4. Додаток к Копії демонстраційних креслень ..................................................112

ВСТУП

У даному дипломному проекті проводяться розрахунок параметрів стільникової мережі зв'язку, двох стандартів GSM-900 і IS-95, для м. Одеси (селище ім. Таїрова). За підсумками розрахунків приводиться порівняльний аналіз двох стандартів та по технічних і економічних перевагах відбувається вибір стандарту для побудови мережі.

Згідно з прогнозами, світовий ринок користувачів послугами радіодоступу зросте в 2010 р. до 1.5 мільярда абонентів (345 млн. було до 2002 р.), з урахуванням абонентів як рухомого, так і фіксованого зв'язку. У світі перспектив такого грандіозного росту закономірне питання: яка буде роль різних технологій? Зро-зуміло, що вибір технології вплине на фінансове становище конкретного оператора, на швидкість окупності його капіталовкладень і здатності залучити й удержати нових клієнтів.

У боротьбі за лідерство в цій зростаючій сфері економіки операторові бездротових мереж зв'язку необхідно прийняти ключове рішення на вибір цифрового інтерфейсу передачі по радіоканалі, незалежно від того, чи йде мова про мережі рухомого зв'язку або про місцеву мережу з радіодоступом.

Для регіонів, у яких бездротовий засіб зв'язку функціонують у діапазоні 800-900 Мгц, як правило, вибирають із двох цифрових технологій: 1) многостанціоний доступ з тимчасовим поділом каналів (TDMA) стандарту GSM-900 і 2) многостанціоний доступ з кодовим розподілом каналів (CDMA) стандарту IS-95.

Стандарт GSM-900 - загальноєвропейський стандарт стільникової системи рухомого радіозв’язку, створювався прискореними темпами з метою збільшення ємності існуючих мереж NMT-450, для яких уже переставало вистачати наявного спектра частот.

Стандарт IS-95 (CDMA), був представлений компанією QUALCOMM у 1989 р. як систему для організації комерційних мереж зв'язку і прийнятий після тривалих іспитів і доробок як стандарт стільникових мереж Асоціацією промисловості засобів електрозв'язку в липні 1993 р. В даний час це стандарт Міжнародного союзу електрозв'язку (МСЭ), і компанія QUALCOMM передала 18 ліцензій на виробництво устаткування мережної інфраструктури і 33 ліцензії на виробництво портативних телефонних апаратів цього стандарту різним виготовлювачам світу. Стандарт CDMA розроблявся з метою домогтися більшої, у порівнянні з TDMA, ємності мереж і увібрав у себе численні удосконалення технологій бездротової передачі, що дозволило домогтися збільшення зони покриття і якості передачі.

1. Аналіз стандартів стільникових систем зв’язку

Відповідно до сталої традиції всю історію розвитку мобільних систем зв'язку прийнято розділяти на три етапи або покоління (генерації). До 1-го покоління відносяться аналогові стандарти з частотною модуляцією в тракті передачі розмовного сигналу (NMT-450, NMT-900, AMPS і ін.). У цих стандартах використовується многостанційний доступ з частотним розподілом каналів (МДЧР, англ. FDMA).

У стандартах 2-го покоління використовуються цифрові методи формування, передачі й обробки сигналів (GSM, ADC (D-AMPS), JDC, CDMA IS-95 і ін.). Для многостанційного доступу тут використовується тимчасовий і кодовий розподіл каналів (МДЧсР, англ. TDMA і МДКР, англ. CDMA).

Нарешті, на зміну 2-му приходить єдиний універсальний стандарт 3-го покоління, розробка якого буде довершена в першому десятилітті XXI століття.

1. Організація мережі радіозв’язку.

Стільникові мережі дозволяють багаторазово використовувати радіоканали на територіально віддалених одна від одної ділянках мережі. Приклад побудови такої мережі подано на рис. 1.1.

Вся обслуговувана територія поділяється на малі робочі зони умовно шес­тикутної форми, що називаються чарунками мережі Радіус чарунки r визначаєть­ся залежно від очікуваної у ній щільності рухомих абонентів (РА). Звичайно він становить 10...20 км за містом і в передмістях, 2...5 км на більшій території міста та 0,5.. 2 км у його центрі. У кожній чарунці встановлюється індивідуальна або спільна для кількох чарунок базова приймально-передавальна радіостанція , яку звичайно називають просто базовою станцією (БС). Вона може знаходитись у центрі чарунки і мати антену з круговою діаграмою випромінювання, або встановлюватись на мережи кі­лькох чарунок і мати секторні антени (на 120°, на 60°) для кожної з них. Зазначи­мо, що у останньому випадку інколи чарункою називають сукупність зон обслу­говування однієї БС, а окрему її зону називають сектором. У певній чарунці РА за допомогою БС мають повний доступ до призначених цій чарунці N радіоканалів. БС, що використовують однаковий набір каналів, розділяють захисним інтерва­лом D. Щоб покрити довільну територію, в принципі достатньо К = 7 багатора­зово використовуваних наборів радіоканалів , але деякі стільникові радіотелефонни системи (РТС) передба­чають К= 4, 9, 12 або 21.

