Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Сети радиодоступа. Ч.1. Учебное пособие
.pdf
Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций
Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»
(СибГУТИ)
В. И. Носов
СЕТИ РАДИОДОСТУПА
Часть 1
Учебное пособие
Новосибирск
2023
2
УДК 621.396.43(075.8)
Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ
Рецензенты: к.т.н., доцент Ю.В. Морозов; к.т.н., доцент С.Н. Архипов
Носов, В. И. Сети радиодоступа. Часть 1 : учебное пособие / В. И. Носов ;
Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики,
кафедра цифрового телерадиовещания и систем радиосвязи. – Новосибирск,
2023. – 140 с.
В учебном пособии рассматриваются:
• типы сетей абонентского радиодоступа, экономические аспекты и
структура систем беспроводного абонентского доступа;
• обработка сигналов в оборудовании беспроводного доступа –
аналогово-цифровое преобразование, кодирование и
декодирование речевого сигнала;
• избыточное кодирование для обнаружения ошибок и исправления
ошибок с использованием блочных, сверточных, каскадных и
турбо кодов;
• скремблирование и перемежение бит цифровых потоков.
Учебное пособие предназначено для студентов очного, заочного и
дистанционного обучения, обучающихся по направлению 11.04.02
Инфокоммуникационные технологии и системы связи, профиль – Сети,
системы и устройства телекоммуникаций, квалификация – магистр.
© Носов В.И., 2023
© Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики, 2023
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………..
5
1 Классификация и технологии сетей радиодоступа……………………...
7
1.1 Классификация сетей радиодоступа………………………………….
7
1.2 Стандартизация в области телекоммуникаций……………………….
9
1.3 Модель взаимодействия открытых систем……………………………
11
1.3.1 Уровни модели OSI………………………………………………….
13
1.4 Методы доступа к среде передачи в сетях радиодоступа……………
17
1.4.1 Множественный доступ с частотным разделением каналов……..
18
1.4.2 Множественный доступ с временным разделением каналов…….
19
1.4.3 Множественный доступ с ортогональным частотным
разделением каналов………………………………………………………...
1.4.4 Множественный доступ с кодовым разделением каналов……….
22
1.4.4.1 CDMA с перестройкой частоты…………………………………
22
1.4.5 Множественный доступ с пространственным разделением……….
26
1.4.6 Множественный доступ с поляризационным разделением………..
27
1.5 Распределение канальных ресурсов…………………………………..
27
Контрольные вопросы……………………………………………………...
30
2 Структура сетей беспроводного абонентского доступа…………………
31
2.1 Контроллер базовых станций………………………………………….
31
2.2 Временное группообразование………………………………………...
33
2.3 Аппаратные и линейные коды…………………………………………
35
2.4 Абонентские терминалы……………………………………………….
39
2.5 Базовая станция…………………………………………………………
42
Контрольные вопросы...……………………………………………………
3 Обработка сигналов в оборудовании беспроводного доступа………….
44
45
3.1 Импульсно-кодовая модуляция………………………………………..
45
3.2 Адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция..
47
3.3 Кодер речи………………………………………………………………
50
3.3.1 Особенности вокодерного кодирования……………………………
50
3.3.2 Процесс речеобразования…………………………………………..
53
3.3.3 Построение кодера…………………………………………………..
55
3.3.4 Структура декодера речи………………………………………..
59
3.3.5 Субъективное измерение производительности кодера………….
60
Контрольные вопросы……………………………………………………...
61
4 Канальное кодирование……………………………………………………
62
4.1 Коды для обнаружения ошибок……………………………………….
65
4.2 Коды с исправлением ошибок………………………………………
71
4.3 Коды Хэмминга……………………………………………………..
83
4.4 Код Голея ………………………………………………………………
88
4.5 Коды БЧХ……………………………………………………………….
89
4.6 Коды Рида-Соломона………………………………………………….
91
4.7 Свёрточные коды…………………………………………………….
95
21
3
4
4.8 Каскадные коды………………………………………………………
103
4.9 Турбокоды………………………………………………………………
105
4.10 Низкоплотностные коды……………………………………………...
108
Контрольные вопросы ……………………………………………………..
118
5 Скремблирование и перемежение бит цифровых потоков…………...
