6Стандарт gsm
6.1Принципы функционирования систем сотовой связи
В 70-е годы был предложен новый принцип организации связи, который позволил увеличить число абонентов и повысить качество связи: разбивать обслуживаемую территорию на небольшие участки, называемые сотами или ячейками.
Разделить обслуживаемую территорию на ячейки (соты) можно двумя способами: либо основанным на измерении статистических характеристик распространения сигналов в системах связи, либо основанным на измерении или расчете параметров распространения сигнала для конкретного района. При реализации первого способа вся обслуживаемая территория разделяется на одинаковые по форме зоны, и с помощью закона статистической радиофизики определяются их допустимые размеры и расстояния до других зон, в пределах которых выполняются условия допустимого взаимного влияния. Для оптимального, т. е. без перекрытия или пропусков участков, разделения территории на соты использован шестиугольник, так как, если антенну с круговой диаграммой направленности устанавливать в его центре, то будет обеспечен доступ почти ко всем участкам соты. В этом случае тщательно измеряют или рассчитывают параметры системы для определения минимального числа базовых станций, обеспечивающих удовлетворительное обслуживание абонентов по всей территории, определяют оптимальное место расположения базовой станции с учетом рельефа местности, рассматривают возможность использования направленных антенн, пассивных ретрансляторов и смежных центральных станций в момент пиковой нагрузки и т. д.
Каждая из ячеек обслуживается своим передатчиком с невысокой выходной мощностью и ограниченным числом каналов связи. Это позволяет без помех использовать повторно частоты каналов этого передатчика в другой, удаленной на значительное расстояние, ячейке. Теоретически такие передатчики можно использовать и в соседних ячейках. Но на практике зоны обслуживания сот могут перекрываться под действием различных факторов, например, вследствие изменения условий распространения радиоволн. Поэтому в соседних ячейках используются различные частоты. Обычно антенны базовых станций имеют круговые диаграммами направленности (передача сигнала одинаковой мощности по всем направлениям). Пример построения сот при использовании трех частот f1 - f3 представлен на рисунке 6.1. Именно возможность повторного применения одних и тех же частот определяет высокую эффективность использования частотного спектра в сотовых системах связи.
В общем виде эволюция систем подвижной связи представлена на рис. 6.1.
6.2Основные характеристики стандарта gsm
В стандарте GSM используется узкополосный многостанционный доступ с временным разделением каналов. При мультидоступе с временным разделением каналом абоненты передают свои сообщения на одной и той же радиочастоте, но в разное время. Это позволяет увеличить объем речевого трафика и дает ряд других преимуществ, характерных для цифровых систем связи. В стандарте использованы следующие методы:
FDD - частотное дуплексирование: полосы частот передачи и частот приема разнесены.
FDMA - частотное разделение рабочего диапазона. В полосе 25 МГц организует 120 несущих частот.
TDMA - временное разделение на 1 несущей частоте организуется 8 временных окон.
Рассмотри основные инженерные решения, реализованные в стандарте GSM:
Обработка речи в данном стандарте осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи DTX (Discontinuous Transmission), которая обеспечивает включение передатчика только тогда, когда пользователь начинает разговор и отключает его в паузах и в конце разговора. Система DTX управляет детектором активности речи VAD (Voice Activity Detector), который обеспечивает обнаружение и выделение интервалов речи с шумом и без шума речи даже в тех случаях, когда уровень шума соизмерим с уровнем речи.
Для защиты от ошибок, возникающих в радиоканалах, применяется блочное и сверточное кодирование с перемежением. Повышение эффективности кодирования и перемежения при малой скорости перемещения подвижных станций достигается медленным переключением рабочих частот сеанса связи (со скоростью 217 скачков в секунду). Главное назначение медленных скачков – обеспечение частотного разнесения в радиоканалах, функционирующих в условиях многолучевого распространения радиоволн. Принцип формирования медленных скачков по частоте состоит в том, что сообщение в каждом последующем кадре передается (принимается) на новой фиксированной частоте. Параметры последовательности переключений частот (частотно-временная матрица и начальная частота) назначаются для каждой подвижной станции в процессе установления канала связи.
Для борьбы с интерференционными замираниями принимаемых сигналов, вызванные многолучевым распространением радиоволн в условиях города, в аппаратуре связи используется эквалайзеры, обеспечивающие выравнивание импульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс. Система синхронизации оборудования рассчитана на компенсацию (до 233 мкс) абсолютного времени задержки. Это соответствует максимальной дальности связи 35 км (максимальный радиус соты).
Для модуляции радиосигнала применяется спектрально-эффективная гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом. Гауссовская частотная манипуляция (GMSK) представляет собой двоичную ЧМ с двумя соответствующими сигналу частотами, выбранными таким образом, чтобы на одном тактовом интервале между двумя частотами имелся фазовый сдвиг на 90° (рис. 6.2).
Рисунок 6.7 – Формирование GMSK-сигнала
Модуляцию GMSK характеризуют следующие свойства:
постоянная по уровню огибающая, позволяющая использовать передающие устройства с усилителями мощность класса С;
узкий спектр на выходе усилителя мощности передающего устройства обеспечивающий низкий уровень внеполосного излучения;
хорошая помехоустойчивость канала связи.
Основные характеристики стандарта GSM:
частоты передачи мобильной (МС) и приема базовой станции (БС) 890-915 МГц;
частоты приема мобильной и передачи БС 935-960 МГц;
ширина полосы одного канала fk=200 кГц;
ширина полосы системы 50 МГц;
максимальное количество радиоканалов – 124;
максимальное количество радиоканалов в БС - 16-20;
количество речевых каналов на несущей - 8;
алгоритм преобразований речи – RPE-LTP;
скорость преобразования речи – 13 Кбит/с;
скорость передачи информации – 270 Кбит/с;
вид модуляции – 0,3 GMSK;
радиус соты –5-35 км;
мощность передачи: БС – до 44 Вт (13 дБ*Вт), МС – 1 Вт (3 дБ*Вт).