Курсовая работа — Принципы построения систем сотовой связи

Работа добавлена на сайт samzan.ru: 2015-07-10

Функциональная схема и ее элементы.

1.1 Функциональная схема.

Система сотовой связи строится в виде совокупности ячеек, или сот, покрывающих обслуживаемую территорию, например территорию города с пригородами. Ячейки обычно схематически изображают в виде равновеликих правильных шестиугольников (Рис.1.1), что по сходству с пчелиными сотами и послужило поводом назвать систему сотовой. Ячеечная, или сотовая, структура системы непосредственно связана с принципом повторного использования частот — основным принципом сотовой системы, определяющим эффективное использование выделенного частотного диапазона и высокую емкость системы. В центре каждой ячейки находится базовая станция, обслуживающая все подвижные станции (абонентские радиотелефонные аппараты) в пределах своей ячейки (Рис.1.2). При перемещении абонента из одной ячейки в другую происходит передача его обслуживания от одной базовой станции к другой. Все базовые станции системы, в свою очередь, замыкаются на центр коммутации, с которого имеется выход во Взаимоувязанную сеть связи (ВСС) России, в частности, если дело происходит в городе, — выход в обычную городскую сеть проводной телефонной связи. На рис.1.3 приведена функциональная схема, соответствующая описанной структуре системы.

Рис.1.1. Ячейки системы, покрывающие обслуживаемую территорию Рис.1.2. Ячейка с базовой станцией в центре, обслуживающая подвижные станции в ячейке

             Рис.1.3. Упрощенная функциональная схема системы сотовой связи

Прежде всего, в действительности ячейки никогда не бывают строгой геометрической формы. Реальные границы ячеек имеют вид неправильных кривых, зависящих от условий распространения и затухания радиоволн, т.е. от рельефа местности, характера и плотности растительности и застройки и тому подобных факторов. Более того, границы ячеек вообще не являются четко определенными, так как рубеж передачи обслуживания подвижной станции из одной ячейки в соседнюю может в некоторых пределах смещаться с изменением условий распространения радиоволн и в зависимости от направления движения подвижной станции. Точно так же и положение базовой станции лишь приближенно совпадает с центром ячейки, который к тому же не так просто определить однозначно, если ячейка имеет неправильную форму. Если же на базовых станциях используются направленные (не изотропные в горизонтальной плоскости) антенны, то базовые станции фактически оказываются на границах ячеек.

1.2 Подвижная станция.

Рассмотрение элементов системы сотовой связи начнем с подвижной станции — наиболее простого по функциональному назначению и устройству, к тому же единственного элемента системы, который не только реально доступен пользователю, но и находится у него в руках в буквальном смысле этого слова.

Рис.1.4. Блок-схема подвижной станции (абонентского радиотелефонного аппарата)

Наиболее прост по составу антенный блок: он включает собственно антенну и коммутатор прием-передача. Последний для цифровой станции может представлять собой электронный коммутатор, подключающий антенну либо на выход передатчика, либо на вход приемника, поскольку подвижная станция цифровой системы никогда не работает на прием и передачу одновременно.

Функционально несложен и блок управления. Он включает микротелефонную трубку — микрофон и динамик, клавиатуру и дисплей.

Приемопередающий блок значительно сложнее.

В состав передатчика входят:

  1.  аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — преобразует в цифровую форму сигнал с выхода микрофона и вся последующая обработка и передача сигнала речи производится в цифровой форме, вплоть до обратного цифро-аналогового преобразования;
  2.  кодер речи осуществляет кодирование сигнала речи — преобразование сигнала, имеющего цифровую форму, по определенным законам с целью сокращения его избыточности, т.е. с целью сокращения объема информации, передаваемой по каналу связи;
  3.  кодер канала — добавляет в цифровой сигнал, получаемый с выхода кодера речи, дополнительную (избыточную) информацию, предназначенную для защиты от ошибок при передаче сигнала по линии связи; с той же целью информация подвергается определенной переупаковке (перемежению); кроме того, кодер канала вводит в состав передаваемого сигнала информацию управления, поступающую от логического блока;
  4.  модулятор — осуществляет перенос информации кодированного видеосигнала на несущую частоту.

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

  1.  демодулятор выделяет из модулированного радиосигнала кодированный видеосигнал, несущий информацию;
  2.  декодер канала выделяет из входного потока управляющую информацию и направляет ее на логический блок; принятая информация проверяется на наличие ошибок, и выявленные ошибки по возможности исправляются; до последующей обработки принятая информация подвергается обратной (по отношению к кодеру) переупаковке;
  3.  декодер речи восстанавливает поступающий на него с кодера канала сигнал речи, переводя его в естественную форму, со свойственной ему избыточностью, но в цифровом виде;
  4.  цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует принятый сигнал речи в аналоговую форму и подает его на вход динамика;
  5.  эквалайзер служит для частичной компенсации искажений сигнала вследствие многолучевого распространения; по существу, он является адаптивным фильтром, настраиваемым по обучающей последовательности символов, входящей в состав передаваемой информации; блок эквалайзера не является, вообще говоря, функционально необходимым и в некоторых случаях может отсутствовать. 

Помимо собственно передатчика и приемника, в приемопередающий блок входят логический блок и синтезатор частот. Логический блок — это, по сути, микрокомпьютер со своей оперативной и постоянной памятью, осуществляющий управление работой подвижной станции. 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 спектра (так называемое дуплексное разделение по частоте).

Подвижная станция системы GSM включает также так называемый детектор речевой активности, который в интересах экономного расходования энергии источника питания (уменьшения средней мощности излучения), а также снижения уровня помех, неизбежно создаваемых для других станций при работающем передатчике, включает работу передатчика на излучение только на те интервалы времени, когда абонент говорит. На время паузы в работе передатчика в приемный тракт дополнительно вводится так называемый комфортный шум.

1.3 Базовая станция.

Многие элементы, входящие в состав базовой станции, по функциональному назначению не отличаются от аналогичных элементов подвижной станции, но в целом базовая станция существенно больше и сложнее подвижной, что соответствует ее месту в системе сотовой связи.

Блок-схема базовой станции приведена на рис.1.5. Первая особенность базовой станции, которую следует отметить, — это использование разнесенного приема, для чего станция должна иметь две приемные антенны (на схеме рис.1.5 эта особенность не отражена). Кроме того, базовая станция может иметь раздельные антенны на передачу и на прием (схема рис.1.5 соответствует этому случаю). Вторая особенность — наличие нескольких приемников и такого же числа передатчиков, позволяющих вести одновременную работу на нескольких каналах с различными частотами.

Рис. 1.5. Блок-схема базовой станции

Одноименные приемники и передатчики имеют общие перестраиваемые опорные генераторы (не показанные на рис.1.5), обеспечивающие их согласованную перестройку при переходе с одного канала на другой; конкретное число N приемопередатчиков зависит от конструкции и комплектации базовой станции. Для обеспечения одновременной работы N приемников на одну приемную и N передатчиков на одну передающую антенну между приемной антенной и приемниками устанавливается делитель мощности на N выходов, а между передатчиками и передающей антенной —сумматор мощности на N входов.

Приемник и передатчик имеют, в общем, ту же структуру, что и в подвижной станции (рис. 1.4), за исключением того, что здесь в них отсутствуют соответственно 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 составе центра коммутации, а не в составе приемопередатчиков базовой станции, хотя функционально они остаются элементами приемопередатчиков.

Блок сопряжения с линией связи осуществляет упаковку информации, передаваемой по линии связи на центр коммутации, и распаковку принимаемой от него информации. В качестве линии связи базовой станции с центром коммутации обычно используется радиорелейная или волоконно-оптическая линия, если базовая станция и центр коммутации не располагаются территориально в одном месте.

Контроллер базовой станции, представляющий собой достаточно мощный и совершенный компьютер, обеспечивает управление работой станции, а также контроль работоспособности всех входящих в нее блоков и узлов.

Для обеспечения достаточной степени надежности многие блоки и узлы базовой станции резервируются (дублируются), в состав станции включаются автономные источники бесперебойного питания (аккумуляторы). Поскольку аппаратура базовой станции потребляет значительную мощность, и соответственно выделяет заметное количество тепла, в ней предусматриваются специальные устройства охлаждения. Все эти элементы, как и ряд других, не являющихся в известном смысле существенными для пояснения принципов работы станции, на схеме рис.1.5 не показаны.

1.4 Центр коммутации.

Центр коммутации является мозговым центром и одновременно диспетчерским пунктом системы сотовой связи, на который замыкаются потоки информации со всех базовых станций и через который осуществляется выход на другие сети связи — стационарную телефонную сеть, сети междугородной связи, спутниковой связи, другие сотовые сети. В состав центра коммутации входит несколько процессоров (контроллеров), и он является типичным примером многопроцессорной системы.

Блок-схема центра коммутации представлена на рис.1.6. Собственно коммутатор осуществляет переключение потоков информации между соответствующими линиями связи. Он может, в частности, направить поток информации от одной базовой станции к другой, или от базовой станции к стационарной сети связи, или наоборот — от стационарной сети связи к нужной базовой станции.

Рис.1.6. Блок-схема центра коммутации

Коммутатор подключается к линиям связи через соответствующие контроллеры связи, осуществляющие промежуточную обработку (упаковку/распаковку, буферное хранение) потоков информации. Общее управление работой центра коммутации и системы в целом производится от центрального контроллера, который имеет мощное математическое обеспечение, включающее перепрограммируемую часть. Работа центра коммутации предполагает активное 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 базы данных — домашний регистр, гостевой регистр, центр аутентификации, регистр аппаратуры (последний имеется не во всех системах). Домашний регистр содержит сведения обо всех абонентах, зарегистрированных в данной системе, и о видах услуг, которые могут быть им оказаны. Здесь же фиксируется местоположение абонента для организации его вызова и регистрируются фактически оказанные услуги. Гостевой регистр содержит примерно такие же 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 обеспечивает процедуры аутентификации абонентов и шифрования сообщений. Регистр аппаратуры, если он существует, содержит сведения об эксплуатируемых подвижных станциях 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 базовой станции, в центре коммутации предусматривается резервирование основных элементов аппаратуры, включая источник питания, процессоры и базы данных.