119
5.1 Перемежение бит……………………………………………………..
120
5.1.1 Блочное перемежение………………………………………………….
121
5.1.2 Сверточное чередование…………………………………………...
125
5.2 Скремблирование цифровых потоков…………………………………
128
5.2.1 Генератор псевдослучайной последовательности………………..
130
5.2.2 Спектральная плотность мощности скремблированного сигнала.
132
Контрольные вопросы……………………………………………………...
136
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………
137
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………...
139
5
ВВЕДЕНИЕ
Беспроводные технологии в последние десятилетия развиваются
чрезвычайно интенсивно, став одним из основных направлений развития
телекоммуникационной индустрии.
О привлекательности беспроводного доступа можно судить по темпам
его развития. Так, если в 1990 г. в мире было только 11 миллионов
беспроводных телефонов, то в 2004 г. их стало 1 миллиард, т.е. за 14 лет их
стало почти в сто раз больше.
Начиная с 1996 г. ежегодный прирост новых абонентов беспроводных
телефонов превышает прирост новых абонентов проводных телефонов, и в 2002
г. количество абонентов беспроводных телефонов превысило количество
абонентов проводных телефонов.
Наряду с опережающим ростом беспроводного доступа в передаче
телефонии наблюдается опережающий рост и беспроводного доступа в Internet.
С использованием беспроводного доступа создаётся глобальная сеть
мобильной связи (IMT – International Mobile Telecommunication), которая
позволит обеспечить связь везде и всегда (в любом месте и в любое время).
Глобальная сеть мобильной связи будет включать в себя: системы спутниковой
мобильной связи, обеспечивающие связь в глобальных сотах с радиусом в
несколько сотен километров; наземные системы связи с подвижными
объектами (сети сотовой подвижной связи, транкинговой связи и
радиодоступа), обеспечивающие связь в макросотах с радиусом в несколько
десятков километров, в микросотах с радиусом в несколько километров, в
пикосотах с радиусом в несколько сотен метров, в пентосотах с радиусом до
десятков метров.
Разделение на проводные и беспроводные способы передачи информации
началось в конце девятнадцатого века, когда сформировались передача голоса
(телефония) и передача данных (телеграф). Так как проводная связь в то время
оказалась более простой, надежной и защищенной, то начался век проводных
телекоммуникаций. Были проложены тысячи километров медных и
оптоволоконных кабелей.
К концу XX века в технологии связи практически любую информацию
перед передачей, будь то речь или телевизионная картинка, стали
преобразовывать в цифровой двоичный поток, содержащий нули и единицы.
Благодаря цифровой обработке появилась возможность объединения различных
информационных технологий (голос, аудио, видео, данные) в единой
технологической среде обработки и передачи.
Локальные и региональные сети передачи проникли во все сферы
6
человеческой деятельности, включая экономику, науку, культуру, образование,
промышленность и т.д. Технологию Ethernet (10 Мбит/с) сменили Fast
Ethernet/Gigabit Ethernet/10Gigabit Ethernet (100/1000/10000 Мбит/с). В
глобальных сетях свершился переход от технологии Х.25 к Frame Relay,
применению стека протоколов TCP/IP, к технологиям АТМ и Giga Ethernet. Без
них невозможны столь привычные сегодня электронная почта, факсимильная и
телефонная связь, доступ к удаленным базам данных в реальном масштабе
времени, службы новостей, дистанционное обучение, телемедицина,
телеконференции, телебиржи, телемагазины и т.д.
В конце XX начале XXI веков уровень развития микроэлектроники
позволил выпускать массовые дешевые средства беспроводной связи и
персональные устройства обработки информации. Бум сотовой связи,
сравнимый разве что с ростом производства персональных компьютеров, не
замедляется вот уже четверть века. Мобильных телефонов во всем мире уже в
несколько раз больше, чем обычных проводных телефонных аппаратов.
7
1 Классификация и технологии сетей радиодоступа
1.1 Классификация сетей радиодоступа
Сети радиодоступа можно классифицировать по нескольким признакам
[20]:
- по виду передаваемой информации – на цифровые и аналоговые;
- по ширине полосы частот, занимаемой системой радиодоступа – на
узкополосные, широкополосные и сверхширокополосные;
- по охвату территории – на персональные (WPAN – wireless personal area
network), локальные (WLAN – wireless local area network), региональные
(городские) (WMAN – wireless metropolitan area network) и глобальные (WGAN
– wireless global area network);
- по виду передаваемой информации – на системы передачи речи, аудио и
видеоинформации, данных.
Несложно выяснить, к какому виду передаваемой информации относится
рассматриваемая система радиодоступа. Цифровыми системами передачи
являются такие, в которых входной аналоговый сигнал дискретизируется и
трансформируется в цифровой сигнал.
Узкополосной системой считается такая система, в которой диапазон
частот ΔF, занимаемый модулированным сигналом, значительно меньше
средней частоты fc, излучаемой радиопередатчиком. То есть выполняется
условие
Если же это условие не выполняется, то система будет считаться
широкополосной.
Градация по охвату территории. Персональные сети (WPAN) имеют зону
охвата от единиц сантиметров до нескольких метров и обычно служат для
замены большого количества кабелей, соединяющих персональный компьютер
с периферийными устройствами. В таких сетях мощность передающих
устройств находится в пределах от 1 до 10 мВт.
Локальные сети (WLAN) имеют зону охвата от единиц до сотен метров и
мощность передающих устройств около 100 мВт. Такие сети служат для
объединения беспроводных устройств на территории отдельных зданий,
производств.
Региональные (городские) сети (WMAN) имеют зону охвата на
8
территории города или региона. Они служат для объединения локальных сетей
(WLAN). Беспроводные сети городского масштаба (WMAN) реализуются
несколькими технологиями. К ним относятся наземное телерадиовещание,
сотовые системы связи, стандарт IEEE 802.16 (WiMAX).
Глобальные беспроводных системы связи (WGAN) в основном
реализуются на основе спутниковых систем связи, имеющих радиус соты сотни
километров.
Отдельным признаком классификации беспроводных систем связи
является тип передаваемой информации – речь, видео и данные. В настоящее
время эти виды информации представляются в цифровом виде и
обрабатываются в аппаратуре, например, на системы передачи речи (или
видеоинформации) и несинхронных данных. С одной стороны, речь – это один
из видов информации. После оцифровки поток речевых данных по виду
неотличим от потока любой другой информации. Развитие цифровых
технологий в различных областях телекоммуникаций (например, в проводной
телефонии) давно продемонстрировало эффективность цифровых методов
обработки, когда и речь, и данные обрабатываются едиными способами. С
другой стороны, потребность в информации разного вида уже сделала реальной
интеграцию различных информационных сетей (телефония, телевидение, сети
передачи цифровых данных, телеметрия) на бытовом уровне. По единому
каналу передаются данные самой различной природы.
Поэтому можно достаточно уверенно предположить, что недалек тот
день, когда вся речевая информация будет обрабатываться исключительно
цифровыми методами. Здесь можно было бы остановиться, но возникает
важный нюанс. Каждому виду информации свойственны характерные требо-
вания при передаче. Человек чувствует задержку передачи речи, когда она
превышает 0.25 с. При задержках около 0.5 с восприятие речи для многих становится неприемлемым. Причем дело не только собственно в задержке, но и в
неизбежном при дуплексной связи эхо-сигнале, который при таких задержках
устранить крайне сложно.
С другой стороны, речевая информация малочувствительна к
спорадическим помехам и потерям данных. Это означает, что при пакетной
передаче речи важно, чтобы задержки распространения сигнала в канале были
минимальными, а маршрутизация и восстановление потока данных из пакетов
(даже если их последовательность нарушена) происходили в реальном времени.
При этом допустима даже потеря отдельных пакетов. Аналогична ситуация и с
передачей видеоинформации: задержка между приемом отдельных пакетов
(например, MPEG-2) не должна превышать некоего заданного значения, но
потеря пакета, как правило, допустима.
9
Совершенно иные требования предъявляются к передаче
телеметрической информации, текстовых данных и т.п. Здесь, как правило, не
важен режим реального времени (в определенных пределах), но и недопустима
потеря данных. Учет этих особенностей может приводить к созданию особых
технологий, ориентированных на трансляцию определенных видов
информации. Характерным примером было появление технологии Frame Relay
способа пакетной передачи, при котором не происходит проверок прохождения
отдельных пакетов (в отличие от традиционных сетей пакетной коммутации
Х.25 с подтверждением и повторной передачей каждого пакета). В
современных мультимедийных сетях для передачи разнородных данных
необходимо введение дополнительных механизмов приоритезации данных,
системы обеспечения качества услуг (QoS) и т.п.
1.2 Стандартизация в области телекоммуникаций
Важнейшим аспектом развития современных телекоммуникационных
систем является их стандартизация [21]. Прежде всего, стандартизация означает
массовость производства, что ведет к низким ценам и широкому
распространению технологии. Разумеется, выбор и утверждение стандарта –
это процесс не только технический, но и политический. Как правило,
различные фирмы прорабатывают альтернативные варианты будущей
технологии. Поэтому, чтобы стандарт действительно стал общепризнанным,
стандартизирующая организация должна быть чрезвычайно авторитетной, а
сама процедура утверждения — максимально открытой и беспристрастной.
Головной организацией в мире в области стандартизации в телекоммуникациях является Международный союз электросвязи (ITU – International
Telecommunications Union), работающий под эгидой ООН.
В международный союз электросвязи входят сектор телекоммуникаций
ITU-T (ITU Telecommunication Standardization Sector) и сектор радиосвязи ITUR (ITU Radio communication Sector).
Огромную роль в области утверждения международных стандартов
играет Международная организация по стандартизации ISO (International
Organization for Standardization). Это сеть институтов стандартизации 148
различных стран. Если ITU как агентство ООН представляет собой
межправительственную организацию, то ISO – неправительственный орган.
Среди членов ISO не только правительственные, но и частные организации.
Прародителем ISO стала основанная в 1906 г. и успешно действующая до сих
пор Международная электротехническая комиссия (МЭК, IEC — International
Electrotechnical Commission), занимающаяся вопросами стандартизации в
10
области электротехники и электроники. Можно сказать, что IEC и ISO
поделили сферы влияния: IЕС – стандарты в области электроники и
электротехники, ISO – все остальное. Они используют единую систему
нумерации, и в кодах стандартов зачастую фигурирует название обеих
организаций, например ISO/IEC 8802-3.
Отметим, что и ITU, и ISO, и IEC выступают скорее как самые авторитет-
ные утверждающие организации. Сегодня общемировая практика такова, что
собственно технической проработкой будущих стандартов занимаются ведущие
национальные и межнациональные организации.
Прежде всего, это Европейский институт стандартизации в области
телекоммуникаций ETSI (European Telecommunications Standards Institute),
Европейская конференция почтовых и телекоммуникационных ведомств (СЕРТ
Conference of European Postal and Telecommunication Administrations),
национальные институты стандартизации.
В США это ANSI, в Японии – JESA (Japanese Engineering Standards
Association), в Великобритании – Министерство почт и телекоммуникаций
(MPT Ministry of Posts and Telecommunications). Весьма значимы различные
промышленные ассоциации и объединения, такие, как Ассоциация электронной
промышленности США EIA (Electronics Industries Association) и Институт
инженеров по электротехнике и электронике IEEE (Institute of Electrical and
Electronics Engineers) (США). Очевидно, что эти организации сами по себе
никаких технологий не разрабатывают, но они организуют и координируют
всю работу, необходимую для выбора оптимального варианта из нескольких
предложенных, его доработки, документального оформления, утверждения,
разрешения конфликтов и т.п. Как правило, для каждого будущего стандарта
создается рабочая группа, в которую входят представители всех заинтересованных сторон, которая и занимается проработкой вопроса.
Особняком в перечне стандартизирующих организаций стоит Институт
инженеров по электротехнике и электронике IEEE. Достаточно сказать, что
членами IEEE являются ANSI и ISO. IEEE выпускает свои собственные
стандарты, имеющие общемировое значение.
Вопросами стандартизации в Китайской Народной Республике
занимается SAC (Standardization Administration of the People’s Republic of China)
– Управление по стандартизации Китая. SAC был основан в 2001 году, с тех
пор представляет страну в международных и региональных организациях по
стандартизации, например ISO, IEC и др. и контролирует деятельность по
стандартизации в стране.
В России вопросами стандартизации в качестве головного национального
института занимался и продолжает заниматься Госстандарт в сотрудничестве с
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]