diplov / file1
.pdfМ.М. Климаш, В.О. Пелішок, П.М. Михайленич
ТЕХНОЛОГІЇ БЕЗПРОВІДНОГО ЗВ’ЯЗКУ
Львів 2007
УДК 621.396.4
Рекомендовано до друку Вченою Радою Національного університету ―Львівська Політехніка‖
(протокол № від 2007 року)
Рецензенти:
Климаш М.М., Пелішок В.О., Михайленич П.М. Технології безпровідного зв’язку. – Львів, 2007. – 818с.
Роботу присвячено дослідженню радіомереж коміркового зв’язку стандартів
GSM-900/1800, IS-95, cdma2000, WCDMA та інших безпровідних технологій, а саме: Bluetooth, ZigBee, IEEE 802.11x, WiMax, TETRA, DECT. Основну увагу приділено фізичному рівню, на якому формуються швидкості передачі, кількість каналів зв’язку, завадозахищеність. Також розглянуто основні методи забезпечення модуляції, розширення спектру, кодування сигналів та особливості систем множинного доступу
зкодовим розділенням каналів.
Уроботі приведено ряд моделей радіомереж стандартів CDMA, створених за допомогою системи MATLAB. Розглянуто можливості дослідження впливу характеристик каналів зв’язку на ймовірність появи бітових помилок при передачі даних. Приведено ряд моделей окремих вузлів радіомереж.
Книга розрахована на інженерно-технічних та наукових працівників, студентів і аспірантів інститутів телекомунікацій і зв’язку, а також всіх, хто цікавиться безпровідними технологіями.
ISBN |
© Климаш М.М., Пелішок В.О., Михайленич П.М. |
2
Зміст |
|
Вступ |
11 |
Частина 1. Основи теорії цифрових систем радіозв’язку……………….. |
17 |
1.Канальне кодування..................................................................................... |
18 |
1.1. Модель цифрової системи зв’язку.............................................................. |
18 |
1.2. Моделі каналів для канального кодування................................................ |
21 |
1.3. Надлишкове кодування................................................................................ |
24 |
1.3.1. Принципи надлишкового кодування............................................. |
25 |
1.3.2. Ефективність надлишкового кодування....................................... |
28 |
1.3.3. Типи захисту від помилок.............................................................. |
30 |
1.4. Класифікація кодів....................................................................................... |
33 |
1.5. Блочні коди................................................................................................... |
34 |
1.6. Згорткові коди.............................................................................................. |
37 |
1.7. Перемежування............................................................................................ |
43 |
1.8. Каскадне кодування..................................................................................... |
45 |
1.9. Турбо-кодування.......................................................................................... |
47 |
2. Цифрова модуляція...................................................................................... |
50 |
2.1. Загальні зауваження..................................................................................... |
50 |
2.2. Двопозиційні та багатопозиційні види маніпуляції.................................. |
54 |
2.3. Фазова модуляція......................................................................................... |
56 |
2.4. Ефективність модуляції............................................................................... |
63 |
3. Методи розділення каналів та множинного доступу............................. |
75 |
3.1. Виділені частоти........................................................................................... |
75 |
3.2. Типи каналів зв’язку.................................................................................... |
76 |
3.3. Методи дуплексної передачі даних............................................................ |
79 |
3.4. Методи множинного доступу до каналів зв’язку...................................... |
84 |
3.5. Розширюючі кодові послідовності............................................................. |
102 |
3.5.1. m-послідовності.............................................................................. |
103 |
3.5.2. Послідовності Голда та Касамі...................................................... |
106 |
3.5.3. Послідовності Уолша..................................................................... |
107 |
4. Моделювання систем СDMA....................................................................... |
112 |
4.1. Загальні зауваження..................................................................................... |
112 |
4.2. Моделі системи IS-95................................................................................... |
113 |
4.3. Модель системи cdma2000.......................................................................... |
120 |
4.4. Моделі системи WCDMA............................................................................ |
123 |
Частина 2. Системи коміркового зв’язку..................................................... |
127 |
5. Основні поняття і принципи побудови коміркових мереж GSM……. |
128 |
5.1. Коротка історична довідка........................................................................... |
130 |
5.2. Елементи коміркової мережі........................................................................ |
136 |
5.3. Обслуговування абонентів........................................................................... |
139 |
5.3.1. Локалізація рухомого абонента...................................................... |
139 |
|
3 |
5.3.2. Виклик рухомого абонента телефонної мережі загального |
|
користування…………………………………………………………….. |
142 |
5.3.3. Виклик стаціонарного абонента з коміркової мережі................. |
146 |
5.3.4. Автоматичне перемикання розмов між комірками..................... |
150 |
5.3.5. Роз'єднання розмов в коміркової мережі....................................... |
154 |
5.3.6. Заключення....................................................................................... |
158 |
5.4. Поверхневі структури коміркових мереж................................................... |
159 |
5.4.1. Форми комірок в коміркових мережах.......................................... |
161 |
5.4.2. Принципи проектування коміркових мереж................................. |
164 |
5.4.3. Спільноканальні інтерференційні завади...................................... |
171 |
5.4.4. Інтерференційні завади і ємність мережі...................................... |
177 |
5.5. Техніко-економічні аспекти практичної реалізації................................... |
182 |
5.5.1. Антени базових станцій................................................................... |
184 |
5.5.2. Локалізація антенних щогл базових станцій................................. |
185 |
5.5.3. Максимальний радіус комірок........................................................ |
187 |
5.5.4. Мінімальний радіус комірки.......................................................... |
189 |
6. Цифрова система коміркового зв`язку GSM-900/1800........................... |
198 |
6.1. Архітектура системи GSM........................................................................... |
202 |
6.1.1. Функціональний поділ системи GSM........................................... |
202 |
6.1.1.1. Ансамбль базових станцій................................................ |
203 |
6.1.1.2. Комутаційно-мережна частина......................................... |
204 |
6.1.1.3. Рухомі станції..................................................................... |
208 |
6.1.1.4. Комплект експлуатації та обслуговування...................... |
209 |
6.1.1.5. Стикування системи GSM із зовнішнім світом............... |
209 |
6.1.2. Просторова структура мережі GSM.............................................. |
210 |
6.1.3. Нумерація........................................................................................ |
212 |
6.2. Комутаційно-мережна частина.................................................................... |
227 |
6.2.1. Комутаційна станція MSC і реєстр чужих станцій VLR….......... |
227 |
6.2.1.1. Комутаційно-мережна частина комутаційної станції |
|
МSC.................................................................................................. |
227 |
6.2.1.2. Підсистема рухомої телефонії MTS................................. |
228 |
6.2.1.3. Комутаційно-транзитна станція GMSC........................... |
234 |
6.2.2. Реєстр власних станцій HLR.......................................................... |
234 |
6.2.3. Центр ідентифікації AuC................................................................ |
235 |
6.2.4. Зміна положень рухомими станціями........................................... |
238 |
6.2.4.1.Процедура уточнення інформації про місце
перебування рухомої станції.......................................................... |
238 |
6.2.4.2. Перехід рухомої станції з вимкненого стану до |
|
ввімкненого..................................................................................... |
241 |
6.2.4.3. Почасове підтвердження стану очікування.................... |
244 |
6.2.4.4. Встановлення з’єднання, що надходить до рухомої |
|
станції............................................................................................... |
244 |
6.2.4.5. Встановлення з’єднання від рухомої станції................... |
247 |
6.2.4.6. Перемикання каналів......................................................... |
248 |
6.3. Рухома станція............................................................................................... |
252 |
4 |
|
6.3.1. Класи рухомих станцій................................................................... |
252 |
6.3.2. Архітектура і функції рухомих станцій........................................ |
255 |
6.3.2.1. Архітектура рухомої станції............................................. |
255 |
6.3.2.2. Функції рухомої станції.................................................... |
259 |
6.3.2.3. Електричні параметри рухомої станції............................ |
260 |
6.3.3. Модуль SIM..................................................................................... |
263 |
6.4. Ансамбль базових станцій........................................................................... |
266 |
6.4.1. Архітектура ансамблю базових станцій........................................ |
266 |
6.4.2. Базова станція BTS.......................................................................... |
268 |
6.4.2.1. Функції базових станцій.................................................... |
268 |
6.4.2.2. Електричні параметри базових станцій........................... |
272 |
6.4.3. Блок керування базовими станціями............................................. |
274 |
6.4.4. Модуль транскодера........................................................................ |
277 |
6.4.5. Функції ансамблю базових станцій............................................... |
281 |
7. Системи коміркового зв`язку і принципи їх функціонування.............. |
285 |
7.1. Організація радіоканалів.............................................................................. |
285 |
7.1.1. Смуга частот..................................................................................... |
285 |
7.1.1.1. Система GSM900................................................................ |
286 |
7.1.1.2. Система DCS1800............................................................... |
287 |
7.1.1.3. Система E-GSM................................................................... |
290 |
7.1.1.4. Система PCS1900................................................................ |
290 |
7.1.2. Фізичні канали.................................................................................. |
291 |
7.1.2.1. Частотно-часові інтервали................................................. |
291 |
7.1.2.2. Імпульсна передача............................................................. |
292 |
7.1.2.3. Типи пакетів........................................................................ |
293 |
7.1.2.4. Цикли вищого рівня........................................................... |
299 |
7.1.3. Логічні канали.................................................................................. |
303 |
7.1.3.1. Типи логічних каналів........................................................ |
303 |
7.1.3.2. Розташування логічних каналів в фізичних каналах....... |
307 |
7.1.3.3. Приклади процедур, що використовують логічні |
|
канали............................................................................................... |
315 |
7.2. Трансмісія в радіоканалі............................................................................... |
320 |
7.2.1. Кодування мови, канальне кодування та модуляція.................... |
320 |
7.2.1.1. Кодування мови.................................................................. |
322 |
7.2.1.2. Канальне кодування сигналу мови.................................... |
329 |
7.2.1.3. Переплітання....................................................................... |
331 |
7.2.1.4. 3ахист сигналів даних від помилок.................................. |
333 |
7.2.1.5. Модуляція............................................................................ |
334 |
7.2.1.6. Приймач GMSK.................................................................. |
336 |
7.2.2. Ефективне використання радіозасобів.......................................... |
339 |
7.2.2.1. Скакання по частотах......................................................... |
340 |
7.2.2.2. Керування потужністю....................................................... |
344 |
7.2.2.3. Передача з випередженням................................................ |
346 |
7.2.2.4. Передача з перериванням................................................... |
350 |
7.2.3. Вимірювання, що проводяться рухомою станцією...................... |
351 |
|
5 |
7.3. Протоколи та сигналізація........................................................................... |
354 |
7.3.1. Система GSM, як реалізація моделі ISO/OSI................................ |
354 |
7.3.2. Фізичний рівень............................................................................... |
356 |
7.3.3. Рівень даних..................................................................................... |
357 |
7.3.4. Мережевий рівень............................................................................ |
365 |
7.3.5. Загальна архітектура сигналізації в системі GSM........................ |
371 |
8. Система базової станції................................................................................. |
376 |
8.1. Основні поняття системи базової станції................................................... |
376 |
8.1.1. Форми комірок в коміркових мережах.......................................... |
376 |
8.1.2. Підвищення доступності до коміркової мережі............................ |
377 |
8.1.3. Повторне використання частот....................................................... |
379 |
8.1.4. Субкоміркові структури.................................................................. |
381 |
8.1.5. Нумерація в BSS.............................................................................. |
382 |
8.1.6. Мережеві компоненти системи базової станції та зв'язок між |
|
ними............................................................................................................ |
386 |
8.2. Радіоінтерфейс.............................................................................................. |
391 |
8.2.1. Частотний план стандарту GSM..................................................... |
391 |
8.2.2. Типи каналів в GSM......................................................................... |
395 |
8.2.2.1. Канали управління.............................................................. |
395 |
8.2.2.2. Канали інформаційних потоків......................................... |
397 |
8.2.3. Структура радіоінтерфейсу............................................................. |
397 |
8.2.4. Сигналізація на радіо інтерфейсі.................................................... |
398 |
8.3. Базова станція................................................................................................ |
401 |
8.3.1. Багатопроменеве поширення радіохвиль та методи боротьби з |
|
ним.............................................................................................................. |
401 |
8.3.2. Функції базової станції.................................................................... |
404 |
8.3.2.1. Канальне кодування та перемішування............................ |
405 |
8.3.2.2. Шифрування........................................................................ |
409 |
8.3.2.3. Форматування пакетів........................................................ |
414 |
8.3.2.4. Гаусівська маніпуляція з мінімальним зсувом................ |
418 |
8.3.2.5. Рознесений прийом............................................................. |
423 |
8.3.2.6. Стрибки по частоті............................................................. |
425 |
8.3.2.7. Обробка часового випередження...................................... |
426 |
8.3.2.8. Перервна передача.............................................................. |
428 |
8.3.2.9. Вирівнювання...................................................................... |
431 |
8.3.2.10. Звітування контролеру базових станцій......................... |
433 |
8.3.3. Архітектура базової станції............................................................ |
435 |
8.4. Контролер базових станцій.......................................................................... |
441 |
8.4.1.Архітектура контролера базових станцій....................................... |
441 |
8.4.2. Функції контролера базових станцій............................................. |
455 |
8.4.2.1. Визначення каналу.............................................................. |
455 |
8.4.2.2. Диференціальне визначення каналу................................. |
457 |
8.4.2.3. Динамічне керування потужністю мобільної станції...... |
459 |
8.4.2.4. Динамічне керування потужністю базової станції.......... |
463 |
8.4.2.5. Передача обслуговування.................................................. |
465 |
6 |
|
8.4.2.6. Виділення каналів при передачі обслуговування............ |
482 |
8.5. Транскодер..................................................................................................... |
483 |
8.6. Система базової станції з точки зору систем третього покоління........... |
485 |
8.6.1. Стратегії переходу до послуг третього покоління........................ |
485 |
8.6.2. Еволюція мереж GSM...................................................................... |
489 |
8.6.3. Високошвидкісна передача даних з комутацією каналів |
|
HSCSD......................................................................................................... |
490 |
8.6.4. Послуга передачі даних GPRS....................................................... |
491 |
8.6.5. Система радіодоступу EDGE.......................................................... |
497 |
9. Стандарт IS-95 (cdmaOne) покоління 2G.................................................. |
502 |
9.1. Версії радіоінтерфейсу IS-95....................................................................... |
502 |
9.2. Структура системи IS-95............................................................................. |
507 |
9.3. Формування каналу трафіку в прямому каналі......................................... |
512 |
9.3.1. Перетворення голосового повідомлення....................................... |
514 |
9.3.2. Блок кодування................................................................................ |
516 |
9.3.3. Передавач......................................................................................... |
518 |
9.4. Додаткові канали передавача BTS.............................................................. |
522 |
9.5. Канал приймача АС...................................................................................... |
525 |
9.6. Передача даних в зворотному каналі.......................................................... |
525 |
9.6.1. Канал трафіку в зворотному каналі............................................... |
526 |
9.6.2. Канал доступу передавача АС........................................................ |
530 |
9.7. Переключення абонентів.............................................................................. |
530 |
9.8. Регулювання потужності.............................................................................. |
532 |
9.9. Взаємодія абонентської та базової станцій................................................ |
536 |
10. Системи cdma2000 1x та cdma2000 3x...................................................... |
539 |
10.1. Загальні зауваження.................................................................................... |
539 |
10.2. Прямий канал............................................................................................... |
543 |
10.2.1. Блок кодування............................................................................... |
543 |
10.2.2. Передавач........................................................................................ |
544 |
10.2.3. Швидкість передачі каналу трафіку............................................. |
546 |
10.3. Передавальна частина зворотного каналу................................................ |
549 |
10.4. Швидкість передачі в зворотному каналі................................................. |
550 |
10.5. Фізичні канали системи............................................................................. |
551 |
10.6. Інші стандартні функції системи cdma2000............................................. |
554 |
10.7.Особливості радіоінтерфейсу cdma2000 1x EV-DO................................. |
554 |
10.8. Система CDMA 450.................................................................................... |
557 |
11. Системи WCDMA FDD............................................................................... |
563 |
11.1. Концепція побудови................................................................................... |
563 |
11.2. Радіозв’язок між базовою та абонентськими станціями......................... |
565 |
11.3. Формування кодованого потоку даних..................................................... |
580 |
11.4. Структура кадрів UTRAN.......................................................................... |
590 |
11.5. Системна архітектура мережі UMTS........................................................ |
591 |
12. Системи WCDMA TDD............................................................................... |
594 |
12.1. Концепція побудови................................................................................... |
594 |
12.2. Режим UTRA TDD...................................................................................... |
595 |
|
7 |
12.3.Призначення та структура пакетів в режимі UTRA TDD...................... 598
12.4.Передача даних в режимі UTRA TDD...................................................... 599
Частина 3. Системи радіодоступу стандартів IEEE 802.1x…………….... 605 13. Персональні мережі стандартів IEEE 802.15.x………………………... 606
13.1.Загальні зауваження…………………………………………………….... 606
13.2.Стандарт 802.15.1……………………………………………………….... 607
13.2.1.Фізичний рівень Bluetooth 1.1, 1.2…………………………….... 624
13.2.2.Фізичний рівень Bluetooth 2.0 EDR…………………………….. 624
13.3.Високошвидкісні мережі стандартів IEEE 802.15.3/3а………………... 630
13.3.1.Мережі стандарту IEEE 802.15.3……………………………….. 630
13.3.2.Мережі стандарту IEEE 802.15.3а…………………………........ 633
13.4. Стандарт 802.15.4 (ZigBee)……………………………………………… 637
14. LAN мережі стандартів IEEE 802.11x…………………………………... 647
14.1.Загальні зауваження…………………………………………………........ 647
14.2.Технології DSSS та HR-DSSS………………………………………........ 651
14.2.1.Коди Баркера…………………………………………………….. 655
14.2.2.Комплементарні CCK-послідовності…………………………... 656
14.2.3. Згорткові коди PBCC…………………………………………… 660
14.3.ОFDM модуляція………………………………………………………… 667
14.4.Фізичний рівень………………………………………………………….. 668
15. MAN мережі стандартів IEEE 802.16 з модуляцією однієї несучої…. 672
15.1.Загальні зауваження…………………………………………………....... 672
15.2.Фізичний рівень стандартів IEEE 802.16………………………………. 681
15.3.Режим WirelessMAN-SC………………………………………………… 693
15.4.Режим WirelessMAN-SC2……………………………………………….. 700
16. MAN мережі стандартів IEEE 802.16 з OFDM модуляцією…………. 702
16.1.Режим WirelessMAN-OFDM…………………………………………….. 702
16.2.Режим WirelessMAN-OFDMA………………………………………....... 720
16.3Адаптивні антенні системи………………………………………………. 727
16.4.МАС–рівень стандартів 802.16………………………………………….. 732
Частина 4. Транкінгові та радіотелефонні системи радіозв’язку……… 745 17. Особливості транкінгових систем……………………………………… 746
17.1.Загальні зауваження…………………………………………………...... 746
17.2.Архітектура транкінгових мереж………………………………………. 750
17.3. Класифікація транкінгових мереж……………………………………… 756
18.Аналогові транкінгові системи…………………………………………. 758
18.1.Система SmarTrunk II……………………………………………………. 758
18.2.Системи протоколу 1327……………………………………………….... 760
19.Цифрова транкінгова система TETRA……………………………........ 764
19.1.Загальні зауваження…………………………………………………........ 764
19.2.Технічні особливості системи TETRA…………………………………. 768
19.3.Опис системної моделі………………………………………………....... 774
20.Сonnect 2000……………………………………………………………….. 783
8
21. Цифрова безпровідна телефонія DECT……………………………....... 789
21.1.Загальні зауваження…………………………………………………........ 789
21.2.Структура системи радіодоступу……………………………………….. 791
21.3.Фізичний рівень DECT………………………………………………....... 793
21.4.Принцип роботи………………………………………………………….. 797
Додатки................................................................................................................ |
799 |
|
1. |
Моделювання систем безпровідного зв’язку................................................ |
799 |
2. |
Моделювання окремих складових систем безпровідного зв’язку.............. |
803 |
Література............................................................................................................ |
813 |
|
9