Рисунок 1.1 – Приклад побудови стільникової мережі рухомого зв’язку

Група із К суміжних чарунок, в яких набори каналів не повторюються, називається кластером(cluster). Величина К називається розміром класте­ра, а також частотним параметром системи, оскільки визначає максимально мож­ливу кількість каналів N (без врахування їх повторного використання) та загальну ширину частотної смуги F_с. Так, при К = 7, N = 30 і смузі окремого каналу в на­прямку передавання F_к = 20 кГц маємо N_p = KN = 210 радіоканалів, що за­йматимуть F_с = F_к N_p =4.2 МГц. З точки зору ефективності використання частотно­го спектра доцільно вибирати малі радіуси чарунок та розміри кластерів, з іншого боку зменшення параметра К обмежене вимога­ми до захисного інтервалу, а зменшення радіуса r призводить до збільшення час­тоти перетинання чарунок рухомими абонентами під час розмови, що може, у свою чергу, спричинити лавиноподібне зростання завантаженості керівної систе­ми мережі даними щодо перемикання РА з клітини в клітину. Тому в межах однієї системи можуть використовуватись чарунки та кластери різних розмірів[5], їх виби­рають з урахуванням реальної електромагнітної обстановки та рельєфу місцевос­ті. Часто застосовують накладені чарунки - у такому разі мікро і навіть пікочарунки з радіусом 10...70 м обслуговують закриті приміщення (аеропорти, вокзали, гаражі, магазини, тощо), а також РА, що рухаються повільно, а чарунки великих радіусів, що охоплюють цю ж територію, приймають навантаження від швидких РА. Такі структури стільникової мережі інколи називають зонтовими[7]. В перспективі так буде побудована і глобальна система рухомого зв'язку.

На стільникових мережах часто має місце фіксований розподіл радіокана­лів між БС, коли для кожної чарунки виділяється однакове їх число . У такому разі важливо так розподілити канали, щоб по можливості зменшити міжканальну інтерференцію. Звичайно застосовують наступний принцип розподілу: j-й чарунці кластера призначають канали з номерами j, j+К, j+2К,.., j+nК. Фіксоване закріп­лення каналів має недоліки, викликані не стаціонарністю розподілу активних РА на території мережі, а саме - ймовірність втрат викликів зростає у чарунках, де з різних причин РА стає більше. Тому інколи для кожної чарунки крім N фіксова­них виділяють ще деяку кількість каналів, які динамічно розподіляються між БС залежно від поточної потреби.

Всі БС з'єднуються радіорелейними або кабельними лініями зв'язку з центром комутації стільникової мережі (ЦКСМ), який керує встановленням і підтриманням сполучень РА між собою та з абонентами ТфМСК, зокрема забез­печує перемикання з'єднання на іншу БС під час руху РА. Комутація і керування мережею можуть бути: централізованими, тобто зосередженими на ЦКСМ, як на рис. 1.1; децентралізованими (ієрархічними) із встановленням, наприклад, у кожному кластері спрощеної комутаційної станції, так званого контролера базо­вих станцій , який обслуговує взаємні з'єднання РА кластера та забезпечує вихід на ЦКСМ для всіх інших зв'язків, а також розподіленими, коли комутаційне і ке­рівне обладнання встановлюється безпосередньо на кожній БС.

Кожна стільникова мережа рухомого зв'язку (СМРЗ) будується згідно з пев­ним стандартом, зокрема в Україні - за стандартом NMT-450 та GSM-900. Сусідні СМРЗ одного стандарту, що належать одному оператору мережі (тобто мають спільну адміністрацію) в сукупності утворюють зону СМРЗ відповідного стан­дарту. Сукупність одностандартних СМРЗ сусідніх операторів (зокрема, різних країн) називають зоною відповідного стандарту. Територію, обслуговувану од­ним ЦКСМ, як, наприклад, на рис. 1.1, називають зоною обслуговування ЦКСМ. Сукупність чарунок мережі, що має спільну БС, є зоною БС. Частина СМРЗ, на якій діють однакові тарифи, називається тарифною зоною.

2. Аналогові стандарти стільникового рухомого радіозв’язку з МДЧР (FDMA)

NMT (The Nordic Mobile Telephone system) – стандарт на аналогові стільникові системи рухомого радіозв'язку, розроблений у 1978 р. для 5 європейських країн: Швеції, Фінляндії, Іспанії, Данії і Норвегії.

Система стандарту NMT-450 призначена для обслуговування наземних і морських прибережних рухомих абонентів у діапазоні 453.0- 457.5 Мгц (передача мобільної станції) і 463.0-467.5 Мгц (передача базової станції). У ній реалізований метод множинного доступу з частотним поділом абонентів - МДЧР (Frequency Division Multiple Access – FDMA).

Система забезпечує:

-передачу мовних повідомлень на місцевому, міжмісцевом і міжнародному рівні, як між рухомими абонентами усередині системи, так і між рухомими абонентами й абонентами телефонної мережі загального користування;

- передачу факсимільних повідомлень і доступ до різних баз даних зі швидкістю передачі даних не більш 4.8 Кбит/з;

- надання абонентам послуг переадресації виклику на інший номер, обмеження тривалості розмови, конференц-зв'язку трьох абонентів, організації користувальницьких груп зі скороченим набором номера.

Для досягнення високої надійності зв'язку система працює з взаємним багаторазовим підтвердженням прийому кожного сигналу і здійснює контроль якості розмовного каналу. При передачі службової інформації використовується завадостійке кодування на основі надточного коду і кодів Хагельбергера. Обмін мовними повідомленнями в радіоканалі відбувається за допомогою фазової модуляції з пікової девиацией частоти, рівної +5 кгц. Усі службові сигнали є цифровими і формуються за допомогою швидкої частотної маніпуляції (Fast Frequency Shift Keying – FFSK).

У системі реалізований режим «естафетної» передачі (handover). Рішення на переключення каналів приймається за результатами вимірів відносини сигнал/шум по тональному внесмуговим сигналі, прийнятому від різних базових станцій.

В удосконаленій версії стандарту NMT, що одержала назва NMT-450і (яка застосовується в Україні), прийняті міри до збільшення якості роботи і захисту доступу до мережі за допомогою системи індефікациі абонента. Однієї з особливостей цієї версії є застосування Сигналізації номер 7 (SS №7 по специфікації МККТТ), що дозволяє швидше переключати абонентські станції на обслуговування іншою базовою станцією при переміщення абонента, виконувати функції ідентифікації і знижувати споживання енергії рухливим терміналам.

1.3 Цифрові стандарти систем стільникового рухомого радіозв'язку з

МДЧсР(TDMA)

Цифрові стандарти ССПР відносяться до систем другого покоління. Ці системи володіють доскональними технічними характеристиками, що дозволяють надавати користувачам широке коло послуг зв'язку. Основою систем є многостанционный доступ з тимчасовим поділом каналів – МДЧсР (TDMA), а точніше МДЧР–МДЧсР(FDMA – TDMA).

1.3.1 Технічні характеристики основних цифрових стандартів рухомого радіозв'язку з МДЧсР(TDMA)

Найбільше поширення одержали три цифрових стандарти: загальноєвропейський GSM (global System for Mobil), американський ADC (D-AMPS) і японський JDC.

Основні технічні характеристики цих стандартів приведені в таблиці (1.1).

Розглянемо більш докладно технічні характеристики цифрової рухомої радіотелефонії на прикладі загальноєвропейського стандарту GSM і близького йому стандарту Digital Cellular System - DCS-1800.

Згідно з рекомендаціями CEPT 1980 р., щодо використання спектру частот рухомого зв’язку в діапазоні 862-960 МГц, стандарт GSM передбачає роботу передавачів РС в діапазоні частот 890..919 МГц і роботу передавачів БС в діапазоні 935.. 960 МГц(рис.1.2).

Кожна з двох смуг по 25 МГц розділяється на частотні канали. Рознесення каналів складає 200 кГц, що дозволяє організувати в GSМ 124 частотних каналів. Частоти для передачі з рухомої станції на базову станцію та в зворотному напрямку, групуються парами, утворюючи дуплексний канал з рознесенням 45МГц. Кожному стільнику мережі стандарту GSМ можливо присвоїти від 1-ї до 15-ти пар частот.

Кожна частотна несуча містить 8 фізичних каналів, що розташовані в 8-и часових вікнах в межах TDMA-кадру і в послідовності кадрів. Кожний фізичний канал використовує одне і те ж саме часове вікно в кожному TDMA-кадрі.

Таблиця 1.1 – Основні технічні характеристики стандартів стільникового зв'язку з TDMA

Характеристики стандарту	Зміст характеристик для стандартів
Стандарт ССМР	GSM		ADC	JDC
Метод доступу	TDMA		TDMA	TDMA
Рознос частот, кгц	200		30	25
Число мовних каналів на несущу	8(16)		3	3(6)
Швидкість перетворення мови, кбит/з	13(6.5)		8	11.2(5.6)
Алгоритм перетворення мови	RPE-LTP-LPC		VSELP	VSELP
Загальна швидкість передачі, кбит/з	270		48	42
Метод боротьби з багатопроменевими замираннями	Перемножування, частотне рознесення, еквалайзер		Перемножування, просторове рознесення	Перемножування, просторове рознесення
Еквівалентна смуга на мовний канал, кгц	25(12.5)		10	8.3(4.15)
Вид модуляції	0.3GMSK		DQPSK	DQPSK
Необхідне відношення несуща/шум, дБ	9		16	13
Робочий діапазон частот, МГц БС – МС МС – БС	935…960 890…915		869…894 824…849	940…956 810…826
Радіус стільники, км	0.5…35		0.5…20	0.5…20
Кількість каналів на одній БС	16...20	32×3=96			32×3=96

Рисунок 1.2 – План розподілення частот GSM 900

Таким чином здійснюється множинний доступ з часовим розділенням кана­лів МДЧсР(TDMA). Для захисту від помилок в радіоканалах під час передачі ін­формаційних повідомлень застосовується блочне та згорткові кодування з пере­межуванням. Підвищення ефективності кодування та перемеження при малій швидкості пересування рухомої станції (РС) досягається повільним переключен­ням робочих частот (8РН) в процесі сеансу зв'язку, зі швидкістю 217 стрибків в секунду.

Для боротьби з інтерференцією сигналів, що викликається багатопроменевим розповсюдженням радіохвиль в умовах міста, використовуються еквалайзери, які забезпечують вирівнювання імпульсних сигналів з середньоквадратичним від­хиленням часу затримки до 16 мкс. Система синхронізації компенсує час затрим­ки сигналів до 233 мкс, з виткі, за допомогою рисунка 1.3, визначимо максимальний радіус стільника:

(1.1)

що відповідає максимальній дальності зв'язку або макси­мальному радіусу стільника R=70/2=35 км.

Рисунок 1.2 –Визначення максимального радіуса стільнику

В стандарті GSМ використовується гаусівська модуляція з мінімальним зсувом (GMSK); індекс маніпуляції - 0,3. Обробка мови здійснюється за прийня­тою системою перервної передачі мови, яка забезпечує вмикання передава­ча тільки за наявності мовного сигналу і відключення в паузах та після розмови. Перетворення мови здійснює мовний кодер вокодерного типу, показаний на рисунку 1.3, із регулярним ім­пульсним збудженням, довгочасним завбаченням (RPE/LTR-LPC-кодек). Швид­кість перетворення становить 13 кбіт/с, що відповідає розташуванню 260 біт на часовому сегменті 20 мс.

Рисунок 1.3 – Мовний кодер (PRE – LTR – LPC) GSM

Таблиця 1.2 - Принцип стрибків по частоті

№ стрибка по f № групи МС	1	2	3	4	5	6	7	8
1	1F	2F	3F	4F	1F
2	4F	1F	2F	3F	4F	1F
3	3F	4F	1F	2F	3F		1F
4	2F	3F	4F	1F	2F	3F		1F

Для боротьби з завмираннями сигналу використовується частотне рознесення у виді стрибків по частоті. Для організації стрибків по частоті формуються таблиці – матриці (таблиця 1.2 – матриця для 4-х пара частот (1F...4F) і 4-х груп мобільних станцій (1...4)) плану зміни частот. Номер частотної матриці для кожної МС задається центром комутації в процесі встановлення зв'язку.

Зменшення бітової швидкості передачі до 13 кбіт/с досягається за три етапи. На першому - відліки телефонного сигналу розбиваються на сегменти із 160 вибірок на інтервалі 20 мс. Потім LPC-аналізатор розраховує 8 коефіцієнтів r(і) цифрового фільтру таким чином, щоб мінімізувати енергію відфільтрованого сиг­налу. На другому етапі динамічний діапазон сигналу зменшується ще більше за и рахунок схожості між сусідніми звуковими сегментами. Цей процес називається довгочасним завбаченням, яке реалізує LTP- фільтр, віднімаючи попередній пері­од сигналу із поточного. Фільтр характеризується двома параметрами: затримкою N і коефіцієнтом підсилення b, які обновлюються кожних 5 мс.

Вісім коефіцієнтів r(і) фільтру LPC-аналізатора і обидва параметри фільтру LTR-аналізатора кодуються і утворюють потік зі швидкістю 3,6 кбіт/с.

Щоб отримати послідовність збудження сигнал, що залишився "є" подаєть­ся на фільтр НЧ. Спосіб простого адаптивного проріджування дозволяє передава­ти кожну третю вибірку, таким чином реалізується потік (RPE-послідовність),який передається зі швидкістю 9,4 кбіт/с. Таким чином, швидкість результуючого потоку на виході мовного кодеру дорівнює 3,6+9,4=13 кбіт/с.

В точці прийому сигнал відновлюється шляхом подачі сигналу збудження "є" на двоступінчатий синтезуючий фільтр, який відновлює гармонійні складові сигналу(LTP-фільтр) і загальну спектральну огинаючу (LPC-фільтр). На виході отримуємо чистий мовний сигнал.

В GSM використовується екстраполяція мовного пакету (приближення або завбачення слідуючих значень якщо вони не відомі). В додаток цьому використо­вується блочно-діагональне внутрішньокадрове перемноження, що приводить до розподілення блоків по 57 біт. В одному пакеті передається два закодованих бло­ки по 57 біт, але вони із суміжних сегментів, таким чином якщо загублено пакет то пропадає не 114 бітів, а тільки 57, які відновлюються за допомогою екстраполяції(рис.1.4)

Рисунок 1.4 – Принцип екстраполяції

^{Заходи, які застосовуються в GSM для боротьби з селективними замираннями:}

• застосовується навчальна послідовність 26 біт для підстройки еквалайзера в приймачі через 4,615 мс;

• рознесений прийом та передача, шляхом повільних стрибків по частоті 217 раз в секунду(Slow Frequency Hopping – SFH);

• екстраполяція мови;

• завадостійкість кодування;

• блочно-діагональне внутрішньокадрове перемежування.

Принципи побудови стандарту GSM 900 повторює стандарт DCS -1800, рі­зниця лише в діапазонах частот та енергетичних характеристиках приймально-передавальної апаратури. Стандарт DCS -1800 передбачає мікрочарункову тополо­гію і радіуси чарунок 100-500 м, що суттєво збільшує повторюваність частот і, відповідно пропускну спроможність мережі для повільних абонентів. Цого засто­сування доцільне у зонах зі значною щільністю РС.

В цілому система зв'язку, діюча в стандарті GSM (DCS), розрахована на її використання в різних сферах. Вона надає користувачам широке коло послуг і можливість застосовувати різноманітне обладнання для передачі мовних повідом­лень і даних; підключатись до телефонних мереж загального користування – ТМЗК (PSTN), мережам передачі даних – МПД (PDN) і цифровим мережам з інтеграцією служб (ISDN).

1.3.2 Формування фізичних каналів і організація мережі радіозв’язку в стандарті GSM 900

Формування фізичних каналів. Для передачі інформації та сигналів управління, для підстройки частоти передавачів радіотелефонів, для забезпечення тактової синхронізації, для забезпе­чення доступу використовується 5 видів часових інтервалів(вікон):

1)NB(Normal burst)- нормальний інтервал;

2)FB(Frequency correction burst)- часовий інтервал підстройки частоти;

3)SB(Synchronization burst) - інтервал часової синхронізації;

4)DB(Dummy burst) - встановлюваний інтервал;

5)AB(Access burst) - інтервал доступу.

Розглянемо детальніше нормальний інтервал NB. Формат цього вікна має вигляд(рис.1.5).

Навчальна послідовність використовується для автоматичної підстройки ек­валайзера на вході приймача, яка вирівнює АЧХ і ФЧХ радіотракту на ділянці розповсюдження радіохвиль, що є ефективним методом боротьби з селективними замираннями.

Рисунок 1.5 – Структура нормального пакету NB

ТВ – Tail bits – кінцеві біти;

GB – Guard period – захисні інтервали.

Тривалість одного тактового інтервалу дорівнює 3,692 мкс.

Розглянемо особливості організації фізичних каналів. Для організації кана­лів зв'язку ТСН і сумісних каналів управління FACCH і SACCH використовується 26-кадровий мультикадр. Об'єднання каналу зв'язку з повною швидкістю TCH/FS та повільного сумісного каналу управління SACCH показано на рис.1.6,а.

Т

Т

Т

Т

Т

Т

T

Т

Т

Т

Т

Т

A

Т

Т

Т

Т

Т

Т

Т

Т

Т

Т

Т

Т

-

1 мультикадр = 26 TDMAкадрам = 120мс

Т

t

Т

t

Т

t

T

t

T

t

T

t

A

t

Т

t

Т

t

Т

t

Т

t

Т

t

Т

A

а)

б)

Рисунок 1.6 – а)об’єднання каналів TCH/FS та SACCH

б)два напівшвідкісних TCH канали в одному фізичному каналі

В повношвидкістному каналі зв'язку в кожному 13-у TDMA-кадрі мульти-кадру передається інформаційний пакет, що відповідає каналу SACCH. Кожний 26-й TDMA-кадр вільний.

Для одного фізичного каналу в кожному TDMA-кадрі виділено 114 біт. Оскільки в мультикадрі для організації каналу зв'язку ТСН використовується 24 TDMA-кадрів із 26 і тривалість мультикадру дорівнює 120 мс, загальна швидкість передачі інформації по ТСН-каналу складає

υ=114×24/120 10³ = 22,8 кбіт/с.

Канал займає в повношвидкістному каналі тільки один TDMA-кадр( 114 біт). Швидкість передачі інформації по SACCH-каналу дорівнює 114/120 10³= 0,950 кбіт/с. Повна швидкість передачі по в об'єднаному ТСН/SACCH-каналі з урахуванням 26-го TDMA-кадру дорівнює 22,8 + 0,950 = 24,7 кбіт/с.

На рис. 1.6б, показано організацію в одному фізичному каналі двох напів-швидкістних ТСН-каналів, кожний по 12 TDMA-кадрів(Т і t). В 13-му та 26-му TDMA-кадрах мультикадру передаються інформаційні пакети, що відповідають каналу SACCH(А і а). Для кожного напівшвидкістного каналу ТСН швидкість пе­редачі складає 11,4 кбіт/с, але повна швидкість в об'єднаному каналі не зміню­ється - 24,7кбіт/с.

Для організації інших каналів управління (за виключенням FACCH і SACCH) використовується 51-кадровий мультикадр.

Організація мережі радіозв’язку в стандарті GSM-900. Типовую схему СМРЗ стандарту GSM-900 зображено на рис. 1.7.

В СМРЗ стандарту GSM, основними складовими є: центр комутації стільникової мережі ЦКСМ (MSС- mobile switching center), базова станція БС (BTS – base transceiver station), контролери базових станцій BSC (base station controller), центр технічної експлуатації (OMS – operation and maintenance center ) та виділені служби обміну мовними повідомленнями (VMS – voice messaging system) і коротких (циркулярних та індивідуальних) повідомлень (SMS – shot message service).

Рисунок 1.7 – Типова структура СМЗР стандарту GSM-900

Функції та ОМС можна надати наявним на мережі України цифровим системам комутації 5ESS та EWSD за умови їх апаратного та програмного дообладнання. Зокрема, кожен MSC повинен мати регістр візитних абонентів (VRL – visitor location register), а також власні чи спільні для кількох MSC центр автентифікації рухомих абонентів (AUC – Autentication center) і регістри: власних абонен­тів (HLR – home location register) та ідентифікації обладнання рухомих станцій (EIR - Equipment identy register). Вказані регістри і центр автентифікації являють собою спеціалізовані комп'ютерні бази даних. Регістр HLR містить дані для вста­новлення вхідних з'єднань до "своїх" абонентів: статус кожного абонента (дозво­лені послуги, тощо) і зону його поточного місцезнаходження (координати відпо­відного VLR). Регістр VLR зберігає інформацію про "своїх" та "чужих" рухомих абонентів, присутніх у зоні обслуговування даного MSC. Коли РС пересувається у зону MSC, вона фіксується у VLR, який відповідно інформує HLR цієї РС і отри­мує звідти статус абонента та його автентифікаційні дані: міжнародний номер (IMSI – international mobile station identity) та персональний код (PIN - personal indentification number ) Останні генерує і надає HLR відповідний AUC, Регістр ЕІR зберігає детальну інформацію для ідентифікування обладнання кожної РС та пе­ревірки відповідності її параметрів номіналам. Завдяки ЕІR дефектне або неіден-тифіковане обладнання не допускається до обслуговування. Зазначимо, що центр комутації MSC є "шлюзом" між СМРЗ та іншими мережами - ТфМСК, передачі даних, інтегральною, тощо.

Особливістю мережі стандарту GSM є об'єднання BTS кластера у систему базових станцій (BSS – Base station system), де ці BTS з'єднуються із контроле­ром BSC із використанням радіальної, кільцевої чи деревовидної топології. Окре­ма ВТS обслуговує 1...6 чарунок за рахунок секторних антен та накладання чару­нок різного діаметра. Контролер є спрощеною комутаційною станцією, яка забез­печує взаємні з'єднання РС у межах кластера та встановлення інших з'єднань че­рез МSC. Взаємодіють ВSС, МSС та останні між собою за допомогою спільних каналів сигналізації СКС №7. У напрямках до ТфМСК можливі практично всі прийняті на останній методи та системи сигналізації.

Служба VMS надає РА послуги електронної мовної поштової скриньки. У ситуаціях, коли неможливо отримати зв'язок з потрібним РА, можна занести до його "скриньки" мовне повідомлення. Передбачена індикація на СРТ наявності повідомлення та проста процедура його прослуховування,

Служба SMS дозволяє адміністрації та самим РА передавати окремим РА або одночасно всім РА у межах чарунки короткі літерно-цифрові повідомлення, що висвічуються на мінідисплеї СРТ та інформують РА про дорожні пробки, ава­рії тощо.

1.4 Цифрові стандарти систем стільникового рухомого радіозв’язку з

МДКР(CDMA)

Технологія многостанційного доступу з кодовим розподілом абонентських сигналів - МДКР або CDMA (Code Division Multiple Access) відома вже давно. Сучасні технології зв'язку з перших днів роботи дозволяють іти від непродуктивної праці на всіх етапах, починаючи з проектування і закінчуючи будівництвом і експлуатацією. Оцінено простоту проектування і монтажу системи CDMA.

Дана система відразу стала популярної. За нею закріпився стабільний попит, характерний, утім, що створюють можливість негайної установки телефону в тих районах, куди роками не доходили провідні мережі ,і підвищують ефективність і якість систем зв'язку з рухомими об'єктами.

1.4.1 Принцип кодового розподілу сигналів - МДКР(CDMA).

Цей вид розподілу сигналів називають так само розподілом сигналів за формою. У системах з МДКР використовують процедуру, що называеться розширенням спектра сигналів. Це еквівалентно переходові вузькосмугових сигналів до широкосмугових(ШПС). Основною характеристикою широкосмугости сигналів є база сигналу, обумовлена як добуток ширини його спектра F на його тривалість Т:

B = F * T. (1.2)

У цифрових системах зв'язку, що передають інформацію у виді двоичных символів, тривалість ШПС Т и швидкість передачі повідомлень С зв'язані співвідношенням Т = 1/С. Тому база сигналу B = F/C характеризує розширення спектра ШПС щодо спектра повідомлення. Розширення спектра частот переданих цифрових повідомлень може здійснюватися двома методами або їхньою комбінацією:

1. прямим розширенням спектра частот;

2. стрибкоподібною зміною частоти несущої;

В існуючих і розроблювальних системах стільникового зв'язку, для яких виконується умова (1.2), переважно використовуються ШПС, формування яких здійснюється по методу прямого розширення спектра (Direct Sequence-CDMA-DS-CDMA).

Для практичного застосування, у системах стільникового зв'язку з МДКР, найбільше часто використовується послідовний складений сигнал, що складається з разнополярных прямокутних імпульсів(пряме розширення спектра).

Тут інформаційний імпульс тривалістю Т разбтвается на N_э елементів тривалістю , число яких відповідає базі сигналу

. (1.3)

Складений сигнал являє собою послідовність імпульсів різної полярності (рис 1.9). така послідовність будується по визначеному закрну. Якщо закон формування псевдовиподкової, то такий складений сигнал називається псевдослучайной послідовністю (ПСП).

5. Рисунок 1.8–Формування складного сигналу

Як імпульсні послідовності можуть бути обрані кодові послідовності Бакера, послідовності Хаффмена (М-послідовності), функції Уошла й ін.

1.4.2 Послідовність інформаційних символів

У п. 1.4.1 було показано, що кодовий поділ заснований на розходженні форми сигналів. Як канальні сигнали застосовуються різні кодові послідовності, зокрема функції Уошла.

Властивості функцій Уошла й алгоритми їхнього синтезу вивчені досить добре [7]. Звичайно функції Уошла одержують з болле простих функцій Радемахера, що утворяться із синусоїдальних функцій за допомогою співвідношення

, (1.4)

Де = 1, 2, 3,...- порядок функцій Радемахера;

sign( ) – знакова функція, обумовлена як

(1.5)

Система функцій Уошла володіє поганими кореляційними властивостями. Це виражається в тім, що більшість функцій автокореляції (АКФ) і функції взаємної кореляції (ВКФ) послідовностей Уошла мають великі бічні піки [8].

Відомо також [7], що графіки спектрів сигналів Уошла зрушени відносно друг друга.

Функції Уолша, а точніше Адамара-Уолша, зручно представити у виді матриці. Матриця i-го порядку може бути побудована рекуррентно за допомогою первинної (утворюючої) матриці 2-го порядку

, (1.6)

де при i=1

,

а при i=2

.

Достоїнством функцій Уошла як системи ортогональних широкополосных сигналів є простота їхнього формування й обробки засобами цифровий микросхемотехники.

Системи з МДКР є адресними, оскільки сигнал абонента відіграє роль його адреси [13]. Адресні системи прийнята прийнято розділяти на два класи – синхронні адресні системи зв'язку САСЗ і асінхронні адресні системи зв'язку ААСЗ.

У САСС передача інформації здійснюється таким чином, що переночики інформації задовольняють умові ортогональности

1. . (1.7)

Це умова для сигналів i-го і k-го абонентів, испльзующих сигнали U_i(t) і U_k(t) зі спектрами S_i(ω) і S_k(ω), може бути записане у виді

(1.8)

де – енергія сигналу (квадрат норми функції U_i(t)).

Крім того справедлива рівність

. (1.9)

Вираження (1.5)являє собою взаимокорреляционную функцію (ВКФ)

, (1.10)

коли зрушення у вреиени між сигналами U_i(t) і U_k(t) відсутні.

Звичайно стараються забезпечити, щоб всі сигнали мають однакову енергію, тобто E_i=E_k=E.

У САСЗ ортоганальные сигнали розділяються при синхроном прийомі без взаємних перешкод. Це випливає з нижньої рівності в (1.8). однак взаємна ортогональность сигналів порушується при изиенении величини інтервалу [0,T] або змішанні U_i(t) і U_k(t) відносно руг друга.

Таким чином, у САСЗ предпологается синхроная робота всіх абонентських станцій мережі.

Для прийому ортогональних сигналів використовують коррелятор або узгоджений фільтр (рис 1.9, а і б).

Основними елементами коррелятора, як випливає з вираження (1.10), є перемножник, генератор опроного сигналу ГОС і інтегратор. Коррелятор являє собою лінійний пристрій з перемінними параметрами.

1. Рисунок 1.9–Структурна схема: а) коррелятора ;

б) узгодженого фільтру

Погоджений фільтр (СФ) є лінійним пристроєм з постійними параметрами. Імпульсна реакція СФ

(1.11)

є дзеркальним відображенням сигналу U_k(t), що запізнює на Т. загальним для коррелятора і СФ є те, що на їхніх виходах напруга в момент t=T досягає максимального значення. Це визначає їхня еквівалентність з погляду виявлення сигналу. Розходження полягає в тім, що СФ інваріантний щодо затримки сигналу, у той час як коррелятор цією властивістю неволодіє. Важливу роль у приймачі грає синхронізатор С. оскільки сигнал на виході коррелятора або СФ повторює форму АКФ, то при неузгодженості на τ=τ₀ величин цього сигналу, тобто напруга на вході решаюшего пристрою (РУ), замість максимального значення оращается в нуль[17].

В даний час питання про вибір між коррелятором і СФ остаточно не вирішений. Вважається, що при великих базах (В>5*10²) коррелятор переважніше, тому що СФ стає дуже складним пристроєм.

В ААСЗ нижня частина рівності (1.8) і рівність (1.9) не мають місця, тому в таких системах існують взаємні завади між абонентами, що іноді називаються «шумами неортогональности». Через взаємні перешкоди число одночасне працюючих абонентів в ААСЗ при тієї ж помехоустойчивости буде менше, ніж у синхроных. Однак при построени ААСЗ немає необхідності в забезпеченні синхронізації абонентів за часом, тому в СЗРО із МДКР целеобразно застосувати принцип асинхронної адресної системи.

1.4.3 Технічні характеристики системи рухомого радіозв'язку стандарту IS-95

Стільникова система рухомого радіозв'язку загального користування з кодовим розподілом каналів (CDMA),а точніше з частотно-кодовим (FDMA-CDMA), уперше була розроблена фірмою Qualcomm (США) в 1994р.. Основна мета розробки полягала в тому, щоб збільшити ємність системи стільникового зв'язку в порівнянні з аналогової не менш чим на порядок і відповідно збільшити ефективність використання виділеного спектра частот.

Технічні вимоги до системи CDMA сформовані в ряді стандартів.

Система IS-95 розрахована на роботу в діапазоні частот 800 Мгц.

На рис. 1.10 приведена обобщенна структурна схема мережі стільникового рухливого зв'язку стандарту IS-95 фірми Qualcomm,а у табл. 1.3 основні її характеристики.

Рисунок 1.10 – Структура мережі зв'язку стандарту IS-95.

Для реалізації м'якого режиму «естафетної передачі» введені пристрої вибору кадру (УВК) або SU (Selector Unit), що зв'язані з приймально-передавальними базовими станціями БС і контролерами базових станцій (КБС) або BSC (Base Station Controller). Керування мережею осушествляет центр комутації рухливого зв'язку (ЦКРЗ) або MSC (Mobile Switching Сеntrе), при якому організована база даних про абонентів і устаткування (БД) – DB (Date Base) і цент керування й обслуговування (ЦОУ) – OMC (Operation and Maintenance Centre).

Таблиця 1.3 –Технічні характеристики СЗРО стандарту IS-95

Характеристика	Технічні дані
Смуга частот, Мгц передавач МС передавач БС	824-849 869-894
Рознесення дуплексних частот, Мгц	45
Смуга частот, виділена для передачі на одній несучій, Мгц	1.25
Число несучих в частотному діапазоні	20
Спосіб організації многостанційного доступу	МДКР
Число каналів на одній несучій	64
Тип модуляції	QPSK (БС), O-QPSK (ПС)
Швидкість передачі інформації на одній несучій, кбит/с	1228.8
Мовний кодер, швидкість передачі, кбит/с	QCELP 8; 4; 2; 1
Канальний кодер	сверточное кодування, 1/2
Швидкість передачі з урахуванням кодування, кбит/с	19.2; 9.6; 4.8; 2.4
Тривалість кадру, мс	20
Потужність передавача рухомої станції, Вт	0.6
Регулювання потужності передавачів	має
Номінальна величина відношення сигнал/перешкода, дБ	6

Рисунок 1.11 – Структура каналів у CDMA

Для передачі мовних повідомлень обраний мовопреобразуючий пристрій з алгоритмом CELP з швидкістю перетворення 8000 біт/з (9600 біт/з у каналі). Можливі режими роботи на швидкостях 4800, 2400 і 1200 біт/с.

Протоколи встановлення зв'язку в CDMA, також як у стандартах AMPS і N-AMPS, засновані на використанні логічних каналів.

У CDMA канали для передачі з базової станції називається прямими (Forward), для прийому базовою станцією - зворотними (Reverse). Структура каналів у CDMA у стандарті IS-95 показана на рисунку 1.11.

Канали використовуються для наступних цілей [14].

Прямі канали в CDMA:

• ведучий канал - використовується рухомою станцією для початкової синхронізації з мережею і контролю за сигналами базової станції за часом, чистоті і фазі;

• канал синхронізації - забезпечує ідентифікацію базової станції, рівень випромінювання пилотного сигналу, а також фазу псевдослучайной послідовності базової станції. Після завершення зазначених етапів синхронізації починаються процеси встановлення з'єднання;

• канал виклику - використовується для виклику рухомої станції. Після прийому сигналу виклику рухома станція передає сигнал підтвердження на базову станцію, після чого по каналі виклику на рухому станцію передається інформація про встановлення з'єднання і призначенні каналу зв'язку. Канал персонального виклику починає працювати після того, як рухома станція одержить усю системну інформацію (частота несущої, тактова частота, затримка сигналу по каналі синхронізації);

• канали прямого доступу (1...55) - призначений для передачі мовних повідомлень і даних, а також керуючої інформації з базової станції на рухому.

Зворотні канали в CDMA:

• канал доступу - забезпечує зв'язок рухомої станції до базової станції, коли рухома станція не використовує канал трафіку. Канал доступу використовується для установлення викликів і відповідей на повідомлення, передані по каналі виклику, команди і запити на реєстрацію в мережі. Канали доступу сполучаються (поєднуються) з каналами виклику;

• канал зворотного трафіку - забезпечує передачу мовних повідомлень і керуючої інформації з рухомої станції на базову станцію.

Система CDMA Qualcomm побудована по методу прямого розширення спектра частот на основі використання 64 видів послідовностей, сформованих за законом функцій Уолша. Порядок закріплення функцій за каналами показаний на рисунку 1.12. У всіх 64 каналах застосовується та сама псевдослучайная послідовність.

Рисунок 1.12 – Порядок закріплення функцій Уолша за каналами

На рисунках 1.13 і 1.14 показані процедури встановлення звичайного з'єднання (вхідний виклик до рухливої станції і вихідний виклик те рухливої станції відповідно).

У стандарті IS-95 регулювання рівня потужності сигналу, випромінюваного рухомою станцією, здійснюється в динамічному діапазоні 84 дБ із кроком 0.5...1 дБ. Це забезпечує можливість прийому сигналів рухомих станцій базовою станцією з практично однаковим рівнем потужності незалежно від видалення до базової станції. Чим ближче рівень потужності сигналів від рухомих станцій на вході базової станції до мінімальної, відповідної необхідної якості зв'язку, тим менше рівень взаємних завад у системі і, отже, тим вище її ємність.