1.5 Эфирные интерфейсы.

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

Так, предусмотрены свои интерфейсы для связи подвижной станции с базовой, базовой станции — с центром коммутации (а в стандарте GSM — еще и отдельный интерфейс для связи приемопередатчика базовой станции с контроллером базовой станции), центра коммутации — с домашним регистром, с гостевым регистром, с регистром аппаратуры, со стационарной телефонной сетью и другие. Все интерфейсы подлежат стандартизации для обеспечения совместимости аппаратуры разных фирм-изготовителей, что не исключает, однако, возможности использования различных интерфейсов, определяемых разными стандартами, для одного и того же информационного стыка. В некоторых случаях используются уже существующие стандартные интерфейсы, например, соответствующие протоколам обмена в цифровых информационных сетях.

Из всех интерфейсов, используемых в сотовой связи, один занимает особое место — это интерфейс обмена между подвижной и базовой станциями. Он носит наименование эфирного интерфейса и для обоих основных стандартов сотовой связи — D-AMPS и GSM — иногда обозначается одинаково — Um, хотя организован совершенно по-разному.

Эфирный интерфейс обязательно используется в любой системе сотовой связи, при любой ее конфигурации и в единственном возможном для своего стандарта сотовой связи варианте. Последнее обстоятельство позволяет подвижной станции любой фирмы-изготовителя одинаково успешно работать совместно с базовой станцией той же или любой другой фирмы, что удобно для компаний-операторов и практически необходимо для организации роуминга, в том числе международного. Стандарты эфирного интерфейса отрабатываются весьма тщательно, чтобы обеспечить возможно более эффективное использование полосы частот, выделенной для канала радиосвязи.

В эфирных интерфейсах различных стандартов информация в канале трафика организуется следующими один за другим кадрами различной длительности. Каждый кадр состоит из нескольких временных интервалов – слотов, в которых передается управляющая, вспомогательная, синхронизирующая информация и собственно речевое сообщение.

Организация работы систем сотовой связи.

2.1 Частотные, физические и логические каналы.

Частотный канал — это полоса частот, отводимая для передачи информации одного канала связи. Правда, при использовании метода TDMA (множественный доступ с разделением по времени) в одном частотном канале передается информация нескольких каналов связи, т.е. в одном частотном канале размещается несколько физических каналов, но это не противоречит приведенному определению частотного канала, а подробнее мы рассмотрим это ниже — при определении понятия физического канала. Поясним понятие частотного канала конкретными примерами.

В стандарте D-AMPS в США для передачи информации прямого канала (от базовых станций к подвижным) отводится полоса частот 869…894 МГц, а для передачи информации обратного канала — полоса 824…849 МГц, т.е. прямой и обратный каналы разнесены по частоте на 45 МГц (дуплексный разнос по частоте). Один частотный канал занимает полосу Δf = 30 кГц, так что в пределах выделенного диапазона, с учетом защитных полос по краям, размещается 832 частотных канала. Частотным каналам присвоены номера от 1 до 799 (включительно) и от 991 до 1023; Иногда фигурирует и канал с номером 990, но фактически он не используется и не входит в указанное выше число 832 каналов. Центральная частота канала (в МГц) связана с его номером соотношениями:

обратный канал:

f0 = 825,000 + 0,030 N,   1 < N < 799,

f0 = 825,000 + 0,030 (N — 1023),  991 < N < 1023;

прямой канал:

fп = 870,000 + 0,030 N,   1 < N < 799,

fп = 870,000 + 0,030 (N — 1023),  991 < N < 1023.

В стандарте GSM 900 для передачи информации прямого канала отводится полоса 935…960 МГц, а обратного — 890…915 МГц, т.е. дуплексный разнос по частоте также составляет 45 МГц. Один частотный канал занимает полосу Δf = 200 кГц, так что всего в полном диапазоне, с учетом защитных полос, размещается 124 частотных канала. Центральная частота канала (в МГц) связана с его номером соотношениями:

обратный канал:

f0 = 890,200 + 0,200 N,    1 < N < 124;

прямой канал:

fп = 935,200 + 0,200 N,   1 < N < 124.

Заметим, что один частотный канал, строго говоря, занимает две полосы Δf (по 30 или 200 кГц — для стандартов D-AMPS и GSM соответственно) — одну под прямой, а другую под обратный канал связи.

Физический канал в системе с множественным доступом на основе временного разделения (TDMA) — это временной слот с определенным номером (или пара слотов с номерами, отличающимися на 3 при полноскоростном кодировании в стандарте D-AMPS) в последовательности кадров эфирного интерфейса. Таким образом, в одном частотном канале в стандарте D-AMPS при полноскоростном кодировании передается информация трех физических каналов, при полускоростном кодировании — информация шести физических каналов, а в стандарте GSM всегда передается информация восьми физических каналов, но при полускоростном кодировании один физический канал содержит два канала трафика, информация которых передается по очереди, через кадр. Иными словами, при этом реализуется временное уплотнение каналов в 3 или 8 раз соответственно при полноскоростном кодировании и в 6 или 16 раз – при полускоростном. В этом и заключается одно из основных преимуществ цифрового поколения сотовой связи по сравнению с аналоговым.

Логические каналы различаются по виду (составу) информации, передаваемой в физическом канале. В принципе в физическом канале может быть реализован один из двух видов логических каналов — канал трафика или канал управления; каждый из них, в свою очередь, может в общем случае существовать в одном из нескольких вариантов (типов).

Логический канал трафика — это канал передачи речи или данных (компьютерных данных, факсимильных сообщений), т.е. той информации, ради которой, собственно, и создается сотовая связь. Термин трафик происходит от английского traffic (информационный поток, поток транспорта) и в применении к связи определяется как совокупность сообщений, передаваемых по линии связи, или как совокупность требований абонентов, обслуживаемых сетью связи.

В стандарте D-AMPS версии IS-54, с его относительно простым эфирным интерфейсом, понятие «логические каналы» обычно не используется.

2.2 Инициализация и установление связи.

Перейдем к рассмотрению организации основных режимов работы системы сотовой связи.

Рассмотрим сначала наиболее простой случай — работу подвижной станции в пределах одной ячейки своей («домашней») системы, без передачи обслуживания. В этом случае в работе подвижной станции можно выделить четыре этапа, которым соответствуют четыре режима работы:

  1.  включение и инициализация;
  2.  режим ожидания;
  3.  режим установления связи (вызова);
  4.  режим ведения связи (телефонного разговора).

После включения подвижной станции, т.е. после замыкания цепи питания, производится инициализация – начальный запуск. В течение этого этапа происходит настройка подвижной станции на работу в составе системы — по сигналам, регулярно передаваемым базовыми станциями по соответствующим каналам управления, после чего подвижная станция переходит в режим ожидания. Конкретное содержание этапа инициализации зависит от используемого стандарта сотовой связи.

В стандарте D-AMPS версии IS-54 подвижная станция начинает со сканирования выделенных каналов управления и выбора канала с наиболее сильным сигналом; затем по передаваемой в этом канале информации подвижная станция определяет номера каналов вызова, находит среди них канал с наиболее сильным сигналом, настраивается на его частоту и остается в режиме ожидания. В версии IS-136 алгоритм настройки подвижной станции на цифровой канал управления более сложен и гибок, прежде всего в интересах скорейшего завершения процесса настройки. При этом рекомендуется в максимальной степени использовать всю имеющуюся информацию о положении канала управления (где находился канал управления в прошлом сеансе работы, указатель положения канала управления, если он имеется, и др.), а при прямом поиске со сканированием всех частотных каналов стандартом рекомендуется определенная последовательность сканирования групп каналов, в соответствии с вероятностью размещения в них цифровых каналов управления.

В стандарте GSM подвижная станция сканирует все имеющиеся частотные каналы, настраивается на канал с наиболее сильным сигналом и по наличию пачки коррекции частоты определяет, передается ли в этом частотном канале информация вещательного канала управления ВССН. Если нет, то станция перестраивается на следующий по уровню сигнала частотный канал, и так до тех пор, пока не будет найден канал ВССН. Затем подвижная станция находит пачку синхронизации, синхронизируется с выбранным частотным каналом, расшифровывает дополнительную информацию о базовой станции (в частности, 6-битовый код идентификации базовой станции) и принимает окончательное решение о продолжении поиска или о работе в данной ячейке.

Находясь в режиме ожидания, подвижная станция отслеживает:

— изменения информации системы — эти изменения могут быть связаны как с изменениями режима работы системы, так и с перемещениями самой подвижной станции, например с переходом ее в другую ячейку;

— команды системы — например, команду подтвердить свою работоспособность («регистрация» в конкретной ячейке);

— получение вызова со стороны системы;

— инициализацию вызова со стороны собственного абонента.

Кроме того, подвижная станция может периодически, например раз в 10… 15 минут, подтверждать свою работоспособность, передавая соответствующие сигналы на базовую станцию (подтверждение «регистрации» или уточнение местоположения). В центре коммутации для каждой из включенных подвижных станций фиксируется ячейка, в которой она «зарегистрирована», что облегчает организацию процедуры вызова подвижного абонента. Если подвижная станция не подтверждает свою работоспособность в течение определенного промежутка времени, например пропускает два или три подтверждения «регистрации» подряд, центр коммутации считает ее выключенной, и поступающий на ее номер вызов не передается.

Рассмотрим процедуру установления связи.

Если со стороны системы поступает вызов номера подвижного абонента, центр коммутации направляет этот вызов на базовую станцию той ячейки, в которой «зарегистрирована» подвижная станция, или на несколько базовых станций в окрестности этой ячейки — с учетом возможного перемещения абонента за время, прошедшее с момента последней «регистрации», а базовые станции передают его по соответствующим каналам вызова. Подвижная станция, находящаяся в режиме ожидания, получает вызов и отвечает на него через свою базовую станцию, передавая одновременно данные, необходимые для проведения процедуры аутентификации. При положительном результате аутентификации назначается канал трафика, и подвижной станции сообщается номер соответствующего частотного канала. Подвижная станция настраивается на выделенный канал и совместно с базовой станцией выполняет необходимые шаги по подготовке сеанса связи. На этом этапе подвижная станция настраивается на заданный номер слота в кадре, уточняет задержку во времени, подстраивает уровень излучаемой мощности и т.п.

