенсивным трафиком. Организация же иерархической структуры сот в совмещенных системах GSM900/1800 позволит организовать распределение нагрузки между двумя частотными диапазонами.

Контрольные вопросы

1. Для чего необходима формула Эрланга?

2. От каких параметров зависит общее количество базовых станций в сети?

3. Какими недостатками обладают кластерные структуры?

4. На какое расстояние должны быть разнесены соты с одинаковыми рабочими частотами?

5. Для чего необходимо пространственное разнесение антенн базовых станций и чему оно равно?

6. Чем отличается окончательный сотовый план от номинального?

7. В чем заключаются оптимизация и развитие сотовой системы?

ГЛАВА 5

ПАКЕТНАЯ ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ В GSM

Архитектура сети GPRS

GPRS (General Packet Radio Service) использует общий физический ресурс радиоинтерфейса GSМ совместно с коммутацией каналов. GPRS можно рассматривать как технологию, наложенную на сеть GSМ. Это позволяет использовать одну и ту же физическую среду в сотах как для передачи речи с коммутацией каналов, так и для передачи данных с коммутацией пакетов. Ресурсы GPRS могут выделяться под передачу данных динамически в периоды, когда отсутствует сеанс передачи информации с коммутацией каналов. Для GPRS предназначены те же физические каналы, но эффективность их использования намного больше по сравнению с традиционной GSМ с коммутацией каналов, поскольку несколько пользователей GPRS могут использовать один и тот же таймслот. Это позволяет повысить использование каналов. Кроме того, GPRS использует ресурсы только в период передачи и приема данных. На приведенном ниже рисунке 5.1 показана структура системы GPRS. Поскольку GPRS является новой технологией сети GSМ, то для нее используется уже существующая инфраструктура GSМ с некоторыми модификациями.

Рисунок 5.1 – Архитектура сети

Решение для системы GPRS разрабатывалось таким образом, чтобы можно было быстро и с небольшими затратами внедрять GPRS на сети. Для внедрения GPRS необходимо выполнить модернизацию программного обеспечения элементов существующих сетей GSМ, за исключением BSС, для которого требуется модернизация аппаратных средств.

В сети GSМ появляются два новых узла:

- обслуживающий узел поддержки GPRS – Serving GPRS Support Node (SGSN);

- шлюзовой узел поддержки GPRS Gateway GPRS Support Node (GGSN).

Эти два узла физически могут быть реализованы на базе одного оборудования. Возможно гибкое внедрение GPRS, сначала, например, внедрение комбинированного узла GPRS, который представляет собой комбинацию узлов SGSN и GGSN. На следующей стадии они могут быть разделены на узлы SGSN и GGSN. Ниже описывается, каким образом внедрение системы GPRS оказывает влияние на узлы GSМ и какие терминалы GPRS существуют в сети.

Интерфейсы SSGN называются интерфейсы G (Gb, Gr и тд.), все они определены стандартами ETSI. Стандартизация позволяет стыковать оборудование различных производителей. Интерфейсы к узлам сети UMTS (3G) называются интерфейсы I (Iu, Iur и т.д.).

Существуют три класса МS, которые могут работать с GPRS:

- МS класса А, которая одновременно может быть зарегистрирована в сети GPRS и в сети GSM. MS класса А также может одновременно передавать/принимать речевую информацию и данные с коммутацией пакетов;

- MS класса В одновременно может быть зарегистрирована в сети GPRS и в сети GSM, но в каждый момент времени может принимать/передавать информацию либо службы с коммутацией каналов, либо службы с коммутацией пакетов;

- MS класса С может быть зарегистрирована в один момент времени либо в сети GSM либо в сети GPRS. Терминал обеспечивает только передачу данных в пакетном режиме. Наиболее вероятное исполнение – в виде PCM-CIA-карты, устанавливаемой в портативный компьютер.

Скорость приема и передачи информации зависит от возможностей конкретной модели мобильного терминала, а именно от количества каналов, поддерживающих прием и передачу данных.

Система GPRS по радиоинтерфейсу взаимодействует с МS, передавая и принимая радиосигналы через систему ВSS. ВSS управляет передачей и приемом радиосигналов для всех видов сообщений: речи и данных, передаваемых в режиме коммутации каналов и коммутации пакетов. При внедрении GPRS для базовых станций ВTS требуется дополнительное программное обеспечение. ВSS используется для разделения данных, передаваемых в режиме коммутации каналов и в режиме коммутации пакетов, поскольку только сообщения, передаваемые в режиме коммутации каналов направляются в МSС. Пакеты перенаправляются в новые узлы коммутации пакетов GPRS.

Система коммутации каналов (CSS) представляет собой традиционную систему сети GSМ, включающую в себя уже рассмотренные ранее узлы. При внедрении GPRS необходима модернизация программного обеспечения МSС, которая позволяет выполнять комбинированные процедуры GSM / GPRS, например, комбинированную процедуру подключения МS (Attach): IМSI/ GPRS.

HLR является базой данных, в которой содержатся все абонентские данные, в том числе, относящиеся к услугам GPRS. Таким образом, в HLR хранятся данные, как для службы коммутации каналов, так и для службы коммутации пакетов. Эта информация включает в себя, например, разрешение/запрет на использование услуг GPRS абоненту, текстовое имя точки доступа (Ассеss Point Name - APN) провайдера службы Интернет (Internet Service Provider - ISP), а также указание на то, выделен ли для МS фиксированный IР адрес. Информация о GPRS хранится в HLR в виде подписки на РDР (Packet Data Protocol) контекст. В HLR может храниться до 5 РDР контекстов на одного абонента. Доступ к хранящейся в HLR информации осуществляется из SGSN. При роуминге обращение за информацией может осуществляться в HLR, не связанный с собственным узлом SGSN. Для работы HLR в сети GPRS так же необходима модернизация его программного обеспечения.

AUC не требует какой-либо модернизации при работе с GPRS. Новым свойством с точки зрения АUС в сети GPRS является только то, что шифрацию выполняет сам SGSN.

SMS-IW-MSC позволяет МS с функциями GPRS передавать и принимать SMS через радиоканалы GPRS. SMS-IW-MSC не изменяется при внедрении GPRS.

Биллинговый шлюз (Billing Gateway – BGw) облегчает внедрение GPRS в сети мобильной связи путем реализации функций, упрощающих управление начислением оплаты для GPRS в биллинговой системе. Критерии начисления оплаты при пользовании услугами GPRS фундаментально отличаются от тех критериев, которые применяются для услуг с коммутацией каналов. В частности, они основаны на объеме переданной/полученной информации, а не на времени занятия каналов. Сеанс GPRS может быть активным в течение достаточно длительного периода времени, тогда как реальная передача данных осуществляется в короткие промежутки времени при наличии свободных радиоресурсов. В этом случае время занятия радиоресурсов является несущественным критерием для начисления оплаты в сравнении с объемом данных. Информация о начислении оплаты может быть получена от SGSN и GGSN, использующих интерфейсы, отличающиеся от интерфейсов MSC и для этой информации создаются отчеты CDR нового типа. Некоторыми новыми типами CDR являются:

- S-CDR, связанные с использованием радиосети и переданные от SGSN;

- G-CDR, связанные с использованием внешних сетей передачи данных и переданные от GGSN;

- CDR, связанные с использованием службы коротких сообщений, основанной на GPRS.

Во время одной сессии GPRS может быть сгенерировано несколько S-CDR и G-CDR. BGw позволяет начислять оплату за услуги передачи данных с минимальным влиянием на уже существующие биллинговые системы, может либо трансформировать данные в тот формат, который распознается существующей биллинговой системой, либо может использоваться для создания нового биллингового приложения, специально адаптированного для начисления оплаты за объем. Это позволяет внедрять службы передачи данных очень быстро и осуществлять начисление оплаты за пользование услугами немедленно, в реальном режиме времени.

Система коммутации пакетов

Система коммутации пакетов (PSS) является новой системой, разработанной специально для GPRS. Эта система основана на Интернет протоколе (IP). Она включает в себя новые узлы пакетной коммутации, в общем известные как GSN (GPRS Support Node). В настоящее время существуют два вида узлов GPRS: Обслуживающий узел поддержки GPRS (SGSN) и Шлюзовой узел поддержки GPRS (GGSN). Интерфейсы SGSN связывают его со стандартными узлами сети GSM, такими, как MSC/BSC, а интерфейсы GGSN связывают этот узел с внешними сетями пакетной передачи данных, такими, как сеть Интернет или корпоративная сеть Интернет.

Узлами поддержки GPRS являются SGSN и GGSN, каждый из которых выполняет специфические функции в составе сети GPRS. Ниже описываются эти конкретные индивидуальные функции.

Обслуживающий узел поддержки GPRS (SGSN)

SGSN расположен в сети GPRS как показано на рисунке 5.2.
Этот узел взаимодействует с BSC, MSC/VLR, SMS-G и HLR. Этот
узел подключается к внутренней сети передачи данных (Вackbone Network) для организации связи с GGSN и другими SGSN. SGSN обслуживает всех абонентов GPRS, физически расположенных в пределах зоны обслуживания SGSN. SGSN выполняет в GPRS функции, аналогичные тем, которые выполняет MSC в сети GSM. То есть этот узел управляет функциями подключения, отключения MS, обновления информации о местоположении и т.д. Абоненты GPRS могут быть обслужены любым узлом SGSN в сети в зависимости от их местоположения.

В составе сети GPRS узел SGSN выполняет следующие функции:

- управление передвижением MS (MM – Mobility Management). Процедурами MM, поддерживаемыми по этому интерфейсу, являются подключение IMSI как для вызовов GPRS, так и для вызовов с коммутацией каналов, обновление зоны местоположения, комбинированное обновление зоны местоположения для GSM и GPRS, передача сигналов пейджинга. Процедуры MM позволяют сети контролировать перемещающихся абонентов. MM позволяет MS перемещаться из одной соты в другую, перемещаться из одной зоны маршрутизации SGSN в другую, перемещаться между узлами SGSN в пределах сети GPRS. Понятие Location Area не используется в GPRS. Аналогом этого понятия в GPRS является зона Routing Area – RA. Оба этих термина означают зону местоположения, но LA – для GSM, а RA – для GPRS. RA состоит из нескольких сот и может быть меньше или равна LA. В первой реализации RA была эквивалентна LA..

Рисунок 5.2 – Интерфейсы SGSN

MM позволяет абонентам передавать и получать данные во время перемещения в пределах своей сети PLMN, а также при перемещении в другую сеть PLMN. SGSN поддерживает стандартный интерфейс Gs в направлении MSC/VLR для MS классов А и В, что позволяет выполнять следующие процедуры:

- комбинированное подключение/отключение GPRS/IMSI. Процедура регистрации “attach” осуществляется через SGSN, а потом SGSN сам сообщает в MSC/VLR о местоположении и состоянии абонента. Это позволяет объединять действия и таким образом экономить радиоресурсы. Эти действия зависят от класса MS и наличия Gs интерфейса;

- комбинированный пейджинг. Если MS зарегистрирована одновременно как GSM/GPRS терминал, MSC/VLR выполняет пейджинг через SGSN. Сеть также может координировать предоставление сервисов с коммутацией каналов или с коммутацией пакетов. Координация пейджинга означает, что сеть передает пейджинговые сообщения для служб с коммутацией каналов через пейджинговый канал GPRS или канал трафика GPRS;

- комбинированное обновление местоположения (зоны местоположения LA или RA) для служб с коммутацией каналов GSM и служб с коммутацией пакетов GPRS. MS выполняет функции обновления местоположения отдельно, передавая информацию о новой LA в MSC и новой RA в SGSN. Существует возможность производить обновление только RA, а SGSN по интерфейсу Gs будет передавать на MSC информацию о новой LA. Это позволяет экономить на функциях сигнализации по радиоинтерфейсу;

- управление сеансами (SM - Session Management). Создание сеанса связи с передачей пакетов в GPRS называется активация PDP контекста. Процедуры SM включают в себя активацию контекста протокола пакетной передачи данных (PDP), деактивацию этого контекста и его модификацию. PDP контекст используется для установления и разъединения виртуального канала передачи данных между терминалом, подключенным к MS и GGSN. SGSN затем сохраняет данные, которые включают в себя:

- идентификатор PDP контекста – индекс, используемый для указания на конкретный PDP контекст;

- тип PDP. Это тип PDP контекста. В настоящее время поддерживается протокол IP v6;

- адрес PDP. Фиксированный или динамически назначаемый IP адрес для MS;

- APN (Access Point Name). Имя сервера услуги, разделенное точками, например: wap.beeline.kz;

- QoS (Quality of Service) – качество обслуживания. В QoS, как правило, входит большое количество параметров, описывающих скорость и качество передачи данных (количество проверок на приеме).

PDP контекст должен быть активным в SGSN до того, как какой-либо PDU (пакет данных) может быть передан в MS или получен от MS. Когда в SGSN поступает сообщение о запросе на активизацию PDP контекста, он запрашивает функцию управления разрешением доступа. Эта функция ограничивает количество зарегистрированных пользователей в пределах одного узла SGSN и контролирует качество в пределах каждой зоны. Затем SGSN проверяет, разрешен ли абоненту доступ к конкретной сети ISP (Internet Service Provider) или корпоративной сети передачи данных (посредством проверки списка разрешенных APN);

- маршрутизация. Функции маршрутизации интегрированы в оба узла: SGSN и GGSN. Это стандартные функции маршрутизатора IP и дополнительные функции для распределения внутренней нагрузки, как для полезной, так и для трафика управления. Маршрутизатор таким образом способен обрабатывать как общий трафик IР, так и специальные протоколы GPRS. Функции маршрутизации, строго говоря, не являются частью стандарта GPRS, но они составляют существенную часть сети GPRS. GPRS поддерживает следующие протоколы маршрутизации: RIP v2, OSPF v2, BGP v7. В настоящее время в узлах рекомендуется использовать комбинацию статической маршрутизации и OSPF v2;

- выбор GGSN. SGSN выбирает GGSN (включая сервер доступа) на основе данных РDР контекста, APN и данных о конфигурации сети. Он использует сервер доменных имен (Domain Name Server – DNS) во внутренней сети для установления GGSN обслуживающего запрашиваемый APN. Затем SGSN устанавливает тоннель с помощью GTP протокола (GPRS Тunneling Рrotocol) для подготовки GGSN к дальнейшей обработке информации.

Шлюзовой узел поддержки GPRS (GGSN)

GGSN обеспечивает интерфейс в направлении внешней IP сети с пакетной передачей данных. GGSN обеспечивает функции доступа для внешних устройств, таких, как маршрутизаторы ISP и серверы RADIUS, обеспечивающие функции безопасности. С точки зрения внешней сети IP GGSN действует как маршрутизатор для адресов IP всех абонентов, обслуживаемых сетью GPRS. Направление пакетов к нужному SGSN и преобразование протоколов также обеспечивается узлом GGSN. GGSN выполняет следующие функции в составе сети GPRS:

- подключение к сети IP. GGSN поддерживает соединения с внешними сетями IP с помощью сервера доступа. Сервер доступа использует сервер RADIUS для авторизации пользователей и сервер DHCP для динамического назначения IP адресов;

- обеспечение безопасности передачи данных по протоколу IP. Эта функция обеспечивает безопасную передачу на всех интерфейсах с протоколом IP. Эта функция необходима при подключении абонентов GPRS к их собственной корпоративной сети (VPN). Функции безопасности протокола IP позволяют шифровать все передаваемые данные. Это является защитой от нелегального доступа и обеспечивает гарантии конфиденциальности передачи пакетов данных, целостность данных и аутентификацию источника данных. Механизмы обеспечения безопасности основываются на фильтрации, аутентификации и шифровании на уровне IP. Для обеспечения более высокой степени безопасности при передаче по базовой сети IP эта функция интегрируется в маршрутизатор как в SGSN, так и в GGSN (а также в шлюзовые устройства, действующие на границах сетей). для этого решения используется заголовок аутентификации IP v4 IPSEC, использующий алгоритм MD5 и инкапсулированную нагрузку для обеспечения безопасности (ESP), в которой используется режим цепочечного блочного шифрования американского стандарта шифрования данных (DES-CBC). Система также готова к введению новых алгоритмов шифрования (например, асимметричного протокола аутентификации с ключами общего пользования и т.д.);

- маршрутизация. Функции маршрутизации аналогичны функциям SGSN;

- управление сеансами. GGSN поддерживает процедуры управления сеансами (то есть активизацию, деактивизацию и модификацию PDP контекста);

- поддержка функции начисления оплаты. GGSN также генерирует CDR для каждой обслуживаемой MS. CDR содержит регистрационный файл с отметкой времени для процедур управления сеансами в случае применения режима начисления оплаты, основанного на учете времени и файл с учетом объема переданной информации.

Каналы в GPRS

Для поддержки GPRS в соте должны быть назначены группы каналов для соединений с коммутацией пакетов (PS).

Физические каналы, назначенные для GPRS, называются каналами пакетной передачи данных, или PDCH. Если таймслот используется для передачи пакетных данных, то он входит в общий ресурс пакетных каналов (PSD - Packet Switch Domain). Если таймслот используется для коммутации каналов, то он входит в CSD (Circuit Switch Domain). В соте каналы PDCH будут сосуществовать с каналами обслуживания трафика для CS. Ответственным за назначение каналов PDCH является блок управления пакетной передачей PCU (Packet Control Unit). Один и тот же канал PDCH могут совместно использовать несколько пользователей GPRS. Транзакция по передаче/приему пакетов называется TBF - Temporary Block Flow. MS может располагать одновременно двумя TBF, один из их которых используется в направлении uplink, а другой - в направлении downlink. Каждый TBF определяется номером, который называется TFI - Temporary Flow Identity. При назначении TBF для MS резервируется один или несколько PDCH. В GPRS существует возможность объединять несколько PDCH, это объединение называется PSET и может использоваться одной или несколькими MS. В PDCH могут быть объединены несколько таймслотов (пока до 4-х) на одной частоте. До резервирования канала система должна убедиться в том, что в PSD есть один или несколько свободных каналов PDCH.

Логические каналы GPRS используются для передачи различных типов информации. В системе GSM определено свыше 10 типов логических каналов (рисунок 5.3). Так, например, пейджинговый канал РСН используется для передачи вызывного сообщения, а по широковещательному каналу управления ВССН передается информация о системе. Для GPRS определена новая совокупность логических каналов. Большинство из них имеют наименования, аналогичные и соответствующие наименованиям каналов в GSM. Наличие в сокращенном наименовании логического канала буквы «Р», означающей «Packet» и стоящей перед всеми остальными буквами, указывает на то, что это канал

Рисунок 5.3 – Логические каналы GPRS

GPRS. Так, например, пейджинговый канал в GPRS обозначается как РРСН - Packet Paging Channel.

Новым логическим каналом системы GPRS является канал РТССН (Packet Timing advance Control Channel). Это канал передачи информации о ТА (Timing Advance) – упреждение во времени начала передачи сигнала, он необходим для регулировки этого параметра. В системе GSM информация, относящаяся к этому параметру, передается по каналу SACCH.

РВССН (Packet Broadcast Control Channel) так же, как и канал ВССН в GSM, является широковещательным каналом управления и используется в информационной системе пакетной передачи данных. Если оператор не назначает в системе каналы РВССН, информация о параметрах сети GPRS передается через ВССН.

РРСН (Packet Paging Channel) - это канал пейджинга, и используется он только в направлении downlink для передачи вызывного сигнала к MS до начала передачи пакетов. РРСН может быть использован как для установления соединения с коммутацией пакетов, так и для соединения с коммутацией каналов. Использование канала РРСН для режима с коммутацией каналов возможно только для терминалов GPRS классов А и В в сети, с режимом работы I (NOM=1).

PRACH (Packet Random Access Channel) используется только в направлении uplink. PRACH используется MS для инициализации передачи в направлении uplink для передачи данных или сигнализации.

PAGCH (Packet Access Granted Channel) используется только в направлении downlink в фазе установления соединения для передачи информации о назначении ресурса. Передается в MS до начала передачи пакетов.

PNCH (Packet Notification Channel) используется только в направлении downlink для передачи информации в широковещательном режиме (РТМ-М - Point-to-Мultipoint -Multicast) к группе MS до передачи пакета РТМ-М. Для мониторинга канала PNCH должен быть назначен режим DRX. Услуги DRX не специфицированы для GPRS фазы 1.

РАССН (Packet Associated Control Channel) переносит информацию сигнализации во время сеанса пакетной передачи для конкретной MS. Информация сигнализации включает в себя указания для управления выходной мощностью терминала. По каналу РАССН передаются также сообщения о назначении или переназначении ресурса. Этот канал использует ресурсы совместно с каналами PDTCH, назначенными MS. Кроме того, по этому каналу может быть передано пейджинговое сообщение в сторону MS, находящейся в состоянии соединения с коммутацией пакетов, о том, что данная MS вызывается для установления соединения, например с коммутацией каналов.

PTCCH/U (Packet Timing advance Control Channel) используется только в направлении uplink для передачи Access Burst, чтобы оценить временную задержку доставки информации от MS, находящейся в режиме передачи пакетов.

PTCCH/D (Packet Timing advance Control Channel) используется только в направлении downlink для передачи информации об обновлении значения ТА для нескольких MS. Один PTCCH/D используется совместно с несколькими PTCCH/U.

PDTCH (Packet Data Traffic Channel). По этому каналу передаются пакеты данных. Если система работает в режиме РТМ-М, то он временно назначается для одной MS из группы. Если система работает в мультислотовом режиме, одна MS может параллельно использовать несколько каналов PDTCH для одного сеанса передачи пакетов. Все трафиковые каналы передачи пакетов являются двунаправленными, при этом различают PDTCH/U для направления передачи uplink, и PDTCH/D для направления передачи downlink.

Дополнительные возможности GPRS

SGSN поддерживает стандартный интерфейс Gd в направлении к SMS-GMSC и SMS-IW-MSC. Это позволяет передавать SMS с помощью GPRS через SGSN, вместо MSC/VLR. Путем доставки сообщений SMS по радиоканалам GPRS оператор может экономить на выделенных каналах сигнализации, которые используются для передачи сообщений SMS через сеть с коммутацией каналов. MS, зарегистрированные для использования в сети GPRS, могут получать и передавать короткие сообщения по радиоканалам GPRS. Те MS, которые зарегистрированы для работы в сети GPRS, но не зарегистрированы в GSM, будут получать и передавать короткие сообщения только по радиоканалам GPRS. Те MS, которые зарегистрированы как для работы в сети GPRS, так и зарегистрированы в GSM, могут передавать короткие сообщения как по радиоканалам GPRS, так и по радиоканалам сети GSM. Если для передачи SMS используется канал сети GPRS, пейджинговое сообщение для MS о поступлении на него сообщения SMS может передаваться через
SGSN. Ниже приведен пример успешной доставки сообщения SMS по радиоканалам GPRS:

- SMS-C определяет, что необходимо переслать сообщение в MS. SMS-C передает это сообщение в SMS-GMSC;

- SMS-GMSC проверяет номер адресата и запрашивает из HLR информацию о маршрутизации для доставки SMS (вариант маршрутизации: через SGSN или через MSC и номер SGSN или MSC, соответственно);

- HLR передает результирующее сообщение, которое может включать в себя информацию о SGSN, в зоне действия которого в данный момент находится искомая MS, информацию о MSC, или информацию об обоих узлах. Если результирующее сообщение содержит номер MSC, сообщение SMS будет доставляться традиционным образом через сеть GSM;

- если результирующее сообщение содержит номер SGSN, SMS-GMSC перенаправит SMS в SGSN;

- SGSN передаст SMS в MS, и отправит сообщение об успешной доставке сообщения в SMS-C.

Контрольные вопросы

Какие физические каналы предназначены для GPRS?
Для каких целей необходимы шлюзовой узел поддержки и обслуживающий узел поддержки?

3. Какая функция ограничивает количество зарегистрированных пользователей в пределах одного узла SGSN?

4. Какой из логических каналов системы GPRS не был в системе логических каналов GSM?

5. Для каких абонентов возможна передача SMS как по радиоканалам GPRS, так и по радиоканалам сети GSM?

ГЛАВА 6

ПРЕДПОСЫЛКИ ПЕРЕХОДА К ТЕХНОЛЛОГИИ 3G

Условия внедрения технологии 3G

Во многих странах мира идет процесс перехода к новой социально-экономической формации, которую условно называют информационным обществом. Эту формацию характеризуют как глобальную, основанную на экономике, в сфере которой начались процессы слияния (конвергенции) двух «раздельных» областей бизнеса - индустрии телекоммуникационных технологий и индустрии развлечений (индустрии производства контента). Следствием этих процессов явилось, с одной стороны, появление целого ряда новых инфокоммуникационных услуг и, с другой стороны, необходимость разработки и внедрения новых технологий. Большая часть инфокоммуникационных услуг базируется на передаче данных и реализация их была возможной до некоторого времени лишь в фиксированных сетях, что явно недостаточно для формирования глобального информационного общества, в котором доступ к информации должен быть «всегда и везде». В этом смысле приобретают еще большую значимость технологии мобильной связи и в том числе - технологии сотовой связи. Нынешний успех технологии «голосового» GSM (2G) и переход к GPRS -услугам передачи данных (2,5G) способствуют признанию необходимости развития новых оригинальных услуг в сетях сотовой связи. Однако возможности систем 2,5G ограничены и не могут уже в ближайшем будущем удовлетворить потребности по передаче высококачественной видеоинформации и обеспечить высокоскоростной доступ к информационным сетям и базам данных. Максимальная теоретическая скорость передачи данных при GPRS - 172 кбит/с, а реально реализуемая в существующих сетях -30...40 кбит/с.(таблица 6.1).

Таблица 6.1 - Требования скорости передачи данных

Услуги	Требуемая скорость передачи данных, кбит/с
Доступ в Интернет	> 10…100
Видеоконференции	100…1000
Передача/прием видеоизображений	50…300
Прием высококачественной аудио- информации	100…300
Доступ к базам данных	> 30

Предоставление 2,5G-ycлyг может стать лишь первым шагом для успешного начала внедрения 3G-технологий, открыв возможность поэтапного развития рынка, испытаний «ЗG-подобных» услуг и формирования первоначальной потребительской базы ценой сравнительно небольших инвестиций в модернизацию существующих GSM-сетей. Сегодня в мире уже накоплены технологические знания, есть производственная база, необходимая для успешного внедрения ЗG-технологий. Кроме того, динамичность развития рынка сотовой связи второго поколения способствует возникновению крупных сетей и операторов связи, способных заняться широкомасштабным внедрением ЗG-технологий.

Концепция построения систем связи третьего поколения

Концепция создания систем связи третьего поколения IMT-2000 (International Mobile Telecommunications) разработана в 1990-х годах в рамках Международного союза электросвязи (ITU) при тесном взаимодействии с региональными органами стандартизации, в частности, Европейским институтом по стандартизации в области телекоммуникаций (ETSI), партнерскими объединениями 3GPP и 3GPP2, национальными ассоциациями и исследовательскими центрами. Основу концепции составляет семейство радиоинтерфейсов (рисунок 6.1), определяющих главную отличительную особенность систем 3G от ныне существующих систем сотовой связи. Поэтому рассмотрим более подробно некоторые особенности отдельных радиоинтерфейсов, прежде всего, методы многостанционного доступа к ресурсам сети и расширения спектра радиосигнала.

Рисунок 6.1 - Семейство радиоинтерфейсов наземного сегмента IMT-2000

В данном семействе использованы следующие обозначения радиоинтерфейсов:

- IMT-DS (IMT-2000 Direct Spread) – стандарт на широкополосную систему с прямым расширением спектра (DS-CDMA) и частотным дуплексным разносом (FDD) для применения в парных полосах частот;

- IMT-МС (IMT-2000 Multi Carrier) - стандарт на многочастотную систему CDMA с одновременной передачей нескольких несущих и частотным дуплексным разносом дя применения в парных полосах частот;

- IMT-ТС (IMT-2000 Time Code) – стандарт на комбинированную систему ТDMA/CDMA с временным дуплексным разносом (ТDD) для применения в непарных полосах частот;

- IMT-SС (IMT-2000 Single Carrier) – стандарт на одночастотную систему ТDMA для применения в парных полосах частот;

- IMT-FТ (IMT-2000 Frequency Time ) – стандарт на микросотовую систему DECT с комбинированным частотно-временным дуплексным разносом для применения как в парных, так и непарных полосах частот.

В Европе принят проект системы IMT-2000, названный UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), в его состав включены два радиоинтерфейса IMT-DS и IMT-TC с частотным (FDD) и временным (TDD) дуплексом соответственно (рисунок 6.2).

Рисунок 6.2 - Упрощенная структура сети UMTS

Радиоинтерфейс IMT-MC использован в американском проекте системы IMT-2000, получившем название cdma - 2000. За счет прямого расширения спектра радиосигнала в UMTS ширина его составляет 5 МГц (WCDMA - широкополосный CDMA). В многочастотном cdma - 2000 x сигналы с шириной спектра 1,25 МГц могут передаваться на нескольких несущих. Число несущих может быть х= 1, 3, 6, 9 и 12.

По своим функциям элементы сети UMTS подразделяются на сеть радиодоступа (UTRAN), базовую сеть (CТ), которая обеспечивает коммутацию и маршрутизацию вызовов, и каналы передачи речевой информации и данных (внешняя сеть).

UTRAN состоит из двух элементов:

- Node В (базовая станция) - преобразует поток данных для их передачи и участвует в управлении ресурсами радиосети;

- RNC (контроллер радиосети) - управляет ресурсами радиосети и
представляет собой точку доступа к базовой сети.

Элементы сети CN можно разделить на две группы (домены):

Домен коммутации каналов (CS):

- MSC (коммутатор) - обеспечивает коммутацию сообщений;

- GMSC (шлюзовой MSC) - коммутатор в точке, где сеть UMTS соединяется с внешними сетями с коммутацией каналов. Все исходящие и входящие внешние CS через GMSC.

Домен коммутации пакетов (PS):

- SGSN (узел обеспечения услуг GPRS) - по своим функциям подобен MSC;

- GGSN (узел обеспечения межсетевого перехода GPRS) - по своим функциям подобен GMSC.

В целях автоматического переключения (хэндовера) мобильной станции с одной базовой станции на другую (или с одного сектора базовой станции на другой) при пространственном перемещении абонента, а также входа в сеть другого стандарта (к примеру, GSM) в WCDMA используется гибкая процедура, основанная на одновременном приеме терминалом сигналов от разных источников: полумягкий, мягкий и жесткий хэндоверы (рисунок 6.3).

По своему функциональному предназначению процедура хэндовера решает более широкую задачу по повышению качества работы системы, в том числе увеличению зоны покрытия и пропускной способности за счет приема сигналов с пространственным разнесением. Система UMTS позволяет пользователю согласовывать характеристики каналов с целью их оптимизации для передачи информации соответственно заявленной услуге. Такое согласование имеет место на этапе установления соединения, когда прикладная программа запрашивает канал доступа в зависимости от ее потребности, а сеть проверяет наличие ресурсов, правомочен ли абонент пользоваться этой услугой, и дает ответ.

А) Б)

В)

Рисунок 6.3 - Процедура хэндовера

Наиболее выраженные особенности UMTS:

- более высокая скорость передачи данных (более 384 кбит/с), что позволяет предоставлять новые высокоскоростные услуги, обеспечивая быстрый доступ к информации и ее фильтрацию в зависимости от места нахождения пользователя;

- возможность согласования характеристик радиоканала: пропускной способности, времени задержки пакетов данных и вероятности появления ошибок в них, что позволяет поддерживать широкий спектр услуг с разным (по требованию абонента) качеством обслуживания (QoS);

- возможность мультиплексирования (одновременного представления) услуг с различными требованиями к качеству обслуживания для одного соединения (например, передачи речи, видеоинформации и передачи данных);

- высокая достоверность передаваемой информации (вероятность появления ошибок на бит – 10-6);

- поддержка асимметричного трафика по восходящим и нисходящим каналам передачи (например, просмотр информации Web-сайтов приводит к большей нагрузке в нисходящем канале, чем в восходящем).

Эволюция системы UMTS определяется различными версиями (выпусками - Release) блоков стандартов (технических спецификаций): первому этапу соответствует Release'99, последующим этапам - Release'4, Release'5, Release'6 и т.д. В качестве технологической базы для построения сетей UMTS в соответствии с Release'99 выбрана система GSM/GPRS. Основное отличие UMTS версии Release'99 от GSM/GPRS - новый тип радиоинтерфейса (сети радиодоступа), позволяющий увеличить скорость передачи данных до 384 кбит/с. На первом этапе в сетях UMTS трафик преимущественно будет речевым с постепенным увеличением доли трафика передачи данных, не все функции обеспечения качества обслуживания (QoS) будут реализованы, в связи с чем критичные к задержке пакетов услуги (передача речи и видеотелефония) будут предоставляться с коммутацией каналов.

В качестве одного из перспективных направлений расширения функциональных возможностей сетей UMTS по пропускной способно сети в условиях высокой плотности активных абонентов (аэропорты, вокзалы, отели и т.п.) рассматривается объединение сетей UMTS и сетей беспроводного широкополосного доступа WLAN (Wireless Local Area Networks).

Упрощенная схема взаимодействия сетей UMTS и WLAN приведена на рисунке 6.4.

Рисунок 6. 4 - Схема взаимодействия сетей UMTS и WLAN

Сети WLAN имеют малый радиус зоны обслуживания точки доступа (десятки метров) и высокую скорость передачи данных (от десятков до сотни Мбит/с).

На последующих этапах (Release'5, Release'6) развития системы UMTS предполагается объединение двух доменов базовой сети - с коммутацией каналов (CS) и коммутацией пакетов (PS) - в одну универсальную сеть, полностью базирующуюся на IP-технологии.

Весь потенциал 3G-yслyг невозможно использовать без внедрения нового протокола IP. Сегодняшняя версия протокола в сети Интернет (IPv4) имеет ограниченное адресное пространство. Для мобильного Интернета, где каждый мобильный терминал будет иметь свой IP-адрес, потребуется гораздо большее адресное пространство, чем в IPv4. В планируемой новой версии IPv6 устранены недостатки адресации, гарантированы качество услуг и безопасность информации.

Доменная архитектура сети UMTS

Система UMTS строится из элементов логической цепи (доменов), каждый из которых выполняет определенную функцию. Построение архитектуры UMTS как многоуровневой иерархической системы предполагает объединение физических ее уровней на основе доменных подсистем и объединение функциональных уровней на основе деления на слои вертикального и горизонтального уровней. Деление системы UMTS на домены (структурные подсистемы), показанные на рисунке 6.5, является результатом выполнения требований по обеспечению эволюции существующей сетевой инфраструктуры.

Рисунок 6.5 - Деление системы UMTS на домены

Так, домен базовой сети может стать результатом эволюции существующей инфраструктуры, например, инфраструктуры сети GSM. Взаимодействие между доменами UMTS обеспечивается путем введения опорных точек, определяющих вход и выход взаимодействующих подсистем и увязывающих их в единую систему по совокупности стандартизованных параметров. Совокупность опорных точек сети UMTS включает:

Сu - опорную точку между доменом модуля идентификации абонента (USIM) и доменом оборудования подвижной связи (ME);

Iu - опорную точку между доменом сети доступа и доменом сети обслуживания;

Uu - опорную точку между доменом абонентского оборудования и доменом сети радиодоступа (радиоинтерфейсом UMTS);

Yu - опорную точку между доменом сети обслуживания и доменом транзитной сети;

Zu - опорную точку между доменом сети обслуживания и доменом домашней сети.

Укрупненную декомпозицию сети UMTS можно представить, разделив ее на абонентское оборудование (терминалы) и сетевую инфраструктуру. Результатом данного деления UMTS являются два основных домена: домен абонентского оборудования и домен сетевой инфраструктуры.

Абонентское оборудование - это оборудование, используемое абонентом для доступа к услугам UMTS.

Сетевая инфраструктура состоит из подсистем (доменов), выполняющих различные функции, необходимые для поддержки радио-интерфейса с целью предоставления совокупности услуг связи 3G, опрашиваемых абонентами. Она обеспечивает разделение ресурсов сети UMTS между пользователями, предоставляя услуги связи всем зарегистрированным в сети абонентам внутри зоны покрытия сети.

Домен абонентского оборудования (UE). Данный домен включает в себя различные типы абонентского оборудования с различным уровнем функциональных связей. Это оборудование может быть совместимо с одним или несколькими существующими радиоинтерфейсами доступа в сеть, например абонентское оборудование, работающее в двух стандартах (UMTS/GSM). Абонентское оборудование может включать съемную смарт-карту, которая может использоваться как в различных типах абонентского оборудования, так и в сетях раз-личных стандартов. Домен абонентского оборудования в свою очередь подразделяется на домен оборудования подвижной связи (ME) и домен модуля идентификации пользователя (USIM).

Домен оборудования подвижной связи осуществляет передачу и прием информации по радиоканалу, поддерживает различные приложения и включает отдельные модули:

- модуль, обеспечивающий прием/передачу радиосигналов (Мobile Тermination - МТ);

- модуль, обеспечивающий взаимодействие модулей МТ и ТЕ (Тerminal Аdapter-ТА);

- модуль оконечного оборудования (Тerminal Еquipment - ТЕ).
Модуль идентификации абонента (USIM) содержит совокупность данных и алгоритмов распознавания, которые позволяют безошибочно, на базе криптостойких кодов, идентифицировать абонента. Данные функции реализованы в отдельной смарт-карте, которая содержит данные об определенном пользователе и позволяет идентифицировать его независимо от того, какое мобильное оборудование он использует. В интересах системы UMTS принято два стандарта (технические спецификации) на идентификационные модули пользователя:

- USIM - Universal SIM (Universal Subscriber Identity Module) - универсальный модуль идентификации пользователя (3GPP);

- UICC - Universal Integrated Circuit Card (ETSI).

При этом главным требованием является возможность использования модулей как для систем 3G, так и 2G, а также совместимость их независимо от изготовителя. USIM является мультисервисной картой и обеспечивает доступ пользователя к услугам. В общем случае в USIM содержатся:

данные пользователя;

алгоритмы и ключи идентификации;

подписные данные пользователя на услуги;

данные для доступа к сети GSM.

Основные функции USIM:

- аутентификация (установление подлинности пользователя) - установление подлинности пользователя к USIM, установление подлинности USIM к сети и сети к USIM;

- обеспечение безопасности (конфиденциальность данных пользователя, шифрование и обеспечение целостности данных, хранение ключей аутентификации и шифрования PKI, определение различных уровней безопасности);

- выбор и обеспечение услуг - список услуг, проверка полномочий доступа к услугам, управление персонализацией услуг, информация о кредитной стоимости услуг, вычисление стоимости услуг в выбранной валюте, информация о местоположении пользователя в виде временного идентификатора мобильного пользователя -TMSI, информация о режиме работы (тип сети, тип оборудования), фиксация времени звонка, список имен точек доступа, настраиваемое меню, идентификация изображений (формат, параметры разрешения), поддержание синхронизации с внешними базами данных, список услуг, предоставляемых через сеть GSM;

- телефонная книга (500 телефонных номеров, номера факса, номера телефонов экстренных вызовов адреса электронной почты, операции выбора номеров из телефонной книги, параметры вызовов);

- данные пользователя;

- параметры сети (несущие частоты сот и т.п.);

- взаимодействие с сетью GSM.

UICC - мультисервисная платформа, позволяющая на одной и той же карте запускать различные для смарт-карт приложения. При этом на одной карте могут параллельно работать несколько таких приложений. Такое технологическое решение повышает эффективность предоставления значительного набора новых услуг. Если USIM - это программный интерфейс, то UICC - физический и логический интерфейс.

Домен инфраструктуры (ID). Домен инфраструктуры разделяется на домен сети доступа, который обеспечивает прямое взаимодействие с оборудованием пользователя, и домен базовой сети. Такое разделение упрощает разграничение функций, связанных с радиодоступом, и иных функций и соответствует общему принципу модульности, принятому в UMTS.

Домен сети доступа включает в себя функции, специфичные для технологии радиодоступа, в то время как функции домена базовой сети могут использоваться информационными потоками независимо от технологии доступа. Это разделение позволяет при различных подходах к домену базовой сети для каждого подхода специфицировать отдельный тип базовой сети, подключаемый к домену сети доступа, так же, как при различных технологиях доступа специфицировать каждый тип сети доступа, подключаемой к домену ядра сети.

Домен сетевого доступа (AN) состоит из физических модулей, которые управляют ресурсами сети радиодоступа (RAN), и предоставляет абоненту доступ к домену базовой сети через эфир посредством открытого интерфейса Uu.

Домен базовой сети (CN) состоит из физических модулей, которые обеспечивают поддержку сетевых возможностей, и набора услуг связи 3G. Обеспечиваемая системная поддержка включает реализацию таких функций, как управление информацией о местоположении абонента, управление сетевыми функциями и услугами, коммутация и передача информации, формируемой по запросу пользователем. Домен базовой сети в свою очередь подразделяется на домен сети обслуживания, домен домашней сети и домен транзитной сети.

Домен сети обслуживания (SN) представляет собой часть домена базовой сети, к которой подсоединяется домен сети доступа, обеспечивающий доступ пользователей. Он представляет функции базовой сети, которые связаны с точкой доступа пользователя к сети и перемещаются при перемещении пользователя. Отвечает за маршрутизацию вызовов и транспортирование данных пользователя от источника к получателю. Этот домен имеет возможность взаимодействовать с доменом домашней сети, для того чтобы обеспечивать услуги, связанные с пользователями, и с доменом транспортной сети, для того чтобы обеспечить услуги, не связанные с пользователями.

Домен домашней сети (HN) предоставляет функции базовой сети , которые выполняются в постоянном (определенном) месте, независимо от местоположения точки доступа пользователя. В домене домашней сети обслуживаются запросы модуля идентификации абонента USIM, связанные с подпиской на услуги связи 3G. Поэтому домен домашней сети постоянно хранит специфические данные пользователя и отвечает за управление информацией о наборе услуг 3G, предоставляемом конкретному абоненту (его подписке). Кроме того, он может выполнять специфические услуги домашней сети, потенциально не предлагаемые доменом сети обслуживания.

Домен транзитной сети (TN) - часть базовой сети, расположенная между доменом сети обслуживания (SN) и территориально удаленной частью сети. Если для конкретного вызова удаленная часть сети расположена в той же сети, что и порождающий вызов домен UE, активизации домена транзитной сети не происходит.

Системная архитектура сети UMTS

С функциональной точки зрения, элементы сети объединяются в сеть радиодоступа (RAN - Radio Access Network, наземная UMTS RAN - UTRAN), которая выполняет все необходимые радиофункции и в базовую сеть (Core Network), которая осуществляет переключение и маршрутизацию вызовов, а также подключение данных к внешним сетям. Кроме того, в состав сети входит оборудование пользователя (UE). На рисунке 6.6 представлена системная архитектура сети UMTS с указанием принятых открытых интерфейсов.

С точки зрения спецификации и стандартизации, и UE и UTRAN состоят из полностью новых протоколов, основанных на новой радиотехнология WCDMA. И наоборот, определение базовой сети (CN) унаследовано в определенной степени из GSM. Это дает системе, использующей новую радиотехнологию, общую основу в виде хорошо известной и широко используемой технологии CN, которая ускоряет и способствует ее введению, а также дает возможность использовать такое конкурентное преимущество, как роуминг.

Рисунок 6.6 - Системная архитектура сети UMTS

Базовые станции Node В осуществляют организацию радиоканалов по вызовам мобильных абонентов или по своей инициативе при поступлении внешнего вызова. Основной функцией Node В является реализация радиоинтерфейса (обработка радиосигнала, модуляция/демодуляция с расширением/сжатием спектра сигнала, кодирование/декодирование и др.), в том числе, выполнение некоторых операций по распределению радиоресурсов сети (управление мощностью излучения, осуществление хэндовера).

Контроллер сети радиодоступа RNC осуществляет управление базовыми станциями, с которыми он образует подсистему RNS, и взаимодействует с центром коммутации сети 3G-MSC/VLR. Основными функциями RNC являются: управление распределением радиоканалов, контроль соединений, регулирование их очередности, удаленная динамическая коммутация, а также контроль за распределением абонентской нагрузки. Контроллеры ведущих мировых производителей телекоммуникационного оборудования строятся, как правило, на базе ATM-коммутатора, расширенного блоками управления радиоканалами.

Мобильный центр коммутации сети 3G-MSC/VLR является центральным элементом сети. Он может обслуживать большую группу Node В и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы подвижная абонентская станция. 3G-MSC/VLR осуществляет обмен внутри сети UMTS, соединяя между собой различные сетевые элементы, в частности, элементы подсистемы RNS. 3G-MSC/VLR обеспечивают соединение с другими MSC, в частности, с зональными GMSC и другими службами. Совмещенная база данных перемещения абонентов (VLR) содержит копию списка подключенных услуг связи для визитных абонентов, а также точную информацию о местоположении абонентской станции в рамках обслуживающей системы.

Зональный центр коммутации (GMSC) осуществляет коммутацию между сетью UMTS и внешними CS-сетями.

База данных местоположения абонентов HLR представляет собой справочную базу данных о постоянно прописанных в сети абонентах. В ней содержатся опознавательные номера и адреса, а также параметры подлинности абонентов, состав услуг связи, специальная информация о маршрутизации и данные о роуминге абонента.

Сервисный опорный узел SGSN решает задачи идентификации абонента и управления мобильностью, конвертирования протоколов IP-сети в протоколы, используемые Node В и UE, сбора данных об оплате и трафике абонентов и маршрутизации данных (при подключении к другим внешним сетям).

Шлюзовой опорный узел GGSN является интерфейсом между базовой сетью GPRS и внешними сетями, играя роль маршрутизатора подсистем. В случае, если данные адресованы специальным пользователям, осуществляется их проверка и поиск адресата. GGSN осуществляет перераспределение пакетов данных мобильным абонентам и контролирует правильность подсоединения внешних сетей. Следует отметить, что описанный вариант архитектуры сети UMTS является базовой сетевой архитектурой, определенной в рамках 3GPP в блоке стандартов Release'99 (далее R'99) [7,22]. Как видно, она является достаточно гибкой и универсальной, что допускает возможность конфигурации сети на выбор оператора.

Сеть радиодоступа UTRAN

Сеть UTRAN представляет собой домен сетевого доступа с соответствующими сетевыми интерфейсами и протоколами и включает в себя совокупность технических и программных средств. В сети UTRAN можно выделить четыре основных интерфейса (рисунок 6.7):

Iu - интерфейс между RNC и базовой сетью;

Uu - интерфейс между абонентским оборудованием и Node В;

Iur — интерфейс между контроллерами RNC;

Iub - интерфейс между Node В и контроллерами RNC.

Рисунок 6.7- Основные интерфейсы UTRAN

Ключевыми функциями, которыми управляют интерфейсы, являются:

- контроль и измерение ошибок в канале между базовой сетью и абонентским оборудованием;

- обеспечение функций мобильности (хэндовер, поиск и определение сот, управление поиском, определение местоположения абонента);

- управление емкостью сети;

- контроль радиоизлучений и физических каналов.

Распределение функций UTRAN. Основные функции, возложенные на RNC:

- сопряжение UTRAN и CN (обычно один сектор MSC и один узел SGSN);

- управление радиоресурсами (управление загрузкой и переполнением «своих» сот, а также регулирование доступа);

- управление радиолинией (распределение кодов для новых соединений, устанавливаемых в сотах и др.);

- определение множества комбинаций транспортных форматов (функция централизованной базы данных);

- мультиплексирование (демультиплексирование) протокольных модулей (PDU) более высокого уровня в транспортные блоки (из них), доставленные на физический уровень (с него) совместно используемых выделенных транспортных каналов (используемых для мягкого перехода);

- выбор соответствующего транспортного формата для каждого транспортного канала в зависимости от мгновенной скорости передачи данных источника (совместно с RRC);

- обработка приоритетов информационных потоков от пользователя.
Если в соединении «одна подвижная станция - сеть UTRAN» используются ресурсы более одного RNC, то подключенные контроллеры
RNC выполняют в отношении данного соединения две логические
функции (рисунок 6.8):

- обслуживающего контроллера (SRNC - Serving RNC), который для одной подвижной станции является контроллером RNC, обеспечивающего как интерфейсные линии Iu для пересылки данных пользователя, так и соответствующие сигнальные присоединения к базовой сети и от нее. В нем выполняется процедура обработки данных, поступающих на радиоинтерфейс. В контроллере выполняются операции распределения базовых ресурсов радиосвязи (BRRM), например, отображение параметров широкополосного канала радиодоступа (RAB) в параметрах транспортного канала, решение по эстафетному переходу и регулирование мощности излучения по внешней петле;

- дрейфового контроллера (DRNC - Drift RNC), которым является любой контроллер RNC (кроме контроллера SRNC), и пассивно управляет сотами, используемыми подвижной станцией. Контроллер DRNC может быть использован для макроразнесений. В контроллере DRNC не выполняется процедура обработки данных пользователя, но он в прозрачном режиме маршрутизирует данные между интерфейсами tub и lur. С одной подвижной станцией может работать один, несколько или ни одного контроллера DRNC.

Рисунок 6.8 - Логические функции контроллера RNC

Основные функции, возложенные на Node В:

- планирование сообщений вещания, пейджинга и уведомления;

- разрешение конфликтных ситуаций в канале доступа - для уменьшения неконструктивного трафика через интерфейс tub и уменьшения задержек в обоих направлениях;

- реализация процедуры регулирования мощности излучений.

Управление доступом к сети. Процедура управления доступом содержит две составляющих: контроль допуска в сеть и контроль перегрузки сети.

Система контроля допуска (Admission Control) к сети обеспечивает допуск новых абонентов в сеть и возможность создания новых соединений, исходя из загрузки сети. Задача системы контроля допуска - избежать перегрузки сети. Система принимает решения на основе данных измерения уровня помех в сети, излучаемой мощности и наличия свободного ресурса в сети UNRAN. Кроме того, система используется при первичном вхождении абонентов в сеть, измерении и обновлении уровня ошибок в канале RAB и обеспечении хэндовера. Обслуживающий контроллер RNC осуществляет контроль допуска с использованием интерфейса Iu.

Система контроля перегрузки (Congestion Control) отслеживает (определяет) ситуации перегрузки сети и управляет ими. В случаях, когда сеть UTRAN приближается к состоянию перегрузки или находится в этом состоянии, а пользователи остаются подключенными, система перераспределяет в сети имеющиеся радиоресурсы, ограничивая качество обслуживания и восстанавливая утраченные связи.

Управление мощностью излучений. Управление мощностью излучений по замкнутой схеме в линии «вверх» регулирует мощность, передаваемую мобильной станцией для поддержания значения отношения сигнал/помеха (SIR) на требуемом уровне. Базовая станция оценивает мощность принимаемых сигналов в соотношении к совокупным помехам и формирует команды управления (ТРС), которые передаются подвижной станции. Управление мощностью по внешней схеме настраивает требуемое значение SIR для каждого соединения в отдельности. Управление мощностью по замкнутой схеме в линии «вниз» регулирует мощность, передаваемую базовой станцией для поддержания требуемого значения SIR. Внешний цикл регулирует требуемое значение SIR с помощью управления мощностью по замкнутой схеме.

Базовая сеть CN

Элементы базовой сети UMTS были описаны выше. Отметим лишь некоторые ее характерные признаки. Логическая архитектура базовой сети предусматривает четкое разделение между доменами с коммутацией каналов (CS) и коммутацией пакетов (PS), при котором можно выделить следующие функциональные зоны:

- функциональные объекты, необходимые для поддержки услуг PS (например, 3G-SGSN, 3G-GGSN);

- функциональные объекты, необходимые для поддержки услуг CS (например, 3G-MSC/VLR);

- функциональные объекты, общие для обоих видов услуг (например, 3G-HLR).

К базовой сети также можно отнести:

- системы управления сетью (управление сетевыми элементами, биллинг и предоставление кредитов, управление услугами и т.д.);

- элементы интеллектуальных сетей (IN) (SCP, SSP, и т.д.);

- инфраструктуру коммутации/транспорта ATM/SDH/IP.

Внешние сети могут быть разделены на две группы:

- SC-сети (Сircuit Switched) - сети с коммутацией каналов, которые обеспечивают коммутацию каналов как и в существующих телефонных сетях общего пользования. Примерами таких сетей являются сети ISDN (цифровая сеть связи с интегрированными услугами) и PSTN (коммутируемая телефонная сеть общего пользования);

- PS-сети, которые обеспечивают услуги пакетной передачи данных (к примеру, сеть Интернет).

Перечисленные ранее элементы CN обеспечивают выполнение следующих функций:

- управление мобильностью - управление приложениями, аутентификацией и обновлениями HLR, перемещением SRNS и межсистемным переходом;

- управление вызовами - управление сообщениями вызова от UE и обратно;

- дополнительные услуги - управление дополнительными услугами вызова, такими как ожидание вызова;

- информационные услуги CS - адаптация скорости и трансляция сообщений для информационных услуг в канальном режиме;

- подключение ATM/AAL2 к сети UTRAN для транспортировки трафика пользователей через интерфейс Iu;

- физическое подключение ATM/AAL5 к сети UTRAN для транспортировки трафика плоскости пользователей через интерфейс lu с использованием туннельного протокола GPRS (GTP);

- передача коротких сообщений (SMS);

- регистрация визитных абонентов;

- управление сеансами - управление сообщениями организации сеансов в направлении UE и GGSN и обратно, а также управляет доступом и механизмами QoS;

- физическое подключение ATM/AAL5 к сети UTRAN для транспортировки трафика плоскости пользователей;

- функция абонентской базы данных. Данная база данных (подобная VLR) размещается в 3G-SGSN и служит промежуточным хранителем абонентской информации для поддержки мобильности абонентов;

- сбор данных о соединениях, относящихся к использованию радиосети пользователем;

- поддержка информации о местоположении на уровне SGSN (макромобильность);

- взаимодействие с внешними сетями;

- фильтрация/безопасность пользовательских данных - эта функция может включать фильтрацию абонентской информации, управляемую на уровне пользователя или сети;

- распределение адресов на уровне пользователей;

- установление канала связи с сервисным центром;

- информационная защита сетей (аппаратно-программные средства межсетевой защиты - Firewall) от атак из внешних сетей. Безопасность магистральной информационной сети может обеспечиваться путем применения механизмов фильтрации пакетов на основе списков управления доступом (ACL) и других методов.

Сетевые интерфейсы

Стандарты системы UMTS построены так, что собственные функциональные возможности элементов сети детально не задаются. Вместо этого определены интерфейсы между логическими элементами сети. Как было отмечено ранее, к основным из них относятся:

- Интерфейс Cu - электрический интерфейс между интеллектуальной картой (или смарт-картой) USIM и оборудованием подвижной станции (абонентского терминала). Интерфейс соответствует стандартному формату для интеллектуальных карт;

- Интерфейс Uu - интерфейс, обеспечивающий доступ подвижной станции к фиксированной части сети, является наиболее важным открытым интерфейсом в системе UMTS;

- Интерфейс Iu - открытый логический интерфейс. Посредством данного интерфейса сеть UTRAN подключается к сети CN. Со стороны UTRAN интерфейс lu заканчивается на RNC. Со стороны CN он заканчивается на MSC. Как и в соответствующих интерфейсах системы GSM (А - коммутация каналов; Gb - пакетная коммутация), открытый интерфейс lu позволяет операторам UMTS приобретать аппаратуру для сетей UTRAN и CN у разных производителей.

Основные функции интерфейса:

- перенос информации общего управления работой радиосети UTRAN;

- перенос информации управления UTRAN в контексте каждой конкретной ячейки;

- перенос сигнальных сообщений управления вызовами пользователей и обеспечение мобильности (MМ).

Плоскость управления обслуживает два домена обслуживания базовой сети: домен коммутации пакетов (PS) и домен коммутации каналов (CS). Домен CS поддерживает услуги с коммутацией каналов. Примером услуг CS является передача голосовых и факсимильных сообщений. Домен CS может также обеспечивать интеллектуальные услуги, такие как голосовая почта и бесплатный телефон. Домен CS соединяется с PSTN и ISDN. Предполагается, что домен CS будет развиваться из существующей наземной сети мобильной связи общего пользования 2G-GSM.

Интерфейс Iur - открытый интерфейс, обеспечивающий плавный эстафетный переход между контроллерами RNC. Обеспечивает сценарии мягкого перехода, когда различные потоки данных в одной линии связи поддерживаются Node В, принадлежащими разным контроллерам RNC. Линия связи между одним котроллером RNC и одним Node В или двумя разными контроллерами RNC реализуется через интерфейс Iur. Для этого определены три разных функции интерфейса:

- управление радиосетью;

- управление транспортной сетью;

- управление данными пользователей.

Интерфейс Iur используется для переноса:

- информации для управления радиоресурсами в контексте запроса конкретной услуги с подвижной станции;

- информации для управления транспортной сетью, используемой в UTRAN;

- голосовых и пакетированных пользовательских данных.

Интерфейс Iub - обеспечивает соединение Node В и контроллера RNC. UMTS является первой коммерческой системой, в которой интерфейс «контроллер - базовая станция» стандартизован в виде полностью открытого интерфейса. Функции интерфейса:

- управление радиосетью;

- управление транспортной сетью;

- управление данными пользователей.

Интерфейс lub используется для переноса:

- информации общего управления Node В для работы радиосети;

- информации управления радиоресурсами в контексте запроса на конкретную услугу с подвижной станции;

- информации управления транспортной сетью, используемой в UTRAN;

- пользовательских сигнальных сообщений;

- пользовательской голосовой информации и пакетных данных.

6.8 Глобальные системы связи будущего

Под эгидой Международного союза электросвязи (МСЭ) ведутся работы по созданию глобальной международной системы мобильной связи, которая получила название FPLMTS (Future Public Land Mobil Telephone System). Эта система должна стать будущей сухопутной мобильной телефонной системой общего пользования. В ней предполагается разработка наземного и космического сегментов, а также совмещение всех технологий мобильных телекоммуникационных систем.

Рисунок 6.9 - Архитектура построения будущей системы мобильной связи

Контрольные вопросы

1. Чем принципиально отличается сети 3G от сетей 2,5G?

2. Сравните сеть радиодоступа UTRAN и сеть радиодоступа GSM?

ГЛАВА 7

ПРИМЕР РАСЧЕТА ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ

7.1 Методика расчета зоны покрытия на основе статистической модели напряженности поля сигнала

Напряженность поля сигнала в сетях подвижной радиосвязи (СПР), будучи случайной величиной по местоположению и во времени, аппроксимируется логарифмически нормальным законом, параметрами которого являются медианное значение напряженности поля по местоположению и во времени (дБ(мкВ/м)) и стандартное отклонение (дБ относительно медианы).

Медианное значение напряженности поля сигнала находят из "кривых распространения" Рекомендации 370 и 529 МСЭ, которые представляют собой функциональную зависимость

(7.1)

где R – длина трассы, км; F -рабочая частота (диапазон частот), МГц; - эффективная высота передающей антенны, м; Т – время, в течение которого напряженность поля превышает прогнозируемый уровень, %.

Кривые распространения представляют уровни напряженности поля как функции от различных параметров.

Кривые распространения представляют значения напряжённости поля, создаваемые источником мощностью 1 кВт, излучаемой полуволновым диполем, которые превышаются в 50% мест (в пределах любой зоны, приблизительно 200 x 200 м) для различного процента времени (50, 10, 5, 1 %). Они соответствуют различным высотам передающей антенны и высоте приемной антенны 10 м. Кривые распространения даны для эффективных высот передающей антенны от 37,5 до 1200 м, где каждое последующее значение "эффективной высоты" равно удвоенному предыдущему. Для значений эффективной высоты, отличных от рассмотренных, должна применяться линейная интерполяция двух кривых, соответствующих эффективным высотам непосредственно выше и ниже рассматриваемого значения. Кривые трасс, проходящих над поверхностью Земли, относятся к значению = 50 м, которое обычно применяется к холмистой территории, имеющей место в Европе и Северной Америке.

Расчет напряженности поля для конкретной трассы производится по формуле

(7.2)

где Р - излучаемая мощность, дВ (Вт); G(α) – коэффициент усиления передающей антенны в направлении, определяемом углом α, дБ; - коэффициент, зависящий от степени неровности местности, дБ; - коэффициент, зависящий от высоты приемной антенны и характера местности в зоне приема, дБ; - коэффициент, зависящий от процента пунктов приема, для которых напряженности поля превысит прогнозируемый уровень, дБ; - коэффициент, зависящий от угла просвета местности, Дб; - угол просвета местности, град; - коэффициент, учитывающий климатические зоны, дБ.

Эффективная высота передающей антенны (ЭВА) (рисунок 7.1) определяется как высота антенны над средним уровнем местности в области 3-15 км от передатчика в направлении на приемник (в Венском соглашении область усреднения 1-15 км)

где - ЭВА центральной станции, м; - физическая высота антенны над уровнем моря, м; - средняя высота местности, м.

Рисунок 7.1 – Определение эффективной высоты передающей антенны

Для эффективной высоты передающей антенны , изменяющейся в диапазоне от нуля до 37,5 м, напряженность поля на расстоянии х от передатчика берется как и для высоты 37,5 м на расстоянии (x+25-) км. Данная процедура справедлива для расстояний, уходящих за линию радиогоризонта, задаваемых как () км. С целью получения значения напряженности поля для более коротких расстояний требуется:

- рассчитать разность между значением напряженности поля для трансгоризонтальных трасс высоты и значением, снятым по кривой для высоты 37,5 м и того же расстояния;

- вычесть абсолютное значение разности, полученной выше, из значения напряженности поля по кривой для =37,5 м для реального рассматриваемого расстояния.

Это может быть выражено следующей формулой, где - напряженность поля в (дБ (мкВ/м)) для расстояния x (км) и эффективной высоты передающей антенны (м):

Для эффективной высоты передающей антенны , превышающей 1200 м. напряженность поля на расстоянии x от передатчика берется такой же, как напряженность поля, определяемая по кривой для = 1200 м на расстоянии (x+140-) км. Это справедливо для расстояний, уходящих за радиогоризонт, задаваемых как () км. Для расчета значения напряженности поля для более коротких трасс требуется:

- рассчитать разность между значением напряженности поля трансгоризонтальных трасс для высоты , и значением по кривой для высоты 1200 м и того же расстояния;

- добавить абсолютное значение полученной таким образом разности к значению напряженности поля по кривой для высоты 1200 м для реального рассматриваемого расстояния.

Это можно выразить следующим образом:

(7.3)

Полученное значение напряженности поля не должно превышать значения напряженности поля для свободного пространства:

, дБ (мкВ/м) (7.4)

Степень неровности местности (рисунок 7.2) определяется как разница между высотами, которые превышаются на 10 и 90 % длины отрезка трассы от 10 до 50 км от передатчика в направлении приемника. Если трасса между передатчиком и приемником короче 50 км, то в расчет должно приниматься только реальное расстояние до приемника.

Поправки, обусловленные степенью неровности местности , могут привести к значительным ошибкам в следующих ситуациях:

- трассы распространения существенно отличаются от горизонтальных;

- трассы распространения содержат глубокие долины:

- трассы распространения содержат одну доминирующую неоднородность рельефа местности, например единственную гору.

Эти случаи, как правило, приводят к повышению и недооценке напряженности поля мешающего сигнала.

Рисунок 7.2 – Определение степени неровности местности

Если для прогнозирования напряженности поля в определенных зонах, например в малой зоне приема, требуется большая точность, можно добавить поправочный коэффициент, зависящий от утла просвета местности θ. Данный угол будет репрезентативным значением тех углов в приемной зоне, которые измеряются между горизонталью в точке установки приемной антенны и линией, которая огибает все препятствия на расстоянии 16 км в направлении передатчика (см. пример, приведенный на рисунке 7.3).

Рисунок 7.3 – Определение угла просвета местности нал поверхностью земли

Соответствующие поправочные коэффициенты для различных значений углов просвета местности учитываются при расчетах по формуле (7.2) и находятся по формулам:

для ОВЧ (7.5)

для УВЧ,

где - угол просвета местности в радианах.

Напряженность поля зависит как от высоты приемной антенны, гак и от характера местности, непосредственно окружающей ее (сельская, пригородная, городская зоны). Высота приемной антенны определяется как высота центра излучения антенны над уровнем местности в точке установки антенны.

Поправка для расчета напряженности поля при высотах приемной антенны от 1,5 до 40 м определяется по формуле

, дБ (7.6)

где с можно выбрать в таблице 7.1.

Таблица 7.1 – Значение коэффициента с

Зона	с,дБ
	ОВЧ	УВЧ
Сельская	4	4
Пригородная	5	6
Городская	6	8

Методы прогнозирования зоны обслуживания предназначены для того, чтобы обеспечить статистику условий приема по всей данной области, а не в какой-либо отдельной точке. Интерпретация такой статистики зависит от размеров рассматриваемой зоны. Когда один конец радиотрассы фиксирован, а другой подвижен, потери на трассе будут непрерывно меняться с изменением его места расположения в соответствии со всем многообразием влияющих воздействий. Удобно разделить эти воздействия на три основные категории:

Изменения, связанные с многолучевым распространением. Изменения сигнала происходят на расстояниях порядка длины волны из-за набега фазы в связи с эффектами многолучевого распространения, например, отражения от земли, зданий и т. д.

Изменения, связанные с локальными препятствиями на поверхности земли. Изменения сигнала происходят из-за локальных препятствий на поверхности земли, например, зданий, деревьев, в масштабе размеров этих объектов. Эти изменения, как правило, значительно больше, чем изменения, связанные с многолучевым распространением.

Изменения, связанные с характером профиля трассы. Изменения сигнала также происходят из-за изменений в геометрии всей трассы распространения, например, наличие холмов и т. д. В целом, исключая очень короткие трассы, масштаб этих изменений значительно больше, чем изменений, вызванных препятствиями на поверхности земли.

В ОВЧ и УВЧ диапазонах непостоянство места расположения обычно оценивается для квадратных зон со стороной 100-200 м, иногда с дополнительным требованием, что зона должна быть плоской. Важным моментом является, будет ли влияние геометрии трассы на изменения в рассматриваемой зоне значительным.

Коэффициент , зависящий от заданного процента пунктов приема, определяется по формуле:

.(7.7)

Построение рельефа местности

Зададимся следующими условиями:

Передатчик находится на крыше корпуса А института АИЭС, при этом высоту здания примем равной 20 м. Считаем передатчик всенаправленным. Определяем перепад местности и поправки на рельеф.

Рисунок 7.4 – Фотография местности в западном направлении

Рисунок 7.5 - Карта местности в западном направлении

hЗ = 20м Bрел = -4,5 дБ

Рисунок 7.6 –Фотография местности в восточном направлении

Рисунок 7.7 - Карта местности в восточном направлении

hВ = 160м Bрел = -10 дБ

Рисунок 7.8 – Фотографии местности в северном (слева) и южном (справа) направлениях

Рисунок 7.9 - Карта местности в северном направлении

hС = 20м Bрел = 4,5 дБ

Рисунок 7.10 - Карта местности в южном направлении

hЮ = 150м Bрел = - 9 дБ

Расчеты для направлений «ЗАПАД» и «ВОСТОК» примем одинаковыми, т.к. в расчетах используются одинаковые для обоих направлений параметры (угол просвета местности меняется слабо ).

Для направлений «ЮГ» и «СЕВЕР» расчеты не будут одинаковы. В южном направлении высота местности над уровнем моря растет, а в северном – падает, но угол просвета местности примерно одинаков , поэтому в первом случае имеем отрицательное, а во втором случае положительное значение.

7.3 Расчет напряженности поля в точке приема

Рассчитаем значение напряженности поля в точке 4000 метров от передатчика.

Расчет в направлениях «ЗАПАД» и «ВОСТОК»:

;

= 10дБ (определяется графически по статистическим данным);

, т.к. и протяженность трассы составляет 4 км, а данный коэффициент учитывается при протяженности трассы более 10 км;

Р=13 дБ,

Эффективная высота передающей антенны (ЭВА) .

Значение напряженности поля для свободного пространства:

Поправочный коэффициент, зависящий от угла просвета местности, будет равен

т.к. в этих направлениях для города Алматы .

Поправка для расчета напряженности поля при высоте приемной антенны =1,5 м определяется по формуле

, дБ

где с=6 (по таблице 7.1).

Коэффициент , зависящий от заданного процента пунктов приема, определяется по формуле:

где Т=10%=0,1 – время, в течение которого напряженность поля превышает прогнозируемый уровень.

Напряженность поля для смешанной трассы не учитывается, т.к. в городе нет трасс, пересекающих ярко выраженные границы суша/море.

При некоторых обстоятельствах затухание в растительной среде может быть важно для систем связи, но в городе очень мало растительности, соответственно, этим параметром можно пренебречь.

Следовательно,

Е=10+13-30+13+0-16,48-3,2+2,067+0= 11,6 дБ

Рассчитаем устойчивую дальность связи для частоты f = 900 МГц.

Длина волны .

Для этого решим уравнение (7.8) относительно R, приняв затухание на трассе Wтр = -126 дБ.

(7.8)

где угол просвета местности;

d = 400 м – среднее расстояние между улицами .

(7.9)

Расчет в направлениях «СЕВЕР» и «ЮГ»:

Почти все параметры расчета для всех четырех направлений можно принять одинаковыми, кроме одного.

Поправочный коэффициент, зависящий от угла просвета местности, будет равен

т.к. в этих направлениях для города Алматы . Следовательно

Ес=10+13-30+13+0-16,48-3,2+26,55+0= 12,87 дБ;

Ес=10+13-30+13+0-16,48-3,2+31,09+0= 17,41 дБ;

Рассчитаем устойчивую дальность связи по формуле (7.9).

После проведенных расчетов получим сводную таблицу 7.2:

Таблица 7.2 – Результаты расчетов

Направление	Требуемая напряженность поля, дБ	Устойчивая дальность связи, м
ЗАПАД	11,6	974,4
ВОСТОК	11,6	974,4
СЕВЕР	12,87	725,03
ЮГ	17,41	524,17

Результаты расчетов, приблизительные и не могут отражать реальной ситуации ввиду идеализирования ситуации, потому как в расчетах не учитывались такие факторы как нахождение на трассе нескольких клиновидных препятствий и сложность застройки, влияние других станций, метеорологические условия и состояние атмосферы и др.

Список условных обозначений, сокращений и терминов

1G First Generation Первое поколение мобильной связи

2G Second Generation Второе поколение мобильной связи

3G Third Generation Третье поколение мобильной связи

3GPP- Generation Partnership Партнерский проект по третьему

Project поколению

8PSK 8-Phase Shift Keying Разновидность фазовой модуляции,

используемая в EDGE

A Interface between MSC Интерфейс между MSC и TRC

and TRC or BSC/TRC (BSC/TRC)

Abis Interface between BSC Интерфейс между BSC и BTS

and BTS

AGCH Access Granted Channel Логический канал, подтверждающий

разрешение доступа в сеть

AMR Adaptive Multi Rate Адаптивный Многоскоростной Кодек

APN Access Point Name Текстовое имя точки доступа к услуге

(в GPRS)

ARFCN Absolute Radio Frequency Номер частотного канала

Chanel Number

AuC Authentication Center Центр Аутентификации

BCH Broadcast Channels Широковещательные каналы

BEP Bit Error Probability Вероятность возникновения битовой

oшибки

BPC Basic Physical Channel Физический канал (в GSM – таймслот)

BSC Base Station Controller Контроллер Базовых Станций

BSIC Base Station Identity code Идентификатор Базовой Станции

BSS Base Station System Подсистема Базовых Станций

BTS Base Transceiver Station Базовая Станция (БС)

CBCH Cell Broadcast Channel Логический канал, используемый для

процедуры рассылки инфосообщений

абонентам в соте

CF Call Forwarding Переадресация вызова

CGI Cell Global Identity Глобальный Идентификатор Соты

CLIP Calling Line Indentificatoin Определение номера Вызывающего

Presentation Абонента

CLIR Calling Line Identification Запрет определения Номера Абонента

Presentation Restriction

CM Connection Management Управление Соединением

CP Central Processor Центральный Процессор

CS Circuit Switching Коммутация Kаналов

CS-1/2/3 Coding Scheme 1/2/3 Варианты кодировки данных в GPRS

CUG Closed User Group Закрытая Группа Пользователей

CW Call Waiting Уведомление об ожидающем вызове

DL Downlink Направление связи от БС к МС

DTMF Dual Tone Multi Frequency Многочастотный Hабор Hомера

DTX Discontinuous Transmission Прерываемая Передача - услуга

прекращения передачи/приема

информации в паузах разговора

DRX Discontinuous Reception Прерываемый прием - это услуга,

которая позволяет MS слушать

пейджинговый канал не постоянно,

а в определенные моменты времени

EDGE Enhanced Data rates for Новая технология модуляции сигнала

Global Evolution на радио интерфейсе в GSM,

позволяющая увеличить пропускную

способность канала

EGPRS Extended General Packet GPRS через технологию EDGE

Radio Service

EIR Equipment Identity Register База Данных Абонентского

Оборудования

FACCH Fast Associated Control Логический канал, используемый

Channel для хэндовера

FCCH Frequency Correction Channel Логический канал подстройки

частоты

GGSN Gateway GPRS Support Шлюзовой узел поддержки GPRS

Node

GMSC Gateway Mobile Swithching MSC для маршрутизации входящих

Center соединений на мобильную станцию

GMSK Gaussian Minimum Shift Разновидность фазовой модуляции,

Keying используемая в GSM

GPRS General Packet Radio Технология пакетной передачи

Service данных через радио интерфейс GSM

GPS Global Positioning System Спутниковая система навигации

HLR Home Location Register База данных «домашних» абонентов

HPLMN Home PLMN Сеть оператора, с которым подписан

у абонента договор

IMEI International Mobile Уникальный номер мобильного

Equipment Identity терминала

IMSI International Mobile Уникальный номер мобильного

Subscriber Identity абонента

IP Internet Protocol Протокол пакетной передачи данных,

используемый в Интернет

ISDN Integrated Service Digital Цифровая Сеть с Интеграцией Служб

Network

LAI Location Area Identity Идентификатор области

местоположения абонента в сети

GSM

MCC Mobile Crosstalk Control Функция контроля за появлением и

подавления эха в разговорном

канале

MHT Mean Holding Time Среднее время занятия канала

MS Mobile Station Мобильная станция (МС), состоит из

мобильного терминала и СИМ-

карты

MSC Mobile Services Switching Узел коммутации в сети GSM

Center

MSISDN Mobile station ISDN Номер мобильной станции в сети

Number общего пользования

MSRN Mobile Station Roaming Номер, используемый при роуминге

Number для маршрутизации входящего

соединения

MT Mobile Terminal Мобильный Терминал

OMC Operation and Maintenance Центр Обслуживания

Center

PCH Paging Channel Логический канал, используемый для

вызова МС

PCU Packet Control Unit Обработчик пакетов, используется в

сети GPRS и расположен на BSC

PDCH Packet Data Channel Таймслот интерфейса GSM,

используемый под GPRS

PDN Packet Data Network Сеть с коммутацией пакетов

PDP Packet Data Protocol Протокол передачи пакетов (в GPRS)

PLMN Public Location Mobile Мобильная сеть оператора

Network

PSTN Public Switched Telephone Телефонная Cеть Общего

Network Пользования

QoS Quality of Service Качество обслуживания

RACH Random Access Channel Логический канал запроса доступа в

Сеть

RAI Routing Area Identifier Идентификатор области

местоположения абонента GPRS

RX Receiver Приемник

SACCH Slow Associated Control Логический канал GSM,

Channel используемый для сигнализации

SC Service Center Узел, предоставляющий

дополнительные услуги (SMS,

VMS)

SCCP Signaling and Connection Подсистема ОКС№7, выполняющая

Control Part функции контроля за установлением

сигнального соединения

SCH Synchronization Channel Логический канал синхронизации

SDCCH Stand alone Dedicated Логический канал сигнализации в

Control Channel GSM

SGSN Serving GPRS Support Обслуживающий узел поддержки

Node GPRS

SIM Subscriber Identification Идентификационный модуль

Module абонента (СИМ-карта)

SMS Short Message Service Услуга передачи коротких сообщений

SP Signaling Unit Пункт сигнализации ОКС№7

SS Signal Strength Уровень сигнала

TCH Traffic Channel Логический трафиковый канал

TCP/IP Transmission Control Пакетный протокол передачи данных

Protocol/Internet protocol

TDMA Time Division Multiple Доступ с разделением во времени

Access

TLLI Temporary Logical Link Временный идентификатор

Identity логического линка в GPRS

TMSI Temporary Mobile Station Временный номер мобильной

Identity станции, используется вместо IMSI

на радиоинтерфейсе

TRAU Transcoder and Rate Блок транскодера с функцией

Adaptation Unit подстройки скоростей

TRC Transcoder Controller Транскодер

TRH Transceiver Handler Элемент BSC, выполняющий

функции сигнализации с БС

TRU Transceiver Unit Приемо-передатчик БС

TS Time Slot Таймслот (временной интервал),

канал в системах с TDMA

TX Transmitter Передатчик

UL Uplink Направление связи от МС к БС

Um Air Interface Радиоинтерфейс в GSM

UMTS Universal Mobile Tele- Стандарт мобильной сети третьего

communication System поколения

USIM UMTS SIM СИМ-карта для сети UMTS

USSD Unstructured Supplementary Различные дополнительные услуги,

Service Data нестандартизированные в GSM

UTRAN UMTS Тerrestrial Radio Радиоинтерфейс в UMTS

Access Network

VAD Voice Activity Detector Детектор активности речи

VLR Visitor Location Register База данных абонентов, находящихся

в зоне данного MSC/VLR

VPLMN Visitor PLMN «Гостевая» сеть (при роуминге)

WAP Wireless Access Protocol Протокол беспроводного доступа

АТ	Абонентский терминал	ПК	Персональный компьютер
АДИКМ	Адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция	ПС	Подвижная (мобильная) станция
АР	Абонентская радиостанция	ПСП	Псевдослучайная последовательность
АС	Абонентская станция	РК	Радиоканал
АСТ	Абонентский спутниковый терминал	СБС	Система базовой станции
АТС	Автоматическая телефонная станция	СПСС	Сети подвижной спутниковой связи
АЦП	Аналогово-цифровой преобразователь	ССС	Система сотовой связи
БППС	Базовая премно-передающая станция	ТА	Телефонный аппарат
БС	Базовая станция	ТСС	Транкинговая система связи
КБС	Контроллер базовой станции	ТфОП	Телефонная сеть общего пользования
КТ	Канал трафика	УАТС	Учрежденческая АТС
КУ	Канал управления	ФК	Физический канал
ЛВС	Локальная вычислительная сеть	ФМ	Фазовая модуляция
ЛК	Логический канал	ЦАП	Цифро-аналоговый преобразователь
МККР	Международный консультативный комитет по радио	ЦК	Центр коммутации
МККТТ	Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии	ЧМ	Частотная модуляция
МКРЧ	Международный комитет по регистрации частот	ШПС	Широкополосный сигнал
МСЭ	Международный союз электросвязи	ЭМС	Электромагнитная совместимость

Список литературы

1. В.Ю.Бабков, М.А.Вознюк, В.И. Дмитриев. Системы мобильной связи / Спб ГУТ. – СПб, 1999. – 331с.

2. В.О.Тихвинский. Сети подвижной связи третьего поколения. Экономические и технические аспекты развития в России. – М.: Радио и связь, 2001. – 312с.

3. Использование радиочастотного спектра и развитие в России сетей подвижной связи 3-го поколения / Под ред. Ю.Б. Зубарева, М.А. Быховского. Серия изданий «Связь и бизнес». М., МЦНТИ; ООО «Мобильные коммуникации», 2000.

4. Тихвинский В.О. Экономический анализ проблем высвобождения РЧС для развития сетей подвижной связи второго и третьего поколений // Мобильные системы. 2001. № 4.

5. Карташевский В.Г. и др. Сети подвижной связи. - М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2001.

6. Ратынский М.В. Основы сотовой связи / Под ред. Д.Е. Зимина. - М.: Радио и связь, 2000.

7. Иванов В.И., Гордиенко В.Н. и др. Цифровые и аналоговые системы передачи: Учебник для вузов/ Под ред. В.И. Иванова. – 2-е изд. – М.: Горячая линия – Телеком, 2003. – 232 с.

8. Гаранин М.В. и др. Системы и сети передачи информации: Учебное пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 2001. – 336 с

9. Коньшин С.В. Подвижные телекоммуникационные радиосистемы: Учебное пособие. - Алматы: АИЭС, 2003.

10. CDMA: прошлое, настоящее и будущее / Под ред.проф. Л.Е.Варакина и проф. Ю.С. Шинакова. – Москва: МАС, 2003.

11. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. –М.: Эко-Трендз,1998.

12. Системы мобильной связи: Учебное пособие для вузов. Под ред.. В.П. Ипатова. –М.: Горячая линия.-Телеком, 2003.

13. АфанасьевВ.В., Горностаев Ю.М. Эволюция мобильных сетей.- М.: МЦНТИ, 2000.

14. Коньшин С.В. Технологии беспроводной связи: Учебное пособие. - Алматы: АИЭС, 2003.

15. ГОСТ 16019-2001. Аппаратура сухопутной подвижной радиосвязи. Межгосударственный стандарт.

16. ГОСТ 22579-86. Радиостанции с однополосной модуляцией сухопутной подвижной службы. Типы. Основные параметры.

17. ГОСТ 12252-86.Радиостанции с угловой модуляцией сухопутной подвижной службы. Типы. Основные параметры

19. Сергеев С. Цифровой транкинг: Nokia TETRA. Sergio@glasnet.ru

PAGE 175

БПС

МС

БПС ТК

МС

ЦКС ТфОП

БПС

МС ТК

IMT-2000 IMT-2000

TDMA FDMA

Single Carrier TDMA

UWC-136/ DECT

EDGE

IMT-DS IMT-MC IMT-TC

CDMA CDMA CDMA

Direct Spread Multi Carrier Time Code

WCDMA CDMA 2000 Ultra TDD &

(UMTS) TD-SCDMA

3G CDMA

Сеть радиодоступа Базовая сеть (СТ)

(UTRAN)

Node B Телефонная

Сеть

Коммутация каналов (CS)

RNC

Коммутация пакетов (PS)

Сети передачи

Node B SGSN GGSN Данных/Интернет

Рабочие каналы

Временные каналы

1 2 8 Канал 1: 890,0 – 890,2 МГц

935,0 – 935,2 МГц

9 10 16 Канал 2: 890,2 – 890,4 МГц

935,2 – 935,4 МГц

977 978 984 Канал 123: 914,6 – 914,8 МГц

959,6 – 959,8 МГц

985 986 992 Канал 124: 914,8 – 915,0 МГц

959,8 – 960,0 МГц

Система реализации

алгоритма VITERBI

Принятая кодовая комбинация

S′

Коррелятор Коррелятор

Скорректиро-

ванная кодовая

комбинация

S Модель канала

MSC GMSC

Интернет

Сеть UMTS

Сеть WLAN

Межсетевые шлюзы

Биллинг Базовая сеть

RNC

Note B Note B

Точки радиодоступа

SIM-карта Карта

UMTS WLAN

ИСЗ

Авиационная

Гиперсота Морская

Пикосоты

Сухопутная

Переносная

Персональная

Макросота

Микросота

лог. 1

лог. 0

π/2

- π/2

f + ∆f

f - ∆f

1. Основы процесса клонирования
2. Статья- Иконографическая традиция и художественное творчество
3. ТЕМА 9 ДЕМОГРАФИЯ
4. На тему полное название темы согласн
5. Экономический анализ Классификация факторов и резервов повышения эффективности хозяйственной де
6. РЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата економічних наук Хар
7. а предприятия Оно обеспечивает безопасные условия труда работающих обеспечивает предупреждение несчастны
8. из твоего подбородка ~ ветви седые ~ пьянящие родники взбухли колени холмами; и покрылись холмы сидящим
9. Организация сбыта трубопроводной арматуры
10. Картофель ранний п-
11. Дыхательные методики на уроках физической культуры
12. западной части губернии
13. Зависимость рекламного текста от целевой аудитории
14. правовых идей эпохи Возрождения и Реформаций.
15. В мире животных в ходе которой каждая команда должна отвечать на вопросы и выполнять задания
16. Варианты-
17. Розрахунок автомобільного двигуна
18. Лекция LXXXV Царствование Николая I Николай I
19. Образование Древнерусского государства Проблема варягов и руси
20. на тему- Учет основных средств в ОАО Дорогобуж Выполнил- студент гр

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе