5.4.4 Протокол rds

Протокол RDS (Radio Data System) получил путевку в жизнь в начале 90-х годов в качестве многофункционального формата передачи данных, как на адресные, так и на безадресные приемники. Принцип передачи данных основан на уплотнении сигнала вещательной станции, работающей в FM и УКВ диапазонах. Передача данных происходит путем замешивания в комплексный стереосигнал на поднесущей частоте 57 кГц с девиацией ±2 кГц частотно-модулированного сигнала RDS. Спектр суммарного сигнала показан на рис. 9 (где А и В - сигналы левого и правого каналов стереовещания).

Рисунок 9 - Спектр суммарного сигнала

Помимо пейджинговых сообщений, формат RDS позволяет передавать на радиприем-ники с декодером сигнала RDS различную текстовую информацию в виде неподвижной или бегущей строки - это может быть название принимаемой радиостанции, темп музыки, рекламные тексты. Более того, радиоприемник, при переезде из одного города или области в другие, может сам настраиваться на требуемую радиостанцию или выбранный тип передачи (классическая музыка, рок, известия и пр.) и, при передаче экстренных сообщений, переключаться из других режимов (проигрывание компакт-дисков и аудиокассет) на прием.

Протокол RDS рассчитан на работу с фиксированной скоростью 1187 бит/с и имеет структуру, показанную на рис.10.

Самый большой элемент в структуре формата называется "группой" и содержит 104 бита информации. Каждая группа включает в себя 4 блока по 26 битов каждый. Блок состоит из 16-разрядного информационного слова и 10-разрядного контрольного слова. Передача данных полностью синхронна и не имеет разрывов между группами или блоками. Информационное слово служит непосредственно для передачи данных. Контрольное слово - для синхронизации и исправления ошибок.

Информационные слова группы RDS содержат следующую информацию.

Группа начинается с 16-разрядного, так называемого Pi-кода (Program Identification), индивидуального для каждой страны, который является признаком RDS передачи, и, соответственно, страны, в которой эта передача ведется.

Следующие пять бит (начало второго блока) определяют тип передачи данных: радиотекст, передача времени и даты, радиопейджинг и пр.

Один бит (бит ТР - Traffic program) управляет переключением радиприемника из режима проигрывания аудиокассеты или CD-диска в режим приема при передаче важных информационных сообщений. Следующие 5 бит формируют название программы, которое высвечивается на дисплеи радиоприемника при приеме вещательной станции. Это могут быть новости (News), спортивная информация (Sport), типы передаваемой музыки (например Rock, Jazz, Classic) и т.д.

Далее идет (последние 5 бит второго информационного слова) 5-ти разрядный адресный код AC (Address Code), который определяет местоположение данных передаваемых сообщений и команд, в том числе и адрес пейджерного приемника.

Рисунок 10 - Структура формата RDS

При передаче пейджингового сообщения тип передачи данных задается как 01110, а адрес пейджера и само сообщение передаются в нескольких последовательных группах и занимают в каждой группе два последних блока. Первоначально следует адрес пейджера, а затем символы самого сообщения.

В организации передачи пейджингового сообщения участвуют и другие RDS группы предназначенные для передачи времени и даты, а также синхронизации RDS приемников. Синхронизирующая метка передается каждую секунду, а время и дата - каждую минуту.

Стандарт RDS рассчитан для одновременной поддержки 4 пейджинговых сетей. Поскольку формат RDS "не привязан" к конкретной частоте, а работает в диапазоне частот (FМ/УКВ), пейджер для своей настройки производит сканирование всего диапазона. После настройки на одну частоту вещательной станции в течение 1 с происходит синхронизация приемника, в течение 2 с определяется код страны и признак сети пейджинга. Если они не соответствуют кодам, хранящимся в памяти пейджера, то он настраивается на волну другой радиостанции. После нахождения своей сети пейджер в течение 15 с переходит в режим экономии батарейки. Организация экономии расхода электроэнергии достигается за счет активизации приемника в отдельные интервалы времени, определяемые его индивидуальным номером, и аналогична подобной организации в стандарте POCSAG. Специфика RDS-стандарта - уплотне­ние сигнала вещательной станции - позволяет операторам связи в большинстве случаев с меньшими капиталовложениями, чем для других систем, развернуть СПРВ. Экономия объясняется отсутствием расходов на частотное присвоение, антенно-фидерное устройство и передатчик, которые являются весьма дорогостоящим оборудованием. Расходы же состоят из арендной платы за поднесущую 57 кГц, стоимости кодера RDS и организации диспетчерской.

Зона покрытия RDS пейджинга при эксплуатации наиболее широко распространенных RDS-пейджеров Nokia, Infotelecom, Matador на 10-20% меньше зоны устойчивого приема самой вещательной станции и имеет, как правило, радиус в несколько десятков км. Для выравнивания зон вещания и RDS пейджинга, а также уменьшения ошибок при передаче пейджинговых сообщений, обусловленных взаимным влиянием спектров вещательного и RDS сигналов, в передающий тракт включают аудиопроцессор.

Аудиопроцессор осуществляет компрессию сигнала, а также ограничение по частотному диапазону, подавляя высокочастотные компоненты (выше 15 кГц) спектра вещательного сигнала левого и правого каналов. Это исключает наложение спектра сигнала КСС на спектр RDS. В качестве аудиопроцессоря на российском рынке широко используется процессоры американской фирмы SRL марки SMP-850.

Дальнейшим развитием системы RDS является система голосового пейджинга Моbi DARC.

Центральной частотой передачи пейджинга здесь выбрана частота 76 кГц. Система MobiDARC не оказывает влияния на передаваемую аудиоинформацию, а также на другие системы передачи данных на поднесущей (RDS с центральной частотой 57 кГц). Канальная скорость передачи данных - 16 кбит/с (эффективная скорость - 1200 бит/с). Удельная емкость системы голосового пейджинга - 35000 абонентов на одну частоту из расчета 1,5 сообщений в день длительностью 45 с для каждого абонента.

6 Литература

6.1 Соловьев А.А. Пейджинговая связь. - М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2000.

Практическая работа № 3

«Изучение общих принципов организации систем подвижной связи»

1 В результате выполнения работы студент должен

знать:

- общие принципы построения систем подвижной связи;

- основные стандарты сотовых систем связи.

уметь:

- применять принципы повторного использования выделенного ресура частот.

2 Содержание работы

Цель работы: Изучение общих принципов построения и организации систем подвижной радиосвязи.

3 Направляющие вопросы

3.1 Дайте понятие частотно-территориального плана.

3.2 Что называется кластером?

3.3 Как влияет коэффициент повторного использования частот на емкость сети?

3.4 Поясните понятие интеллектуальная антенная система.

3.5 В чем отличие микросотовых сетей подвижной связи от макросотовых сетей?

3.6 Поясните процедуру «ведение абонента», «роуминг».

3.7 Назначение каналов трафика и управления.

3.8 Поясните назначение центра коммутации.

3.9 Назначение интерфейсов в сетях сотовой связи.

4 Рабочее задание

4.1 Ознакомиться с общими принципами построения систем подвижной радиосвязи. Изучить основные стандарты сотовых систем связи, дать их характеристику:

Вариант А – стандарт GSM;

Вариант Б – стандарт ADC;

Вариант В – стандарт JDC.

Номер варианта задается преподавателем.

4.2 Изучите особенности построения цифровых ССПС с макросотовой структурой. Приведите значения количества каналов N на соту для ССПС различных стандартов при разных коэффициентах повторного использования частот. Сделайте вывод.

4.3 Изучите и перечислить основные категории каналов, предусмотренные в ССПСЭ.

5 Указания по выполнению работы

В разных источниках используется различное название систем мобильной связи, в данном случае будем использовать два названия: сотовые системы мобильной связи (ССМС) и сотовые сухопутные подвижные системы электросвязи (ССПЭ).

5.1 Основные стандарты ССПС

Развитие в 70-х годах сотовых систем подвижной связи и их внедрение решили проблему экономии спектра радиочастот путем многократного использования выделенного частотного ресурса при пространственном разнесении приемопередатчиков с совпадающими рабочими частотами. Сотовая топология позволила многократно увеличить емкость телекоммуникационных сетей по отношению к сетям радиальной структуры без ухудшения качества связи и расширения выделенной полосы частот. Однако, внедрение систем сотовой подвижной связи (ССПС) началось после того, как были найдены способы определения текущего местоположения подвижных абонентов и обеспечения непрерывности связи при перемещении абонента из одной соты в другую.

Известны девять основных стандартов аналоговых ССПС. Один из них NMT-450 принят в качестве федерального стандарта для России. На его основе созданы ССПС в Москве ("Московская сотовая связь"), Санкт-Петербурге ("Дельта-Телеком") и других городах.

Однако, аналоговые ССПС уже не удовлетворяют современному уровню развития информационных технологий из-за многочисленных недостатков, главные из которых: несовместимость стандартов; ограниченная зона действия; низкое качество связи; отсутствие засекречивания передаваемых сообщений и взаимодействия с цифровыми сетями с интеграцией служб (ISDN) и пакетной передачи данных (PDN).

В последние годы из-за ограниченных возможностей стандартов NMT-450 и NMT-900 во всем мире наблюдается снижение роста числа их пользователей.

В 80-х годах в Европе, Северной Америке и Японии приступили к интенсивному изучению принципов построения перспективных цифровых ССПС и сегодня уже разработаны три стандарта таких систем с макросотовой топологией сетей и радиусом сот до 35 км: общеевропейский стандарт GSM, принятый Европейским институтом стандартов в области связи (ETSI); американский стандарт ADC (D-AMPS), разработанный Промышленной ассоциацией в области связи (TIA); японский стандарт JDC, принятый Министерством почт и связи Японии.

Общеевропейский стандарт GSM - первый в мире стандарт на цифровые ССПС, который предусматривает их создание в диапазоне 900 МГц и является основой стандарта ССПС DCS 1800 (диапазон 1800 МГц) с микросотовой структурой, принятого в настоящее время в Европе. Стандарт GSM реализуется в настоящее время в Северной Америке в диапазоне 1900 МГц (PCS-1900).

Указанные выше стандарты на цифровые ССПС отличаются своими характеристиками. Они построены на единых принципах и концепциях и отвечают требованиям современных информационных технологий (табл. 1).

Таблица 1

№№ п.п.	Характеристики стандарта	GSM DCS18000, PCS1900	ADC	JDC
1	Метод доступа	ТDМА	TDMA	TDMA
2	Разнос частот	200 кГц	30 кГц	25 кГц
3	Количество речевых каналов на несущую	8(16)	3	3(6)
4	Скорость преобразования речи	13 кбит/с (6,5 кбит/с)	8 кбит/с	1 1 ,2 кбит/с (5,6 кбит/с)
5	Алгоритм преобразования речи	RPE-LTP	VSELP	VSELP
6	Общая скорость передачи	270 кбит/с	48 кбит/с	42 кбит/с
7	Метод разнесения	Перемежение, скачки по частоте	Перемежение	Перемежение
8	Эквивалентная полоса частот на речевой канал	25 кГц (12,5 кГц)	10 кГц	8,3 кГц (4, 15 кГц)
9	Вид модуляции	0,3 GMSK	/4 DQPSK	/4 DQPSK
10	Требуемое отношение несущая/интерференция (С/1)	9 дБ	16 дБ	13 дБ
11	Рабочий диапазон частот	93 5-960 МГц	824-840 МГц	8 10-826 МГц
		890-9 15 МГц	869-894 МГц	940-956 МГц
				1429-1441 МГц
				1447- 1489 МГц
				1453-1465 МГц
				1501-1513 МГц
12	Радиус соты	0,5-35 км	0,5-20 км	0,5-20 км

Стандарт GSM - результат фундаментальных исследований ведущих научных и инженерных центров Европы. Разработанные в GSM системные и технические решения могут использоваться для всех перспективных цифровых ССПС. В первую очередь, к таким решениям относятся: построение сетей GSM на принципах интеллектуальных сетей; распространение модели открытых систем на ССПС; внедрение новых, более эффективных, моделей повторного использования частот; применение временного разделения каналов связи (ТDМА); временное разделение режимов приема и передачи пакетированных сообщений; использование эффективных методов борьбы с замираниями сигналов, основанных на частотном разнесении, путем применения режима передачи с медленными скачками по частоте (SFH) и тестирования канала связи с помощью псевдослучайной последовательности, известной в приемнике; применение блочного и сверточного кодирования в сочетании с прямоугольным и диагональным перемежением; программное формирование логических каналов связи и управления; использование спектрально-эффективного вида модуляции (GMSK); разработка высококачественных низкоскоростных речевых кодеков; шифрование передаваемых сообщений и закрытие данных пользователей.

Принципиально новым шагом в развитии ССПС было принятие для GSM концепции интеллектуальной сети и модели открытых систем (OSI), одобренных международной организацией стандартов.

Американский стандарт ADC (D-AMPS) разрабатывался для отличных от Европы условий; диапазон частот 800 МГц и работа в общей с существующей аналоговой ССПС AMPS полосе частот. В этом случае для цифровой ССПС необходимо было сохранить частотный разнос каналов 30 кГц, используемый в AMPS, и обеспечить одновременную работу абонентских радиостанций как в аналоговом, так и в цифровом режимах. Применение специально разработанного речевого кодека (VSELP), имеющего скорость преобразования речевого сигнала 8 кбит/с, и цифровой дифференциальной квадратурной фазовой манипуляции со сдвигом /4 позволило в режиме ТDМА организовать три речевых канала на одну несущую с разносом канальных частот 30 кГц (табл. 1).

Японский стандарт JDC во многом совпадает с американским. Основные отличия заключаются в использовании другого частотного диапазона, дуплексного разноса полос частот приема и передачи 55 МГц при разносе каналов 25 кГц. Стандарт JDC адаптирован также к диапазону 1500 МГц (табл. 1).

Все стандарты цифровых ССПС обеспечивают взаимодействие с ISDN и PDN. Принятые технические решения гарантируют высокое качество передаваемых сообщений в режимах открытой или закрытой (засекреченной) передачи.

5.2 Общие принципы построения сотовой сухопутной подвижной системы электросвязи

5.2.1 Основные понятия

Главные элементы сотовой сухопутной подвижной системы электросвязи (ССПСЭ) - это центр коммутации подвижной службы (ЦКПС), а также станции (БС и АС). Все БС соединены со своим ЦКПС стационарными линиями связи (кабельными, радиорелейными и др.), а все ЦКПС сети - стационарными линиями с транзитными коммутаторами ТФОП и обмениваются информацией по общему каналу сигнализации ОКС 7.

Сотовые сухопутные подвижные системы электросвязи строят на основе частотно- территориальных планов (ЧТП). При составлении ЧТП обслуживаемую территорию разделяют между базовыми станциями. Если на БС используется всенаправленная антенна, то граница территории, которую обслуживает одна БС, - окружность, в центре которой располагается БС (рис. 1.1,а). Границы трех соседних окружностей пересекаются в одной точке. Соединив точки пересечения окружностей, уточним границы территории, которую обслуживает каждая БС. Получается шестиугольник - сота.

Итак, сота - это территория, обслуживаемая одной БС при всенаправленных антеннах. Каждая БС поддерживает радиосвязь с абонентскими станциями, находящимися в своей соте. Во избежание взаимных помех соседние БС работают на разных частотах. Каждой соте присваивается частотная группа и для всей ССПСЭ составляется частотно- территориальный план.

Основой ЧТП является кластер. Кластер образован совокупностью соседних сот, в которых используются разные частотные группы. Частотные группы внутри кластера не повторяются. Число таких сот в кластере называется его размерностью. Все частотные каналы системы делят между БС, входящими в один кластер.

Рис. 1.1. Сотовые структуры: а — регулярная; б — секторная

Сотовая структура может быть двух типов:

- регулярная, использующая всенаправленные антенны (рис. 1.1,а);

- секторная на основе направленных антенн (рис. 1.1,б).

В качестве направленных антенн на БС используются секторные антенны. Получили распространение секторные антенны с шириной главного лепестка ДНА (), равной 60, 90 или 120°. На рис. 1.1,б показаны соты с секторными антеннами при  = 120°. В этом случае сота делится на три сектора А, В, С. В каждом секторе устанавливается своя БС, причем в центре соты каждая БС работает на своей частоте. Частотные группы обозначены 1 А, 1В, …

5.2.2 Особенности построения цифровых ССПС с макросотовой структурой

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

Первыми моделями повторного использования частот, которые применялись в аналоговых ССПС, были модели с круговыми диаграммами направленности (ДН) антенн базовых станций. В сетях цифровых ССПС для сот с круговой ДН антенн применяют модель повторного использования частот, включающую 7 или 9 сот. На рис. 2 показана модель повторного использования частот для семи сот. Модель с круговой ДН антенн предполагает передачу сигнала БС одинаковой мощности по всем направлениям, что для абонентских станций эквивалентно приему помех со всех направлений.

Эффективным способом снижения уровня соканальных помех, то есть помех по совпадающим частотным каналам, может быть использование секторных антенн. В секторе направленной антенны сигнал излучается в одну сторону, а уровень излучения в противоположном направлении сокращается до минимума. Секторизация сот позволяет более часто повторно применять частоты в сотах при одновременном снижении уровня помех. Общеизвестная модель повторного использования частот в секторизованных сотах включает три соты и три БС.

Самую высокую эффективность использования полосы частот, то есть наибольшее число абонентов сети в выделенной полосе частот, обеспечивает разработанная фирмой Motorola (США) модель повторного использования частот, включающая две БС. Как следует из схемы, показанной на рис. 3, каждая частота используется дважды в пределах модели, состоящей из четырех БС. Благодаря этому каждая из четырех БС в пределах действия шести 60-градусных антенн может работать на 12-ти группах частот.

Например, в сети GSM с общей полосой 7,2 МГц (36 частот), модель повторного использования частот двумя БС позволяет на одной БС одновременно применять 18 частот (в модели с тремя БС таких частот 12). Емкость сети возрастает на 50%, однако для обеспечения прежнего значения вероятности блокировки канала связи необходимо снижение этого показателя до 40%.

В любой ССПС емкость сетей зависит от количества каналов связи в соте N, которое, например, для стандартов с временным разделением каналов определяется выражением:

где F - полоса частот ССПС;

- эквивалентная полоса частот, приходящаяся на один речевой канал;

– полоса частот одного радиоканала;

n - число временных позиций в ТDМА кадре;

- число речевых каналов связи;

k - коэффициент повторного использования частот.

В таблице 2 приведены значения количества каналов N на соту для ССПС различных стандартов при разных коэффициентах повторного использования частот. Как следует из этой таблицы, при одинаковой полосе частот ССПС наибольшее число каналов на соту и, следовательно, наибольшая емкость сетей может быть реализована в стандартах GSM и JDC в полускоростном канале связи. Внедрение полускоростного канала в сетях связи GSM ожидается в ближайшее время после завершения разработки речевого кодека со скоростью преобразования речи 6,5 кбит/с.

Структура сот и схемы повторного использования частот разрабатывались при условии, что местоположение подвижного абонента заранее неизвестно и непредсказуемо. В отличие от этой концепции в настоящее время развивается новое направление в подвижной связи, основанное на использовании интеллектуальных антенных систем, автоматически перестраивающих свои диаграммы направленности на источник излучения сигнала.

Таблица 2

Характеристики ССПС	Аналоговые ССПС		Цифровые ССПС
			GSM		ADC	JDC
	NMT-450	AMPS	полноскоростной канал	полускоростной канал
Общая полоса частот F, МГц	4,5	25	25	25	25	25
Эквивалентная полоса частот на один канал связи f, кГц	25	30	25	12,5	10	8,3
Число речевых каналов связи F/f	180	833	1000	2000	2500	3000
Коэффициент повторного использования частот k	7 (3)	7	3 (2)	3 (2)	7	4
Число каналов на соту N	26 (60)	119	333 (500)	666 (1000)	357	750

Рис.2. Модель повторного использования Рис.3.Модель повторного использования

частот для семи сот. частот, включающая две БС.

Интеллектуальные антенные системы разрабатываются и применяются уже много лет, однако их реализация до последнего времени в коммерческих системах была не выгодна до появления дешевых сигнальных процессоров, удобных к реализации алгоритмов управления диаграммой направленности антенн, разработанных применительно к цифровым сотовым системам связи со своей структурой логических каналов управления.

В настоящее время развиваются два способа построения интеллектуальных антенных систем, основанных на коммутировании лучей и адаптации диаграммы направленности. Оба способа основаны на увеличении коэффициента усиления антенны в направлении на абонентскую станцию, причем только адаптивные антенны обеспечивают максимальный коэффициент усиления и минимальный уровень соканальных помех.

Интеллектуальная антенная система состоит из нескольких антенн, объединенных электронной схемой с фазовыми и амплитудными анализаторами. В результате анализа принимаемых сигналов, поступающих на различные элементы антенны, вычисляется направление оптимального приема. Сигнальный процессор в реальном масштабе времени формирует суммарную диаграмму направленности антенн на источник излучения с учетом частоты принимаемого сигнала и некоторых других параметров.

Результаты исследований показали, что при граничном значении вероятности блокировки вызова 0,01 использование адаптации диаграммы направленности антенной системы позволяет увеличить нагрузку в системе связи до шести раз по отношению к обычной системе ТDМА.

Практическая реализация интеллектуальных антенных систем представляется весьма перспективной для сотовой связи независимо от стандарта GSM, DECT и т.д. Их применение на практике не будет требовать уменьшать размеры сот при возрастании нагрузки. Увеличение емкости сети сотовой связи может в этом случае обеспечиваться внедрением новых аппаратных средств и соответствующего программного обеспечения.

При включении АС выполняется определение ее местоположения и выделение для нее рабочих частот. При пересечении станцией границы соты сеть передает абонента дру­гой БС, при этом на АС производится автоматическая смена рабочих частот. Ведение абонента включает несколько функций. Одна из них - эстафетная передача АС от одной БС к другой при движении абонента с включенной АС. Другая функция - переключение частотных каналов внутри одной соты, например, при поражении сигнала рабочего канала помехой. Наконец, при перегрузке соты ЦКПС может передавать абонентскую станцию другой БС, имеющей свободные частотные каналы. Процедура «ведение абонента» часто называется процедурой эстафетной передачи (ПЭП). Ее называют также хэндовер или хэнд-офф (от англ, handover или амер. hanhd-off). Решение о выполнении ПЭП обычно принимает ЦКПС на основании результатов измерений, сделанных на АС и БС. На станциях измеряются уровни принимаемых сигналов, отношение сигнал-шум в канале и другие параметры. Эти результаты передаются на ЦКПС по каналам управления. Измеренные параметры используются также для регулирования мощности АС.

5.2.3 Роуминг. Если АС находится вне области обслуживания своего ЦКПС, то при ее включении выполняется процедура роуминга. Эта процедура предусматривает определение местоположения АС вне «собственной» зоны обслуживания и предоставление абонентской станции каналов связи при перемещении абонентов в пределах сети. Роуминг возможен между ЦКПС сети и между странами. Роуминг бывает автоматический и заказной.

5.2.4 Каналы трафика и управления.

В ССПСЭ предусмотрены две основные категории каналов:

• каналы трафика (или линейные каналы), предназначенные для передачи речи и данных (англ, аббревиатура ТСН);

• каналы управления, которые используются для сигнализации и управления, включая ведение абонента (англ, аббревиатура ССН).

Наличие каналов для ведения абонента отличает ССПСЭ от неподвижных систем радиосвязи с сотовой структурой, например от цифровых радиорелейных линий (ЦРРЛ) со структурой «точка - много точек».

Следующий шаг развития сотовых систем подвижной связи после введения цифровой технологии - переход к микросотовой структуре сетей. При радиусе сот несколько сотен метров их емкость может быть увеличена в 5-10 раз по сравнению с макросотами. Кроме того, возможно применение абонентских радиостанций существующих стандартов цифровых ССПС наряду с портативными маломощными абонентскими радиостанциями, служащими основой для создания систем персональной связи (PCS).

Микросотовая структура ССПС органически сочетается с макросотами. Микросоты строятся на основе БС небольшой мощности, обслуживающих участки улиц, помещения в зданиях (магазины, аэропорты, вокзалы и т.д.). Микросотовая структура может рассматриваться как развитие оборудования макросотовой базовой станции, с управлением единым контроллером и с взаимным соединением при помощи линий со скоростью передачи 64 кбит/с. Микросоты берут на себя нагрузку от медленно перемещающихся абонентов, например, пешеходов и неподвижных автомобилей.

Принципы построения создаваемых микросотовых сетей подвижной связи отличаются от существующих для макросотовых сетей. К таким отличиям относятся отсутствие частотного планирования и "эстафетная передача" (handover).Первое отличие связано с тем, что в условиях микросот трудно спрогнозировать условия распространения радиоволн и дать оценку уровня соканальных помех. В этом случае практически невозможно применять принципы частотного планирования в микросотах. Кроме того, фиксированное распределение каналов приводит к низкой эффективности использования спектра частот. По данным причинам в микросотовых сетях связи действует процедура автоматического адаптивного распределения каналов (АРК) связи, реализованная, например, в европейском стандарте DECT на цифровые системы беспроводных телефонов общего пользования.

Преимущества АРК особенно заметны при рассмотрении емкости сетей связи, так как тогда практически отсутствуют потери эффективности использования соединительных линий, а возможность повторного задействования канала зависит от среднего уровня помех, а не от максимального.

Что касается второго отличия, то в микросотовых сетях в процессе обычного телефонного соединения число переключений между БС возрастает, и для обеспечения непрерывности связи необходимы новые быстродействующие алгоритмы переключения (handover).

В существующих цифровых ССПС применяют так называемые алгоритмы принудительного переключения, относящиеся к классу распределенных алгоритмов, которые работают значительно быстрее, чем централизованные алгоритмы аналоговыхССПС. В микросотовой структуре нет необходимости нагружать сеть измерением уровня радиосигнала для принятия решения о переключении. Функции измерения переданы подвижной станции, которая передает его результаты на БС. В процессе переключения не требуется синхронизировать БС. Центр коммутации подвижной связи не задействуется до тех пор, пока не будет выполнено фактическое переключение.

Микросотовая структура используется при реализации сетей в рамках концепции персональной связи (PCN), которые в Европе создаются на основе стандарта DCS-1800, предусматривающем соответствие радиоинтерфейса стандарту GSM. В рамках реализации концепции персональной связи в структуру сетей вводятся пикосоты с радиусом 10-60 м, предназначенные для обслуживания абонентов в городских районах с большой плотностью населения и в закрытых зонах (офисы, жилые помещения, подземные гаражи, вокзалы и т.д.). Применение пикосот - еще один значительный шаг к повышению емкости ССПС.

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

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

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

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

Предусмотрены свои интерфейсы для связи ПС с БС, БС - с ЦК (а в стандарте GSM - еще и отдельный интерфейс для связи приемопередатчика БС с контроллером базовой станции (КБС)), 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 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.

Интерфейс обмена между ПС и БС носит название эфирного интерфейса или радиоинтерфейса (air interface) и для двух основных стандартов цифровой сотовой связи (D-AMPS и GSM) обычно обозначается одинаково - Dm, хотя организован по-разному. Эфирный интерфейс обязательно используется в любой ССС при любой ее конфигурации и в единственном возможном для своего стандарта сотовой связи варианте. Данное обстоятельство позволяет ПС любой фирмы-изготовителя успешно работать совместно с БС той же или любой другой фирмы, что удобно для компаний-операторов и необходимо для организации роуминга Стандарты эфирного интерфейса разрабатываются весьма тщательно, чтобы обеспечить возможно более эффективное использование полосы частот, выделенной для канала радиосвязи.

6 Литература

6.1 Маковеева М.М., Шинаков Ю.С. Системы связи с подвижными объектами: Учеб. пособие для вузов. - М: Радио и связь, 2002.

6..2 В.Г. Карташевский, С.Н. Семенов, Т.В. Фирстова. Сети подвижной связи.- М.: Эко-Трендз, 2001.

Практическая работа № 4

«Принципы построения систем сотовой связи стандарта GSM-900»

1 В результате выполнения работы студент должен

знать:

- функциональную схему и состав оборудования ССПСЭ стандарта GSM;

- общие характеристики стандарта GSM;

- процедуру проверки сетью подлинности абонента;

- параметры частотного плана ССПСЭ стандарта GSM.

уметь:

- выбирать оборудование ССПСЭ стандарта GSM.

2 Содержание работы

Цель работы:

Изучение основных технических характеристик, функциональной схемы, частотного план и интерфейсов, принятых в цифровой сотовой системе подвижной радиосвязи стандарта GSM.

3 Направляющие вопросы

3.1 Основные технические характеристики стандарта GSM.

3.2 Функциональная схема стандарта GSM.

3.3 Перечислить подсистемы, входящие в функциональную схему

3.4 Назначение и функции, выполняемые подсистемой базовых станций

3.5 Назначение и функции, выполняемые сетевой подсистемой

3.6 Функции, выполняемые под системой эксплуатации и технического обслуживания

3.7 Каким образом реализуется процедура проверки сетью подлинности абонента.

3.8 Состав внутрисистемных интерфейсов

3.9 Назначение оборудования транскодирования

3.10 Поясните частотный план стандарта GSM-900

4 Рабочее задание

4.1 Ознакомьтесь и нарисуйте функциональную схему ССПСЭ стандарта GSM. Перечислите состав оборудования и выполняемые функции:

Вариант А – подсистема ПБС;

Вариант Б – подсистема СПС;

Вариант В – подсистема ПЭТО.

4.2 Приведите основные характеристики стандарта GSM.

4.3 Изучите и опишите процедуру проверки сетью подлинности абонента.

4.4 Изучите и поясните частотный план стандарта GSM-900.

5 Указания по выполнению работы

Стандарт GSM (Global System for Mobile communications) тесно связан со всеми современными стандартами цифровых сетей, в первую очередь с ISDN и IN (Intelligent Network). Основные функциональные элементы GSM входят в разрабатываемый международный стандарт глобальной системы подвижной связи UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). В 1990г. были опубликованы спецификации первой фазы GSM. К середине 1991г. стали поддерживаться коммерческие услуги GSM, а к 1993г. функционировало уже 36 сетей GSM в 22 странах, и еще 25 стран выбрали направление GSM или поставили вопрос о его принятии. В июне 1992г. стандарт GSM принят в России в качестве федерального стандарта на цифровые сотовые системы подвижной связи (ССПС).

С января 1996г. в Москве и области началась коммерческая эксплуатация сети стандарта GSM (900 МГц). Оператором сети GSM в Москве является компания «Мобильные ТелеСистемы» (МТС). В первые дни коммерческой эксплуатации «МТС» впервые в России открыла автоматический роуминг абонементов своей сети с абонентами стандарта GSM в Германии, Швейцарии, Финляндии и Англии. Совместно с операторами сетей GSM в других регионах «МТС» организовала работу по созданию федеральной сети GSM России и ее интеграции с глобальной сетью сотовой связи, охватывающей Европу, Азию, Австралию и африканские страны.

В соответствии с определениями ITU - T (Intemational Telecommunication Union - Telecommunications Standardization Sector) сеть GSM может предоставлять следующие услуги: по переносу информации ( bearer services ); предоставления связи (teleservices); дополнительные ( supplementary services).

Система GSM является цифровой системой передачи данных, речь кодируется и передается в виде цифрового потока. Кроме того, предоставляются разнообразные услуги передачи данных. Абоненты GSM могут осуществлять обмен информацией с абонентами ISDN, обычных телефонных сетей, сетей с коммутацией пакетов и сетей связи с коммутацией каналов, используя различные методы и протоколы доступа, например, Х.25 или Х.32. Возможна передача факсимильных сообщений, реализуемых при использовании соответствующего адаптера для факс-аппарата. Уникальной возможностью GSM, которой не было в аналоговых системах, является двунаправленная передача коротких сообщений SMS (Short Message Service) (до 160 байт), передаваемых в режиме с промежуточным хранением данных. Адресату, являющимся абонентом SMS, может быть послано сообщение, после которого отправителю посылается подтверждение о получении. Короткие сообщения можно использовать в режиме широковещания, например, для того, чтобы извещать абонентов об изменении условий дорожного движения в регионе. Текущие спецификации в виде дополнительних возможностей описывают услуги по переносу информации и предоставлению связи (например, перенаправление вызова в случае недоступности подвижного абонента). Ожидается появление новых возможностей, таких, как идентификация вызова, постановка вызова в очередь, переговоры сразу нескольких абонентов и др.

В соответствии с рекомендацией СЕРТ 1980 г., касающейся использования спектра частот подвижной связи в диапазоне частот 862…960 МГц, стандарт GSM на цифровую общеевропейскую сотовую систему наземной подвижной связи предусматривает работу передатчиков в двух диапазонах частот: 890…915 МГц (для передатчиков подвижных станций – АС), 935…960 МГц (для передатчиков базовых станций – БС).

В стандарте GSM используется узкополосный многостанционный доступ с временным разделением каналов (NB-TDMA). В структуре TDMA кадра содержится 8 временных позиций на каждой из 124 несущих.

Для защиты от ошибок в радиоканалах при передаче информационных сообщений применяется блочное и сверточное кодирование с перемежением. Повышение эффективности кодирования и перемежения при малой скорости перемещения подвижных станций достигается медленным переключением рабочих частот (SFH) в процессе сеанса связи со скоростью 217 скачков в секунду.

Функциональная схема стандарта GSM, иллюстрируются структурной схемой рис. 1.

Схема содержит (рис. 1) подсистему базовых станций (ПБС), сетевую подсистему (СПС) и подсистему эксплуатации и технического обслуживания (ПЭТО), а также АС. В АС входит абонентское оборудование (АО) и абонентский идентификационный модуль (АИМ) (SIM – карта). Пока не установлен этот модуль, не выполняются соединения АС с вызывающим и вызываемым номером. Подсистема базовых станций содержит базовые приемопередающие станции (БПС), контролер БСЭ (КБС) и оборудование транскодирования (ТКО). В составе СПС показаны: ЦКПС, ОРМ, ВРМ, центр аутентификации и технического обслуживания (ЦЭТО) и центр управления сетью (ЦУС). Подсистема базовых станций выполняет функции радиосвязи. Все БС в зоне ПБС соединены линиями связи с контроллером. Каждая БПС обслуживает одну соту. Содержит несколько приемопередатчиков (до 16) – по одному для каждого частотного канала. Каждой БПС стандарта GSM доступны все 124 частотных канала, что позволяет реализовать метод скачкообразной перестройки частоты в стандарте GSM. Один из способов переключения частоты состоит в переключении модулирующего сигнала на входе передатчика. В этом случае число частот, используемых для скачкообразной перестройки, определяется числом приемопередатчиков БС.

Рис. 1. Функциональная схема ССПСЭ стандарта GSМ

Контроллер БС управляет несколькими БПС. Основное назначение контроллера – правильное распределение радиоканалов между БС и АС и определение необходимости их переключений при передвижении. Другая его задача – управление конфигурацией БПС и загрузка программного обеспечения. Контроллер обеспечивает передачу вызова на АС, контролирует соединения, выполняет согласование скоростей передачи для речи, данных и сигналов вызова, кодирование и декодирование сигналов. Количество приемопередатчиков, которые может обслужить один контроллер, может быть более 100. Оборудование транскодирования включается между КБС и ЦКПС и служит для согласования скоростей цифровых потоков. В ТКО образуется стандартный первичный цифровой поток (ПЦП) из цифровых сигналов базовых станций. ТКО может размещаться вместе с КБС. Как известно, ПЦП образуют 32 канала, каждый со стандартной скоростью 64 кбит/с. Номинальная скорость передачи ПЦП В1 = (30 +2) · 64 = 2048 кбит/с. В стандарте GSM скорость передачи сигнала в одном речевом канале В1 GSM = 13 кбит/с. В транскодере с помощью добавочных битов эта скорость увеличивается до величины В1 тко =16 кбит/с. Таким образом, в полосе одного канала стандартной ИКМ передают сигналы четырех речевых каналов, всего речевых каналов в транскодере Nтко = 30 · 4 = 120. Оставшиеся два стандартных цифровых канала занимает сигнальная информация. Например, один канал – информация ОКС 7 и один канал – информация управления по протоколу Х.25.

Сетевая подсистема выполняет соединение неподвижных и подвижных пользователей с помощью коммутационных средств и баз данных. В системе стандарта GSM функционально разделены ЦКПС и регистры ОРМ и ВРМ. ЦКПС обеспечивает включение подвижного абонента в общие и выделенные соты связи (через выходы 1, 2, 3). Кроме того, центр выполняет коммутацию радиоканалов, а также обеспечивает непрерывность связи при перемещении АС. Как правило, один ВРМ присоединен к одному ЦКПС. Этот регистр – база данных, временно содержащая информацию о подвижных пользователях, находящихся на территории, которой он управляет. ВРМ позволяет правильно определить местоположение АС. Данные о местоположении АС постоянно обновляются. В СПС входят: ЦА – база данных, используемых при аутентификации абонента (ключи и алгоритмы аутентификации и др.). РИО – база данных, содержащая сведения о подвижных устройствах, позволяющие предотвращать несанкционированное использование АО (угон, кража).

Сотовая сухопутная подвижная система электросвязи стандарта GSM территориально разделяются на зоны действия ЦКПС, которые в свою очередь, делятся на зоны действия контроллеров БС, называемые зонами местоположения (ЗМ). ЦКПС отслеживает местоположение АС с помощью регистров. ВРМ позволяет вызывать АС, пока она находится в зоне действия, определенного контроллера. Когда АС перемещается в ЗМ другого контроллера, он ее регистрирует, и в ВРМ записывает новый адрес ЗМ.

Входящие вызовы поступают к ЦКПС* - центру коммутации, обладающему шлюзовой функцией, который по номеру вызываемого абонента находит его ОРМ. Последний обращается в ВРМ, который «находит» АС. Шлюзовой ЦКПС* имеет интерфейс с внешними сетями связи. Здесь, как и в случае аналоговых систем, шлюзовую функцию можно установить для каждого ЦКПС. Все ЦКПС в сети соединены линиями связи (ВОЛС, РРЛ, Спутниковыми). На рис. 1 они показаны двойными линиями.

Подсистема эксплуатации и техобслуживания построена по иерархическому принципу и состоит из центра эксплуатации и технического обслуживания (ЦЭТО) и центра управления сетью (ЦУС). ЦЭТО позволяет выполнять дистанционный контроль, управление элементами сети и конфигурацией сети, техническое обслуживание, целостность и обновление сети, сбор данных по трафику, загрузку программного обеспечения. Пунктирные линии на рис. 1 указывают основные блоки схемы, которые обслуживают ЦЭТО.

ЦУС организуют для сетей большой площади. Он служит для надзора за сетью в целом, за анализом характеристик и т.п.

Система стандарта GSM подчиняется принципам эталонной модели ОSI. Она имеет три общих внутрисистемных интерфейса:

1. радиоинтерфейс Um между БС и АС;

2. интерфейс А между ЦКПС и ПБС.

3. интерфейс Аbis между БПС и КБС.

Функциональное сопряжение элементов системы осуществляется рядом интерфейсов. Все сетевые функциональные компоненты в стандарте GSM взаимодействуют в соответствии с системой сигнализации МККТТ N7 (ССIТ SS. N7). SS N7 стандартизована на международном уровне и предназначена для обмена сигнальной информацией в цифровых сетях связи с цифровыми программно-управляемыми станциями. Система оптимизирована для работы по цифровым каналам со скоростью 64 кбит/с и позволяет управлять процессом соединения, а также передавать информацию техобслуживания и эксплуатации. Кроме того, ее можно применять в качестве надежной транспортной системы для передачи других видов информации между станциями и специализированными центрами в сетях телекоммуникаций .SS N7 использует метод передачи сигнальной информации по специальному каналу, общему для одного или нескольких пучков информационных каналов. Сигнальная информация должна передаваться в правильной последовательности, без потерь, при этом могут быть задействованы и наземные и спутниковые каналы. Сеть SS N7 является обязательным условием создания сети стандарта GSM.Для борьбы с интерференционными замираниями принимаемых сигналов, вызванными многолучевым распространением радиоволн в условиях города, в аппаратуре связи используются эквалайзеры, обеспечивающие выравнивание импульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс. Система синхронизации рассчитана на компенсацию абсолютного времени задержки сигналов до 233 мкс., что соответствует максимальной дальности связи или максимальному радиусу ячейки (соты) 35 км.

В стандарте GSM выбрана гауссовская манипуляция с минимальным сдвигам (GМSК); индекс манипуляции – 0.3. Обработка речи осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи (DТХ), которая обеспечивает включение передатчика только при наличии речевого сигнала и отключение передатчика в паузах и в конце разговора. В качестве речепреобразующего устройства выбран речевой кодек с регулярным импульсным возбуждением / долговременным предсказанием и линейным предикативным кодированием с предсказанием (RPE/LTP – LPC – кодек). Общая скорость преобразования речевого сигнала – 13 кбит/с.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАНДАРТА GSM:

Частоты передачи подвижной станции и приема базовой станции, МГц		890…915
Частоты приема подвижной станции и передачи базовой станции, МГц		935…960
Дуплексный разнос частот приема и передачи, МГц		45
Скорость передачи сообщений в радиоканале, кбит/с		270, 833
Скорость преобразования речевого кодекса, кбит/с		13
Ширина полосы канала связи, кГц		200
Максимальное количество каналов		124
Максимальное количество каналов связи, организуемых в базовой станции			16…20
Вид модуляции		МSК
Индекс модуляции ВТ		0,3
Ширина полосы предмодуляционного гауссовского фильтра, кГц		82,2
Количество скачков по частоте в секунду		217
Временное разнесение в интервалах		2
Кадра (передача / прием) для подвижной станции
Вид речевого кодекса		RPE LTP
Максимальный радиус соты, км		до 35
Схема организации каналов	комбинированная	TDMA/FDMA

В стандарте GSM достигается высокая степень безопасности передачи сообщений; осуществляется шифрование сообщений по алгоритму шифрования с открытым ключом (RSA).

Для исключения несанкционированного использования ресурсов системы связи вводятся механизмы аутентификации - удостоверения подлинности абонента. Центр аутентификации состоит из нескольких блоков и формирует ключи и алгоритмы аутентификации. С его помощью проверяются полномочия абонента и осуществляется его доступ к сети связи. ИА принимает решения о параметрах процесса аутентификации и определяет ключи шифрования абонентских станций на основе базы данных, сосредоточенной в регистре идентификации оборудования (РИО).

Каждый подвижный абонент на время пользования системой связи получает стандартный модуль подлинности абонента (SIM), который содержит, международный идентификационный номер (IMSI), свой индивидуальный ключ аутентификации (Ki), алгоритм аутентификации (А3).

С помощью заложенной в SIM информации в результате взаимного обмена данными между подвижной станцией и сетью осуществляется полный цикл аутентификации и разрешается доступ абонента к сети.

Процедура проверки сетью подлинности абонента реализуется следующим образом. Сеть передает случайный номер (RAND) на подвижную станцию. На ней с помощью Ki и алгоритма аутентификации A3 определяется значение отклика (SRES), т.е.

Подвижная станция посылает вычисленное значение SRES в сеть, которая сверяет значение принятого SRES со значением SRES, вычисленным сетью. Если оба значения совпадают, подвижная станции приступает к передаче сообщений. В противном случае связь прерывается, и индикатор подвижной станции показывает, что опознавание не состоялось. Для обеспечения секретности вычисление SRES происходит в рамках SIM. Несекретная информация (например, Ki) не подвергается обработке в модуле SIM.

П роцедура аутентификации иллюстрируется схемой рис. 2.

Рис. 2. Принцип аутентификации

РИО - регистр идентификации оборудования, содержит централизованную базу данных для подтверждения подлинности международного идентификационного номера оборудования подвижной станции (IМЕI). Эта база данных относится исключительно к оборудованию подвижной станции. База данных РИО состоит из списков номеров IМЕI, организованных следующим образом:

БЕЛЫЙ СПИСОК - содержит номера IМЕI, о которых есть сведения, что они закреплены за санкционированными подвижными станциями.

ЧЕРНЫЙ СПИСОК - содержит номера IМЕI подвижных станций, которые украдены или которым отказано в обслуживании по другой причине.

СЕРЫЙ СПИСОК - содержит номера IМЕI подвижных станций, у которых существуют проблемы, выявленные по данным программного обеспечения, что не является основанием для внесения в «черный список».

ТКО - транскодер, обеспечивает преобразование выходных сигналов канала передачи речи и данных ЦКПС (64 кбит/с ИКМ) к виду, соответствующему рекомендациям GSM по радиоинтерфейсу (Рек. GSM 04.08). В соответствии с этими требованиями скорость передачи речи, представленной в цифровой форме, составляет 13 кбит/с. Этот канал передачи цифровых речевых сигналов называется «полноскоростным». Стандартом предусматривается в перспективе использование полускоростного речевого канала (скорость передачи 6,5 кбит/с).

Снижение скорости передачи обеспечивается применением специального речепреобразующего устройства, использующего линейное предикативное кодирование (LPC), долговременное предсказание (LTP), остаточное импульсное возбуждение (RPE - иногда называется RELP).

Транскодер обычно располагается вместе с ЦКПС, тогда передача цифровых сообщений в направлении к контроллеру базовых станций - БС ведется с добавлением к потоку со скоростью передачи 13 кбит/с, дополнительных битов (стафингование) до скорости передачи данных 16 кбит/с. Затем осуществляется уплотнение с кратностью 4 в стандартный канал 64 кбит/с. Так формируется определенная Рекомендациями GSM 30-канальная ИКМ линия, обеспечивающая передачу 120 речевых каналов. Шестнадцатый канал (64 кбит/с), «временное окно», выделяется отдельно для передачи информации сигнализации и часто содержит трафик SS N7 или LAPD. В другом канале (64 кбит/с) могут передаваться также пакеты данных, согласующиеся с протоколом Х.25 МККТТ.

Таким образом, результирующая скорость передачи по указанному интерфейсу составляет 30х64 кбит/с + 64 кбит/с + 64 кбит/с = 2048 кбит/с.

Функциональная схема ССПСЭ стандарта DCS-1800 аналогична рассмотренной схеме стандарта GSM. Функциональная схема системы стандарта D-AMPS отличается от схемы стандарта GSM только тем, сто имеет всего один общий интерфейс – радиоинтерфейс.

Частотные планы цифровых стандартов GSM-900 и DCS-1800.

В диапазоне 900 МГц для ССПСЭ отведена полоса частот 890 …960 МГц. В этом стандарте работают системы стандарта NMT-900, и системы стандарта GSM-900, по частотным планам. В аналоговом стандарте NMT-900, полоса частот, отведенная для одного речевого канала, такая же, как и в NMT-450.

В цифровых стандартах GSM-900 и DCS-1800 полоса частот, отведенная на один частотный канал, составляет 200 Кгц. Согласно плана частот стандарта GSM-900 (рис. 3,а), в этом стандарте 124 частотных канала. Полоса частот, занимаемая стандартом для приема (или передачи), составляет 25 МГц. Сдвиг между частотами приема и передачи в каждом канале 45 МГц. В канале с номером Z средняя частота базовой станции, выраженная в мегагерцах,

f1z = 890 + 0,2Z

средняя частота передачи, выраженная в мегагерцах,

f2z = 935 + 0,2Z

Для увеличения пропускной способности системы цифрового стандарта применяют МДВР. В стандарте GSM-900 в одном частотном канале работают восемь каналов связи, что позволяет получить общее число каналов связи Nсв = 8Nf = 992, где Nf - число частотных каналов по плану (124). Как видно, пропускные способности аналогового стандарта NMT-900 и цифрового стандарта GSM-900 практически совпадают.

Полоса частот стандарта DCS-1800 (рис. 3,б), отведенная для приема и передачи в каждом канале 75 МГц. Сдвиг между частотами приема и передачи в каждом канале 95 МГц. В канале с номером Z средняя частота приема базовой станции, выраженная в мегагерцах, f1z = 1710 + 0,2Z,

средняя частота передачи, выраженная в мегагерцах, f2z = 1805 + 0,2Z.

Общее число частотных каналов Nf = 374. В стандарте DCS-1800, так же как и в стандарте GSM-900, в одном частотном канале работают восемь каналов связи, что позволяет получить общее число каналов связи Nсв = 8Nf = 2992 (Nf = 374).

Рис. 3. Частотные планы стандартов: а- GSМ-900; б - DCS-1800

6 Литератруа

6.1 Маковеева М.М., Шинаков Ю.С. Системы связи с подвижными объектами: Учеб.пособие для вузов. - М: Радио и связь, 2002.

Практическая работа № 6

«Изучение общих принципов организации систем спутниковой связи»

1 В результате выполнения работы студент должен

знать:

- принципы построения систем спутниковой связи;

- состав земных и космических станций;

уметь:

- дать классификацию ССС;

- дать объективную оценку основным показателям ССС.

2 Содержание работы

Цель работы:

Изучение принципов построения систем спутниковой связи, состава земных и космических станций.

3 Направляющие вопросы

3.1 Дайте классификацию космических и земных станций.

3.2 Какие показатели влияют на пропускную способность ствола ИСЗ?

3.3 Что понимается под зоной покрытия и сроком службы ИСЗ?

3.4 Какие методы модуляции и многостанционного доступа используют в системах спутниковой связи?

3.5 В каких случаях в системах спутниковой связи применяют шумоподавители?

4. Рабочее задание

4.1 Приведите классификацию ССС по степени глобальности и универсальности обслуживания.

4.2 Перечислите основные показатели;

вариант А - земных станций;

вариант Б – космических станций;

вариант В - систем спутниковой связи.

Номер варианта задается преподавателем.

4.3 Приведите структуру ССС. Перечислите компоненты, входящие в состав ССС.

4.4 Поясните работу по структурной схеме:

вариант А - одноствольной приемной земной станции;

вариант Б - многоствольной приемопередающей земной станции;

вариант В - бортового ретранслятора космической станции.

Номер варианта задается преподавателем.

5 Указания по выполнению работы

5.1 Классификация систем спутниковой связи

Спутниковая связь является быстро развивающимся перспективным видом связи, что обусловлено такими ее достоинствами, как:

- возможность обслуживания большого количества абонентов, удаленных на значительные расстояния и расположенных в любых регионах Земли;

- простота реконфигурации систем спутниковой связи (ССС) при изменении мест расположения абонентов;

- независимость затрат при организации связи от расстояния между объектами;

- незначительное влияние атмосферы и географических особенностей мест установки земных станций (ЗС) на устойчивость связи.

Принцип действия ССС основан на использовании промежуточного спутникового ретранслятора (СР), через который обеспечивается связь между ЗС (рисунок 1).

Рисунок 1

В зависимости от назначения ССС связываемые пункты могут быть расположены на поверхности Земли, в атмосфере или космосе. В каждом из этих пунктов устанавливается обычно приемо-передающая связная радиостанция (одноканальная или многоканальная) а на спутниках – СР, принимающие радиосигналы от одних абонентов и ретранслирующие эти сигналы другим абонентам. В простейшем случае ретрансляция сводится к усилению мощности входных сигналов и переносу их спектров на другие несущие частоты. Однако в ряде ССС в СР производится более сложная обработка сигналов, чтобы уменьшить перекрестные помехи между сигналами от различных ССС и повысить помехоустойчивость системы. В общем случае для обеспечения качественной связи между всеми пунктами (абонентами) СР приходится размещать на нескольких спутниках, вращающихся на различных орбитах.

ССС различают по степени глобальности и универсальности обслуживания абонентов. Степень глобальности ССС характеризуется принадлежностью и размером зоны обслуживания, а универсальности ССС – набором категорий абонентов и числом видов предоставляемой связи.

По принадлежности ССС подразделяются на:

- международные;

- национальные;

- корпоративные.

По зоне обслуживания ССС делятся на (рисунок 2):

- глобальные;

- региональные;

- зоновые.

Рисунок 2

В ССС осуществляется передача следующих видов информации:

- программ телевидения и звукового вещания и других симплексных сообщений циркулярного характера;

- телефонных, факсимильных, телеграфных сообщений, видеоконференций, цифровых передач – симплексных или дуплексных по своему характеру.

В зависимости от типа ЗС и назначения ССС различают следующие службы радиосвязи:

1) фиксированную спутниковую службу (ФСС), соответствующую режиму радиосвязи между ЗС, расположенных в фиксированных пунктах при использовании одного или нескольких спутников;

2) подвижную спутниковую службу (ПСС), соответствующую режиму радиосвязи между подвижными ЗС при использовании одного или нескольких спутников;

3) радиовещательную спутниковую службу (РСС), соответствующую режиму циркулярной радиосвязи.

5.2 Состав спутниковых систем связи

В состав любой спутниковой системы связи (ССС), несмотря на их различие, входит несколько одинаковых по назначению элементов:

- космические станции (КС), представляющие собой ретрансляци­онное (приемопередающее) устройство, размещенное на искусствен­ном спутнике Земли, с антеннами для приема и передачи радио­сигналов и системами обеспечения: источниками энергоснабжения, системами ориентации антенн (на Землю) и солнечных батарей (на Солнце), системами коррекции положения ИСЗ на орбите, терморе­гулирования и т.д.;

- земные станции (ЗС) различного типа:

Приемные ЗС распределительных системы (систем спутниково­го вещания) — самый простой тип станций, осуществляющих только прием телевизионных программ и (или) других циркулярных про­грамм (рисунок 3), например звукового вещания, изображений газетных полос; обычно приемные ЗС для удешевления снабжают антенной малого размера, а число таких ЗС в системе велико.

Передающие ЗС системы спутникового вещания (ЗС фидерной линии, ЗС1 на рис. 3) — станции, осуществляющие передачу на участке Земля - ИСЗ циркулярных программ, подлежащих распре­делению по сети приемных станций; если передающая ЗС находится в пределах обслуживаемой зоны и на ней возможен прием сигналов, излучаемых ИСЗ этой системы, то такой прием обычно осуществля­ется для контроля качества, вещания; передающих станций в системе может быть несколько.

Рис. 1. Схема организации циркулярных и дуплексных каналов через ИСЗ

Приемопередающие ЗС ПСС (ЗС1, 2, 3 на рис. 3), работающие в сети дуплексной телефонной связи (в том числе с возможностью пе­редачи по телефонным каналам или группам каналов других видов сообщений — телеграфных, данных, программ звукового вещания и пр.), а также в сети обмена телевизионными программами: такие станции часто бывают укомплектованы аппаратурой, позволяющей работать через несколько стволов одновременно; нередко прие­мопередающие станции телефонной системы являются также переда­ющими или приемными станциями системы вещания; таковы многие ЗС «Орбита» (ЗС1, ЗС2 на рис. 3).

Контрольные ЗС — станции, контролирующие режим работы ретранслятора космической станции, соблюдение земными станция­ми сети важных для работы всей сети показателей — излучаемой мощности, частоты передачи, поляризации, качества модулирующе­го сигнала и т.п. Роль контрольных ЗС в поддержании нормальной работы системы велика. Часто функции контрольной станции возла­гаются на одну из передающих или приемопередающих станций сети.

Контрольные и центральные станции сети обычно имеют воз­можность обмена информацией со станциями сети по специально со­здаваемой подсистеме служебной связи. Обычно удается образовать эту подсистему через тот же ИСЗ, через который работает основ­ная сеть, но в некоторых случаях приходится использовать назем­ные каналы служебной связи.

Земные станции системы управления и контроля ИСЗ - стан­ции, осуществляющие управление функционированием КС и всеми другими подсистемами ИСЗ, контроль за их состоянием, выводом ИСЗ на орбиту при первоначальных испытаниях и вводе в эксплуа­тацию КС.

Соединительные наземные линии СНЛ служат для соединения ЗС с источниками и потребителями передаваемой информации, посколь­ку ЗС обычно удалена от них из соображений уменьшения воздей­ствия помех, углов закрытия антенны и др. Таковы соединитель­ные линии от приемопередающей ЗС к междугородной телефонной станции (МТС) или другому узлу коммутации телефонной сети, от приемной ЗС к телевизионному передатчику, типографии, радиове­щательной станции.

Выносное оборудование — та часть оборудования спутниковой связи, которая располагается не на станциях спутниковой связи, а на других объектах. Так, на МТС могут устанавливаться необходи­мые для работы спутниковых каналов эхозаградители, иногда аппа­ратура уплотнения, каналообразования и даже модуляции, причем выходной сигнал этой аппаратуры, пройдя по наземной соединитель­ной линии (обычно радиорелейной), поступает непосредственно на ВЧ тракт спутниковой линии связи.

Центр управления системой связи — орган, осуществляющий руководство эксплуатацией системы и ее развитием, т.е. вводом в действие новых ЗС и ИСЗ, расписанием их работы, предоставлени­ем стволов потребителям, проведением ремонтно-профилактических работ и т.п. Центр управления обычно соединяют со станциями се­ти каналами служебной связи. Иногда центр может совмещаться с передающей станцией системы спутникового вещания либо с кон­трольной ЗС.