Выбор временной задержки производится с целью временного согласования слотов в кадре (на прием в базовой станции) при организации связи с подвижными станциями, находящимися на разных дальностях от базовой. При этом временная задержка передаваемой подвижной станцией пачки регулируется по командам базовой станции.

Затем базовая станция выдает сообщение о подаче сигнала вызова (звонка), которое подтверждается подвижной станцией, и вызывающий абонент получает возможность услышать сигнал вызова. Когда вызываемый абонент отвечает на вызов («снимает трубку», т.е. нажимает соответствующую кнопку на панели управления абонентского аппарата), подвижная станция выдает запрос на завершение соединения. С завершением соединения начинается собственно сеанс связи — абоненты ведут разговор.

В процессе разговора подвижная станция производит обработку передаваемых и принимаемых сигналов речи, а также передаваемых одновременно с речью сигналов управления. По окончании разговора происходит обмен служебными сообщениями между подвижной и базовой станцией (запрос или команда на отключение с подтверждением), после чего передатчик подвижной станции выключается и станция переходит в режим ожидания.

Если вызов инициируется со стороны подвижной станции, т.е. абонент набирает номер вызываемого абонента, убеждается в правильности набора по отображению на дисплее и нажимает соответствующую кнопку («вызов») на панели управления, то подвижная станция передает через свою базовую станцию сообщение с указанием вызываемого номера и данными для аутентификации подвижного абонента. После аутентификации базовая станция назначает канал трафика, и последующие шаги по подготовке сеанса связи производятся таким же образом, как и при поступлении вызова со стороны системы.

Затем базовая станция сообщает на центр коммутации о готовности подвижной станции, центр коммутации передает вызов в сеть, а абонент подвижной станции получает возможность следить за ходом его выполнения (слышит сигналы «вызов» или «занято»). Соединение завершается на стороне сети.

Рис. 2.1. Упрощенная схема установления связи (исходящий вызов; стандарт GSM):

БППС — базовая приемо-передающая станция; КБС — контроллер базовой станции; ЦК — центр коммутации; ТФОП — стационарная телефонная сеть общего пользования

Данный рисунок схематически иллюстрирует процедуру установления связи. Цифрами обозначена такая последовательность действий:

  1.  Подвижная станция через канал случайного доступа (RACH) запрашивает выделенный закрепленный канал управления (SDCCH) для установления связи.
  2.  Контроллер базовой станции через канал разрешения доступа (AGCH) назначает канал SDCCH.
  3.  Подвижная станция через канал SDCCH проводит аутентификацию и выдает запрос на вызов (с номером вызываемого абонента).
  4.  Центр коммутации выдает команду на назначение канала трафика (ТСН).
  5.  Центр коммутации выдает вызываемый номер на стационарную телефонную сеть, и после ответа вызываемого абонента завершает соединение.

Процесс разговора и завершение сеанса связи не отличаются от предыдущего случая.

Если подвижный абонент разговаривает с другим подвижным абонентом, то процедура установления связи и проведения сеанса связи происходит практически таким же образом. Если при этом оба подвижных абонента относятся к одной и той же сотовой системе, то связь между ними устанавливается через центр коммутации системы без выхода в стационарную телефонную сеть. Такова общая схема организации процесса связи в сотовой системе.

2.3 Аутентификация и идентификация.

Рассмотрим процедуры аутентификации и идентификации, которые выполняются при каждом установлении связи.

Аутентификация — процедура подтверждения подлинности (действительности, законности, наличия прав на пользование услугами сотовой связи) абонента системы подвижной связи. Необходимость введения этой процедуры вызвана неизбежным соблазном получения несанкционированного доступа к услугам сотовой связи, приводящим к многочисленным и разнообразным проявлениям особого рода мошенничества — фрода в сотовой связи.

Идентификация — процедура отождествления подвижной станции (абонентского радиотелефонного аппарата), т.е. процедура установления принадлежности к одной из групп, обладающих определенными свойствами или признаками. Эта процедура используется для выявления утерянных, украденных или неисправных аппаратов.

Первоначально, в аналоговых системах сотовой связи первого поколения, процедура аутентификации имела простейший вид: подвижная станция передавала свой уникальный идентификатор (электронный серийный номер — Electronic Serial Number, ESN), и если таковой отыскивался среди зарегистрированных в домашнем регистре, то процедура аутентификации считалась успешно выполненной.

Идея процедуры аутентификации в цифровой системе сотовой связи заключается в шифровании некоторых паролей-идентификаторов с использованием квазислучайных чисел, периодически передаваемых на подвижную станцию с центра коммутации, и индивидуального для каждой подвижной станции алгоритма шифрования. Такое шифрование, с использованием одних и тех же исходных данных и алгоритмов, производится как на подвижной станции, так и в центре коммутации (или в центре аутентификации), и аутентификация считается закончившейся успешно, если оба результата совпадают.

В стандарте GSM процедура аутентификации связана с использованием модуля идентификации абонента (Subscriber Identity Module — SIM), называемого также SIM-картой (SIM-card. Модуль SIM — это съемный модуль, напоминающий по внешнему виду пластиковую кредитную карточку и вставляемый в соответствующее гнездо абонентского аппарата. Модуль вручается абоненту одновременно с аппаратом и в принципе позволяет вести разговор с любого аппарата того же стандарта, в том числе с таксофонного. Модуль содержит персональный идентификационный номер абонента (Personal Identification Number — PIN), международный идентификатор абонента подвижной связи (International Mobile Subscriber Identity — IMSI), индивидуальный ключ аутентификации абонента Ki, индивидуальный алгоритм аутентификации абонента A3, алгоритм вычисления ключа шифрования А8. Для аутентификации используется зашифрованный отклик (signed response) S, являющийся результатом применения алгоритма A3 к ключу Ki и квазислучайному числу R, получаемому подвижной станцией от центра аутентификации через центр коммутации. Алгоритм А8 используется для вычисления ключа шифрования сообщений. Уникальный идентификатор IMSI для текущей работы заменяется временным идентификатором TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity — временный идентификатор абонента подвижной связи), присваиваемым аппарату при его первой регистрации в конкретном регионе, определяемом идентификатором LAI (Location Area Identity — идентификтор области местоположения), и сбрасываемым при выходе аппарата за пределы этого региона. Идентификатор PIN — код, известный только абоненту, который должен служить защитой от несанкционированного использования SIM-карты, например, при ее утере. После трех неудачных попыток набора PIN-кода SIM-карта блокируется, и блокировка может быть снята либо набором дополнительного кода — персонального кода разблокировки (Personal unblocking key — PUK), либо по команде с центра коммутации.

Процедура аутентификации стандарта GSM схематически показана на рис. 2.2. Пунктиром отмечены элементы, не относящиеся непосредственно к процедуре аутентификации, но используемые для вычисления ключа шифрования Кс. Вычисление производится каждый раз при проведении аутентификации.

Процедура идентификации заключается в сравнении идентификатора абонентского аппарата с номерами, содержащимися в соответствующих «черных списках» регистра аппаратуры, с целью изъятия из обращения украденных и технически неисправных аппаратов. Идентификатор аппарата делается таким, чтобы его изменение или подделка были трудными и экономически невыгодными. Также может быть целесообразен и оперативный обмен информацией между регистрами аппаратуры  — межоператорский и международный, в интересах объединения усилий операторов в борьбе с фродом в сотовой связи.

Рис. 2.2. Схема процедуры аутентификации (стандарт GSM): R — случайное число; A3 — алгоритм аутентификации; А8 — алгоритм вычисления ключа шифрования; Ki — ключ аутентификации, Кс — ключ шифрования; S — зашифрованный отклик (Signed Response — SRES)

2.4 Передача обслуживания.

Как уже говорилось ранее, базовая станция, находящаяся примерно в центре ячейки, обслуживает все подвижные станции в пределах своей ячейки. При перемещении подвижной станции из одной ячейки в другую ее обслуживание соответственно передается от базовой станции первой ячейки к базовой станции второй. Этот процесс называется передачей обслуживания. Процедура передачи обслуживания имеет место только в том случае, когда подвижная станция пересекает границу ячеек во время сеанса связи, и связь (телефонный разговор) при этом не прерывается. Если же подвижная станция перемещается из одной ячейки в другою, находясь в режиме ожидания, она просто отслеживает эти перемещения по информации системы, передаваемой по каналам управления, и в нужный момент перестраивается на более сильный сигнал другой базовой станции.

Технически процедура передачи обслуживания осуществляется следующим образом Необходимость в передаче обслуживания возникает, когда качество канала связи, оцениваемое по уровню сигнала и/или частоте битовой ошибки, падает ниже допустимого предела. В стандарте GSM указанные параметры постоянно измеряются подвижной станцией как для своей ячейки, так и для ряда смежных (до 16 ячеек), и результаты измерений передаются на базовую станцию. В стандарте D-AMPS подвижная станция измеряет эти характеристики только для рабочей ячейки, но при ухудшении качества связи она сообщает об этом через базовую станцию на центр коммутации, и по команде последнего аналогичные измерения выполняются подвижными станциями в соседних ячейках По результатам этих измерений центр коммутации выбирает ячейку, в которую должно быть передано обслуживание. Обратим внимание, что организация передачи обслуживания основывается на измерениях, выполняемых на подвижных станциях — во временных слотах, свободных от передачи и приема информации; кроме того, могут использоваться и результаты измерений, выполняемых на базовых станциях.

Обязательным условием передачи обслуживания из одной ячейки в другую является более высокое качество канала связи во второй ячейке по сравнению с первой. Иначе говоря, обслуживание передается из ячейки с худшим качеством канала связи в ячейку с лучшим качеством, причем указанное различие должно быть не менее некоторой наперед заданной величины. Если не требовать выполнения этого условия, а передавать обслуживание, например, уже при одинаковом качестве канала связи в двух ячейках, то в некоторых случаях, в частности, при перемещении подвижной станции примерно вдоль границы ячеек, возможна многократная передача обслуживания из первой ячейки во вторую и обратно, приводящая к значительной загрузке системы бессмысленной работой и к снижению качества связи.

Приняв решение о передаче обслуживания и выбрав новую ячейку, центр коммутации сообщает об этом базовой станции новой ячейки, а подвижной станции через базовую станцию старой ячейки выдает необходимые команды с указанием нового частотного канала, номера рабочего слота и т.п. Подвижная станция перестраивается на новый канал и настраивается на совместную работу с новой базовой станцией, выполняя примерно те же шаги, что и при подготовке сеанса связи, после чего связь продолжается через базовую станцию новой ячейки.

При этом перерыв в телефонном разговоре не превышает долей секунды и остается незаметным для абонента.

Оптимизация использования частотного диапазона и обработка сигналов.

3.1 Полосы частот сотовой связи.

Таблица 3.1. Характерные полосы частот, используемые в сотовой связи

СтандартЧастоты, МГцДлины волн, см
Обратный каналПрямой каналОбратный каналПрямой канал
NMT-450AMPS/D-AMPSTACS/ETACSGSM 900PDCGSM 1800GSM 1900453… 457,5824… 849890… 905890… 915810… 8261429…14651710…17851850…1910463… 467,5869… 894935… 950935… 960940… 9561477…15131805…18801930…199065,6…66,335,4…36,433,2…33,832,8…33,736,3…37,020,5…21,016,8…17,615,7…16,263,2…64,933,6…34,631,6…32,131,2…32,131,4…31,919,8…20,316,0…16,615,1…15,6

Первое, что наглядно видно из приведенной таблицы, — это жесткая ограниченность выделенных полос, вмещающих в общем-то весьма небольшое число частотных каналов. Отсюда возникает стремление к наиболее рациональному использованию имеющегося диапазона, к оптимизации его использования и соответственно к повышению емкости системы связи.

Второе обстоятельство, следующее из данных табл. 3.1: используемые в сотовой связи полосы частот относятся к дециметровому диапазону. Как известно, дециметровые радиоволны распространяются в основном в пределах прямой видимости; дифракция на этих частотах выражена слабо, а молекулярного поглощения и поглощения в гидрометеорах (снег, дождь) практически нет. Однако близость подстилающей поверхности и наличие препятствий (зданий), особенно в условиях города, типичных для применения сотовой связи, приводит к появлению отраженных сигналов, интерферирующих между собой и с сигналом, прошедшим по прямому пути. Это явление называют многолучевым распространением сигналов.

Отражение от подстилающей поверхности при определенных условиях приводит к тому, что мощность принимаемого сигнала убывает пропорционально не второй степени расстояния между передатчиком и приемником, как при распространении в свободном пространстве, а пропорционально четвертой степени этого расстояния, т.е. напряженность поля убывает пропорционально квадрату расстояния. Интерференция нескольких сигналов, прошедших различными путями, вызывает своеобразное явление замираний результирующего сигнала, или фэдинга (английский термин fading), при котором интенсивность принимаемого сигнала изменяется в значительных пределах при перемещении подвижной станции. Кроме того, возникают искажения, являющиеся следствием наложения нескольких соизмеримых по интенсивности сигналов, смещенных один относительно другого во времени, которые могут приводить к ошибкам в принимаемой информации. Наконец, сложность картины многолучевого распространения существенно затрудняет расчет интенсивности сигналов в функции удаления от базовой станции, а такой расчет необходим для корректного проектирования системы. Поэтому практически при проектировании приходится использовать полуэмпирические модели распространения радиоволн, опирающиеся на конкретные результаты экспериментальных измерений.

3.2 Принцип повторного использования частот.

Повторное использование частот — это основной принцип системы сотовой связи, радикально отличающий ее от других, в частности —  от транковых систем подвижной связи, и позволяющий существенно повышать емкость системы. Идея повторного использования частот заключается в том, что в близких одна относительно другой ячейках системы используются разные полосы частот, а через несколько ячеек эти полосы повторяются, что выгодно уже само по себе, так как позволяет при ограниченной общей полосе частот охватить системой сколь угодно большую зону обслуживания. Это оказывается выгодно вдвойне, если учесть возможность повышения емкости системы за счет того или иного варианта дробления ячеек.

Рассмотрим пример. Пусть в некоторой ячейке А используется какая-то часть от полного диапазона частот, выделенного системе сотовой связи, например, для определенности, одна десятая. Тогда в соседней с ней ячейке В должна использоваться вторая десятая часть диапазона, поскольку вблизи общей границы в двух смежных ячейках нельзя использовать одни и те же частотные каналы. Из тех же соображений в ячейке С придется использовать третью десятую часть диапазона. Но уже в ячейке D, имеющей общие границы с ячейками А и С, но не граничащей с ячейкой В, вновь может быть использована та же десятая часть диапазона, что и в ячейке В, что условно обозначается DB.

Аналогичные соображения справедливы и для остальных ячеек, так что в итоге мы приходим к трехъячеечной схеме повторения частот, или к структуре системы, состоящей из 3-ячеечных (3-элементных) кластеров. Такая структура схематически представлена на рис. 3.2, причем одинаковыми цифрами обозначены ячейки, в которых используются одни и те же полосы частот. Очевидно, что 3-элементный кластер — это кластер минимально возможного размера; в каждой из его ячеек можно использовать не одну десятую, а одну треть от полного частотного диапазона, отведенного системе.

При 3-элементном кластере ячейки с одинаковыми полосами частот повторяются очень часто, что плохо в смысле уровня соканальных помехт.е. помех от станций системы, работающих на тех же частотных каналах, но в других ячейках. В этом отношении более выгодны кластеры с большим числом элементов.

Рис. 3.1. Построение трехэлементного кластера Рис. 3.2. Трехэлементный кластер

Можно показать, что в общем случае расстояние D между центрами ячеек, в которых используются одинаковые полосы частот, связано с числом ячеек в кластере простым соотношением

где R — радиус ячейки(радиус окружности, описанной около правильного шестиугольника). Параметр q, определяемый последним равенством, называют коэффициентом уменьшения соканальных помех или коэффициентом соканального повторения, а для величины 1/N, обратной числу ячеек в кластере, иногда употребляют наименование коэффициент эффективности повторного использования частот или просто коэффициент повторного использования частот.

Заметим, что увеличение числа элементов в кластере, выгодное в отношении снижения уровня соканальных помех, приводит к пропорциональному уменьшению полосы частот, которая может быть использована в одной ячейке. Поэтому практически число элементов в кластере должно выбираться минимально возможным, обеспечивающим допустимое отношение сигнал/помеха.

3.3 Методы множественного доступа.

Понятие множественного доступа связано с организацией совместного использования ограниченного участка спектра многими пользователями. В ортодоксальных подходах выделяется пять вариантов множественного доступа:

  1.  Множественный доступ с частотным разделением каналов связи.
  2.  Множественный доступ с временным разделением каналов связи.
  3.  Множественный доступ с кодовым разделением каналов связи.
  4.  Множественный доступ с пространственным разделением каналов связи.
  5.  Множественный доступ с поляризационным разделением каналов связи.

Практический интерес для сотовой связи представляют первые три из них, поэтому в следующих разделах мы рассмотрим их подробнее. Четвертый метод фактически используется в реализации принципа повторного использования частот, в частности при делении ячейки на сектора с использованием направленных антенн, но обычно этот прием не преподносится как один из методов множественного доступа. Случаев практического применения поляризационного разделения нам не известно.

А. Множественный доступ с частотным разделением.

Множественный доступ с частотным разделением (английское FDMA — Frequency Division Multiple Access), или множественный доступ с разделением каналов связи по частоте, — наиболее простой из трех методов множественного доступа как по своей идее, так и по возможности реализации. В этом методе каждому пользователю на время сеанса связи выделяется своя полоса частот Δf (частотный канал), которой он владеет безраздельно. Метод FDMA используется во всех аналоговых системах сотовой связи (системах первого поколения) — это единственный метод, который целесообразно использовать в аналоговых системах, при этом полоса Δf составляет 10…30 кГц. Основное слабое место FDMA — недостаточно эффективное использование полосы частот. Эта эффективность заметно повышается при переходе к более совершенному методу TDMA, что позволяет соответственно повысить емкость системы сотовой связи.

Б. Множественный доступ с временным разделением.

Множественный доступ с временным разделением (английское TDMA — Time Division Multiple Access), или множественный доступ с разделением каналов связи по времени, также достаточно прост по идее, но значительно сложнее в реализации, чем FDMA. Суть метода TDMA заключается в том, что каждый частотный канал разделяется во времени между несколькими пользователями, т.е. частотный канал по очереди предоставляется нескольким пользователям на определенные промежутки времени.

Практическая реализация метода TDMA требует преобразования сигналов в цифровую форму и характерного «сжатия» информации во времени. Цифровая Обработка сигналов и схема TDMA используются в стандартах сотовой связи второго поколения D-AMPS, GSM, PDC. Особенно нагляден в этом отношении стандарт D-AMPS: при сохранении той же полосы частотного канала Δf = 30 кГц, что и в аналоговом стандарте AMPS, число физических каналов в нем возрастает втрое и более чем втрое возрастает емкость системы; с вводом полускоростного кодирования этот коэффициент увеличится еще в два раза. Заметим попутно, что разделение во времени может использоваться и для реализации прямых и обратных каналов дуплексной связи в одной и той же полосе частот (английское TDD — Time Division Duplex). Такое техническое решение находит применение в беспроводном телефоне. В сотовой связи обычно используется дуплексное разделение по частоте (английское FDD — Frequency Division Duplex), т.е. прямые и обратные каналы занимают разные полосы частот, смещенные одна относительно другой.

Метод TDMA, однако, сам по себе не реализует всех потенциальных возможностей по эффективности использования спектра; дополнительные резервы открываются при использовании иерархических структур и адаптивного распределения каналов. Известное преимущество в этом отношении может иметь метод CDMA.

В. Множественный доступ с кодовым разделением.

Множественный доступ с кодовым разделением (английское CDMA — Code Division Multiple Access) прост только на уровне феноменологического описания метода: в нем большая группа пользователей (например, от 30 до 50) одновременно использует общую относительно широкую полосу частот — не менее 1 МГц. По-существу же метод CDMA достаточно сложен, и не только в отношении принципов построения, но и в плане практической реализации. Как и TDMA, метод CDMA может быть реализован только в цифровой форме. Подробное рассмотрение и обсуждение метода несколько затрудняется, кроме того, тем, что при обилии публикаций теоретического характера опыт его практического применения пока ограничен.

Основная особенность метода CDMA — это работа в широкой полосе частот, значительно превышающей полосу сигнала речи, в сочетании с таким кодированием информации каждого из физических каналов, которое позволяет выделять ее из общей широкой полосы, используемой одновременно всеми физическими каналами. Система связи, реализующая CDMA, является системой с расширенным спектром —  спектр информационного сообщения искусственно расширяется посредством модуляции (кодирования) периодической псевдослучайной последовательностью импульсов с достаточно малым дискретом. Для получения ширины спектра более 1 МГц (а это принципиально важно для успешной работы в условиях многолучевого распространения) длительность дискрета модулирующей последовательности должна быть менее 1 мкс. Указанные общие принципы – расширение спектра за счет модуляции псевдослучайной последовательностью в сочетании с кодовым разделением физических каналов – однозначно определяют и общие достоинства метода CDMA: высокую помехоустойчивость, хорошую приспособленность к условиям многолучевого распространения, высокую емкость системы.

Помехоустойчивость метода – по отношению как к узкополосным, так и широкополосным помехам – может быть пояснена следующим образом. Модуляция сигнала псевдослучайной последовательностью при передаче требует его повторной модуляции той же последовательностью при приеме (что эквивалентно демодуляции сигнала), в результате чего восстанавливается исходный узкополосный сигнал. При этом подбор задержки демодулирующей последовательности производится экспериментально с точностью до дискрета последовательности, и правильному значению задержки соответствует максимальный отклик на выходе фильтра-демодулятора; описанная схема обработки соответствует так называемому корреляционному приему. Если помеха узкополосная, то демодулирующая псевдослучайная последовательность при приеме воздействует на нее как модулирующая, т.е. «размазывает» ее спектр по широкой полосе WSS в результате чего в узкую полосу сигнала WS попадает лишь 1/G часть мощности помехи, так что узкополосная помеха будет ослаблена в G раз, где G = WSS/WS – выигрыш обработкиравный отношению полосы расширенного спектра WSS к полосе WS исходного сигнала. Например, при WSS = 1,23 МГц и WS = 19,2 кГц выигрыш обработки составляет G = 65. Если же помеха широкополосная – с полосой порядка WSS или шире, то демодуляция не изменяет ширины ее спектра, и в полосу сигнала помеха попадает ослабленной во столько раз, во сколько ее полоса шире полосы WS исходного сигнала.

Возможность успешной работы в условиях многолучевого распространения также непосредственно связана с корреляционным приемом. Если корреляционный приемник имеет несколько каналов и каждый из них может быть настроен на свою задержку сигнала, то разные каналы могут быть согласованы по задержке с сигналами, прошедшими по разным путям, а сигналы с выходов всех каналов после соответствующего выравнивания во времени могут быть просуммированы.

В методе CDMA реализуется так называемая «мягкая передача обслуживания»: когда подвижная станция приближается к границе ячейки, т.е. сигналы от двух базовых станций – рабочей ячейки и одной из смежных – становятся соизмеримыми по уровню (это фиксируется подвижной станцией и сообщается на базовую станцию рабочей ячейки), по команде с центра коммутации через базовую станцию смежной ячейки организуется второй канал связи с той же подвижной станцией; при этом первый канал (в «старой» ячейке) продолжает работать, т.е. подвижная станция принимает сигналы одновременно от двух базовых станций, используя технические  возможности   рейк-приемника – возможности приема двух «копий» одного и того же сигнала, смещенных между собой во времени. Так продолжается до тех пор, пока подвижная станция не удалится от границы ячеек, т.е. пока сигнал от второй базовой станции не станет существенно сильнее сигнала от первой. После этого канал связи через первую базовую станцию закрывается, и процесс передачи обслуживания завершается. «Мягкая передача обслуживания», безусловно, повышает качество и надежность связи, но ее организация обходится отнюдь не бесплатно: помимо того, что в процессе передачи обслуживания подвижная станция занимает не один физический канал, а два (по одному каналу в двух ячейках), регулировка уровня сигнала подвижной станции может производиться лишь по одной из ячеек, а по второй сигнал может оказаться либо слабоватым, либо великоватым и с несглаженными замираниями, с вытекающими отсюда последствиями для качества связи.

В качестве итогов, отметим, что метод CDMA обладает сравнительно высокой помехоустойчивостью и хорошо работает в условиях многолучевого распространения. Кроме того, он отличается высокой скрытностью, не использует частотного планирования, допускает «мягкую передачу обслуживания», но все это требует обязательного использования достаточно сложных технических решений: аккуратной регулировки уровня сигналов, применения секторных антенн и отработки «речевой активности», точной синхронизации базовых станций, причем последнее может быть связано с потерей автономности системы.

3.4 Пути повышения емкости системы сотовой связи.

Емкость системы сотовой связи, определяемая числом абонентов, которых она может обслужить, — очень важная характеристика, и значительная часть усилий при проектировании, создании и развитии системы в большинстве случаев направляется именно на обеспечение достаточно высокой емкости. Фактически и сама сотовая связь как таковая, основанная на принципе повторного использования частот, появилась в ответ на потребность в построении системы массовой подвижной связи при использовании жестко ограниченной полосы частот. Далее будут приведены четыре основных пути повышения емкости.

Первый — это совершенствование методов обработки сигналов, в частности, переход от аналоговой обработки к цифровой, сопровождаемый переходом к более совершенным методам множественного доступа – от FDMA к TDMA и, вероятно, к CDMA, а в пределах TDMA – переход от полноскоростного кодирования речи к полускоростному. Пределом на этом пути являются достижимые характеристики CDMA – это коэффициент порядка 20 (по числу физических каналов) при переходе от FDMA к CDMA.

Второй путь — дробление ячеек, т.е. переход к меньшим ячейкам в районах с интенсивным трафиком при том же коэффициенте повторного использования частот (рис.3.3); число базовых станций при этом соответственно увеличивается, а мощность излучения – как для базовых, так и для подвижных станций – снижается. Фактически тот же эффект достигается и при использовании на базовых станциях секторных антенн, например с разделением ячейки на три сектора (при 120-градусных секторах) и использованием в каждом из секторов своей полосы частот (рис. 3.4). Практически ячейки с радиусом менее 300…500 м неудобны, так как чрезмерно возрастает поток передач обслуживания. Выход просматривается в использовании многоуровневых (иерархических) схем построения сотовой сети с обслуживанием в крупных ячейках (макросотах) быстро перемещающихся абонентов (автомобилистов), а в более мелких (микросоты, пикосоты) — малоподвижных абонентов, например покупателей в пределах торгового центра.

Рис. 3.3. Использования ячеек меньших              Рис. 3.4. 7-элементный кластер с трехсекторными

       размеров в районах с интенсивным трафиком    антеннами

Заметим, что в некоторых случаях может оказаться необходимым не дробить, а наоборот — укрупнять ячейки, если трафик столь мал, что не обеспечивает достаточной загрузки базовой станции. Если при этом радиус ячейки превышает номинальную дальность действия передатчика базовой и/или подвижной станции, для обеспечения связи в удаленных частях ячейки приходится использовать повторители, выполняющие фактически роль ретрансляторов.

В качестве третьего пути повышения емкости отметим возможность использования адаптивного назначения каналов в методах FDMA и TDMA. До сих пор мы предполагали, что имеющийся частотный ресурс, т.е. все частотные каналы в пределах выделенной полосы частот, заранее определенным образом распределяются между ячейками кластера – равномерно или в соответствии с априорной информацией об интенсивности трафика. Возможен, однако, и иной подход, частотные каналы, все или частично, находятся в оперативном распоряжении центра коммутации, который выделяет их для пользования отдельным ячейкам (базовым станциям) по мере поступления заявок (вызовов), т.е. в соответствии с реальной интенсивностью трафика, но при соблюдении необходимого территориально-частотного разноса. Такой адаптивный алгоритм, конечно, сложнее, но он может обеспечить определенное повышение емкости за счет гибкого отслеживания флуктуаций трафика.

Алгоритмы адаптивного назначения каналов используются в беспроводном телефоне, но в сотовой связи более или менее широкого распространения они пока не получили. Адаптивным по существу является назначение физических каналов в методе CDMA, что позволяет в некоторых пределах перераспределять нагрузку между разными ячейками.

Наконец, четвертый путь — это тривиальное расширение выделяемой полосы частот. Разумеется, этот путь насколько очевиден, настолько же и мало полезен, и мы упоминаем о нем не в качестве рекомендации к непосредственному применению, а в виде примера преимуществ, например, GSM 1800 (или GSM 1900) по сравнению с GSM 900, которые имеют рабочие (аппаратурные) полосы 75 МГц (или 60 МГц) и 25 МГц соответственно.

Цифровая обработка сигналов.

4.1 Роль и построение цифровой обработки. Характеристика речевых сигналов.

Цифровая обработка сигналов — важный элемент в аппаратурной реализации принципов сотовой связи. Именно цифровая обработка обеспечила возможность перехода от первого поколения сотовой связи ко второму с соответствующим совершенствованием методов множественного доступа, повышением емкости системы, улучшением качества связи. Только в цифровой форме оказывается возможным применение экономичного (с устранением избыточности) кодирования речи, эффективного канального кодирования с высокой степенью защиты от ошибок, совершенных методов борьбы с многолучевым распространением.

При рассмотрении цифровой обработки сигналов будем опираться на блок-схему рис. 1.4, отражающую все основные этапы обработки и их последовательность. При этом мы ограничимся принципами цифровой обработки без детализации схемотехнических решений, поэтому наше изложение в значительной мере будет относится сразу к обоим соответствующим друг другу блокам, один из которых находится в передающем тракте, а другой – в приемном: к модулятору и демодулятору, к кодеру и декодеру, к АЦП и ЦАП.

Используемые в сотовой связи методы цифровой обработки сигналов, характеристики и параметры реализующих их устройств, в частности АЦП и кодера, теснейшим образом связаны с характеристиками передаваемых речевых сигналов. Поэтому мы коротко остановимся на последних. Спектр мощности сигнала речи имеет максимум вблизи частоты 400 Гц и спадает на более высоких частотах со скоростью около 9 дБ на октаву. При аналого-цифровом преобразовании и цифровой обработке сигнала речи ограничиваются интервалом частот 300…3400 Гц. Длительность звуков речевого сигнала составляет от нескольких десятков до нескольких сотен миллисекунд при среднем значении 130 мс, причем среднее значение для гласных звуков 210 мс, а для согласных 95 мс. В задачах кодирования сигнал речи часто рассматривают как квазистационарный гауссовский процесс, спектрально-корреляционные характеристики которого постоянны на интервале 20…30 мс. При телефонном разговоре мгновенный уровень речевого сигнала изменяется в диапазоне 35…40 дБ. При этом уровень согласных в среднем на 20 дБ ниже уровня гласных.

4.2 Аналого-цифровое преобразование.

Аналого-цифровое преобразование является первым этапом цифровой обработки сигналов в передающем тракте (рис.1.4). Как подсказывает само название, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) является связующим элементом между аналоговым и цифровым участками тракта, преобразующим непрерывный аналоговый сигнал с выхода микрофона в цифровую форму, так что вся последующая обработка производится с сигналом, представленным в цифровом виде. Соответственно цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) – последний элемент в цифровом приемном тракте, и задача его прямо противоположна: он преобразует цифровой сигнал в аналоговый, а последний поступает на динамик, преобразующий его в акустический сигнал, воспринимаемый ухом.

Работа АЦП складывается из двух этапов, которые в реальном устройстве часто не могут быть четко отделены один от другого: дискретизации входного непрерывного сигнала во времени -обычно с постоянным шагом, т.е. через равные интервалы времени, и квантования величины сигнала по уровню для этих дискретных моментов времени. В результате на выходе АЦП с фиксированным темпом, определяемым периодом дискретизации, появляются двоичные числа, т.е. наборы единиц и нулей, соответствующие уровням сигнала в моменты дискретизации. Этот процесс схематически иллюстрируется рис. 4.1, на котором моменты дискретизации показаны штрихами на оси времени и для трех моментов дискретизации указаны уровни сигнала – в десятичном и двоичном представлении.

Рис. 4.1. Дискретизация непрерывного сигнала во времени и квантование по уровню в АЦП

В соответствии с теоремой Котельникова, частота дискретизации должна быть по крайней мере вдвое выше наибольшей частоты в спектре обрабатываемого сигнала. Поскольку, как указывалось в предыдущем разделе, при цифровой передаче сигналов речи по телефонным каналам связи ограничиваются полосой частот от 300 до 3400 Гц, общепринятой является частота дискретизации Fд = 8 кГц.

Число двоичных разрядов АЦП обычно выбирается равным 8, включая знаковый разряд, так что диапазон чисел на выходе АЦП составляет от -127 до +127, поскольку 127 = 27-1. В результате на выходе АЦП получается поток 8-битовых чисел, следующих с частотой 8 кГц, т.е. поток информации на выходе АЦП составляет 64 кбит/с.

4.3 Кодирование речи.

Кодер речи является первым элементом собственно цифрового участка передающего тракта, следующим после АЦП (рис.1.4). Основная задача кодера – предельно возможное сжатие сигнала речи, представленного в цифровой форме, т.е. предельно возможное устранение избыточности речевого сигнала, но при сохранении приемлемого качества передачи речи. Компромисс между степенью сжатия и сохранением качества отыскивается экспериментально, а проблема получения высокой степени сжатия без чрезмерного снижения качества составляет основную трудность при разработке кодера. В приемном тракте перед ЦАП размещен декодер речи; задача декодера – восстановление обычного цифрового сигнала речи, с присущей ему естественной избыточностью, по принятому кодированному сигналу. Сочетание кодера и декодера называют кодеком.

Исторически сложилось два направления кодирования речи: кодирование формы сигнала и кодирование источника сигнала. Первый метод основан на использовании статистических характеристик сигнала и практически не зависит от механизма формирования сигнала. Кодеры этого типа с самого начала обеспечивали высокое качество передачи речи (хорошую разборчивость и натуральность речи), но отличались меньшей по сравнению со вторым методом экономичностью. В методе кодирования формы сигнала используются три основных способа кодирования: импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), дифференциальная ИКМ – ДИКМ и дельта-модуляция – ДМ. ИКМ соответствует цифровой сигнал непосредственно с выхода АЦП, в нем сохраняется вся избыточность аналогового речевого сигнала. При ДИКМ эта избыточность несколько уменьшается за счет того, что квантованию с последующим кодированием и передачей по линии связи подвергается разность между исходным речевым сигналом и его предсказанным значением, а при приеме разностный сигнал складывается с предсказанным значением, полученным по тому же алгоритму предсказания. Шкала квантования может быть равномерной, неравномерной или адаптивно изменяемой; предсказание сигнала может быть не зависящим от формы последнего или же зависеть от формы сигнала, т.е. быть адаптивным. Если при кодировании сигнала используются элементы адаптации, то соответствующую разновидность ДИКМ называют адаптивной ДИКМ – АДИКМ. ДМ – это ДИКМ с однобитовым квантованием, она также может быть адаптивной (АДМ). АДИКМ находит применение, например, в беспроводном телефоне с коэффициентом сжатия сигнала около 2.В сотовой связи используется исключительно второй метод кодирования, как более экономичный, — коэффициент сжатия порядка 5…8 с увеличением его в перспективе еще вдвое.

Второй метод – кодирование источника сигнала, или кодирование параметров сигнала, – первоначально основывался на данных о механизмах речеобразования, т.е. использовал своего рода модель голосового тракта и приводил к системам типа анализ-синтез, получившим название вокодерных систем или вокодеров. Вокодерные методы на основе линейного предсказания и применяются в сотовой связи, причем зависимость этих методов от данных о механизмах речеобразования отступает на второй или даже третий план, а оценка передаваемых по линии связи параметров производится на основе статистических характеристик сигнала по жестко определенному алгоритму, как и при кодировании формы сигнала.

Суть кодирования речи на основе метода линейного предсказания заключается в том, что по линии связи передаются не параметры речевого сигнала, как такового, а параметры некоторого фильтра, в известном смысле эквивалентного голосовому тракту, и параметры сигнала возбуждения этого фильтра. В качестве такого фильтра используется фильтр линейного предсказания. Задача кодирования на передающем конце линии связи заключается в оценке параметров фильтра и параметров сигнала возбуждения, а задача декодирования на приемном конце — в пропускании сигнала возбуждения через фильтр, на выходе которого получается восстановленный сигнал речи. Различные варианты алгоритмов кодирования отличаются один от другого набором передаваемых параметров фильтра, методом формирования сигнала возбуждения и тому подобными деталями.

Метод линейного предсказания заключается в том, что очередная выборка речевого сигнала Sn с некоторой степенью точности предсказывается линейной комбинацией М предшествующих выборок:

где ai – коэффициенты линейного предсказания, М – порядок предсказания. Разность между истинным и предсказанным значениями выборки определяет ошибку предсказания (остаток предсказания):

В результате z-преобразования этого разностного уравнения получаем

где функция A(z)

интерпретируется как передаточная характеристика некоторого фильтра (инверсного фильтра или фильтра-анализатора), частотная характеристика которого обратна по отношению к частотной характеристике голосового тракта. При подаче речевого сигнала на вход инверсного фильтра на выходе фильтра получается сигнал возбуждения, подобный (с точностью до ошибок, определяемых конечностью порядка предсказания М и погрешностью оценки коэффициентов предсказания) сигналу возбуждения на входе фильтра голосового тракта.

Полученное выражение для A(zсоответствует структуре трансверсального фильтра (рис. 4.2). Порядок предсказания выбирается из условия компромисса между качеством передачи речи и пропускной способностью линии связи; практически М берется порядка 10.

Рис. 4.2. Анализирующий трансверсальный фильтр при порядке предсказания М=3

Значения коэффициентов предсказания, постоянные на интервале кодируемого сегмента речи (на практике длительность сегмента составляет 20 мс), находятся из условия минимизации среднеквадратического значения остатка предсказания на интервале сегмента.

Для этого частные производные  /∂аi  приравниваются к нулю, что приводит к системе М линейных уравнений с М неизвестными коэффициентами а,. Матрица системы и метод ее решения оказываются несколько различными в зависимости от того, какими свойствами наделяется речевой сигнал на интервале преобразуемого сегмента речи.

Если речевой сигнал на этом интервале считается стационарным случайным процессом (автокорреляционный метод оценки коэффициентов предсказания), то матрица системы теплицева, система решается с помощью итерационной процедуры алгоритма Дарбина, и фильтр-синтезатор получается заведомо устойчивым. Если речевой сигнал считается нестационарным процессом (ковариационный метод оценки коэффициентов предсказания), то матрица системы симметрична, но не теплицева, система решается с использованием разложения Холецкого, а для обеспечения устойчивости фильтра-синтезатора ковариационный метод приходится соответствующим образом модифицировать.

В обоих случаях (как в автокорреляционном методе, так и в ковариационном) в качестве побочного результата решения получаются значения так называемых коэффициентов отражения, или коэффициентов частичной корреляции ki i=1,…Mчисло которых равно числу коэффициентов линейного предсказания аi и которые связаны с коэффициентами аi взаимно однозначными нелинейными функциональными соотношениями. Коэффициенты отражения непосредственно связаны с другой формой фильтра линейного предсказания – так называемым решетчатым, или лестничным, фильтром (рис. 4.3). Коэффициенты отражения kболее удобны, чем коэффициенты линейного предсказания аi, для передачи по линии связи, так как в силу своих статистических характеристик в меньшей степени могут приводить к потере устойчивости фильтра при квантовании. Иначе говоря, они требуют меньшего числа разрядов при квантовании, т.е. приводят к более экономичному использованию линии связи. Иногда используются также функции от коэффициентов отражения – логарифмические отношения площадей:

название которых связано с моделью голосового тракта в виде набора акустических труб различных сечений.

Рис. 4.3. Анализирующий решетчатый фильтр при порядке предсказания М=3 (e+ и e — остатки предсказания вперед и назад)

Вернемся к выражению для A(z), определяющему передаточную характеристику фильтра-анализатора. Передаточная характеристика фильтра-синтезатора H(zобратна ей с точностью до скалярного коэффициента усиления G:

H(z) = G / A(z) .

Синтезирующий фильтр имеет ту же структуру, что и анализирующий (инверсный), и определяется тем же набором параметров (коэффициентов предсказания аi , или коэффициентов отражения ki или логарифмических отношений площадей ri), но входы и выходы в анализирующем и синтезирующем фильтрах меняются местами. Если на вход синтезирующего фильтра подать сигнал возбуждения, то на его выходе будет получен речевой сигнал с тем качеством, которое обеспечивается фильтром при принятом порядке предсказания, используемом числе дискретов для квантования параметров фильтра и прочих ограничениях и погрешностях того же характера.

Рис.4.4. Работа кодека речи в методе линейного предсказания

Таким образом, процедура кодирования речи в методе линейного предсказания сводится к следующему (рис.4.4):

  1.  оцифрованный сигнал речи нарезается на сегменты длительностью 20 мс (160 выборок по 8 бит в каждом сегменте);
  2.  для каждого сегмента оцениваются параметры фильтра линейного предсказания и параметры сигнала возбуждения; в качестве сигнала возбуждения в простейшем (по идее) случае может выступать остаток предсказания, получаемый при пропускании сегмента речи через фильтр линейного предсказания с параметрами, полученными из оценки для данного сегмента;
  3.  параметры фильтра и параметры сигнала возбуждения кодируются по определенному закону и передаются в канал связи.

Процедура декодирования речи заключается в пропускании принятого сигнала возбуждения через синтезирующий фильтр известной структуры, параметры которого переданы одновременно с сигналом возбуждения. Подчеркнем, что как анализирующий, так и синтезирующий фильтры являются цифровыми и процедуры кодирования и декодирования речи реализуются в соответствующих вычислителях (процессорах). Сигнал на вход анализирующего фильтра поступает непосредственно с выхода АЦП, а выходной сигнал синтезирующего фильтра попадает на вход ЦАП (рис. 1.4).

4.4 Модуляция.

Модулятор является последним элементом передающего тракта (рис. 1.4) и, строго говоря, не выполняет никаких операций собственно цифровой обработки сигналов. Его задача состоит в переносе информации цифрового сигнала с выхода кодера канала на несущую частоту, т.е. в модуляции сверхвысокочастотной (СВЧ) несущей низкочастотным (НЧ) цифровым видеосигналом. Модулированный СВЧ сигнал с выхода модулятора через антенный коммутатор поступает на антенну и излучается в эфир, чтобы быть затем принятым антенной станции-получателя информации. Соответственно демодулятор — первый элемент приемного тракта, и его задача заключается в выделении из принятого модулированного радиосигнала информационного видеосигнала, который подвергается цифровой обработке в последующей части приемного тракта.

Как известно, существуют три основных вида модуляции: это амплитудная модуляция – AM, частотная модуляция – ЧМ и фазовая модуляция – ФМ. Между тем в цифровой сотовой связи фигурируют такие названия, как квадратурная фазовая манипуляция, минимальная манипуляция и т.п. На самом деле это не что иное, как разновидности фазовой или частотной модуляции, предназначенные для передачи дискретных (цифровых) сигналов. Дискретная модуляция (модуляция дискретными сигналами) имеет свою специфику и во многом обличается от более привычной для многих радиоинженеров модуляции непрерывными сигналами. В применении к цифровой сотовой связи в качестве обязательных требований для используемых методов модуляции обычно указывают высокую спектральную эффективность, низкий уровень помех по смежным частотным каналам, низкую частоту битовой ошибки, экономичность (эффективность использования энергии источника питания, что особенно актуально для подвижной станции), простоту реализации.

В стандарте D-AMPS используется дифференциальная квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом π/4 (π/4 ДКФМ). По сути это — дискретная фазовая модуляция, с основным дискретом коммутации фазы π/2 (как при обычной квадратурной фазовой манипуляции), но с дополнительным сдвигом по фазе на π/4 при переходе от символа к символу входной модулирующей последовательности импульсов. Слово дифференциальная в названии метода означает, что очередное изменение фазы отсчитывается не по отношению к фазе некоторого опорного сигнала, а по отношению к фазе предыдущего дискрета.

В этом методе все импульсы входной информационной последовательности bk модулятора разбиваются на пары – на 2-битовые символы, и при переходе от символа к символу начальная фаза СВЧ сигнала изменяется на величину Δφкоторая определяется битами символа в соответствии с алгоритмом, приведенным в табл.4.1.

Таблица 4.1. Закон фазовой манипуляции метода π/4 ДКФМ

Биты входной последовательности модулятораИзменение фазыΔφk = Δφk (Xk,Yk)
нечетные (первые биты символа) ХkЧетные (вторые биты символа) Yk
10011100-3π/43π/4π/4- π/4

Фазовая диаграмма, соответствующая этому методу, представлена на рис. 4.5. Кружочками обозначены дискретные значения, которые может принимать фаза несущей, отсчитываемая от некоторого начального значения. Стрелками указаны возможные переходы между разрешенными значениями фазы. Оси координат соответствуют синфазной (I) и квадратурной (Q) составляющим сигнала. Эта фазовая диаграмма состоит фактически из двух диаграмм обычной квадратурной фазовой манипуляции: фазовые состояния одной из них помечены значком , а другой – значком , и диаграммы сдвинуты одна относительно другой на угол π/4. При переходе от

Рис.4.5. Фазовая диаграмма, соответствующая методу π/4 ДКФМ

Одного символа к другому происходит изменение фазы от одного из состояний первой диаграммы к одному из состояний второй, а при переходе к следующему символу – возврат к предыдущей диаграмме, хотя скорее всего не к прежнему фазовому состоянию. Результирующий выходной сигнал модулятора может быть представлен в виде

s(t) = cos(ω0t + φk) ,

где ω0 – несущая частота, φk = φk-1 + Δφk — начальная фаза на интервале k-го символа.

Рис.4.6. Блок-схема модулятора π/4 ДКФМ

Описанному выше модулятору π/4 ДКФМ соответствует блок-схема, приведенная на рис. 4.6. Поясним работу блока дифференциального кодирования фазы, который осуществляет формирование амплитуд lkQk квадратурных составляющих очередного дискрета (символа) модулированного сигнала в соответствии с алгоритмом

Ik = cosφk = cos(φk-1 + Δφk) = cos φk-1 cos Δφk – sin φk-1 sinΔφk = Ik-1cos[Δφk(Xk,Yk)] – Qk-1sin[Δφk(Xk,Yk)]  ,

Qk = sinφk = sin(φk-1 + Δφk) = sin φk-1 cos Δφk + cos φk-1 sinΔφk = Qk-1 cos[Δφk(Xk,Yk)] – Ik-1sin[Δφk(Xk,Yk)],

где приращение фазы Δφk определяется табл.4.1. Выполнение вычислений упрощается тем, что каждая из величин cos ΔφksinΔφk lkQk может принимать в соответствии с рис.4.5 лишь одно из пяти дискретных значений: 0, ±√2/2, ±1. Сумма модулированных квадратурных составляющих дает окончательный выходной сигнал:

Ik cosω0t + Qk sinω0t = cosφk cosω0t + sinφk sinω0t = cos(ω0t + φk) = s(t).

В стандарте GSM используется гауссовская манипуляция с минимальным сдвигом (ГММС). Этот метод представляет собой частотную манипуляцию, при которой несущая частота дискретно – через интервалы времени, кратные периоду Т битовой модулирующей последовательности, – принимает, значения

fн f0 – F/4 или fв = f0 + F/4,

где f0 – центральная частота используемого частотного канала, а F = 1/Т – частота битовой последовательности. Разнос частот Δf = fB — fH = F/2 — минимально возможный, при котором обеспечивается ортогональность колебаний частот fH и fB на интервале Т длительности одного бита; при этом за время Т между колебаниями частот fH и fB набегает разность фаз, равная π. Таким образом, термин «минимальный сдвиг» в названии метода модуляции относится, в указанном выше смысле, к сдвигу частоты. Поскольку модулирующая частота в этом случае равна F/2, а девиация частоты F/4, индекс частотной модуляции составляет m = (F/4)/(F/2) = 0,5.

Термин «гауссовская» в названии метода модуляции соответствует дополнительной фильтрации модулирующей битовой последовательности относительно узкополосным гауссовским фильтром; именно эта дополнительная фильтрация отличает метод ГММС от метода ММС (манипуляция с минимальным сдвигом).

В методе MSK входная последовательность битовых импульсов модулятора разбивается на две последовательности, состоящие соответственно из нечетных и четных импульсов, и модулированный сигнал (выходной сигнал модулятора) на протяжении очередного n-го бита определяется выражением, зависящим от состояния текущего n-го и предшествующего (n — 1 )-го бита:

s(t) = ±cos(πt/2T)cosω0t ± sin(πt/2T)sinω0t = ±cos(ω0t± πt/2T), (n-1)T ≤ t ≤ nT.  (4.1)

Здесь ω2πf0 — центральная частота канала, а выбор знаков «плюс» или «минус» перед соответствующими членами выражения определяется алгоритмом, приведенным в табл.4.2.

Таблица 4.2. Закон модуляции метода ММС

Биты входной последовательности модулятораЗнаки в первом представлении (4.1)Знаки во втором представлении (4.1)Значение несущей частоты
нечетный битчетный битзнак cosзнак sinобщий знак выраженияЗнак πt/2T
10011100++—+—+++—-+-+fнfвfнfв

Подчеркнем, что два бита, используемые в качестве аргументов закона модуляции (два первых столбца в табл. 4.2), выбираются с учетом того, какой бит является текущим: если текущий бит четный, то вторым битом пары является предшествующий ему нечетный; если же текущий бит нечетный, то второй бит пары – предшествующий ему четный.

Из выражения (4.1) следует, что текущая фаза модулированного сигнала

φ(t) = ω0t ± πt/2T ,

т.е. набег фазы на интервале Т одного бита

Δφ = ±π/2 ,

а мгновенная частота, как производная от фазы

ω(t) = d[φ(t)]/dt = ω0 ± π/2t = 2π(f0 ± F/4) ,

т.е. мгновенная частота принимает одно из двух значений – fB или fHпостоянное на протяжении бита, что и указано в последнем столбце табл. 4.2.

Таким образом, изменение знака начальной фазы во второй части выражения (4.1) означает переход от fH к fB или обратно. Изменение же общего знака выражения (4.1), эквивалентное изменению начальной фазы на π, позволяет сохранить непрерывность фазы при изменении частоты.

Приведем еще одно пояснение метода ММС, которое, возможно, будет более наглядным, для чего обратимся к рис.4.7. На первом графике рис.4.7 представлен пример входной битовой последовательности а модулятора.

Рис.4.7. Временные диаграммы сигналов в методе ММС

Второй и третий графики дают соответственно последовательности нечетных aI и четных аQ бит входной последовательности, причем длительность каждого бита увеличена вдвое в сторону запаздывания, т.е. каждый бит «растянут» во времени до 2-битового символа, и для удобства последующих рассуждений принято, что последовательности аI и аQ принимают значения +1 и -1 (значение -1 соответствует значению 0 исходной последовательности а).

В результате для каждого битового интервала длительностью Т расположенные одно над другим значения аI и аQ дают как раз ту пару четного и нечетного бит, которые являются аргументами закона модуляции (табл. 4.2).

Четвертый и пятый графики рис.4.7 показывают форму модулирующих сигналов двух квадратурных каналов bI и bQ, получаемых как произведения функций аI и аQ соответственно на квадратурные низкочастотные сигналы sin(πt/2T) и cos(πt/2T). Обратим внимание на скачкообразные изменения фазы этих сигналов на π в моменты изменений знаков аIаQ.

Окончательный модулированный сигнал согласно первой части выражения (4.1) получается как результат перемножения модулирующих сигналов квадратурных каналов с соответствующими несущими sin(ω0t ) и cos(ω0t) и суммирования полученных произведений. Описанный принцип построения модулятора ММС поясняется блок-схемой рис. 4.8 (пока без учета первого блока — гауссовского фильтра G). Подчеркнем, что эта схема также служит лишь для иллюстрации принципа работы модулятора.

Рис.4.8. Блок-схема модулятора ГММС

Из приведенных выше аналитических выражений непосредственно следует, что начальная фаза φн модулированного сигнала в методе ММС описывается линейно-ломаной кривой (график 6 на рис.4.7), т.е. зависимость φн(t)  является непрерывной, но не гладкой. Добавление гауссовского фильтра, т.е. фильтра низких частот с амплитудно-частотной характеристикой в форме гауссовской кривой (блок G на рис 4.8), приводит к сглаживанию кривой φн(t)  в точках излома. Ширина полосы B фильтра по уровню 3 дБ выбирается равной

B = 0,3F ,

т.е. произведение

BT = 0,3 ,

где Т и F, как и ранее, – соответственно период и частота битовой модулирующей последовательности.

Поскольку в стандарте GSM F = 270,833 кГц,полоса гауссовского фильтра равна В = 81,3 кГц.

Введение гауссовского фильтра приводит к сужению главного лепестка и снижению боковых лепестков спектра на выходе модулятора, чем обеспечивается допустимый уровень помех по смежным частотным каналам.

В заключение раздела отметим, что методы модуляции π/4 ДКФМ и ГММС оказываются сопоставимыми по частоте битовой ошибки, хотя первый из них обеспечивает несколько более высокую эффективность использования полосы частот в расчете на 1 бит передаваемой информации. Упомянем также, что метод модуляции π/4 ДКФМ используется в японском цифровом стандарте сотовой связи PDC, а метод ГММС – в стандарте DECT беспроводного телефона, но при ВТ = 0,5.

Проблемы проектирования систем сотовой связи.

Проектирование — один из наиболее сложных и ответственных этапов развертывания сетей сотовой связи, поскольку он должен обеспечить возможно более близкое к оптимальному построение сети по критерию эффективность – стоимость. Формально задача проектирования проста: надо определить места установки базовых станций и распределить имеющиеся частотные каналы между ячейками (составить территориально-частотный план в соответствии с принципом одновременного использования одних и тех же частот в геометрически разнесенных ячейках) таким образом, чтобы обеспечить обслуживание сотовой связью заданной территории с требуемым качеством при минимальном числе базовых станций, т.е. при минимальной стоимости инфраструктуры сети. Фактически эта задача очень сложна. С одной стороны, чрезмерное сгущение сети, то есть чрезмерно частая расстановка базовых станций, невыгодна, так как влечет за собой неоправданные затраты. С другой стороны, слишком редкое расположение базовых станций может привести к появлению необслуживаемых «белых пятен», что тем более недопустимо. Задача дополнительно осложняется трудностью аналитической оценки характеристик распространения сигналов и расчета напряженности поля, а также необходимостью учета неравномерности трафика в пределах обслуживаемой территории. Поэтому проектирование систем сотовой связи требует наличия специалистов высокой квалификации, имеющих опыт как в части решения технических вопросов, так и в части характеристик рынка.

Поскольку конфигурация и параметры сети существенным образом зависят от условий местности (рельефа, характеристик застройки и т.п.) и в ходе разработки проекта приходится выполнять большой объем расчетов, требующих интенсивного использования вычислительных средств, проектирование начинается с создания электронной карты территории, т.е. с переноса в компьютер топографической карты местности со всеми параметрами и характеристиками, существенными для составления проекта. Затем с учетом характеристик намечаемой к использованию аппаратуры и результатов приближенной оценки энергетического баланса производится предварительное проектирование ячеек сети и позиций базовых станций. Для полученной схемы с использованием имеющихся моделей распространения радиоволн и характеристик местности более точно рассчитываются параметры электромагнитного поля в пределах обслуживаемой территории, позволяющие оценить качество покрытия. Для той же схемы составляется территориально-частотный план (распределение частотных каналов по ячейкам в соответствии с принципом повторного использования частот), а также оцениваются трафик и емкость для характерных участков и сети в целом. Если по каким-либо показателям (качество покрытия, трафик, емкость) составленная схема сети не удовлетворяет предъявляемым к ней требованиям, производится ее корректировка, и для уточненной схемы указанные выше расчеты повторяются. Таким образом, в значительной своей части процесс проектирования оказывается итерационным.

Кроме того, в проектируемой сети обязательно производятся экспериментальные измерения характеристик электромагнитного поля, и по результатам измерений схема сети также корректируется. Необходимый объем экспериментальных измерений и частота их повторения определяются на основании опыта проектировщиков. Окончательно качество проекта выясняется и оценивается уже на этапе эксплуатации сети, где также неизбежны его корректировка и доработка, особенно в самом начале работы, когда производятся настройка и оптимизация сети. Этот этап работы фактически оказывается наиболее трудоемким. Наконец, последующие доработки проекта требуются по мере развития и совершенствования сети, для повышения ее качества, и в этом смысле можно сказать, что процесс проектирования сотовой сети, один раз начатый, уже никогда не заканчивается.

В заключение отметим, что с проблемой проектирования тесно связана проблема оценки зоны покрытия сети сотовой связи. Дело в том, что оценка зоны покрытия, в том числе и для уже действующей сети, производится расчетным путем, с экспериментальной проверкой в отдельных сечениях или на отдельных участках, поскольку сплошные экспериментальные измерения во всей сети чрезмерно трудоемки. Для оценки зоны покрытия действующей сети применяются те же методы расчета, что и при проектировании, и качество такой оценки тем выше, чем выше квалификация проектировщиков и чем совершеннее используемые ими методы проектирования.

1. ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ ТУСУР Кафедра экономик
2. Предмет правовая информатика
3. .1] 1.1 Характерные особенности основных средств их классификация и методы оценки [1.
4. 2 Методы ландшафтных исследований
5. Лабораторная работа 1
6. I О различии между чистым и эмпирическим познанием
7. Молодёжь Алтая январь 1975 г
8. Амур и Психея — Русский фольклор.
9. 1 при заданной функции ~Т- ~T 4
10. Реферат- Коллизионные нормы
11. Лабораторна робота 18 Обчислення середньоквадратичного відхилення
12. Тема ’ 11- Природа человека и смысл его жизни Обсуждена на заседании кафедры предметнометодическ
13. Детский сад комбинированного вида 65 Кировского района г
14. вариант 1 His grndftherfrom his job yer go
15. ТЕМА- СОЦІАЛЬНОПОЛІТИЧНИЙ РОЗВИТОК І НАЦІОНАЛЬНИЙ РУХ В УКРАЇНСЬКИХ ЗЕМЛЯХ В ПЕРШИІЙ ПОЛОВИНІ XIX СТ
16. ОБ ОСНОВАХ ГОСУДАРСТВЕННОЙ МОЛОДЕЖНОЙ ПОЛИТИКИ В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
17. Чацкий образ нового человека
18. Специфика подготовки бегунов на средние дистанции
19. ТЕМА 8 Понятие механизма аппарата государства
20. диафрагмой Пространство между наружной и внутренней верстами заполняют легким бетоном шлаком или другим т

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе