Государственная администрация связи
Одесская национальная академия связи им. А.С. Попова
Кафедра технической электродинамики и систем радиосвязи
Методические указания
для выполнения лабораторной работы
«Изучение конструктивных особенностей базовой станции стандарта cdma 2000»
по дисциплине
«Системы мобильной связи»
Модуль 3 – Особенности построения и эксплуатации
систем мобильной связи
для студентов дневной и заочной формы обучения
факультетов информационных сетей
и телекоммуникационных систем
Одесса 2010
УДК
Методические
указания
для выполнения лабораторной работы
«Изучение конструктивных особенностей
базовой станции стандарта CDMA 2000» по
дисциплине «Системы мобильной связи»
/ Сост. Д.Ю. Бухан, Ю. Гуцал. – Одесса:
Изд-во ОНАС им. А.С. Попова, 2010. –
Методические указания составлены на основе инструкции по эксплуатации базовой станции Flexent компании Lucent Technologies.
Методические рекомендации предназначены для студентов дневной и заочной формы обучения факультетов информационных сетей и телекоммуникационных систем.
Методические указания рассмотрены и утверждены на заседании кафедры технической электродинамики и систем радиосвязи
(протокол № ____ от « » ____________ 20 г.)
Рецензент:
Содержание
1. Общие требования к выполнению лабораторной работы 4
2. Лабораторная работа 5
2.1 Цель работы 5
2.2 Ключевые положения 5
2.3 Ключевые вопросы 17
2.4 Домашнее задание 18
2.5 Лабораторное задание 18
2.6 Содержание отчета 18
2.7 Рекомендуемая литература 19
Приложение А. Образец отчета 20
1. Общие требования к выполнению лабораторной работы
Содержание выполняемой работы должно быть предварительно изучено с привлечением теоретического материала из лекционного курса, соответствующей литературы.
Лабораторная работа выполняется бригадами в составе 2-3 студентов, каждый из которых выполняет свое индивидуальное задание.
О т ч е т составляется каждым студентом и защищается в индивидуальном порядке.
2. Лабораторная работа
«Изучение конструктивных особенностей базовой станции стандарта CDMA 2000»
2.1Цель работы
Ц е л ь ю лабораторной работы является:
1. Изучение состава оборудования базовой станции сотовой связи стандарта CDMA 2000 на примере оборудования Flexent фирмы Lucent Technologies.
2. Изучение функциональных особенностей отдельных блоков базовой станции и принципов их взаимодействия.
2.2Ключевые положения
МЕСТО БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ В СТРУКТУРЕ СЕТИ CDMA
Базовая станция – элемент сети сотовой связи, отвечающий за радиоинтерфейс между центром коммутации мобильной связи (ЦК) и мобильных терминалов.
Рисунок 1 – Место базовых станций в структуре сети CDMA
Центр коммутации состоит из следующих элементов:
Цифровая коммутационная система (DCS, Digital Cellular Switch) типа 5ESS®, обеспечивающая интерфейс с наземными линиями связи;
Исполнительный процессор (ECP, Executive Cellular Processor), управляющий беспроводной сетью;
Платформа оперативного управления (OMP, Operation Management Platform), обеспечивающая интерфейс для ECP.
Базовые станции соединяются с DSC при помощи соединительных линий DS1. Управляющая информация для базовых станций поступает от сервера радиокластера (RCS, Radio Cluster Server) через каналы сигнализации DS0. Эти каналы подготавливаются в DS1 и маршрутизируются через коммутатор 5ESS.
Существует два важных понятия в организации работы базовой станции:
сервер радиокластера – расположен в ЦК;
сайт – совокупность базовой станции и антенно-фидерной системы.
Функции элементов сотовой сети
Сервер радиокластера обеспечивает координацию и управление отдельных сайтов, связанных с ним. Эти серверы представляют собой приложения, работающие на процессорах приложений (APs, Application Processors). Процессоры приложений – это высокопроизводительные компьютерные узлы, расположенные в ЦК и способные поддерживать одновременное выполнение нескольких экземпляров серверов радиокластера.
Два сервера радиокластера закрепляются за каждой базовой станцией – основной и резервный.
Базовая станция CDMA обеспечивает радиопокрытие в географической зоне, которая может обслуживаться всенаправленной или многосекторной антенной системой. Одна базовая станция обслуживает одну секторную или одну всенаправленную антенную систему.
Базовая станция обеспечивает следующие функции в прямом направлении (от мобильной станции к ЦК):
канальное кодирование;
модуляцию;
перенос спектра с промежуточной частоты на радиочастоту;
усиление радиочастоты;
передачу сигнала через эфир на мобильную станцию в соответствии с параметрами, полученными от сервера радиокластера.
В обратном направлении, базовая станция выполняет такие функции в указанном порядке:
принимает сигнал от МС;
демодулирует сигнал;
декодирует сигнал;
пересылает информационный сигнал на цифровую коммутационную систему.
Базовые станции могут быть настроены как для работы с одним сектором (одной несущей), так и для работы в составе цепочки базовых станций.
Базовые станции разработаны для поддержки различных топологий, частот, мощностей, антенн и конфигураций окружения.
ОБЗОР АРХИТЕКТУРЫ АППАРАТНОЙ ЧАСТИ БАЗОВОЙ СТАНЦИИ CDMA
Базовая станция обеспечивает:
интерфейсы с сервером радиокластера – через линию Т1/Е1;
поддержку 20 или 40 канальных элементов CDMA (два из которых используются как служебные каналы, а остальные – для передачи трафика);
обеспечение РЧ покрытия одного сектора.
Внешнее устройство
Базовая станция имеет складывающуюся конструкцию.
Рисунок 2 – Внешний вид базовой станции
Конструктивные особенности
Базовая станция имеет следующие особенности:
все входы и выходы расположены на верхней или нижней части базовой станции;
передняя часть защищает базовую станцию от воздействия солнечных лучей;
на задней части базовой станции нет никаких соединений;
защелки обеспечивают надежную защиту оборудования от погодных условий. Два болта, требующих специального инструмента для отворачивания, предотвращают несанкционированный доступ.
Компоненты базовой станции CDMA, их структура и функции
Компоненты базовой станции CDMA показаны на рис. 3.
Рисунок 3 – Компоненты базовой станции
Контроллер радиоканала (CRC, CDMA Radio Complex). Это плата, расположенная внутри, в нижней части базовой станции. Отвечает за управление базовой станцией и взаимодействие с линиями Т1 и Е1. CRC также поддерживает следующие компоненты и функции:
Модуль обслуживания канала (CSU, Channel Service Unit). Контроллер радиоканала поддерживает до двух CSU, обеспечивающих соединение с линиями Т1/Е1 и разрешающих самотестирование. Каждый CSU поддерживает одну линию Т1/Е1.
Служебный Ethernet-порт. CRC поддерживает служебный Ethernet-порт, который используется обслуживающим персоналом для соединения с базовой станцией с целью диагностики. Соединение осуществляется с помощью интерфейса 10BaseT (10 Мбит/с, витая пара), заканчивающегося разъемом RJ45.
Поддержка голосового интерфейса. CRC отвечает за детектирование состояния занятости или не занятости голосового интерфейса базовой станции (обычная аналоговая телефонная линия). Обнаружив изменение состояния линии, программное обеспечение контроллера радиоканала дает команду процессору добавлять голосовую информацию к данным, передаваемым по линии T1/E1 DS0, для передачи ее на ЦК.
Управление обходным реле Т1/Е1. CRC управляет обходным реле, которое используется для разрешения последовательного соединения на линии DS1 для отключения нерабочей базовой станции. Когда базовая станция инициализирована и ее процессор готов к работе в последовательном соединении, CRC формирует сигнал, который активирует (открывает) обходное реле и включает базовую станцию в последовательное соединение.
Базовая станция не поддерживает резервирования линий Т1/Е1, поскольку это требует отключения обходного реле для предотвращения петлевого соединения этих линий.
Определение тактовой частоты CDMA. CRC служит для наблюдения за тактовой частотой CDMA, которая генерируется в частотно-временном блоке (TFU), и посылает сигнал тревоги на сервер радиокластера, если обнаруживается отклонение его от нормы. Производится мониторинг двух сигналов: один – частотой 19,6608 MHz, и второй, представляющий собой ежесекундные отсчеты.
Светодиодные индикаторы. CRC содержит одиннадцать светодиодных индикаторов, сгруппированных по следующим категориям:
три индикатора состояния платы;
два набора по 4 красных индикатора (один набор для каждой линии Т1/Е1) для отображения состояния принимаемого сигнала.
Модуль управления CDMA (CCU, CDMA Control Unit). Базовая станция поддерживает до двух CCU. Эти модули поддерживают последовательное соединение передающих трактов. Они позволяют передавать данные от многих CCU, скомбинированные в один передаваемый сигнал. CCU настраиваются так, чтобы иметь возможность направлять сигнал в обход, если они не используются или обслуживаются. Если два смежных CCU выходят из строя, все остальные CCU в последовательном соединении отключаются от формирователя CDMA сигнала в основной полосе частот (CBR).
CCU бывают двух видов.
CCU-20. Базовая станция поддерживает до двух модулей управления CDMA (CCU-20), каждый из которых содержит 20 канальных элементов (КЭ). КЭ-20 обеспечивает канальное кодирование и декодирование в общей сложности до 40 каналов. Эти каналы представляют собой совокупность 38 каналов трафика (18 – если установлен только один модуль CCU), и два служебных канала (пилотный/синхронизации/доступа и вызова). Канальное кодирование осуществляется в специализированных сигнальных процессорах (ASIC, Application Specific Integrated Circuit), где каждый сигнальный процессор обрабатывает один канал (в прямом и обратном направлении). КЭ обмениваются информацией с CRC для передачи ее на коммутатор 5ESS через интерфейс Т1/Е1. КЭ обмениваются информацией, относящейся к эксплуатации, администрированию и обслуживанию, такой как инициализация и состояние, во время обслуживающих процедур со стороны CRC.
CCU-32 используется для передачи служебной информации, речи, и канала данных 2G как высокоскоростные данные 3G-1X. Базовая станция поддерживает два модуля CCU-32. Каждый такой модуль содержит 64 канальных элемента. Для полноценной беспроводной системы фиксированной связи, способной передавать речь, служебную информацию и поддерживать эстафетную передачу, необходимо 62 канала на сектор. CCU-32 обеспечивает канальное кодирование и декодирование в общей сложности до 186 каналов для 3-секторной ячейки. Среди этих каналов – два служебных (пилотный/синхронизации/доступа и вызова) на каждую несущую. Остальные канальные элементы используются для организации каналов трафика.
Расширенный CCU может улучшить работу соты путем расширения зоны радиопокрытия или путем увеличения емкости соты без необходимости использовать специальные мобильные станции. В дальнейшем будут выпускаться только расширенные CCU, но сочетание в базовых станциях обеих типов CCU допускается.
Канальные элементы (КЭ). КЭ содержит схемы, необходимые для поддержки полнодуплексного канала CDMA, то есть поддержку прямого и обратного канала. Каждый КЭ поддерживает один канал CDMA. КЭ может выполнять модуляцию и демодуляцию для одного канала CDMA, или (в некоторых случаях) для нескольких каналов.
Формирователь CDMA сигнала в основной полосе частот (CBR, CDMA Baseband Radio) выполняет следующие функции: уплотнение CDMA сигналов в основной полосе частот для последующей передачи, модуляцию и преобразование частоты в передающем тракте, а также преобразование частоты, демодуляцию для двух (разнесенных) каналов приема.
Модуль CBR расположен в верхней части дверцы базовой станции.
Модуль CBR обладает следующими характеристиками:
возможность настройки (под управлением программного обеспечения) на любой разрешенный канал;
регулировка выходной мощности на 30 дБ с шагом 0,5 дБ;
точная настройка мощности радиосигнала во время настройки базовой станции;
обеспечение возможности тестирования радиоканала для облегчения поиска и локализации неисправностей в тракте радиочастоты.
CBR принимает два цифровых потока со скоростью 19,6608 МГц от блоков CCU следующим образом:
если оба CCU работают, принимается уплотненные цифровым способом данные от всех КЭ в обеих CCU;
если первый CCU (соседний с CBR) отключен, принимается уплотненный цифровым способом данные от всех КЭ второго CCU.
Механизм управления отключением. Механизм управления отключением, находящийся в CBR, определяет состояние первого CCU. Если он неисправен, CBR использует этот механизм для отключения неисправного CCU. Этот механизм предохраняет первый CCU от ситуации, когда он окажется единственным неисправным среди других CCU.
Передающий тракт. Находясь внутри CBR, передающийся поток данных фильтруется цифровым фильтром и превращается в аналоговый сигнал. Этот аналоговый сигнал затем модулирует несущую промежуточной частоты для дальнейшей фильтрации, усиления и преобразования частоты.
Приемный тракт. В обратном направлении имеется два идентичных разнесенных приемных модуля в составе CBR. Эти модули осуществляют преобразование частоты, фильтрацию и автоматическую регулировку усиления для двух принимаемых сигналов. Эти сигналы затем подаются на ССГ для декодирования.
Усилители CDMA. Базовая станция поддерживает два усилителя:
усилитель мощности, работающий на радиочастоте, усиливает радиосигнал, поступающий из CBR до необходимого уровня;
малошумящий усилитель (LNA, Low Noise Amplifier) в тракте приема усиливает принятый от мобильной станции ВЧ-сигнал.
Передающий тракт базовой станции CDMA содержит усилитель мощности. Этот усилитель усиливает выходную мощность ВЧ-сигнала, поступающего с выхода CBR до выходной мощности, заданной в настройках сайта ячейки. Усилитель мощности расположен позади дуплексного фильтра.
Сборка полосовых фильтров. Базовая станция поддерживает симплексную сборку полосовых фильтров для трехантенной симплексной конфигурации (одна передающая – Tx0, и две приемные – Rx0 и Rx1), либо двухантенной дуплексной конфигурации (одна приемопередающая – Tx/Rx0 и одна приемная – Rx1). Сборка полосовых фильтров – единый модуль, содержащий три фильтра, дуплексер (для дуплексной сборки) и разветвители. Сборка расположена в центре базовой станции. Блоки фильтров состоят из полосовых фильтров и двунаправленного измерительного разветвителя. Измерительный разветвитель в дуплексной сборке фильтров имеет переходное затухание 30 дБ в обоих направлениях – прямом (к антенне) и обратном (от антенны). Он гарантирует, что ВЧ-сигнал будет иметь полосу частот, указанную в соответствующих стандартах, и позволяет выполнять измерения в ВЧ-тракте.
Частотно-временной блок (TFU, Time Frequency Unit). Обеспечивает генерирование опорной частоты и тактовые сигналы CDMA, используемые в CBR и CCU, а также содержит модуль GPS для обеспечения синхронизации CDMA сети. TFU – это генератор опорной частоты и меток времени, синхронизирующих базовую станцию с другими базовыми станциями в сети CDMA. Синхронизация сети CDMA позволяет мобильным станциям отслеживать несколько базовых станций одновременно, и выполнять мягкую эстафетную передачу между базовыми станциями. Синхронизация осуществляется с помощью сигналов – меток времени, принимаемых со спутников Navstar (GPS). Эти сигналы используются для синхронизации меток времени, подаваемых на КЭ для канального кодирования.
TFU управляет задающим генератором (OM, Oscillator Module) и воздействует на него для поддержания частоты 15 МГц.
TFU расположен в верхней части дверцы базовой станции.
TFU использует два опорных сигнала:
временные метки от спутниковой сети GPS, принимаемые модулем GPS, входящим в состав TFU;
задающий генератор (OM), обеспечивающий стабильный источник синусоидального колебания частотой 15 МГц.
TFU генерирует следующие сигналы.
Сигнал «четных секунд» (EvenSecTic), повторяющийся каждые две секунды, и синхронизированный с системным временем (CST, CDMA System Time). Опорный сигнал 19,6608 МГц синхронизирован по фазе с этим сигналом.
Сигнал системного времени (CST) – ASCII-строка, содержащая количество секунд, не считая пропущенных, прошедших с 00:00:00 UTC 6 января 1980 г. Эта строка соответствует следующему значению EvenSecTic.
Синусоида частотой 10 МГц, синхронизированная по фазе с опорным сигналом 15 МГц, для фазовой синхронизации измерительного оборудования с базовой станцией.
Задающий генератор (OM, Oscillator Module). Обеспечивает температурно стабилизированный генератор для TFU. Задающий генератор генерирует для базовой станции опорный сигнал 15 МГц. Задающий генератор находится внутри базовой станции, на задней ее стенке.
ЗГ – температурно стабилизированный кварцевый генератор, созданный для обеспечения высокостабильных опорных колебаний.
ЗГ может работать при следующих условиях:
ЗГ должен иметь время прогрева не менее 25 минут после включения;
ЗГ требует до 7 дней непрерывной работы до того, как он будет способен обеспечивать стабильность, необходимую для работы по инерции. (Работа по инерции – способность ЗГ поддерживать опорный сигнал со стабильностью, соответствующей сигналам спутников GPS.)
Со временем частота ЗГ может изменяться. Это обнаруживается и корректируется с помощью TFU. Возможность корректировки ограничена, и когда лимит исчерпан, ЗГ следует заменить.
Модуль тестирования радиоканала CDMA (CTRM, CDMA Test Radio Module). Дополнительное устройство, позволяющее пользователю выполнять онлайн-тестирование функциональности каналов трафика и управления. Модуль тестирования радиоканала CDMA выступает в роли мобильной станции, управляемой базовой станцией для тестирования и проверки работоспособности базовой станции. Тестирование с помощью CTRM завершается посылкой контрольных вызовов на базовую станцию. Радиочастота переключается внутри элемента управления CTRM, к которому подключен ВЧ-тракт базовой станции.
Блок питания (PCU, Power Converter Unit). Блок питания преобразует переменное напряжение в несколько уровней постоянного. БП расположен на задней стенке внутри базовой станции. Система питания базовой станции постоянным током также включает в себя батарею для резервного питания при отсутствии переменного тока. Эта батарея обеспечивает минимальную мощность для питания базовой станции на время до 1 мин, чтобы закрыть кратковременные пропадания питания переменного тока или падения напряжения. Батарея подзаряжается и управляется блоком питания.
Дополнительная сборка охлаждающих вентиляторов. Базовая станция может быть укомплектована дополнительным охлаждающим вентилятором, если предполагается ее работа в условиях повышенной температуры. Дополнительная сборка вентиляторов без фильтров обеспечивает практически не требующее текущего обслуживания охлаждение путем обдувки задней стенки базовой станции.
ВЗАИМНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ БАЗОВОЙ СТАНЦИИ И ПЕРЕДАВАЕМЫЕ СИГНАЛЫ
Поток сигналов в базовой станции
Компоненты и обрабатывающие устройства, входящие в состав базовой станции, сообщаются посредством двух шин.
Рисунок 4 – Диаграмма потоков сигналов в базовой станции
Функции этих шин описываются следующим образом:
Шина с высокой скоростью передачи пакетных данных переносит информацию, требующую высокой скорости обработки, например пакеты трафика, между CRC, CCU-1X и/или CCU-20.
Низкоскоростная последовательная шина, также называемая периферийной, поддерживает соединения для эксплуатации, администрирования и обслуживания с другими (не CCU) компонентами базовой станции.
Распределение опорных сигналов. Опорный сигнал 15 МГц генерируется в задающем генераторе. Шестиканальный разделитель используется для разветвления сигнала на выходе, как показано на рис. 5.
Рисунок 5 – Распределение опорного сигнала 15 МГц
Компоненты, требующие опорного сигнала 15 МГц:
формирователь CDMA сигнала в основной полосе частот (CBR);
модуль диагностики ВЧ тракта (RFDU, RF Diagnostic Unit);
частотно-временной блок (TFU);
входы и выходы (2 соединения).
Входы и выходы базовой станции. Внешние входы и выходы базовой станции подразделяются на высокочастотные, питания, для подсоединения внешнего оборудования, и измерительные.
Рисунок 6 – Входящие и исходящие соединения
Высокочастотные входы и выходы включают в себя антенные порты для дуплексной приемопередающей антенны, и для симплексной приемной антенны. Еще один порт предназначен для GPS-антенны. Монтируемые снаружи базовой станции шунтирующие устройства предохраняют эти порты от импульсов высокого напряжения, вызываемых молниями.
Схема разводки кабелей: последовательное соединение
Для соединения базовых станций может использоваться одиночное или последовательное соединение. Базовые станции в последовательном соединении могут быть как единственными в ячейке, так и обслуживающими отдельные секторы, организованные с помощью направленных антенн. В последнем случае, трехсекторный сайт может быть организован с помощью трех базовых станций, соединенных последовательно, и каждая базовая станция обслуживает сектор со 120-градусной антенной системой. Последовательное соединение может быть использовано, если базовые станции расположены близко, как в трехсекторной конфигурации сайта. Последовательное соединение также может быть использовано, когда базовые станции используются для организации связи внутри помещений, то есть когда несколько сайтов расположены в одном здании. Базовые станции, работающие в последовательном соединении, могут быть представлены в виде нескольких конфигураций.
Совместная, вроде той, когда базовые станции смонтированы на одной мачте для обеспечения трехсекторного покрытия. Расстояние между базовыми станциями в этом случае составляет около 3 м.
Локальная, вроде той, когда базовые станции смонтированы на крыше, также обеспечивая трехсекторное покрытие. Здесь расстояние между базовыми станциями может составлять до 30 м.
Удаленная, вроде той, когда базовые станции соединены цепочкой на нескольких позициях внутри здания. Здесь удаление может быть равно примерно 150-300 м.
Рисунок 7 – Примеры последовательных конфигураций
Особая конфигурация: распределение GPS-сигнала
Общая GPS-антенна. Когда базовые станции работают совместно, оператор связи может не захотеть устанавливать несколько GPS-антенн. В такой ситуации ввод GPS-антенны может быть разделен для трех базовых станций.
Рисунок 8 – Общее использование GPS-антенны для нескольких базовых станций
Распределение постоянного тока для конфигурации с общей GPS-антенной. Как только во всех модулях GPS подано питание на предусилители, разделитель начинает блокировать постоянный ток для всех выходов, за исключением первой базовой станции. Только первая базовая станция питает постоянным током предусилитель, и таким образом, только она может генерировать аварийные сигналы, сигнализирующие о работе предусилителя. Аварийные сигналы от ведомых базовых станций должны быть отключены.
Распределение сигнала GPS. Одна GPS-антенна может быть сконфигурирована для работы с несколькими базовыми станциями. Максимальное расстояние между базовыми станциями зависит от типа антенны и ее коэффициента усиления.