Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Московский технический университет связи и информатики

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

lec.doc

Скачиваний:

Добавлен:

16.11.2018

Размер:

4.31 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 4849 / 9549 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 > Следующая >>>

Цифровые системы сетей сотовой связи поколения 2g: d-amps

Переход к цифровым системам сотовой связи стимулировался широким внедрением цифровой техники в телекоммуникации, разработкой сверхминиатюрных (на основе нанотехнологий) интегральных схем для цифровой обработки сигналов.

В США и Канаде аналоговые системы беспроводной связи стандарта AMPS получили столь широкое распространение, что прямая замена его цифровыми системами оказалась практически невозможной.

Выход был найден в разработке двухрежимной аналого-цифровой системы, позволяющей совмещать функционирование аналоговой и цифровой систем в одном и том же диапазоне (PCS-1800).

Стандарт получил название D-AMPS, или IS-54. IS - сокращение от Interim Standard (или Interim System) – временный стандарт (временная система), цифры – порядковый номер стандарта.

Практическое применение стандарта D-AMPS началось в ~1991г.

Стандарт D-AMPS дополнительно усовершенствовался за счет введения нового типа каналов управления (сигнализации). Технология D-AMPS сохранила структуру каналов управления N-AMPS, что ограничивает возможности системы.

Временные характеристики системы сетей сотовой связи D-AMPS

TDMA - Time Division Multiple Access - множественный доступ с временным разделением (каналов) в сотовых системах связи поколения - 2G

а) Временнáя схема поля системы D-AMPS

Данные Настроечная Данные Защитная

последовательность полоса

0,24мс 0,06мс 0,24мс 0,03мс

0,577мс

б) Пространственная схема поля системы D-AMPS

Данные Настроечная Данные Защитная последовательность полоса

49бит 15бит 49бит 8бит

Еще один вариант цифрового стандарта, по техническим характеристикам аналогичный D-AMPS, был разработан в Японии в 1993 г.; первоначально он назывался JDC, а с 1994 г.:

- PDC - Personal Digital Cellular - буквально "персональная цифровая сотовая связь".

В Европе задача внедрения скоростных цифровых систем осложнялась наличием множества несовместимых аналоговых систем.

Выходом из проблемы стала разработка единого общеевропейского стандарта - GSM:

- GSM 900 - Global System (for) Mobile (Communication) – глобальная мобильная система – глобальная система мобильной связи - диапазон 900,0мГц.

GSM 900 использует 124 дуплексных канала, обеспечивает полный международный роуминг, автоматическое определение местонахождения мобильной станции - MS, контроль доступа, кодирование в беспроводных каналах связи, эффективное взаимодействие с системами цифровых сетей с интеграцией услуг - ISDN и хорошее качество речевого сигнала.

Практическое применение стандарта GSM 900 началось в ~1991г.

Новые чисто цифровые каналы управления введены в стандарте EDGE (GSM/EDGE), или временный стандарт IS-136, который внедряется с 1996г.

При этом сохранена совместимость IS-136 с N-AMPS и D-AMPS (IS-54), расширены функциональные возможности системы.

Стандарт GSM 1800 с новым частотным диапазоном 1800,0мГц. Новая система сначала получила название DCS 1800 - Digital Cellular System - цифровая сотовая система.

Первоначально использовалось также наименование PCN - Personal Communications Network, что в переводе означает "сеть персональной связи". Система PCN внедрена в 1993 г., а в 1996 г. переименована в GSM 1800.

Отличие системы GSM 1800 от исходной системы GSM 900 не столько техническое, сколько маркетинговое, при технической поддержке:

более широкая рабочая полоса частот в сочетании с меньшими размерами ячеек (сот) позволяет строить сотовые сети связи значительно большей емкости, при этом расчет был на систему мобильной связи с компактными, удобными и не дорогими мобильными станциями MS.

В США диапазон 1800,0мГц оказался занят другими системами беспроводной сотовой связи, но была найдена возможность выделить полосу частот в диапазоне 1900,0мГц, которая получила в Америке название:

- PCS - Personal Communications Systems - система персональной связи, в отличие от системы диапазона 1800,0мГц, за которой сохранено название - "сотовая" (cellular).

Освоение диапазона стандарта PCS версии IS-136 началось в США в 1995г.

Работа в этом диапазоне была предусмотрена стандартом D-AMPS (IS-136).

Аналогового стандарта AMPS в диапазоне 1900,0мГц нет.

Уплотнение в сетях сотовой связи поколений 1G, 2G

Уплотнение с пространственным разделением (каналов) - SDM - Space Division Multiplexing в беспроводных сотовых сетях первого поколения - 1G

Каналы разделяются между собой пространством, называемым защитным интервалом, который необходим во всех четырех способах уплотнения:

в пространстве, во времени, по частоте и по коду. В случае беспроводной передачи схема с пространственным разделением (каналов) SDM предусматривает использование отдельных передатчиков для каждого канала связи и довольно большие расстояния между передатчиками.

Пространство расходуется в данном случае очень не эффективно и не экономно. Проблемы возникают при попытке установить в одной области пространства несколько каналов с одинаковой частотой, например, радиовещательных каналов в одном городе

Этот тип схемы уплотнения используется, например, в радиостанциях с частотным диапазоном FM. У этих радиостанций зона передачи ограничена одним регионом.

Так работают многие радиостанции во всем мире, но в разных регионах: на одной и той же частоте, без помех.

Уплотнение с частотным разделением (каналов) - FDM - Frequency Division Multiplexing в беспроводных сотовых сетях второго поколения - 2G

Эта схема уплотнения очень проста: каждому каналу выделяется своя полоса частот, на которую настраивается передатчик.

При этом каждая мобильная станция MS имеет собственную частоту, которую может использовать беспрерывно. Для исключения перекрытия полос частот (помех соседних каналов) необходимо предусмотреть защитные (частотные) интервалы.

Подобные схемы используются радиостанциями, работающими в одном регионе - достаточно лишь настроить приемник на частоту передатчика.

Существенным недостатком применения этого способа уплотнения в мобильной связи является чрезвычайно низкая загрузка канала: радиостанции работают круглосуточно, а мобильная связь используется несколько минут в день. Поэтому в сетях беспроводной связи такие схемы в "чистом" виде не нашли применение.

Уплотнение с временным разделением (каналов) - TDM - Time Division Multiplexing в беспроводных сотовых сетях второго поколения - 2G

Эта схема уплотнения предусматривает выделение каждому каналу на определенное время всей полосы частот, т.е. все передатчики используют одинаковую частоту, но в различные промежутки времени. Эти промежутки времени также как и в предыдущих схемах разделены защитными (временными) интервалами.

Чтобы исключить помехи, нужна точная синхронизация, которую довольно трудно обеспечить из-за отсутствия точного времени во всех передатчиках и необходимости поймать правильный промежуток времени приемником (помимо настройки частоты).

Достоинством этой схемы является возможность выделять большое время передатчикам с большой нагрузкой и малое время - передатчикам с малой нагрузкой.

Схемы с временным разделением (каналов) TDM, как правило, объединяют со схемами с частотным уплотнением (каналов) FDM.

В этих схемах каждому каналу выделяется конкретная полоса частот на конкретный промежуток времени.

Защитные интервалы необходимы во временном режиме и в частотном режимах уплотнения.

Такие схемы более устойчивы к помехам и обеспечивают некоторую защиту от прослушивания (т.к. нужно знать последовательность частот передатчика).

В стандарте мобильной связи GSM объединение частотного и временного уплотнения применяется для организации связи между мобильной станцией - MS и базовой трансиверной станцией - BTS.

В этом случае в сетях сотовой связи между мобильной станцией MS и базовой трансиверной станцией BTS устанавливается дуплексный канал, для каждого из направлений:

от базовой станции BTS к мобильной станции MS (исходящая линия связи);
от мобильной станции MS к базовой станции BTS (нисходящая линия связи).

В обоих направлениях связи используются разные частотные диапазоны.

Например, схема распределения частот в стандарте GSM 900 (900,0мГц):

все нисходящие линии связи используют диапазон частот

890,2мГц - 915,0мГц;

все исходящие линии связи используют диапазон частот 935,2мГц - 960,0мГц;

f_исх = f_нисх + 45,0мГц f_нисх = 890,0мГц + n·0,2мГц; f_исх = 935,0мГц + n· 0,2мГц

где:

n - номер канала связи.

0,2мГц (200,0кГц) - диапазон частот каждого канала

45,0мГц - защитный интервал между исходящей и нисходящей линией связи

Всего:

нисходящих (от MS к BTS) каналов 124, исходящих (от BTS к MS) каналов 124.

Недостатком этой схемы является необходимость согласования работы различных передатчиков, т.к. нужно одновременно управлять и последовательностью частот, и моментами времени, в которые происходит изменение этих частот ("перескок", или переключение канала, частоты). В противном случае передатчики будут создавать помехи друг другу.

Схемы с кодовым уплотнением (каналов) - CDM - Code Division Multiplexing -

в беспроводных сотовых сетях второго поколения - 2G

Схема с кодовым уплотнением (каналов) CDM использовалась ранее только в военных целях, но в настоящее время широко применяется в гражданских беспроводных телекоммуникациях.

При использовании схемы CDM все каналы используют для передачи одинаковую частоту в одно и то же время. Разделение каналов здесь достигается присвоением каждому каналу некоторого "кода". Защитные интервалы представляют собой коды, находящиеся в кодовом пространстве (которое практически бесконечно по сравнению с частотным пространством) на определенном "расстоянии" между собой, например, ортогональные коды

Ортогональность - греч. orthogōnios - прямоугольный, от orthós - прямой и gōnía – угол.

Присвоение индивидуального кода каждому передатчику не приводит к проблемам.

Главные и существенные недостатки схемы с кодовым разделением (каналов) CDM:

-относительно высокая сложность приемника, который должен "знать" код и отделять канал с нужными данными от фонового шума (помех), состоящего из остальных сигналов и шума окружающей среды;

-необходимость точной синхронизации передатчика и приемника для правильного декодирования сигнала.

Схемы множественного доступа в сетях сотовой связи поколения 2G

- SDMA - Space Division Multiple Access - множественный доступ с пространственным разделением (каналов).

Мобильная станция MS может работать с несколькими базовыми трансиверными станциями BTS, но качество связи с каждой из них будет различным. Как правило, схемы SDMA используются не самостоятельно, а в сочетании с другими.

Схема может быть использована на малых расстояниях, например радиостанции в диапазоне FM.

- FDMA - Frequency Division Multiple Access - множественный доступ с частотным разделением (каналов).

В сетях сотовой связи схемы FDMA используются для организации одновременного доступа к базовой трансиверной станции BTS и мобильной станции MS по дуплексному (двухстороннему) каналу связи.

В этом случае для каждого из направлений - от MS к BTS и от BTS к MS - выделяются различные частоты. Эта схема называется дуплекс с частотным разделением каналов - FDD - Frequency Division Duplex.

Например, в сетях сотовой связи GSM 900:

-все нисходящие частоты находятся в полосе: 890,2мГц - 915,0мГц;

-все исходящие частоты находятся в полосе: 935,2мГц - 960,0мГц.

- защитная полоса частот между полосами частот в прямом и обратном направлениях составляет 45,0мГц;

-число каналов в каждом направлении - 124;

-полоса (диапазон) частот каждого канала - 200,0кГц (0,2мГц).

- TDMA - Time Division Multiple Access - множественный доступ с временным разделением (каналов).

Схема TDMA в сравнении с предыдущей схемой FDMA является более гибкой.

Она включает в себя все технологии, использующие распределение интервалов времени, т.е. временное уплотнение (виртуальные, или логические каналы). В этом случае приемник работает на одной и той же частоте.

Схемы передатчика и приемника существенно упрощаются, но прослушать каналы на одной и той же частоте разделенные по времени значительно проще, чем в случае использования частотного разделения.

В схеме с временным разделением каналов - TDMA необходимо обеспечить синхронизацию передатчика и приемника во времени. В случае динамического распределения интервалов времени необходимо использовать идентификацию (например, указывать адрес передатчика).

В схемах фиксированного распределения интервалов времени использовать идентификацию не нужно, но пропускная способность системы в целом снижается.

Для обеспечения гибкости пропускной способности схемы TDMA и FDMA объединяются.

Схемы TDMA с фиксированным доступом (фиксированным распределением интервалов) используются во многих цифровых мобильных телекоммуникационных системах: GSM, IS-54 (PСS), IS-136 (AMPS), DECT и др. - для организации доступа и установления дуплексного канала между мобильной и базовой станциями.

Пример дуплекса с временным разделением (каналов) в беспроводной телекоммуникационной системе стандарта DECT:

Схема распределения сигналов повторяется каждые 10,0мс, т.е. каждый выделенный временной интервал имеет продолжительность 417,0мкс.

Этот способ обеспечивает каждой мобильной станции доступ к среде каждые 10,0мс, причем независимо от других соединений.

Базовая приемопередающая станция - BTS использует 1 из 12 доступных временных интервалов для исходящей связи.

417мкс BTS

...

Мобильная станция MS использует 1 из следующих 12-ти временных интервалов для нисходящей связи. Таким образом, работа нисходящей и исходящей линий связи разделена во времени. Фиксированные схемы доступа на примере системы DECT идеально подходят для связи с постоянной скоростью передачи данных.

- CDMA - Code Division Multiple Access - множественный доступ с кодовым разделением (каналов).

В схемах с кодовым разделением каналов - CDMA - коды (уникальная последовательность битов) используются для разделения каналов MS различных пользователей в кодовом пространстве.

Коды позволяют получить доступ в общую среду без помех. Главное найти такие уникальные, отличные от всех остальных коды, которые позволят отделить полезный сигнал от шума, создаваемого окружающей средой и остальными сигналами.

Для увеличения пропускной способности системы (увеличения емкости ячейки) схему CDMA используют в комбинации со схемами FDMA и TDMA.

В отличие от других схем технология CDMA обладает преимуществом простоты переключения (каналов связи) и плавно изменяющейся емкостью ячеек.

Переключение каналов обусловлено коммутацией между двумя соседними ячейками, т.е. организацией связи (установлением соединения) одновременно с двумя соседними базовыми трансиверными станциями BTS, т.к. используются одинаковые коды, что и обеспечивает режим "мягкого" переключения.

Сравнение технологий SDMA, FDMA, TDMA, CDMA в ССС второгопоколения сетей сотовой связи 2G

	SDMA множественный доступ с пространственным разделением (каналов)	FDMA множественный доступ с частотным разделением (каналов)	TDMA множественный доступ с временным разделением (каналов)	CDMA множественный доступ с кодовым разделением (каналов)
Идеология	Разбиение пространства на секторы	Разбиение полосы частот на непересекающиеся полосы	Разбиение времени передачи на непересекающиеся интервалы (фиксированные или выделяемые по запросам)	Расширение спектра с использованием ортогональных кодов (прямоугольных - со сдвигом 90⁰)
Мобильные станции - MS	В одном секторе активной может быть только одна MS	Каждая MS имеет собственную частоту, ее работа не влияет на работу других MS	Все MS используют одинаковую частоту и активны в течение коротких интервалов времени	Все MS могут работать непрерывно в одно и то же время, не создавая помех друг другу, т.к. каждому каналу присваивается уникальная последовательность битов (код)
Разделение сигналов	Схема из отдельных секторов и направленных антенн	Фильтрация частот	Синхронизация во временнóй области	Кодирование и применение специальных приемников
Преимущества	Схема очень простая, можно увеличивать число абонентских устройств на единице площади	Схема простая, устойчивая к помехам	Схема очень гибкая, цифровая	Схема гибкая, не требует планирования, простота переключений каналов
Недостатки	Схема не достаточно гибкая, антенны, как правило, фиксированные. Не эффективно используются каналы	Схема имеет ограниченные частотные ресурсы, требуются защитные интервалы. Не эффективно используются каналы	Схеме нужны защитные временные интервалы, проблемы с качеством синхронизации	Схема предусматривает производство сложных приемников, необходимость контроля мощности MS
Рекомендации	Схема полезна только в сочетании со схемами FDMA, TDMA или CDMA	Схема объединяется со схемами: TDMA - для переключения частот; SDMA - для повторного использования частоты	Схема стандартная, используется в стационарных сетях, в беспроводных сетях применяется только со схемами SDMA и FDMA	Высокая сложность, в перспективе должна будет интегрироваться со схемами FDMA и TDMA

Гибкая емкость систем CDMA заключается в том, что в ячейку можно добавлять все большее число пользователей, т.к. кодовое пространство практически безгранично. Этого невозможно обеспечить в системах SDMA, FDMA и TDMA.

Защита от ошибок

- Автоматический запрос повторной передачи (ARQ - Automatic Repeat Request);

- Создание защитных интервалов между отдельными каналами MS в схеме множественного доступа с кодовым разделением каналов - CDMA;

- Резервирование в схеме множественного доступа с временным разделением каналов - TDMA (создание мини-интервалов для каждой MS);

- Блочные коды с коррекцией ошибок: коды Боуза - Чоудхури - Хоквингхема (БЧХ) - в теории кодирования это широкий класс циклических кодов, применяемых для защиты информации от ошибок.

- Коды Уолша, чередование блоков и другие;

- Добавление бита четности в конце каждого блока данных.

Например, один бит - единица (бит четности) добавляется к 7-битовому пакету.

В результате добавления получается 8-битовый знак, при этом необходимо отметить следующее:

-положительная четность - если сумма всех единиц в знаке имеет положительное значение, следовательно, ошибки нет - используется в синхронных системах;

-отрицательная четность - если сумма всех единиц в знаке имеет отрицательное значение (нечетность), ошибки нет - используется в асинхронных системах.

GSM - Global System for Mobile - цифровые системы сетей сотовой связи второго поколения - 2G

В Европе задача внедрения скоростных цифровых систем осложнялась наличием множества несовместимых аналоговых систем. Выходом из проблемы стала разработка единого общеевропейского стандарта - GSM:

GSM 900 - диапазон 900,0мГц.

GSM 900 использует 124 полнодуплексных канала, обеспечивает полный международный роуминг, автоматическое определение местонахождения, контроль доступа, кодирование в беспроводных каналах связи, эффективное взаимодействие с системами цифровых сетей с интеграцией обслуживания (услуг) – ЦСИО (ЦСИУ - ISDN) и хорошее качество звука.

Практическое применение стандарта GSM 900 началось в ~1991г.

Новые цифровые каналы управления введены в стандарте EDGE (EDGE/ GSM), или временный стандарт IS-136, который внедряется с 1996г. При этом сохранена совместимость IS-136 с N-AMPS и D-AMPS (IS-54), расширены функциональные возможности системы.

Стандарт GSM 1800 с новым частотным диапазоном 1800,0мГц получил название: PCS (Personal Communications Services) - сервис персональной связи (персональные службы связи). Идея PCS: превратить сеть сотовой связи во всепроникающую телекоммуникационную технологию. Ячейки системы PCS мельче, мобильные станции - MS дешевле, чем в других системах сотовой связи, система позволит устанавливать соединение с абонентами любых сетей в любое время и из любой точки Земли.

Отличие GSM 1800 от исходной системы GSM 900 не столько техническое, сколько маркетинговое при технической поддержке:

более широкая рабочая полоса частот в сочетании с меньшими размерами ячеек (сот) позволяет строить сотовые сети связи значительно большей емкости, при этом расчет был на систему мобильной связи с компактными, удобными и не дорогими мобильными станциями MS.

Новая система сначала получила название DCS 1800 - Digital Cellular System - цифровая сотовая система. Первоначально использовалось также наименование PCN - Personal Communications Network, что в переводе означает "сеть персональной связи". Система PCN внедрена в 1993 г., а в 1996 г. переименована в GSM 1800.