diplov / file1

Вступ

Вданий час мобільні системи радіозв’язку бурхливо розвиваються порівняно з іншими сегментами ринку радіозасобів. Мікромініатюризація аналогових НВЧ мікросхем та застосування мікропроцесорів якісно змінили апаратуру радіозв’язку, яка стало доступною масовому споживачу.

Востанні роки в центрі уваги промислових та академічних дослідних центрів опинився метод множинного доступу з кодовим розділенням каналів

(англ. Code Division Multiple Access – CDMA), що привело до розвитку комунікаційних систем з множинним доступом на основі технології розширення спектру, в яких кожний користувач має свою індивідуальну розширюючу послідовність. В даний час CDMA вважається домінуючим методом множинного доступу в системах рухомого зв’язку третього покоління

(3G). В основі більшості пропозицій для сімейства стандартів IMT-2000 (International Mobile Telecommunications) міжнародного союзу електрозв’язку

(ITU) лежить метод множинного доступу CDMA. Тому є актуальним розгляд технології CDMA, аналіз її переваг та недоліків.

Аналогічна увага приділяється стандарту коміркового зв’язку GSM та іншим безпровідним технологіям: IEEE 802.11, IEEE 802.15, IEEE 802.16, DECT. Все частіше в побуті та рекламі звучать терміни WiFi, WiMAX, Bluetooth, TETRA. Наприклад, на 4 Літній міжнародній конференції

«Безпровідні технології та безпека», що відбувалась в Києві 26 червня 2007 р.,

розглядались саме згадані технології. Також зверталось увагу, що для забезпечення безпеки проведення в Україні чемпіонату з футболу ЄВРО-2012,

необхідно запровадити в силових структурах системи мобільного зв’язку

TETRA. Сучасні технології мобільного зв’язку впливають на розвиток суспільства, навіть кардинально змінюють його, як у випадку масового користування мобільними телефонами стандартів GSM, CDMA.

При розгляді та вивченні складних процесів, що відбуваються в сучасних системах цифрового зв’язку, бажано мати можливість:

11

швидкого вибору необхідної готової моделі, яка відповідає даній тематиці;

запуску вибраної моделі на ПК та дослідження її функціонування,

визначення необхідних параметрів та характеристик;

оперативного створення необхідної моделі, у випадку її відсутності, на базі існуючих подібних моделей;

вивести створенні моделлю сигнали з ПК для взаємодії з реальним обладнання, наприклад з метою його діагностики;

ввести в ПК сигнали з реальної системи з метою їх подальшої обробки.

Наприклад, при вивченні систем зв’язку з застосуванням технології CDMA

бажано мати такі моделі:

систем IS-95, cdma2000, WCDMA;

окремих вузлів, наприклад, генератора кодів Уолша, згорткового кодера,

фільтра з характеристикою типу припіднятого косинуса і т.д.

Вданій книзі в якості засобу моделювання та створення ілюстраційних прикладів вибрана система MATLAB, створена фірмою MathWorks Inc., яка являється світовим стандартом в області наукових та технічних розрахунків.

Дана система вирішує всі вищезгадані питання моделювання та дослідження.

Популярності системи MATLAB сприяє її потужне розширення, яке надає користувачу прості та зручні засоби, в тому числі об’єктно-орієнтованого програмування, для блочного моделювання лінійних та нелінійних динамічних систем. Наприклад, в розширенні Simulink наявні наступні блоки:

CDMA Reference Blockset.

Communications Blockset.

Signal Processing Blockset.

Згадані блоки містять більше 10 моделей стандартів зв’язку, що використовують технологію CDMA, Wi-Fi, Bluetooth, а також багато моделей

12

окремих функціональних вузлів системи.

Моделювання із застосуванням засобів пакету Communication Blockset

здатне вирішувати серйозні завдання в області створення реальних комунікаційних засобів. Очевидно, таке моделювання ніколи не замінить реальної (фізичної) побудови таких пристроїв та їх тестування. Але воно здатне різко скоротити високо-затратні та працеємні етапи створення нових телекомунікаційних пристроїв. Можна вважати, що математичне моделювання таких пристроїв перед їх реальним створенням являється в наші дні обов’язковою нормою проектування. Це також відноситься до вивчення моделювання в технічних вузах та університетах відповідного профілю.

В першому розділі розглядається канальне кодування. Канальне кодування є потужним інструментом, який використовується для реалізації різних компромісів в системі зв’язку. Застосування коректуючих кодів дозволяє працювати системам зв’язку при малих відношеннях сигнал/шум,

забезпечуючи задану якість послуг.

Другий розділ присвячений цифровій модуляції. В даному розділі розглянуте призначення модуляції та її типи. Велику увагу при розгляді цифрової модуляції звернуто на фазову маніпуляцію та ефективність амплітудної модуляції.

Третій розділ. В даному розділі приведено опис та аналіз способів організації каналів зв’язку та методів множинного доступу, які використовуються в зв’язку.

В четвертому розділі приведено короткий опис моделей CDMA системи

MATLAB.

В п’ятому розділі розглянуто основні поняття та основи побудови коміркових мереж GSM.

Шостий розділ містить опис цифрової системи GSM-900/1800: архітектура системи GSM, комутаційно-мережна частина, ансамблі базових станцій.

В сьомому розділ приведено пояснення принципів функціонування коміркових мереж GSM.

13

Восьмий розділ містить опис базових станцій, радіоінтерфейсу,

контролера базових станцій стандарту GSM.

Дев’ятий розділ. В цьому розділі розглянуто стандарт зв’язку IS-95 (cdmaOne), який відноситься до стандартів 2G. Стандарт базується на використанні технології множинного доступу CDMA. В розділі описані версії радіоінтерфейсів IS-95, основні параметри та структура системи зв’язку. Далі,

міститься аналіз роботи прямого і зворотного каналів зв’язку. Також розглянуто призначення додаткових підканалів, які використовуються в системі, регулювання потужності, хендовер, а також взаємодія абонентської та базової станцій.

Десятий розділ. Наступним етапом розвитку IS-95 є стандарт cdma2000 1x. Стандарт cdma2000 1x також еволюціонував в новий - cdma2000 3x,

оскільки швидкість передачі даних залишалася меншою 2 Мбіт/с. Шостий розділ присвячений розгляду стандартів cdma2000 1x та cdma2000 3x. В розділі описано основні параметри системи, проведено аналіз роботи прямого та зворотного каналів, розглянуто призначення додаткових підканалів.

Одинадцятий розділ. Цей розділ містить короткий опис системи WCDMA FDD: структура системи, параметри радіоінтерфейсу, формування швидкостей передачі даних, робота прямого та зворотного каналів.

Дванадцятий розділ. Розділ містить продовження розгляду системи

WCDMA, а саме режим TDD.

Опис двох відомих стандартів Bluetooth та ZigBee PAN-мереж приведений в тринадцятому розділі.

Чотирнадцятий розділ містить опис стандартів IEEE 802.11x локальних безпровідних мереж.

Пятнадцятий та шістнадцятий розділи присвячені розгляду стандартів

IEEE 802.16 з модуляцією однієї несучої та OFDM модуляцією.

У сімнадцятому розділі містяться загальні зауваження щодо транкінгових системи радіозв'язку, розглянуто архітектуру та приведена їхня класифікація.

Вісімнадцятий розділ містить загальний опис аналогових транкінгових

14

систем SmarTrunk II та МРТ 1327.

В девятнадцятому розділі розглянуто цифрову транкінгову систему

TETRA.

Короткі характеристики пристрою управління і комутації для створення транкінгових радіотелефонних систем на базі радіотелефонів ―SENAO‖ -

Сonnect 2000, розглянуто у двадцятому розділі.

Двадцять перший розділ містить опис системи зв’язку DECT,

орієнтованої на безпровідну телефонію.

В Додатку приведено опис деяких блоків пакету Simulink для дослідження роботи безпровідних систем зв’язку.

15

Частина 1.

Основи теорії цифрових систем радіозв’язку

1.КАНАЛЬНЕ КОДУВАННЯ

1.1.Модель цифрової системи зв’язку

Розглянемо загальну модель цифрової системи зв’язку, приведену на рис.

1.1.

1 - CRC-генератор, 2 - згортковий кодер, 3 – повторювач, 4 – перемежувач, 5 –

скремблер, 6 – розширення та модуляція, 7 - фільтр передавача, 8 - канал зв’язку, 9 - фільтр приймача, 10 - RAKE-приймач, 11 – дескремблер, 12 –

перемежувач (функція зворотна до 4), 13 – повторювач (функція зворотна до 3),

14 - декодер Вітербі, 15 - декодер якості кадрів.

Рис.1.1 Модель цифрової системи зв’язку

18

На вхід даної моделі подаються цифрові дані. Вони можуть утворюватись при перетворенні аналогового сигналу в цифровий, або від іншого джерела інформації в цифровому вигляді.

Канальний кодер

Деякі фізичні явища, що відбуваються в каналах зв’язку, приводять до виникнення помилок в приймачі. Такі помилки можна представити різницею між переданою та відновленою з прийнятого сигналу двійковою послідовністю.

Для того щоб виправити або, в крайньому випадку, виявити помилки,

застосовують канальний кодер (блоки 1-5) в передавачі і канальний декодер

(блоки 11-15) в приймачі. До інформаційних блоків додається певна кількість вибраних особливим чином додаткових бітів. Значення цих бітів розраховуються шляхом додавання за модулем два інформаційних бітів,

підібраних таким чином, щоб між ними існував алгебраїчний взаємозв’язок,

який дозволяє скоректувати, або хоча б виявити можливі помилки. Тоді, при виявленні помилки, неправильно прийнята послідовності являється індикатором необхідності повторної передачі повідомлення. Виявлення та корекція помилок широко застосовуються в системах мобільного зв’язку.

Модулятор

В модуляторі генерується гармонічний сигнал (несуча частота) параметри якого (в CDMA системах найчастіше фаза) являються функціями поданої на його вхід цифрової послідовності. В результаті модуляції несучий інформацію сигнал переноситься у відповідну частину радіодіапазону з чітко сформованими спектральними параметрами. При цьому необхідно ефективно використовувати спектральні ресурси, щоб не спотворити сигнали, які передаються іншими користувачами в сусідніх областях спектру. Кожна система повинна використовувати максимально можливу кількількість своїх власних каналів у виділеному їй частотному діапазоні.

Ширина спектру каналу зв’язку, як правило, є обмеженою. Такі обмеження

19

встановлюються як відповідними органами всередині держави, так і міжнародними домовленостями.

Поняття множинного доступу до середовища передачі (FDMA, TDMA, CDMA) тісно позв’язане з властивостями каналу та методами модуляції сигналу. Можливі також різні комбінації згаданих методів множинного доступу. Очевидно, що згідно тематики даної книги, в ній найбільшу увагу приділено розгляду методу CDMA.

В склад модулятора також входить високочастотний блок, який підсилює радіосигнал до потрібного рівня. Ширина смуги сигналу залежить від вибраного типу модуляції та методу множинного доступу. Звичайною вимогою до підсилювача високої частоти являться обмежене енергоспоживання.

Наприклад мобільний телефон повинен споживати якомога менше енергії для того, щоб збільшити час роботи між перезарядкою акумуляторів. Тому підсилювач високої частоти повинен мати великий динамічний діапазон та вимушений функціонувати в нелінійній області своїх характеристик. Прямим наслідком даного факту стає вибір методів цифрової модуляції. Наприклад,

компенсувати нелінійні спотворення, які вносяться підсилювачем високої частоти, дозволяє застосування методів модуляції з постійною огинаючою, або такою, що змінюється в незначних межах.

Канал зв’язку

В системах мобільного зв’язку передавач випромінює сигнал в навколишній простір за допомогою антени. Властивості каналу тісно позв’язані з типами передавальної та приймальної антен. Особливо важливу роль відіграють параметри спрямованості та підсилення антени.

Характеристики антени також визначають робочий діапазон системи та її ефективність.

Приймач

Перетворення, які здійснюються в приймачі, мають зворотну відповідність

20