3. Построение транкинговых систем.

При построении крупных межрегиональных систем в транкинговых сетях может быть предусмотрена возможность роуминга, т.е. использование радиостанций в других пунктах

Однозоновая система

Первоначально транкинговые системы строились по однозоновому принципу, когда весь канальный ресурс закреплялся за одной центральной станцией. Антенна такой станции обычно располагалась по принципу маяка – в наиболее высокой точке предполагаемой зоны обслуживания.

Рис. 10 Обобщенная структурная схема однозоновой транкинговй сстемы

Построения однозоновой системы:

Приемопередатчик каждого канала контролируется специальным блоком управления – контроллером. Максимальное число каналов на центральной станции – 24, причем один из них управляющий. Для приведения сеанса связи он предоставляет любой из свободных каналов системы. Общее взаимодействие системы осуществляется через блок сопряжения.

По общей шине передачи данных он соединен с контроллерами каналов, обеспечивая функциональное управление, учет и тарификацию соединений, а так же контроль ее состояния и конфигурацию через терминал управления SYSCON. Терминал может подключаться непосредственно через порт RS 232 или, если вы хотите заслужить репутацию прогрессивного молодого специалиста, по модему.

Несмотря на сравнительную простоту однозоновых систем как при установке, так и в эксплуатации, они имеют два существенных недостатка:

А. Единственным способом увеличения числа обслуживаемых абонентов является увеличение число рабочих каналов. При ограниченной зоне обслуживания это приводит к увеличению числа радиостанций, работающий со значительной мощностью, что, в свою очередь, делает эфир похожим на рыночную площадь, т.е. ведет к сильным помехам. Но даже если решится увеличить число каналов, следует иметь в виду, что их число все равно не бесконечно.

Б. Другой недостаток – это невозможность расширения зоны обслуживания.

Построение однозоновой системы практически не зависит от рабочего диапазона частот и определяется требованиями к числу каналов, минимально возможным разносом частот приема и передачи, а также шагом сетки приемных и передающих частот. Также важно назначение системы, т.е. какой стандарт, выбран для работы в системе (SmarTrunk, MPT-1327, LTR и т.п.) будет ли организовано подключение к телефонной сети общего пользования (ТфОП) и предполагается ли дальнейшее расширение системы по числу каналов или зоне обслуживания.

Для упрощения систему можно разделить на две части: антенно-фидерные устройства и базовое приемопередающее и коммутационное оборудование.

Возможные варианты построения антенно-фидерного тракта.

А. Наиболее простой и дешевой станции (БС) системы, в которой каждый передатчик и каждый приемник имеет свою антенну. Он относительно дешев, по этому получил распространение на заре развития транкинговых систем. Приемлем только для малоканальных (на 1-2 канала) систем с малым радиусом обслуживания, поскольку трудно установить рядом много антенн.

Поскольку разнести антенны в пространстве на необходимое расстояние довольно сложно, приходится использовать малоэффективные, уменьшающие радиусы действия, антенны и включать на выходе передатчиков дополнительные устройства, для устранения интермодуляционных помех. Обычно это полосовые фильтры на основе объемных резонаторов. Если шаг сетки частот достаточно мал (<200 – 300 Кгц ), приходится дополнять фильтры изоляторами или использовать специализированные полосовые фильтры с изоляторами. Фильтрующие устройства (преселекторы) необходимы и на входах приемников, чтобы они не “забились” сигналами передатчиков.

Если применять качественные фильтрующие устройства, стоимость такого варианта построения резко возрастает, т.е. теряется единственное его преимущество. К тому же развивать систему можно, только устанавливая дополнительные антенны. Поэтому в настоящиее время этот вариант не используется.

Б. Технически значительно лучший способ, позволяющий оптимизировать число антенн и оптимальный по соотношению цена / качество для систем имеющих четыре – шесть каналов.

В этом варианте каждый передатчик работает на свою антенну, а приемники работают на одну антенну через распределительную панель с преселектором и предварительным усилителем (для компенсации затухания в антенном кабеле и преселекторе). В результате появляется возможность применять высокоэффективные многоэлементные вибраторные антенны или фазированные антенные решетки и устанавливать предварительный усилитель непосредственно у антенны с дистанционным питанием по коаксиальному кабелю, что позволяет получить наилучшее соотношение сигнал / шум.

Применение только одного селектора минимизирует стоимость системы при достаточно высоких параметрах.

В этом случае, как и в первом варианте нужны дополнительные фильтрующие устройства на выходе передатчиков для устранения интермодуляционных помех. Требования к ним аналогичны описанным выше. Так как каждый передатчик работает на свою антенну, снижаются требования к подбору их частот, т.е. шаг сетки частот передачи может быть большим или нерегулярным. Но при шаге менее 200 – 300 Кгц могут потребоваться изоляторы в тракте передатчика. Они обеспечат необходимую степень развязки и устранят интермодуляцию, но это может сильно повысить стоимость системы.

Из недостатков можно отметить необходимость размещения достаточно большого числа антенн, то может оказаться затруднительным при необходимости установки их на мачте и работе в диапазоне VHF. Тем не менее, это один из самых популярных вариантов для систем емкостью до 4 каналов и работе в диапазонах VHF и UHF.

Многозоновая система.

Предположим, что появилась большая группа пользователей, желающих воспользоваться услугами такой системы, но находящимся на расстоянии, как минимум в два раза превышающим радиус действия системы.

Для решения этой проблемы было предложено разделить предполагаемую территорию обслуживание на несколько зон большого или малого радиуса действия. Эта связь получила наименование сотовой. Далее речь пойдет не о системах сотовой связи, а лишь о способе организации системы. Среди построенных по такому принципу систем наибольшее распространение получили системы на основе спецификации MPT-1327. Этот стандарт хорош тем, что:

А. Как открытый стандарт, он позволяет снизить цены на продукцию за счет конкуренции большого числа производителей.

Б. Модульный принцип построения позволяет плавно улучшать систему от простой однозоновой до многозоговой с

большой обслуживаемой территорией. Добавление и закрытие каналов и центральных станций не требуют

внесения изменений в программное обеспечение или выключения питания существующего оборудования.

В. Гибкость системы, обуславливающая легкость конфигурирования – в том числе с помощью обычной или портативной ЭВМ через встроенный порт обмена данными. Вы берете свой ноутбук… и все. Больше для изменения конфигурации ничего не нужно.

Г. Возможность полного учета и, если необходимо, тарификации всех соединений.

Д. Технические параметры управления могут быть заданы для каждой конкретной центральной станции. Они могут автоматически изменятся, в зависимости от времени суток или для недели, оптимизируя тем самым функционирование системы.

Построение многозоновой системы:

Строится путем объединения центральных станций. Ее сердце – центральный узел, на который возложены все функции управления. В состав узла входят центральный процессор и коммутатор разговорных каналов. При этом центральный процессор может управлять до 10 центральными станциями по обычным проводным линиям через порты RS 232. Коммутатор осуществляет соединение разговорных каналов в соответствии с командами, поступившими из центрального процессора.

Многозоновые системы могут иметь либо радиальную, либо линейную структуру.

Рис.11 Обобщенная структура транкинговой системы с распределенной межзональной коммутацией

Линейные многозоновые системы.

Изначально имеют ярко выраженный производственно – технологический характер, поэтому выполняются в малоканальном варианте (обычно не более 4-х каналов). Так как протяженность подобных систем составляет до нескольких сотен километров, в них применяется чередование частот (как правило, трех).

Для построения многозоновых систем используется кабельная или радиорелейная линия связи со сквозным телефонным каналом. Причем зоновое приемопередающие оборудование располагается в месте установки регенераторов в кабельных линиях связи или в местах переприема в случае радиорелейных линий связи. Построение многозоновых линейных систем возможно в двух вариантах.

Первых предназначен для одно-, двухканальных систем с небольшой нагрузкой. Его отличительной особенность является использование одного контроллера для все линии связи. В результате получается одноканальная система большой протяженности, в которой абоненты могут связаться друг с другом независимо от местоположения и имеют возможность для выхода на АТС или диспетчера.

Рис.12 Обобщенная структура транкинговой системы с централизованной межзональной коммутацией.

По сигналу с контроллера включаются передатчики по всей линии связи, аналогично НЧ сигналу с контроллера подается одновременно на все передатчики. Сигнал, появляющийся на любом из базовых приемником, подается на вход контроллера.

Как дополнительное достоинство данного варианта можно отметить возможность контроля разговоров диспетчером, что необходимо в аварийных ситуациях. Применение данной системы оптимально при обеспечении связью аварийных бригад на нефтепроводах или линиях электропередачи.

Второй вариант технически более совершенен и позволяет стоить системы большей емкости. Здесь линия связи используется только для можзогового обмена, что позволяет объединить зоны с произвольной конфигурацией и числом каналов.

Число каналов в каждой зоне выбирается по числу работающих в ней абонентов, а число межзоговых линий связи – по числу абонентов, которым требуется связь между зонами. В такой системе может существовать деление на две группы абонентов – с правом роуминга и работающих только в своей зоне. В качестве достоинства можно отметить возможность организации выхода абонентов на АТС каждой зоны.

Третий вариант аналогичен построению линейной системы с одним контроллером на несколько зон, но в отличии от него имеет не линейную, а звездообразную структуру с сохранением той же идеологии построения.

Здесь также как и в первом варианте, существует возможность автоматического роуминга с использованием только зонового оборудования, но при переезде из зоны в зону связь прерывается. Так же в соседствующих зонах необходимо использовать разные частоты. Можно объединить достаточно удаленные друг от друга зоны, которые нельзя перекрыть одним передатчиком.

Построение крупных межрегиональных систем.

Можно объединить через межрегиональный процессор до 16 систем MPT-1327, осуществляя коммуникацию разговорных каналов через дополнительный коммутатор. Стандарт MPT-1327 удовлетворяет всем основным требованием, предъявленным к стандартам подобного рода: он обеспечивает вам возможность широкого выбора аппаратного обеспечения различных производителей и объединение разразненых сетей в единую. Кроме того, системы, основанные на данном стандарте, не просто эффективны, но и выгодны экономически. Во многих системах предусмотрена проверка каждой радиостанций на право пользование связью при каждом вызове, что обеспечивает достаточно эффективную защиту информации.

Контрольные вопросы

1.В чем состоят основные архитектурные принципы построения транкинговых систем и перечислите её составляющие и что такое «транкинг»?

2.Приведите обобщенную структурную схему однозоновой транкинговой системы и поясните назначение её составляющих.

3. Как осуществляется в транкинговых системах связи поиск свободного канала?

4. Приведите структурную схему транкинговой системы с распределенной и централизованной межзональной коммутацией;

5.Приведите структурную схему сети Multi - Net LTR с фиксированным распределением каналов и поясните её работу.

Лекция 3

Стандарты в системах транкинговой радиосвязи. Цифровые стандарты транкинговой связи.

Стандарты в системах транкинговой радиосвязи.

Для совмещения различных систем транкинговой радиосвязи необходимо, как известно, использовать единый стандарт. В качестве такого большинство операторов и производителей выбрали как открытый, стандарт, разработанный в Великобритании министерством почт и телекоммуникаций MPT 1327 (Ministry of Post and Telecommunication), который в основном нормирует протокол сигнализации. Он может быть применен в сетях PMR и PAMR различной конфигурации и для различных частотных диапазонов. Радиоинтерфейс подвижной станции использует протокол MPT 1343, а базовый - протокол MPT 1347. В цифровых системах PMR и PAMR формат кода синхронизации определяется протоколом 1317. Структура протокола MPT 1317, включающая протокол МРТ 1327 представлена на рис.14.

Рис.14 Структура протокола MPT 1317.

Стандарт MPT 1327 регламентирует формат на сигнализацию при условии, что информационные сообщения передаются по аналоговому радиоканалу. Базовая структура формата сигнализации приведена на рис. 15 и представляет собой цифровую бинарную последовательность, передаваемую со скоростью 1200 Бит/с с использованием частотной манипуляцией типа FFSK (Fast Erequency Shift Keying).

Формат сигнализации начинается с интервала LET длительностью 5 мс, что соответствует 5 бита. За это время передатчик должен развить 90 % максимальной мощности и быть готовым к осуществлению процесса модуляции. Далее следует преамбула, состоящая из 16 бит и представляет собой меандровую последовательность "1 " и "0", оканчивающуюся "0", которая служит для обеспечения тактовой синхронизации канала связи.

Затем передается (Message), состоящее из совокупности синхропоследовательностей, кода адреса, одного или более кодовых слов данных. Заканчивается формат сигнализации битом согласования (H), который представляет собой "1" и "0" в зависимости от последнего звонка, содержащегося в сообщении кодового слова.

Синхропоследовательность формата "Message" служит для обеспечения цикловой синхронизации и состоит из 16 бит. Форма синхропоследовательности для канала управления и канала связи различна и является инверсной относительно друг друга, как показано на рис. 2.6. За синхропоследовательностью следует кодовое слово, состоящее из 64 бит.

Рис.15 Базовая структура формата сигнализации.

Кодовое слово может быть двух типов: несущее адрес и данные. Для их отличия служит первый Бит. Если передается "1", то это адресное кодовое слово, передача "0" соответствует кодовому слову данных. Информационное поле начинается со второго Бита и кончается 48. Следующие 16 Бит, начиная с 49, являются проверочными и служат для контроля ошибок.

Радиоинтерфейс и контролер базовой станции транкинговой системы связи соответствуют стандарту 1347, а требования к абонентскому радиооборудованию определяется стандартом MPT1343.

В соответствии с стандартом MPT1347, передатчик базовой станции должен обеспечивать формирование радиосигналов с разносом частот 12,5 кГц. Причем, нумерация каналов начинается с 58 и заканчивается 560 в диапазоне частот от 201, 2125 МГц до 207, 4875 МГц.

Абсолютная нестабильность не должна превышать +- 1 кГц, а максимальная девиация частот +-2,5 кГц. Речевые сообщения передаются фазовой модуляцией, а при передаче цифровых сообщений используются тональные поднесущие и FFSK модуляция.

Согласно стандарту, при передаче цифровых сообщений, параметры модуляции должны соответствовать следующим требованиям:

1. В полосе канала уровень сигнала не должен превышать минус 35 дБ.

2. Скорость передачи равна 1200 бит/с.

3. Частоты поднесущих:

• передача "0" соответствует 1800 Гц,

• передача "1" соответствует 1200 Гц.

4. Неравномерность АЧХ модулятора должна быть менее 1,5 дБ.

5. Максимальная девиация частоты:

• нормальные условия 1,5 кГц +- 250 Гц,

• предельные значения 1,56 кГц +- 500 Гц.

Приемное устройство базовой станции при разносе частот 12,5 кГц принимает сигнал по одному из каналов от 58 до 560 в диапазоне частот 193, 2125 - 199,4875 МГц. Абсолютная нестабильность частот не должна превышать +- 1 кГц, а неравномерность АЧХ в полосе 300 Гц - 2,55 кГц, не более +- 3 дБ.

Стандарт MPT 1343, определяющий требования к радиоинтерфейсу абонентских станций, соответствует перечисленным требованиям к радиоинтерфейсу базовой станции, за исключением к нестабильности частоты, который допускает плюс-минус 1,5 кГц.

Для передачи данных по радиоканалам речевых сообщений транкинговых систем, используется протокол MAP 27 (Mobil Access Protocol) (рис.16), который позволяет подключать к радиостанциям терминалы данных, ЭВМ и другие цифровые системы, согласованные с протоколами МРТ.

Рис.16 Протокол MAP 27

Цифровые стандарты транкинговой связи.

Цифровая транкинговая связь сегодня стала реальностью. Переход от классических аналоговых систем конвенциональной и транкинговой радиосвязи к системам цифровой радиосвязи, есть естественный эволюционный этап развития. Цифровые технологии позволили реализовать давние потребности аналоговых систем радиосвязи и поднять профессиональную мобильную радиосвязь на новый качественный уровень.

Одним из первых цифровых стандартов является стандарт EDACS (Enhanced Digital Access Communication System), разработанный фирмой Ericsson. Первоначально он предназначался для аналоговой передачи речи, однако в последствии был модифицирован в цифровой.

Система на основе стандарта EDACS может быть однозоновой и многозоновой и состоит из базовой станции (BTS), удаленных пунктов разнесенного приема, многостанционного координатора (для многозоновой конфигурации) и абонентского оборудования. BTS помимо приемопередающего ретранслятора (PT) и распределенного устройства управления (УУ), может содержать компьютер централизованного управления, диспетчерские пульты (ДП) и интерфейс к ТФОП.

В системе осуществляется частотное разделение каналов с использованием высокоскоростного (96 Кбит/сек) выделенного канала управления (КУ), необходимы для обмена информаций между MS и УУ. Наличие такого КУ позволяет оперативно организовывать канал связи (например, в однозоновой системе это время не превышает

0,25 с). Следует отметить также, что скорость передачи информации в рабочем канале равна 9,6 кбит/сек.

Система EDACS позволяет организовывать транкинг передачи и сообщений.

1. Транкинг сообщений позволяет удерживать канал связи на протяжении всего разговора.

2. Транкинг передачи позволяет удерживать канал связи только на время произнесения абонентом фраз разговора.

Первый способ традиционен для систем связи и обязательно используется во всех случаях дуплексной связи или соединения с ТФОП.

Второй способ используется только при дуплексной работе MS, в этом случае передатчик включается только во время произнесения абонентом фраз разговора. В паузах между окончанием фраз одного абонента и началом другого абонента, передатчик MS выключен, что позволяет высоко эффективно использовать трафик канала связи. Однако снижается комфортность разговора. Например, в состояние высокой нагрузки канал предоставляется с некоторой задержкой, что приводит к фрагментации и раздробленности разговора.

Для увеличения пропускной способности системы большинству абонентов, как правило, разрешается только транкинг передачи. При этом процесс представления каналов оптимизирован таким образом, что качества радио - переговоров сохраняется.

Для передачи данных используется протокол транспортного уровня RDI (Radio Data Interfase), позволяющий обнаруживать и корректировать ошибки, подтверждать прием и автоматически повторять передачу.

При многозоновом покрытии обслуживается большая территория путем использования топологической схемы "звезда", в центре которой находится многостанционный координатор (MSC), а на концах лучей-зональные BTS.Максимальное количество зон в сети составляет 32.

В многозоновой сети поддерживается единая сквозная нумерация, а многостанционный координатор отслеживает текущее положение абонентов в зонах. Для этой цели используется автоматическая регистрация абонентов. Критерием перерегистрации является потеря связи с каналом управления (КУ).

На BTS для каждой зоны может быть установлено до 20 РТ и любой из рабочих каналов может быть использован как управляющий. Такая замена возможна в связи с тем, что каждый РТ способен передавать как аналоговый речевой сигнал, так и цифровую информацию со скоростью 9600 бит/сек. Кроме того, каждый РТ оснащается интеллектуальным УУ, заменяющий ретранслятор КУ в случае выхода его из строя.

В зависимости от потребностей, BTS может быть укомплектован различным дополнительным оборудованием, что позволяет повысить уровень системы и набор предоставляемых возможностей.

Дальнейший модернизацией системы EDACS, стала выпущенная фирмой Ericsson в 1996 г. цифровая транкинговая система EDACS ProtoCall, которая может использовать также радиоинтерфейс ТDМА. В этом случае на одной несущей частоте передаются один, два или четыре разговорных канала. Шаг сетки частот, как и прежде, равен 25 кГЦ, но эффективная полоса частот, в зависимости от числа передаваемых каналов будет составлять 25 кГЦ (1 канал), 12,5 кГЦ (2 канала) и 6,25 кГЦ (4 канала).

Радиочастотное оборудование системы EDACS ProtoCall рассчитана для работы в диапазоне 800 МГц и 900 МГц. Передача речи возможна как в аналоговой, так и в цифровой форме. Вместе с тем не предусматривается выделение цифровых частотных каналов или каналов ПД.

Перевод системы EDACS на EDACS ProtoCall, возможен путем автоматизированного преобразования базы данных (БД), а использование TDMA может осуществляться по мере возрастания нагрузки, причем на каждом частотном канале в отдельности.

Транкинговая система связи стандарта APCO 25

Стандарт разработан Ассоциацией официальных представителей служб связи органов общественной безопасности APCO, которая объединяет пользователей систем связи, работающих в службах общественной безопасности и объединяет пользователей правоохранительных органов около 70 стран.

Особенностью стандарта APCO 25 является открытость архитектуры, позволяющая обеспечить взаимодействие между различными подразделениями, которые характерны для служб обеспечения безопасности.

Стандарт предусматривает два этапа перехода к цифровой передачи речи. Сначала используется сетка частот с шагом 12,5 кГЦ, а затем уменьшается до 6,25 кГц. Разделение каналов в обоих случаях осуществляется только методом FDMA, а скорость ПД в разных каналах равна 9,6 кБит/с.

Речевой сигнал преобразуется в цифровой, с использованием IMBE (Improved MultiBand Excitation - модифицированный метод многополосного возбуждения), который позволяет получить цифровой поток со скоростью 4400 бит/с. Добавление символов, для помехоустойчивого кодирования, увеличивает скорость информационного потока до 7200 бит/сек, а после добавления служебной информации и формирования речевых кадров, скорость достигает 9,6 кбит/сек. В протоколе радиоинтерфейса предусматривается низкоскоростной канал сигнализации, позволяющий одновременно с речью, передавать данные со скоростью 88,89 бит/сек.

В стандарте предусмотрены механизмы обеспечения безопасности связи, аутентификации абонентов и сообщений и системы управления ключевой информацией. В основе всех лежит криптографические шифрование информации.

Стандарт описывает систему связи APCO 25, как совокупность всех составных частей системы подвижной радиосвязи: MS (носимых и автомобильных), BTS, PПС и терминалов ПД и диспетчерские пульты, взаимодействующих между собой с помощью различных интерфейсов. Основным функциональным блоком системы является радио подсистема РПС (RFSS - RF Sub System), определяемая как сеть связи, построенная на основе одной или нескольких BTS и может включать любое количество мобильных и стационарных абонентских радиостанций. РПС должна обеспечивать обработку стандартных системных вызовов и поддерживать ряд интерфейсов. Обобщенная модель РПС стандарта APCO - 25 приведена на рис. 17.

В спецификациях открытых интерфейсов стандарта, указываются физические и электромагнитные параметры, протокол обмена информацией, пропускная способность, правила технического обслуживания, эксплуатационные характеристики и т.п, что обеспечивает совместимость оборудования различных производителей.

Радиоинтерфейс

Соблюдение всех требований к общему радиоинтерфейсу (CAI) стандарта APCO 25, обозначаемый как Um, позволяет обеспечить совместимость абонентного оборудования различных производителей. В семиуровневой модели цифровой передачи данных OSI, интерфейс Um работает на 1 -м (физическом) и 2-м (канальном) уровнях, причем канальный уровень подразделяется на субуровни LLC - управления логическими соединениями, и MAC - управления доступом к среде. На рис.18 приведена модель радиоинтерфейса Um.

Рис.17 Обобщенная модель РПС стандарта APCO — 25

Рис.18 Модель радиоинтерфейса Um

Общий радиоинтерфейс регламентирует:

• Частотный разнос между каналами;

• Скорость битового потока в канале;

• Вид и параметры модуляции;

• Процедуры канального доступа;

• Структуру передаваемой информации;

• Канальное кодирование;

• Речевое кодирование.

Структура речевого сообщения в стандарте APCO 25 приведена на рис. 19. Речевая преамбула предназначена для начальной синхронизации передающей и приемной MS, инициализации всех функций шифрования и передачи адресной информации. Преамбуле предшествует начальный синхропакет (FS) длиной 48 бит, затем передается идентификатор сети (NID), необходимый для предотвращения конфликтов между радиостанциями различных сетей, работающими на одной частоте (64 бита), далее следует сама преамбула и заканчивается 10 нулевыми битами.

Рис.19 Структура речевого сообщения в стандарте APCO 25

Преамбула в свою очередь представляет собой слово заголовка и содержит:

• Индикатор сообщения (MI), характеризующий начальные условия для алгоритма шифрования (72 бита);

• Идентификатор изготовителя (MFID), содержащий специальный код производителя оборудования, который используется в случае, когда в речевые сообщение включаются какие либо нестандартные особенности (8 бит);

• Идентификатор алгоритма (ALGID), используемый для определения типа алгоритма шифрования (8 бит);

• Идентификатор ключа шифрования (KID) (16 бит);

• Идентификатор разговорной группы (TGID) (16 бит);

Все кодовое слово длиной 120 бит подвергается помехоустойчивому кодированию и его размер увеличивается до 648 бит. Окончательно структура преамбулы формируется путем вставки 2 бит статусной информации после каждых 70 бит пакета данных преамбулы (770 бит), получившихся после добавления синхропакета, идентификатора сети и нулевых бит (всего добавляется 22 статусных бита). Результирующая длина преамбулы составляет 792 бита, которая по каналу со скоростью 9600 бит/сек передается за 82,5 мс.

За преамбулой следует цифровой речевой сигнал, передаваемый кадрами длительностью 180 мс. Два речевых кадра образуют суперкадр длительностью 360 мс, а передача заканчивается маркером конца сообщения (сигнал отбоя).

Речевой кадр (логический блок данных) состоит из 9 речевых фреймов длиной 144 бита (один фрейм равен 16 битам). Их них 88 информационных бита несут информацию о 20мс отрезка речевого сигнала, полученного преобразованием с помощью кода IMBE. Оставшиеся 56 бита является корректирующим кодом контроля четкости. В состав LDI входят также служебные сообщения. В LDI-1 передается информация управления каналом связи (LC-Link Control), которая состоит из 72 битов информации и 168 бит корректирующего кода, а также информация низкоскоростного канала сигнализации (LSD-Low Speed Data), состоящая из 16 бит данных и 16 бит корректирующего кода. В LDI-2 также содержится информация LSD и кроме этого синхрослово шифрования (ES) состоящее из 96 информационных бит и 144 бит корректирующего кода.

Информация, передаваемая для управления каналом связи, отличается для групповых и индивидуальных вызовов. В первом случае она включает : идентификатор формата LCF (Link Control Forman) состоящий из 8 бит; идентификатор производителя MFID - 8 бит; признак экстренного вызова (аварийный бит) - 1 бит; резервное поле - 15 бит; идентификатор разговорной группы TGID - 16 бит; идентификатор источника сообщения (Source ID) - 24 бита.

Для индивидуального вызова идентификатор сообщения состоит также из 8 бит и отличается кодом, признак экстренного вызова отсутствует, резервное поле имеет размер -8 бит, а вместо идентификатора разговорной группы передается код получателя информации (Destination ID), состоящий из 24 бит.

Структура поле кода для группового и индивидуального вызова приведена на рис. 20. Информация, содержащаяся в поле кода управления каналом связи, кодируется с помощью кодов Рида - Соломона и Хемминга и формируется кодовое слово LC длиной 240 бит.

Слово для синхронизации алгоритма шифрования (FS) состоит из 96 бит и включает индикатор сообщения MI (72 бита), идентификатор типа используемого алгоритма шифрования ALGID (8 бит), идентификатор ключа шифрования KID (16 бит). Затем осуществляется кодирование синхрослова кодом Рида - Соломона, что увеличивает его до 144 бит, а применение кодирования Хемминга окончательно доводит размер синхрослова ES до 240 бит.

LCF	MFID	Аварийный	Резерв	TGID	Source ID
8бит	8бит	бит	15 бит	16 бит	24 бит
а) групповой вызов
LCF	MFID	Резерв	Destination ID		Source ID
8 бит	8 бит	8 бит	24 бита		24 бит

в) индивидуальный вызов

Рис.20

Низкоскоростные каналы данных сигнализации LSD используют 32 информационных бита, что соответствует скорости 88,89 бит/сек. Информационные бита далее кодируются с помощью кода Голея, что доводит посылки сигнализации до 64 бит. Следует также отметить, что назначение этого канала еще окончательно не определен, но можно предполагать, что канал может быть использован для передачи сигналов местоположения подвижных объектов.

Окончательная структура суперкадра представлена на рис. 21. Первый и второй речевые кадры состоят из последовательности 9 речевых фреймов длиной 144 бита, в которые вставляется дополнительная информация. Оба кадра начинаются с синхропакета FS (48 бит) и сетевого идентификатора NID (64 бита). В речевые фреймы с VC-3 по VC-8 включаются по 4 - 10 битовых слова, несущие информацию об синхрослове шифрования ES. Низкоскоростные два 16 - битовых кода, канала сигнализации, вставляются перед речевым фреймом VC-9 первого кадра и VC-18 второго кадра. В результате длина каждого речевого кадра становится равной 1680 бит. Затем в оба речевых блока, через каждые 70 бит, вставляются статусные символы и окончательная длина становится равной 1728бит с длительностью 180 мс при скорости передачи 9600 бит/сек.

Каждый сеанс заканчивается сигналом отбоя, который представляет собой маркер простой или сложной конструкции. Первый состоит из 140 бит и включает начальный синхропакет Fs (48 бит), идентификатор сети (рис. 22а) NID (64 бита), и дополняться 28 нулевыми битами. Второй состоит также из FS и NID, но добавляется еще 288 бит (рис. 22 б) информации управления каналом связи LC и все это дополняется 20 нулевыми битами. В результате длина составляет 420 бит

Рис. 21 Структура суперкадра

Рис. 22 Структура маркера отбоя

Контрольные вопросы

1.Что нормирует протокол МРТ 1327 и приведите его структуру? 2.Приведите протокол формата кода синхронизации в цифровых системах

PMR и PAMR и протоколы используемые в радиоинтерфейсах подвижной и базовой станций?

3.Приведите основные характеристики стандарта EDACS и EDACS ProtoCall. 4.Приведите и поясните обобщенную модель РПС стандарта APCO - 25 и модель радиоинтерфейса Um и что он регламентирует? 5.Приведите и поясните окончательную структуру суперкадра стандарта APCO - 25

Лекция 4

Транкинговая система связи стандарта TETRA

Транкинговые стандарты TETRAPOL и IDEN

Транкинговая система связи стандарта TETRA

Несомненным лидером среди цифровых транкинговых стандартов является стандарт TETRA. Прежде всего, это объясняется следующими преимуществами:

- стандарт TETRA является открытым стандартом, что привлекает большое количество производителей оборудования, обеспечивает адекватный уровень цен и независимость от конкретного производителя. Спецификации стандарта доступны для участников ассоциации "Меморандум" о взаимопонимании и содействии стандарту TETRA (TETRAMoU). Это является принципиальным моментом для происхождения требований COPM;

- стандарт TETRA является единственным цифровым транкинговым стандартом, разработанным Европейским институтом телекоммуникационных стандартов ETSI;

• высокой спектральной эффективностью, позволяющей организовать четыре логических соединения на одном частотном канале, за счет использования технологии компрессии речевого потока с высокой степенью сжатия данных и технологии TDMA (временного разделения каналов), и обеспечивающий оптимальное построение сети связи с интенсивным трафиком на ограниченной территории;

• стандарт TETRA предоставляет широкие возможности по передаче данных в режимах коротких сообщений (SDS), коммутации каналов и коммутации пакетов, что позволяет организовать доступ к сети Интернет (IP over TETRA) с использованием таких приложений как телеметрия, мониторинг мобильных объектов, передача видео изображений, электронная почта, передача файлов, WAP и т.д.;

- стандарт TETRA разрабатывался с учетом требований служб общественной безопасности и правоохранительных органов, поэтому особое внимание уделено таким аспектам обеспечения безопасности связи как шифрование информации, аутентификация абонентов, защита от несанкционированного доступа. По заявке Ассоциации европейской полиции (Schengen Group) в стандарт введены такие услуги как: вызов, санкционированный диспетчером; приоритетный доступ; приоритетный вызов; избирательное прослушивание; дистанционное прослушивание и динамическая перегруппировка и ряд других;

- стандарт TETRA обеспечивает высокую оперативность связи, характеризуемую малым (менее 0,5 сек) временем установления канала связи между корреспондентами. Предусмотрен также режим открытого канала, когда для группы абонентов может быть выделен логический канал связи и доступ в канал обеспечивается без установочной процедуры;

• стандарт TETRA обеспечивает так называемый режим прямой связи (DMO) между корреспондентами без использования базовых станций, что особенно важно для служб общественной безопасности. При этом станция может находится в режиме "двойного наблюдения" (Dual Watch), одновременно готовая принять вызов как по транкинговому каналу так и по каналу DMO;

• проекты стандарта TETRA легко масштабируются из системы с малым количеством базовых станций и радиоканалов в крупную систему ведомственного и федерального уровня.

План развития "TETRA Фаза 2", принятый в конце 2000 года, позволит обеспечить полное перспективное взаимодействие между стандартом TETRA и другими официальными стандартами - GSM, GPRS и UMTS.

Стандарт TETRA подразделяется на две спецификации:

• TETRA Voice + Data (TETRA V + D);

• TETRA Packet Data Optimized (TETRA PDO).

TETRA V + D является стандартом на интегрированную систему передачи речи и данных. TETRA PDO - стандарт ориентированный только на передачу данных.

Рабочие частоты стандарта TETRA находятся в диапазоне от 150 МГц до 900 МГц в стандартной сетке частот с шагом 25 кГц. Разнос частот передачи и приема равен 10 МГц. Радиосигнал передается с использованием относительно фазовой модуляции типа П/4 -DOPSK с постоянной огибающей. Для передачи речи в стандарте TETRA V + D используется кодекс алгоритмов CELP и скоростью передачи 4,8 кбит/с. До модулятора к речевому потоку добавляется корректирующий код, затем осуществляется межблочное перемежение и полная пропускная способность одного канала составляет 7200 бит/с.

В стандарте TETRA PDO скорость передачи данных составляет 28,8 кбит/с, и может производиться по схемам "точка - точка" и "точка - многоточие". Данный стандарт также обеспечивает поддержку протокола Х25 для пользовательских приложений. Предусмотренный в спецификации шлюз с ISDN и PDN обеспечивает возможность взаимодействия с внешними системами передачи данных.

Использование стандарта TETRA не накладывает ограничений на архитектуру сети связи, а применение модульного принципа построения позволяет реализовывать разнообразные конфигурации сетей с различной географической протяженностью.

Сеть TETRA состоит из базовых мобильных станций, устройства управления BTS, контролеров BTS и дистанционных пультов, терминалов ТОЭ регистрирующих время в эфире, вызова и отказы.

Для сетевого обслуживания и межсистемного взаимодействия используются следующие специализированные интерфейсы:

• Air Interface - радиоинтерфейс между BTS и МS;

• Direct Mode Operation - интерфейс прямого соединения между двумя MS;

• Terminal Equipment - интерфейс между MS и терминалом ПД;

• Inter System Interface - межсистемный интерфейс для объединения неосновных систем (включая разных фирм изготовителей) в единую сеть;

• LIN - Connected Stistion Interface - интерфейс для подключения ДП к базовому оборудованию;

• Network Management Center Interface - интерфейс для подключения ТОЭ;

• Gateway to PABX, PSTN, ISDN, PDN - интерфейс для подключения к УАТС, ТФОП, ЦСИС.

Стандарт TETRA позволяет использовать MS в качестве ретранслятора для расширения зоны обслуживания. Система использующий этот стандарт может функционировать в следующих режимах:

- режим транкинговой связи, в этом случае вся территория обслуживания покрывается BTS. При этом канал управления может быть выделенный частотный или распределенный. В первом случае из всех выделенных частотных каналов BTS, один предназначается для обмена служебной информацией. Во втором случае служебная информация передается либо в специально выделенном временном канале (одной из 4 - х каналов, организуемых на одной частоте), либо в контрольном кадре мультикадра (одном из 18).

Каналы для передачи сообщений могут организовываться следующими тремя способами:

1.Транкинг передачи. В этом способе канал выделяется только на время одной транзакции (период передачи приема), для следующий транзакции может быть выделен новый канал.

2.Транкинг сообщений. Канал присваивается в начале передачи и освобождается в конце.

З.Квазитранкинг передачи. Канал предоставляется как и в транкинге передач, однако освобождается с некоторой задержкой, что позволяет уменьшить количество сигналов управления.

• режим с открытым каналом. В этом случае устанавливается соединение "точка -многоточие", т.е. группа пользователей организуют связь, без установочной процедуры. Кроме того, любой абонент может, присоединившись к группе и использовать канал в любой момент. При этом используется режим работы "двухчастотный симплекс".

• режим непосредственный (прямой) связи. Данный режим позволяет устанавливать между терминалами двух и многоточечное соединение по радиоканалам, не связанными с КУ сетью, без передачи сигналов через BTS.

Стандарт TETRA позволяет работать MS в режиме "двойного наблюдения" (Dual Watch), что позволяет обеспечивать прием сообщений об абонентов, работающих как в режиме транкинговой, так и прямой связи. Кроме того, в данном стандарте речь и данные могут передаваться одновременно с одного терминала по разным логическим каналам.

Службы речевой связи, по которым передается речевой сигнал, могут работать в следующих режимах:

- речевая связь с индивидуальным вызовом абонентов, в этом случае обеспечивается коммутируемые двухчастотные соединения между двумя MS или между MS и стационарным терминалом для обеспечения прямой двухсторонней связи в режиме дуплекса или двухчастотного симплекса;

• многосторонняя речевая связь позволяет организовывать групповой вызов абонентов;

• циркулярная связь с широковещательным вызовом, т.е. односторонняя передача речевой информации от вызывающей стороны нескольким вызывающим абонентами.

Речевая связь может быть организована как открытой, так и защищенной при помощи шифрования информации.

В стандарте ПД может организовываться в следующих режимах:

- ПД с коммутации цепей. Данный режим аналогичен речевому обмену. Скорость определяется числом временных интервалов, выделенных для связи, и классом защиты от ошибок;

- Коммутируемые пакеты данных. Транслируются по виртуальным цепям или в виде дейтаграмм;

- Короткие сообщения (до 2048 бит). Передается оперативно, независимо от передачи речи и данных;

Стандарт TETRA представляет также ряд дополнительных услуг, к которым относятся: вызов санкционированный диспетчером; приоритетный доступ; приоритетный вызов и т.д. В стандарте предусмотрено два уровня безопасности передаваемой информации - стандартный низкий - шифруется радиоинтерфейс и высокий, обеспечивается сквозное шифрование от источника до получателя.

Защита радиоинтерфейса обеспечивается аутентификацией абонента и инфраструктуры, конфиденциальности трафика за счет потока псевдоимен и специфицированного шифрования информации. Кроме того, возможно переключение информационных каналов и КУ в процессе ведения сеанса связи.

Сеть стандарта TETRA состоит из следующих основных элементов:

• базовая приемопередающая станция (BTS);

• устройство управления BTS (BCF) - элемент сети с возможностями коммутации, который управляет несколькими BTS и обеспечивает доступ к внешним сетям ISDN, PSTN, PDN, PABX, а также используется для подключения ДП и терминалов ТОЭ;

• контролер BTS - элемент сети с большими по сравнению с BCF коммутационными возможностями;

- ДП устройство, подключаемое к контролеру BTS по проводной линии и обеспечивающее обмен информацией между диспетчером сети и другими пользователями сети;

• мобильная станция - MS;

• стационарная радиостанция (FRS - Fixed Radio Station) - используется абонентами в определенных местах;

• терминал ТОЭ подключается к УУ базовой станции (BCF) и предназначается для контроля за состоянием системы, проведения диагностики неисправностей, учета тарификационной информации и т.д.

Стандарт TETRA, используя модульный принцип построения оборудования, позволяет реализовывать сети с различными иерархическими уровнями и различной географической протяженностью (от локальных до национальных). Применение распределенной функции управления базы данных и коммутацией, позволяет организовать быструю передачу вызовов и сохранять ограниченную работоспособность и при потере связи с ее отдельными элементами.

Национальные и региональные сети TETRA, как правило, реализуются на основе сравнительно небольших подсетей, которые соединяются между собой при помощи межсистемного интерфейса ISI. Подсети представляют собой автономную и самосогласующуюся сеть с возможностью централизованного управления. Один из вариантов построения сети национального или регионального уровня приведен на рис. 23.

В каждой подсети свои функции управления и коммутации, а также возможность централизованного управления сетью более высокого уровня. Структура построения подсети зависит от трафика и требований к эффективности установления связи. Варианты конфигураций наиболее сложны при необходимости резервирования каналов, а простейшая, включает только один модуль BCF.

В сетях стандарта TETRA предусматриваются различные способы обеспечения отказоустойчивости, в частности, используются несколько маршрутов соединения сетей регионального уровня за счет соединения контролеров BTS. В свою очередь для региональных сетей предусматривается взаимное копирование БД в контролерах BTS.

Информационный обмен в системах стандарта TETRA обеспечивается с помощью телесервисных служб. При этом речь и данные могут передаваться одновременно с одного терминала по различным логическим каналам.

Рис.23 Вариант построения сети национального или регионального уровня

Сетевые процедуры предоставляют абонентам основные услуги при работе в сети, а оператору - возможность эффективного управления, и обеспечиваются стандартизированными службами TETRA. Основные сетевые процедуры включают: регистрацию местоположения абонента; роуминг; повторное установление связи; аутентификацию абонентов; автоматические отключение/подключения абонента при отсутствии связи, отключение абонента оператором сети; управления потоком данных. Набор конкретных сетевых процедур используемых в сети, определяются оператором.

Стандарт TETRA предусматривает и дополнительные услуги, обеспечиваемые вспомогательными службами стандарта, которые предоставляются абонентам при включении в список доступных услуг.

Дополнительные услуги условно делятся на специализированные (введенные в стандарт по заявке служб общественной безопасности и правоохранительных органов) и стандартные (предназначенные для всех пользователей, включая коммерческих операторов сетей). Пользоваться этими услугами по соглашению могут все.

К специализированным услугам относятся: вызов, санкционированный диспетчером; приоритетный вызов; приоритетный доступ; избирательное прослушивание; дистанционное прослушивание; динамическая перегруппировка; идентификация вызывающей стороны.

К стандартным услугам относятся: выбор зоны; идентификация номера абонента; сообщение о вызове; изменение маршрута прохождения вызова; вызов с использованием списка абонентов; адресация с использованием коротких номеров; ожидание вызова; удержание вызова; завершение вызова для занятого абонента; передача управления групповым соединением; подключение вызова; ограничение установления вызова; подключение к соединению в течение сеанса связи; информация об оплате.

Радиоинтерфейс стандарта TETRA V + D предполагает использование метода TDMA. При этом на одной несущей частоте организуется четыре разговорных канала. Кадр длительностью 56,67 мс делится на четыре временных интервала - слота, а последовательность из 18 кадров образует мультикадр длительностью 1,02с, причем один кадр является контрольным. 60 мультикадров образуют гиперкадр (рис. 24).

Каждый слот в кадре содержит 510 бит, из них 432 являются информационными (два блока по 216 бит). Для управления излучаемой мощностью, в начале слота передается пакет РА состоящий из 36 бит. За ним передается первый ИБ (216 бит), далее синхропоследовательность SYNC (36 бит) и второй ИБ (216 бит). Соседние слоты разделяются 6 битами GP, что соответствует длительности 0,167 мс.

Рис.24 Структура гиперкадра

Транкинговые стандарты TETRAPOL и IDEN

Фирма Matra Communications создала форум TETRAPOL в 1987 г., для выполнения контракта с французской жандармерией на создание сети цифровой радиосвязи Rubic (запущена в эксплуатацию в 1994 г.). Под эгидой этого форума была разработана спецификация TETRAPOL PAS (Rublicly Available Specifications), определяющая стандарт цифровой транкинговой радиосвязи.

В стандарте предусматривается выделенный КУ и частотный метод разделения каналов. Возможно построение однозоновой и многозоновой сети с различной конфигурацией, а также организация прямой связи между MS без использования инфраструктуры сети и ретрансляции сигналов на фиксированных каналах.

Сети связи на основе стандарта TETRAPOL имеет возможность работы в диапазоне частот от 70 до 520 МГц, которая в свою очередь подразделяется на поддиапазоны ниже 150 МГц (VHF) и выше 150 МГц (UHF). Для этих поддиапазонов, большая часть интерфейсов общая. Отличие состоит лишь в использование различных методов помехоустойчивого кодирования и кодового перемежения.

Дуплексный разнос каналов приема и передачи в стандарте составляют 10 МГц, а частотный разнос между соседними каналами 12,5 или 10 кГц. В дальнейшем возможен разнос равный 6,25 кГц. При разносе 12,5 кГц в сети организуется 400, а при разносе 10 кГц до 500 радиоканалов. При этом в каждой зоне можно использовать до 24 каналов.

Передача в стандарте организуется кадрами длиной 160 бит и длительностью 20 мс, что соответствует скорости передачи информации в канале 8000 бит/с. Далее 200 кадров объединяются в суперкадр длительностью в 4 сек. Окончательному формированию кадра предшествует сверточное кодирование, перемежение, скремблирование и дифференциальное кодирование.

В системах стандарта TETRAPOL используется модуляция GMSK, а для преобразования речи применяется кодек с алгоритмом речепреобразования RPCELP (Regular Pulse CELP анализ через синтез), скорость преобразования составляет 6000 бит/с.

Предусматривается три основных режима связи:

• транкинговая связь - абоненты взаимодействуют между собой через BTS, которые распределяют каналы связи между абонентами. Сигналы управления при этом передаются по специально выделенным для каждой BTS частотным каналам;

• прямая связь, в этом случае обмен информацией между MS производится на прямую без участия BTS;

• ретрансляция связи, взаимодействие абонентов осуществляется через РТ имеющий фиксированный канал передачи и приема информации.

В сетях стандарта TETRAPOL поддерживается передача речи и данных. При речевой связи возможно: широковещательный вызов, вызов установки открытого канала, ГВ, ИВ, множественный вызов с использованием списка абонентов, аварийный вызов.

При передачи данных предоставляется ряд услуг прикладного уровня, поддерживаемых заложенными в радиотерминалах функциями, такими как межабонентский обмен сообщениями в соответствии с протоколом Х.400, доступ к централизованным БД, доступ к фиксированным сетям в соответствии с протоколом ТСР/IP, передача факсимальных сообщений, видеоизображении, сигналов персонального вызова, коротких сообщений, статусных вызовов, поддержка режима передачи получаемых с помощью приемников GPS данных о местоположение объекта, пересылка файлов.

Стандарт предусматривает также стандартные сетевые процедуры, к которым относятся динамическая перегруппировка, аутентификация абонента, роуминг, приоритетный вызов, управление передатчиком абонента, управление "профилем" абонента (дистанционное изменение параметров абонентского радиотерминала) и др.

Кроме того, стандарт представляет также ряд дополнительных услуг, к числу которых относятся приоритет доступа, приоритетный вызов, приоритетное сканирование, вызов, санкционированный диспетчером, переадресация вызова, подключение к вызову и

т.д.

Стандарт TETRAPOL ориентирован для использования в правоохранительных органах и поэтому предусмотрены механизм обеспечивающий безопасность связи. К таким механизмам относятся автоматическая реконфигурация сети, динамическая перегруппировка, переназначения каналов связи диспетчером сети (ДС), управление доступов в систему, сквозное шифрование информации, аутентификация абонентов, использование временных идентификаторов абонентов, имитация активности РА и т.д.

Сети, построенные на основе стандарта TERTAPOL широко используются в странах Европы.

Компания Motorola в начале 90-х годов разработала технологию IDEN (Integrated Digital Enhanced Network) и первая коммерческая система на ее базе была внедрена в США компанией NEXTEL в 1994 г. Технология IDEN является корпоративным стандартом с открытой архитектурой и предназначена для реализации интегрированных систем, обеспечивающих все виды подвижной радиосвязи: диспетчерской связи, мобильной телефонной связи, передачи текстовых сообщений и пакетов данных.

Диспетчерские сети подвижной радиосвязи IDEN позволяет организовывать групповые и индивидуальные вызова, а также обеспечить режима ожидания при занятости вызываемого абонента. Количество групп в IDEN может составлять до 65535, при этом время установления связи группового вызова в полудуплексном режиме не превышает 0,5с.

В сетях IDEN телефонная связь полностью дуплексная, а связь может организовываться по любым направлениям и имеется возможность голосовой почты. Кроме того, возможно передавать и принимать на абонентские терминалы текстовые сообщения и данные, причем в коммутационном режиме со скоростью 9,6 кбит/с, а в пакетном до 32 кбит/с. Пакетный режим ПД поддерживает протокол ТСР/IP.

Система IDEN основана на базе технологии TDMA и в частотном канале шириной 25 кГц организуется 6 речевых канала. Кадр длительностью 90 мс разбивается на 6 интервалов длительностью 15 мс.

Речевой сигнал в системе преобразуется по алгоритму типа VSELP, что позволяет передавать информацию в канале со скоростью 7,2 кбит/с. Суммарная скорость в радиоканале с учетом помехоустойчивого кодирования и добавления управляемой информации составляет 64 кбит/с. Для организации такой скорости в канале с полосой 25 кГц используется 16 - позиционная квадратурная модуляция М16 - QAM.

Частотный диапазон, используемый в системе, стандартный для Америки и Азии и равен 805 - 821, 855- 866 МГц.

Стандарт IDEN позволяет разместить в полосе 1 МГц до 240 информационных каналов, что является наиболее высокой спектральной эффективностью среди рассматриваемых стандартов цифровой транкинговой связи. Однако, из-за малой мощности абонентских терминалов (0,6Вт для носимых и 3Вт для мобильных) размеры зон покрытия BTS меньше, чем в сетях других стандартов.

Архитектура сетей IDEN близка к транкинговым и сотовым системам и позволяет обслуживать большое количество абонентов и интенсивный график. Система позволяет создавать до 1000 виртуальных сетей, в каждой из которых может быть до 65500 абонентов, объединенных при необходимости в 255 группы. При этом каждая из групп абонентов может использовать свою зону связи, обеспечиваемую данной системой.

Контрольные вопросы

1.Назначение и из каких устройств состоит сеть стандарта TETRA?

2. В каких режимах может функционировать и какими способами могут

организовываться каналы для передачи сообщений в стандарте ТЕТРА? 3.В каких режимах могут работать службы речевой связи и как может

организовываться ПД? 4.Приведите вариант построения сети национального или регионального уровней и

дайте пояснение.

5. Приведите структуру гипокадра для радиоинтерфейса стандарта TETRA V + D.

Лекция 5

Рекомендации по выбору стандартов цифровой транкинговой радиосвязи.

Перспективы развития цифровых транкинговых стандартов в мире

Рекомендации по выбору стандартов цифровой транкинговой радиосвязи.

В настоящее время процесс развертывания сетей транкинговой радиосвязи во всем мире характеризуется внедрением цифровых систем.

Практически все ведущие мировые поставщики оборудования, системные интеграторы и операторы, а также многие крупные потребители услуг транкинговой радиосвязи переходят к цифровым системам. Основное соперничество на рынке стандартов, ориентированных не только на обычных корпоративных пользователей, но и на представителей правоохранительных органов и служб общественной безопасности, ведут TETRA, APCO 25 и TETRAPOL.

Если задаться целью предложить как можно больше критериев, по которым можно проводить сравнение цифровых стандартов, то окажется, что таких критериев чрезвычайно много. Однако целесообразно рассматривать те критерии, которые действительно важны для потребителей услуг транкинговой радиосвязи. (Например, вряд ли пользователя волнует используемый метод модуляции сигнала или алгоритм речепреобразования, однако, для него крайне важны такие показатели, как дальность связи и качество воспроизведения речевого сигнала).

Все показатели цифровых стандартов, которые можно рассматривать в качестве критериев для сравнения, с определенной долей условности можно разбить на две группы: эксплуатационно - технические и организационно - экономические.

Под эксплуатационно - техническими критериями понимается обобщенные технические показатели, которые определяются параметрами систем связи, такие, как дальность и оперативность связи, степень безопасности связи, спектральная эффективность, набор услуг связи (как стандартных, так и специальных, ориентированных на использование правоохранительными органами и службами общественной безопасности). Каждый из этих критериев является комплексным, т.е., в свою очередь, складывается из нескольких показателей или зависит от определенного набора параметров.

Дать четкое определение организационно - экономическим критериям достаточно сложно, гораздо проще просто их перечислить. К их числу можно отнести стоимостные показатели систем связи, возможности выделения ресурсов радиочастотного спектра и перспективы развития и распространения в мире каждого из стандартов. По сравнению с эксплуатационно-техническими показателями, эти критерии имеют большую неоднозначность и гораздо более высокую степень субъективизма при их оценке. При этом организационно - экономические показатели в определенной степени зависят от технических, например, на стоимостные показатели существенно влияют дальность связи и спектральная эффективность.

Эксплуатационно - технические критерии. Обобщенные сведения о системах стандартов TETRA, APCO 25, TETRAPOL и их основные технические характеристики представлены в таблице 1.

Рассматривая технические характеристики и функциональные возможности представленных стандартов транкинговой связи, можно отметить, что все стандарты имеют высокие (относительно данного класса систем подвижной радиосвязи) технические показатели. Стандарты позволяют использовать в своих системах дуплексные радиостанции. В средствах радиосвязи данных стандартов используются эффективные методы речепреобразования и помехоустойчивого кодирования информации. Все стандарты обеспечивают высокую оперативность связи и достаточную спектральную эффективность.

Таб.1

№	Характеристика стандарта (системы) связи	ТETRA	APCO 25	TETRAPOL
1	Разработчик стандарта	ETSI	APCO	Matra Communications (Франция)
2	Статус стандарта	Открытый	Открытый	Корпоративный
3	Основные производители радиосредств	Nokia, Alcatel, Motorola, OTE	Motorola, E.F.Jonson Inc., Transcrypt, ADI Limited	Matra, Nortel,CS Telecom,Siemens
4	Возможный диапазон рабочих частот, МГц	Теоретически 150-900; выделено в Европе для служб общественной безопасности 380-395/390­395	138-174; 406-512; 746-869	70-520
5	Разнос между частотными каналами, кГц	25	12,5; 6,25	12,5; 10
6	Эффективная полоса частот на один речевой канал, кГц	6,25	12,5; 6,25 (для фазы II)	25; 12,5
7	Вид модуляции	p/4-DQPSK	C4FM (12,5 кГц) CQPSK (6,25 кГц)	GSMK (BT=0,25)
8	Метод речевого кодирования и скорость речепреобразования	CELP (4,8 кбит/с)	IMBE (4,4 кбит/с)	RPCELP (6 кбит/с)
9	Скорость передачи информации в канале, бит/с	7200 (28800- при передаче 4-х информационных каналов на одной физической частоте)	9600	8000
10	Время установления канала связи, с	0,2 с - при индив. вызове (min) 0,17 с - при групповом вызове (min)	0,25 - в режиме прямой связи; 0,35 - в режиме ретрансляции; 0,5 - в радиоподсистеме	не более 0,5
11	Метод разделения каналов связи	МДВР (с использованием частотного разделения в многозоновых системах)	МДЧР	МДЧР
12	Вид канала управления	Выделенный или распределенный (в зависимости от конфигурации сети)	выделенный	выделенный
13	Возможности шифрования информации	1) стандартные алгоритмы; 2) сквозное шифрование	четыре уровня защиты информации	1) стандартные алгоритмы; 2) сквозное шифрование

С технической точки зрения, основные различия между стандартами TETRA, с одной стороны, и APCO 25 и TETRAPOL - с другой, определяются методом разделения каналов связи. Для стандарта TETRA это многостанционный доступ с временным разделением каналов связи (M^tP или FDMA). Рассмотрим, как это основное различие, а также другие технические параметры влияют на основные эксплуатационно - технические показатели.

Дальность связи. Под которой обычно понимают максимальное расстояние между двумя радиостанциями, на котором обеспечивается устойчивая связь с требуемым качеством. При этом устойчивая связь считается тогда, когда отношение проведенных сеансов связи к общему числу попыток выхода на связь речевого сигнала, при котором сохраняется заданная разборчивость.

Дальность связи зависит от большого количества факторов, которые можно разделить на 3 основные группы:

• факторы, определяемые условиями применения средств связи (высота установки антенн, рельеф местности, помеховая обстановка и т.д);

• факторы, определяемые техническими параметрами, реализованными в аппаратуре связи (мощность передатчиков, чувствительность приемного тракта, коэффициент усиления антенны и т.д.);

- факторы, определяемые непосредственно заложенными в стандарте принципами построения каналов связи (ширина полосы канала связи, скорость информации в канале, способ модуляции сигнала, алгоритм речевого кодирования, методы помехоустойчивого кодирования).

Естественно, что корректно сравнивать стандарты цифровой транкинговой радиосвязи можно только по последней группе факторов, т.к. другие группы зависят или от условий эксплуатации, или определяются качеством производства радиосредств. Следует понимать, что принципиально системы с FDMA обеспечивают большую дальность связи (при прочих равных параметрах) по сравнению с системами с TDMA. Это объясняется меньшей энергией сигнала на один бит информации. Известно, что энергия сигнала Ec определяется как

Е_с = Р_с*Т_с

где Р_с - мощность, а Т_с - длительность сигнала.

Понятно, что при уменьшении длительности сигнала (времени передачи одного информационного бита для цифровой системы) пропорционально уменьшается энергия. Например, для систем TETRA, с четырьмя информационными каналами на одной физической частоте эквивалентная мощность на бит информации в 4 раза меньше, чем в системах с FDMA, что равносильно снижению дальности связи ориентировочно на 40%.

Другим фактором, влияющим на снижение дальности связи в системах с TDMA по сравнению FDMA - системами, является устойчивость канала связи при многолучевом распространение сигнала, возникающим в условиях плотной городской застройки, или холмистой местности из-за отражения сигнала от зданий и других преград, и приводящим к появлению радиоэха. Отраженный сигнал оказывает тем большее влияние, чем больше его отношение к длительности сигнала. Поэтому уменьшение длительности информационного бита в системах с TDMA ухудшает качество приема в условиях многолучевости. (Принципиально можно добиться компенсации задержки сигнала, однако это требует применения различных типов приемников для различных условий распространения сигнала).

Во многих источниках приводятся данные о приблизительно двукратном снижении дальности связи в системах с TDMA, по сравнению с системами с частотным разделением каналов связи. Например, по официальным данным Международного союза электросвязи (см. "Project 25/TETRA Comparison", Radio Resource International, 1/2000) радиус действия базовой станции TETRA для носимой радиостанции составляет 3,8 км в условиях пригорода, 17,5 км для мобильной станции в условиях сельской местности. Зона действия в этих условиях базовых станций системы APCO 25 с частотным разделением каналов в 2 раза больше (7,6 и 3,5км соответственно).

Оперативность связи. Основным параметром, характеризующим оперативность связи, является время установления соединения (канала связи ) между абонентами. Если рассматривать время установления канала связи в пределах зоны действия одной базовой станции, то все стандарты имеют близкие показатели, в пределах от 0,2 до 0,5 с. Однако, преимущество стандартов, использующих FDMA (TETRAPOL, APCO 25), состоит в том, что минимальная длительность установления соединения сохраняется на более обширной территории, т.к., дальность связи для этих стандартов больше. Для абонентов сетей стандарта TETRA, в среднем, выше вероятность оказаться в разных зонах обслуживания. При этом вызов будет проходить через коммутатор, что неизбежно увеличит время установления соединения. Кроме того, существует опасность, что в зоне вызываемого абонента заняты все каналы ретранслятора, и даже в случае вытесняющего вызова потребуется время на разрыв одного из текущих соединений. Таким образом, в целом, можно сказать, что статистически время установления соединения для передачи речевых сообщений в сетях стандартов TETRAPOL и APCO 25 меньше, чем в стандарте TETRA.

Вместе с тем, большое значение в сетях подвижной радиосвязи приобретает скорость передачи данных, которая также является показателем оперативности связи. Для стандарта TETRA она может достигать 28,8 Кбит/с (при использование всех четырех временных интервалов для передачи массива данных). Для стандартов FDMA она в несколько раз меньше: для TETRAPOL - 8000 бит/с , для APCO 25 - 9600 бит/с

Безопасность связи. Понятие безопасности связи включает в себя требование по обеспечению секретности переговоров (исключение возможности извлечения информации из каналов связи кому - либо кроме санкционированного получателя) и защиты от несанкционированного доступа к системе (исключение возможности захвата управления системой и попыток вывести ее из строя, защита от "двойников" и т.п.).

Если сравнить сами стандарты, а не системы и комплексы технических средств на их основе, то можно сказать, что все стандарты обладают сравнимой степенью, как защиты информации, так и защиты от несанкционированного доступа. Они обеспечивают возможность применения стандартных алгоритмов защиты информации, а также возможность использования оригинальных алгоритмов, разработанных пользователями сетей радиосвязи.

Спектральная эффективность. Основным показателем спектральной эффективности системы связи является эффективная полоса частот на один речевой канал, определяющая какое количество каналов связи можно разместить в отведенной для развертывания сети связи фиксированной полосе частот. Из таблицы 1 видно, что по этому показателю TETRA имеет преимущество по сравнению со стандартами с частотным разделением каналов. Стандарт APCO 25 также декларирует эффективную полосу частот, равную 6,25 кГц, однако это будет достигнуто только во второй фазе реализации проекта.

Набор услуг связи. Функциональные возможности, предоставляемые системами стандартов цифровой транкинговой радиосвязи, приведены в таблице 2.

Рассматривая функциональные возможности представленных стандартов транкинговой связи, можно сказать, что они обеспечивают сравнимый уровень услуг связи. Все стандарты позволяют строить различные конфигурации сетей связи, обеспечивают разнообразные режимы передачи речи и данных, связь с телефонными сетями общего пользования (ТФОП) и фиксированными сетями. Стандарты позволяют использовать в своих системах дуплексные радиостанции. Некоторое преимущество имеют более отработанные стандарты Tetrapol и TETRA, в которых реализованы режимы "двойного наблюдения" и открытого канала, крайне полезны для служб общественной безопасности. Однако, учитывая быстрое развитие стандартов и постоянное расширение функций систем связи, вполне возможно, что в скором времени такие же возможности будут предоставляться и APCO 25.

Таб.2

Выполнение специальных требований к системам радиосвязи служб общественной безопасности. Информация о наличие некоторых специфических услуг связи, ориентированных на использование представителями служб общественной безопасности, представлена в таблице 3. Здесь также можно отметить, что стандарты TETRA, APCO 25, TETRAPOL обеспечивают сравнимый уровень специальных услуг.

Интересную дополнительную услугу, о наличие которой в других стандартов, кроме стандарта TETRAPOL, сведений нет, предоставляет вспомогательная служба имитации активности радиоабонентов. В данном режиме осуществляется поддержка постоянного трафика в выбранной зоне. При перерыве в ведение переговоров базовая станция периодически посылает по каналам связи сигналы, которые трудно отличить от информационных. Такая услуга существенно затрудняет возможности злоумышленников, занимающихся контролем трафика конкретного абонента или группы абонентов, которые, в частности, могут быть сотрудниками правоохранительных органов.

Таб.3

Организационно - экономические критерии. Наличие ресурсов радиочастотного спектра (РЧС) для развертывания системы радиосвязи является важнейшим критерием выбора той или оной системы. В данном случае наиболее перспективны стандарты, которые обеспечивают возможность построения сетей связи в наиболее широком диапазоне.

Системы TETRA теоретически обеспечивают возможность работы в очень широком диапазоне (150- 900 МГц). Вместе с тем, пока производители предлагают в основном оборудование, функционирующие только в диапазоне, выделенном в Европе для построения сетей TETRA - 380 - 385/390 - 395 и 410 - 470 МГц, хотя сейчас уже есть сведения о проектах систем в диапазоне 800 МГц.

Системы APCO 25 в соответствии с функциональными и техническими требованиями обеспечивают возможность работы в любом из диапазонов, отведенных для подвижной радиосвязи.

Стандарт TETRAPOL ограничивает верхнюю частоту своих систем на уровне 520 МГц. Реально большинство действующих систем используют диапазон 380- 400 МГц.

Важным критерием сравнения стандартов является частотный ресурс, необходимый для развертывания сети связи с одинаковым количеством абонентов и одинаковой зоной радиопокрытия. Здесь не может быть однозначного ответа. С одной стороны, стандарт TETRA имеет лучшую спектральную эффективность, с другой - TETRAPOL и APCO 25 обеспечивают больший радиус зоны обслуживания базовой станции. Поэтому для систем TETRA меньшие ресурсы радиочастотного спектра будут требоваться для сетей радиосвязи с очень интенсивным трафиком, а преимущества TETRAPOL и APCO 25 будут проявляться для сетей связи с невысоким трафиком и широкой зоной охвата.

Экономическая эффективность. На сегодняшний день оборудование систем цифровой радиосвязи стоит значительно дороже по сравнению с аналоговыми системами. Как правило, стоимости заключенных контрактов являются коммерческой тайной, однако следует помнить, что при развертывании системы любого из представленных стандартов цифровой радиосвязи, обслуживающей несколько сотен абонентов, речь идет не о тысячах, а о миллионах долларов. Судя по рекламной информации зарубежных фирм, стоимость абонентских радиостанций, работающих в цифровых стандартах, может колебаться в пределах от 800 до 4 тыс. долларов, причем существенная доля стоимости может определяться наличием модулей или программных средств защиты информации.

Сравнение экономической эффективности систем различных стандартов нельзя рассматривать в отрыве от категории системы подвижной радиосвязи. Для создания сетей связи с небольшой нагрузкой, широким территориальным охватом и числом каналов в пределах 10 более оптимальным вариантом (в т.ч. и по стоимости) является использование систем МДЧР, к которым относятся APCO 25 (Фаза I) и TETRAPOL . Это объясняется большим радиусом зон обслуживания систем МДЧР по сравнению с МДВР - системами. По оценкам, приведенным в техническом отчете стандарта TETRAPOL PAS, стоимость базового оборудования многозоновой сети радиосвязи, реализованого на основе МДВР по отношению к системе с частотным разделением каналов (при одинаковой стоимости единицы оборудования) будет на 30 - 50 % выше.

Однако, для сетей связи с интенсивным трафиком и числом каналов в одной зоне более 15, предпочтительно использование систем с временным разделением каналов, к которым относятся TETRA.

Следует отметить, что стандарт APCO 25 (Фаза II) будет обладать универсальностью, обеспечивая возможность строить системы как с частотным, так и с временным разделением каналов.

Перспективы развития систем данных стандартов в мире. Если сравнить стандарты цифровой транкинговой радиосвязи по количеству эксплуатирующихся сетей, числу пользователей, суммарной зоне покрытия, то несомненное лидерство здесь принадлежит стандарту TETRAPOL. В настоящее время в мире развернуто более 35 крупных сетей радиосвязи в 21 стране, которые обслуживают около 0,5 млн. абонентов. Зона покрытия работающих сетей связи составляет 600 000 км². Следует отметить, что стандарт TETRAPOL пользуется популярностью во всех регионах: кроме Европы сети радиосвязи развернуты в Юго-Восточной Азии, на Ближнем и Средним Востоке, в Латинской Америке, т.к. первая сеть связи была введена в эксплуатацию в 1994 г., можно сказать, что стандарт, в достаточной степени, отработан, и пользователи в гораздо меньшей степени рискуют столкнуться с ошибками в программном обеспечении стационарного оборудования. Несмотря на то, что стандарт является корпоративным, стандарт TETRAPOL поддерживается большим количеством крупных производителей оборудования.

По количеству существующих проектов сетей связи стандарт TETRA не уступает TETRAPOL, однако большинство проектов находится в начальной стадии: опытной эксплуатации пилотных сетей или развертывания систем связи. Пока практически все сети связи сосредоточены в Европе. Пожалуй, стандарт TETRA поддержан наибольшим количеством ведущих производителей, причем не только европейских. Свои системы на базе стандарта TETRA выпустили такие ведущие компании, как Motorola (система Dimetra), Nokia (Nokia TETRA), OTE Marconi (ELETTRA).

Стандарт APCO 25 только начинает свой переход в стадию развертывания сетей связи. Пока реально выпускается оборудование системы ASTRO компании Motorola. Существуют проекты нескольких сетей в США, заключен первый контракт на поставку оборудования в Европу (система связи британской таможни).

При выборе стандарта радиосвязи обязательно необходимо учитывать информацию о том, является ли стандарт открытым или корпоративным (закрытым).

Корпоративный стандарт TETRAPOL является собственностью его разработчика - компании Matra. Приобретение оборудования возможно только у ограниченного круга производителей.

Открытые стандарты, к которым относятся TETRA и APCO 25, обеспечивают создание конкурентной среды, привлечение большого количества производителей базового оборудования, абонентских радиостанций, текстовой аппаратуры для выпуска совместных радиосредств, что способствует снижению их стоимости. Доступ к спецификациям стандартов предоставляется любым организациям и фирмам, вступившим в соответствующую ассоциацию. Пользователи, выбирающие открытый стандарт радиосвязи, не попадают в зависимость от единственного производителя и могут менять поставщиков оборудования. Открытые стандарты пользуются поддержкой со стороны государственных структур, крупных компаний многих стран мира, а также поддержаны ведущими мировыми производителями элементной и узловой базы. Все это позволяет говорить о том, что открытые стандарты с большей вероятностью, в перспективе, завоюют рынок систем транкинговой радиосвязи.

Контрольные вопросы

1.Перечислите цифровые стандарты транкинговой радиосвязи и приведите основные характеристики.

2.Что понимается под эксплуатационно - техническими и организационно -

экономическими критериям? 3.Дайте понятия критерия «дальность связи», «оперативность связи» и «безопасность

и спектральная эффективность связи». 4.Какой набор услуг обеспечивают стандарты цифровой транкинговой радиосвязи. 5.Какие перспективы развития систем цифровых транкинговых стандартов в мире?

СИСТЕМЫ СОТОВОЙ ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ

Лекция 6

Принцип построения и частотное планирование ССПС

Стандарты сотовых систем подвижной радиосвязи

Особенности построении цифровых ССПС

Принцип построения и частотное планирование ССПС

В соответствии с принципами построения ССПС, территория обслуживания с радиусом Rо условно разделяется на ячейки, имеющие радиус описанной окружности R (рис.25). Идеальная форма ячейки - круг, однако для простоты расчета полей и взаимных влияний за основу взят правильный шестигранник. Реально, из-за рельефа местности, строений и других факторов, ячейка имеет форму неправильного круга.

Рис.25 Территория обслуживания ССПС

Подвижные абоненты, находящиеся в ячейках, обслуживаются BTS, которые представляют свободный частотный канал, каждой MS при поступление вызова от нее. Все BTS с помощью коммутационной системы могут соединяться друг с другом, а также имеют выход в обычную ТЛФ сеть. Коммутационная система может быть либо сосредоточенной в виде ЦС, либо распределенной, что позволяет снизить первоначальные затраты на этот вид обслуживания. В последнем случае узлы коммутации устанавливаются на BTS. Каждой BTS, оснащенный приемопередающей аппаратурой, предоставляется набор частотных каналов, причем на всех BTS, которые разделены защитным интервалом D, одни и те же каналы используются повторно - это основной принцип ССПС, который определяет высокую частотную эффективность системы. Смежные BTS, использующие различные частотные каналы, образуют группу из С станций (рис.26).

Величина С является частотным параметром системы (кластер), так как определяет минимально возможное число каналов ССПС. Если на каждой BTS набор состоит из L каналов с шириной полосы Fk, то общая ширина полосы ССПС в направлении передачи составит Fc=FklC. Количество BTS (L) на территории обслуживания радиусом Ro приближенно определяется как

Рис.26 Группа смежных станций

Тогда число активных абонентов на всей территории обслуживания определяется как N=Ll, а эффективность использования спектра частот как

G=N/Fc=L/F_kС = 1,21 Ro ²/F_kCR²

т.е. она не зависит от числа каналов в наборе l и возрастает с уменьшением радиуса ячейки R. Отсюда следует, что чем меньше радиус R ячейки, тем чаще можно повторять частоты, т.е. их одновременное использование. Кроме того, следует выбирать меньшее значение частотного параметра С.

При шестиугольной форме ячеек, имеет место оптимальное соотношение между величиной С и защитным интервалом D (интервал между ячейками с повторяющимися частотами).

C=(D/R)²/3

Кроме того, шестиугольная форма ячеек обеспечивает наилучшую аппроксимацию круговой зоны в системе с ограниченной мощностью передатчика MS и возможностью систематизировать распределение частотных каналов.

Рассмотренная схема двухмерного покрытия территории несколько отличается от схемы линейного расположения ячеек одной длиной цепью. Линейное расположение представляет наибольшей интерес при построении систем радиального направления, например, вдоль автомагистралей. При этом минимально необходимое число частотных каналов определяется как С = D/2R.

Опыт эксплуатации и расчеты показывают, что уменьшение R и отношения D/R в ССПС позволяют достичь высокой пропускной способности и частотной эффективности. Однако, чрезмерное уменьшение радиуса ячейки вызывает резкое увеличение числа пересечений условных границ ячеек при передвижении абонентов. В связи с этим возрастает поток данных, требующих обработки, что может привести к перегрузке подсистем управления и коммутации и, как следствие, отказу системы. Кроме того, при малых значениях R могут иметь место отклонения от точного расположения антенны BTS в условиях реальной местности. Расчеты показывают, что при R = 1,6 км смещение антенны BTS на четверть радиуса относительно геометрического центра приведет к снижению отношения сигнал/помеха на входе приемника BTS на 10 %.

Величина D/R определяется заданным уровнем взаимных помех, при малых значениях D/R требуется принимать специальные меры, направленные на сохранение высокой помехоустойчивости приема.

Одним из методов повышения помехоустойчивого приема является использование направленных антенн. Например, в системе AMPS (США) применение трех - 120°-антенн, вместо ненаправленных (рис. 27) при заданном отношении сигнал/помеха на входе приемника позволяет снизить частотный параметр до значения С = 7 (против С = 12, для ненаправленных антенн).

Одним из способов распределения каналов является метод сдвоенной структуры. Согласно наиболее простому правилу этого метода, BTS выделяется набор каналов, имеющих номера: k, k + l, k+1С, где k - номер BTS в группе станций, использующих разные наборы, т.е. k = 1,2 ... С. Например, при 1 = 7 в ячейках, обозначенных цифрой 3, используются каналы 3,10,17,24 ... и т.д.

В системе с направленными антеннами подавление межсимвольных помех будет еще более эффективным за счет соответствующей пространственной ориентации антенны смежных каналов.

Рис.27 Антенны в системе AMPS

Другие методы подобного частотного планирования (фиксированного), дают примерно тот же результат по обеспечению уровня межсимвольных помех.

Помимо фиксированного метода распределения частотных каналов, известен динамический способ распределения, основное значение которого - повышать эффективность использования каналов и снизить вероятность блокировки вызова, когда каналы данной ячейки все заняты. При этом тем BTS, на которых все каналы заняты, на время сеанса связи предоставляются каналы из соседних ячеек.

Можно так же использовать гибридные методы распределения каналов. В таких системах каждой BTS выделяется фиксированный набор каналов, а так же некоторое число динамически распределенных каналов. При этом построении вероятность блокировки вызова зависит как от имеющейся нагрузки на канал, так и от выбранного соотношения между числом фиксированных и динамических каналов.

Важным достоинством динамического и гибридного распределения является то, что они позволяют осуществить выравнивание ТЛФ нагрузки на один канал, если ее плотность не постоянна. При фиксированном распределении это достигается уменьшением радиуса ячейки, а так же путем увеличения числа каналов на BTS в местах с высоким трафиком. По такому принципу осуществляется первоначальный запуск системы, т.е. сначала вводится несколько BTS с крупными ячейками, а затем путем постепенного дробления сотовой решетки система входит в режим максимальной пропускной способности.

При проектировании ССПС важное значение имеет не только изучение вопросов частотного планирования и распределения каналов, но и исследование распространения УКВ в городских и пригородных зонах. Проведенные многочисленные экспериментальные исследования распространения УКВ в условиях городской и сельской местности, где возможны многократные отражения (многолучевость), показали, что затухание радиоволн существенным образом зависит лишь от высоты h антенны BTS и уменьшается с увеличением последней. Кроме того, мощность сигнала в зависимости от расстояния между антеннами изменяется примерно одинаково.

ССПС присущи также внутрисистемные помехи, обусловленные, с одной стороны, взаимными помехами ячеек с совмещенными каналами, а с другой - наличием межканальных помех. Уровень взаимных помех определяется выбранными параметрами сети С и D, которые при заданной пропускной способности и выделенной полосе частот позволяют определить число мешающих станций. Если общее число BTS не велико, т.е. L не существенно превышает величину С, то в системе может быть всего одна или несколько мешающих станций.

Существуют различные методики расчета внутрисистемных взаимных помех. Результаты расчетов по ним приблизительно одинаковы. Анализ таких расчетов показывает, что для увеличения помехоустойчивости и более эффективного использования спектра целесообразно устанавливать на BTS направленные 120° -антенны. В этом случае каждая BTS имеет трехсекторную антенну, которая располагается в одном из углов шестиугольной ячейки, таким образом, охватывает одновременно три ячейки. Так как на каждую ячейку приходится три сектра от трех BTS, то общее число BTS равно числу ячеек системы. Для худшего случая, когда MS расположена в одном из углов шестиугольной ячейки, при С = 1, отношение сигнал/помеха на входе приемника возрастает до величины 1,7 дБ. В общем случае показывается, что направленное излучение является эффективной мерой снижения уровня взаимных помех в ССПС.

Стандарты сотовых систем подвижной радиосвязи

Наиболее известными являются девять основных стандартов аналоговых ССПС первого поколения (1G). В РУз из них эксплуатировались NMT - 450 и AMPS.

Аналоговый стандарт NMT - 450 на сотовые системы подвижной радиосвязи, разработан совместно Администрациями связи Дании, Финляндии, Норвегии и Швеции, для организации автоматической системы подвижной телефонной связи общего пользования, и введен был в коммерческую эксплуатацию в 1981 году. Подвижные станции этого стандарта полностью совместимы со всеми базовыми станциями системы, независимо от страны и поэтому могут работать в любой из стран входящих в систему.

Система сотовой подвижной связи стандарта AMPS была впервые введена в эксплуатацию в США в 1979 году. В системе применяются базовые станции с антеннами, имеющими ширину диаграммы направленности 120°, которые устанавливаются в углах ячеек. К центрам коммутации базовые станции подключены с помощью проводных линий, по которым передаются речевые сигналы и служебная информация. Однако, аналоговые ССПС уже не удовлетворяют современному уровню развития информационных технологий из-за многочисленных недостатков, главные из которых -"несовместимость стандартов", ограниченная зона действия, низкое качество связи, отсутствие засекречивания сообщений и взаимодействия с цифровыми сетями интеграций служб ЦСИО (ISDN) и пакетной передачи данных (PDN).

В последние годы из-за ограниченных возможностей аналоговых стандартов во всем мире наблюдается снижение роста числа пользователей. В 80-х годах в развитых странах приступили к интенсивному изучению принципов построения перспективных цифровых ССПС и сегодня уже разработаны три стандарта таких систем с макросотовой топологией сетей и радиусом сот до 35 км (таб.4):

- GSM – общеевропейский стандарт;

-ADS (D-AMPS) – американский стандарт;

-JDS – японский стандарт.

Таб.4 Стандарты систем с макросотовой топологией сетей

GSM - первый в мире стандарт на цифровые ССПС, который предусматривает их создание в диапазоне 900 МГц и является основой стандарта ССПС DCS - 1800 (диапазон 1800 МГц) с микросотовой структурой, принятого в настоящее время в Европе. Стандарт GSM реализуется в настоящее время и в Северной Америке в диапазоне 1900 МГц (PCS - 1900).

Указанные выше стандарты на цифровые ССПС отличаются своими характеристиками, однако построены они на единых принципах и концепциях и отвечают требованиям современных информационных технологий. Разработанные в GSM системные и технические решения могут использоваться для всех перспективных цифровых ССПС. В первую очередь, к таким решениям относятся:

• построение сетей GSM на принципах интеллектуальных сетей;

• распространение моделей открытых систем ССПС;

• внедрение новых, более эффективных, моделей повторного использования частот;

• применение многостанционного доступа с временным разделением каналов - МДВР (TDMA);

• временное разделение режимов приема и передачи пакетированных сообщений;

• использование эффективных методов борьбы с замиранием сигналов, основанных на частотном разнесение, путем применения режима передачи с медленными скачками

по частоте (SFH) и тестирования канала связи с помощью псевдослучайной последовательности;

• применение блочного и сверточного кодирования в сочетании с прямоугольным и диагональным перемежением;

• программное формирование логических каналов связи и управления;

• использование спектрально - эффективного вида модуляции (GMSK);

• разработка высококачественных низкоскоростных речевых каналов;

• шифрование передаваемых сообщений и закрытие данных пользователей.

Особенности построении цифровых ССПС

Цифровые ССПС позволяют применять при организации сотовых сетей новые более эффективные модели повторного использования частот, чем в аналоговых сетях. В результате без увеличения общей полосы частот системы связи, значительно возрастает число каналов на соту. В первую очередь сказанное относится к стандарту GSM. Вид модуляции, способы кодирования и формирования сигналов в каналах связи, принятое в GSM, обеспечивают прием сигналов с отношением сигнал /помеха 9 дБ, в то время как в аналоговых системах показатель равен 17 - 18 дБ. Поэтому передатчики базовых станций (BTS), работающие на совпадающих частотах могут размещаться в более близко расположенных сотах без потери качеств приема. Первыми моделями повторного использования частот, которые применялись в аналоговых ССПС, были модели с круговыми диаграммами направленности (DH) антенн базовых станций. В сетях цифровых ССПС для сот с круговой DH антенн, применяют модель повторного использования частот, включающую 7 или 9 сот. Модель повторного использования частот для 7 сот приведена на рис. 28.

В этой модели предполагается применение антенн с круговой DH, что соответствует излучению сигнала BTS во все направления одинаковой мощности. В свою очередь для абонентских станций, это эквивалентно приему помех со всех направлений. Для снижения помех по совпадающим частотным каналам используют секторные антенны. В секторе направленной антенны сигнал излучается в одну сторону, а уровень излучения в противоположном направлении сокращается до минимума. Секторизация сот позволяет чаще повторять частоты в сотах при одновременном снижении уровня помех.

Рис.28 Модель повторного использования частот для 7 сот

Общеизвестная модель повторного использования частот в секторизированных сотах включает три соты и три BTS. При этом используется три 120 градусные антенны на BTS с формированием девяти групп частот, рис.29.

Рис.29 Модель повторного использования частот в секторизированных сотах.

Самую высокую эффективность использования полосы частот, то есть наибольшее число абонентов сети в выделенной полосе, обеспечивает разработанная фирмой Motorola (США) модель повторного использования частот, включающая две BTS. Согласно схеме распределения каналов, каждая частота используется дважды в пределах модели, состоящей из четырех BTS. Благодаря этому каждая из четырех BTS в пределах действия шести 60 - градусных антенн может работать на 12 - ти группах частот (рис. 30).

Рис.30 Модель повторного использования частот, включающая две BTS

Например, в сети GSM с общей полосой 7,2 МГц (36 частот), модель повторного использования частот с двумя BTS позволяет на одной BTS одновременно работать на 18 частотах (в модели с тремя BTS таких частот 12). Емкость сети возрастает на 50%, однако для обеспечения прежнего значения вероятность блокировки канала связи необходимо снижение этого показателя до 40%.

Существующая структура сот и схемы повторного использования частот разрабатывались при условии, что местоположение подвижного абонента заранее и непредсказуемо. В настоящее время развивается новое направление в подвижной связи, основанное на использование интеллектуальных антенных систем, автоматически перестраивающих свои диаграммы направленности на источник излучения сигнала по командам сигнальных процессоров.

В настоящее время развивается два способа построения интеллектуальных антенных систем, основанных на коммутировании лучей и адаптации диаграммы направленности. Оба способа основаны на увеличение коэффициента усиления антенны в направлении на абонентскую станцию, причем только адаптивные антенны обеспечивают максимальный коэффициент усиления и минимальный уровень канальных помех.

Интеллектуальная антенная система состоит из нескольких антенн, объединенных электронной схемой с фазовыми и амплитудными анализаторами. В результате анализа принимаемых сигналов, поступающие на различные элементы антенны, вычисляется направление оптимального приема. Сигнальный процессор в реальном масштабе времени формирует суммарную диаграмму направленности антенны на источник излучения с учетом частоты принимаемого сигнала и некоторых других параметров.

Практическая реализация интеллектуальных антенн систем представляется весьма перспективной для сотовой связи независимо от стандарта GSM, DECT и т.д. Их применение на практике не будет требовать уменьшать размеры сот при возрастании нагрузки. Увеличение емкости сети сотовой связи может в этом случае обеспечиваться внедрением новых аппаратных средств и соответствующего программного обеспечения. Одним из таких способов является переход к микросотовой структуре сетей.

Принятие цифровых стандартов (GSM, DECT и т.д.) позволяет перейти от макросотовой к микросотовой структуре сетей. При радиусе несколько сотен метров их емкость может быть увеличена в 5 -10 раз по сравнению с макросотами. Кроме того, возможно применение абонентских радиостанций существующих стандартов цифровых ССПС наряду с портативными радиостанциями, служащими основой для создания систем персональной связи (PCS).

Микросотовая структура ССПС органически сочетается с макросотами. Микросоты строятся на основе BTS небольшой мощности, обслуживающих участки улиц, помещения в зданиях (магазины, аэропорты, вокзалы и т.д.). Микросотовая структура может рассматриваться как развитие оборудования макросотовой базовой станции, с управлением единым контролером и с взаимным соединением при помощи линий со скоростью 64 кбит/с. Микросоты берут на себя нагрузку от медленно перемещающихся абонентов, например, пешеходов и неподвижных автомобилей.

Принципы построения создаваемых микросотовых сетей подвижной связи отличается от существующих для макросотовых сетей. Отличия относятся к отсутствию частотного планирования и "Эстафетная передача" (handover), в обычном понимании.

Частотное планирование в микросотах практически невозможно применять, так как трудно спрогнозировать условия распространения радиоволн и дать оценку уровня сотовых помех. Кроме того, эффективность использования спектра частот, при фиксированном распределение каналов, низка. Поэтому в микросотовых сетях связи используется автоматическое адаптивное распределение каналов (АРК) связи. Такое распределение, например, реализовано в Европейском стандарте DECT на цифровые системы беспроводных телефонов общего пользования. Одним из важных достоинств АРК является увеличение емкости сети связи, т.к. в этом случае отсутствуют потери эффективности использования соединительных линий, а возможность повторного задействования канала зависит от среднего уровня помех, а не от максимального.

С уменьшением размеров сот, в микросотовых сетях в процессе обычного телефонного соединения число переключений между BTS возрастает, и для обеспечения непрерывности связи необходимо новые быстродействующие алгоритмы переключения (handover). Цифровые ССПС применяют алгоритмы принудительного переключения, являющиеся классом распределенных алгоритмов, работающих значительно быстрее, чем централизованные алгоритмы аналоговых ССПС. В микросотовой структуре измерение уровня радиоканала, необходимый для переключений, осуществляет мобильная станция, которая передает результаты измерений на BTS. Центр коммутации мобильной связи не задействуется до тех пор, пока не будет выполнено фактическое переключение. Микросотовая структура сети впервые была реализована в системах беспроводных телефонов (Cordless telephones) общего пользования. В настоящее время она используется при реализации сетей в рамках концепции персональной связи (PCN), создаваемые в Европе на основе стандартов DCS - 1800, предусматривающим соответствие радиоинтерфейса стандарта GSM. При реализации персональной связи в структуру сетей вводятся пикосоты с радиусом 10 - 60 м, предназначенные для обслуживания абонентов в городских районах с большой плотностью населения и в закрытых зонах (офисы, жилые помещения, подземные гаражи и т.д.). Пикосота, это еще один значительный вклад в повышении емкости ССПС.

Контрольные вопросы

1. Перечислите наиболее известные аналоговые и цифровые стандарты ССПС.

2.Как осуществляется частотное распределение в ССПС?.

3.Как обеспечивается повышение помехоустойчивости приема сигнала в ССПС?

4.Приведите основные характеристики стандартов систем с макросотовой и

микросотовой топологией сетей.

5.Что понимается под интеллектуальными антенными системами в ССПС?

Лекция 7

Цифровые ССПС стандарта GSM

Функциональная схема и состав оборудования стандарта GSM

Цифровые ССПС стандарта GSM.

В соответствии с рекомендациями СЕРТ 1980г., для подвижной связи стандарта GSM выделен спектр частот в диапазоне 862 - 960 МГц. При чем для передатчиков подвижных станций 890 - 915 МГц и передатчиков базовых станций 935 - 960 МГц. В стандарте GSM используется узкополосный МДВР (NB TDMA). В структуре кадра содержится 8 временных позиций на каждой из 124 несущих. Для повышения помехоустойчивости передачи информационного пакета применяется блочное и сверточное кодирование с перемежением. Эффективность кодирования и перемежения при малой скорости перемещения подвижных станций, повышается медленным переключением рабочих частот (SFH) в процессе сеанса связи со скоростью 217 скачков в секунду. В условиях города имеет место многолучевое распространение радиоволн, которые приводят к интерференционным замираниям принимаемых сигналов. Для борьбы с этим явлением используются эквалайзеры, выравнивающие импульсные сигналы со среднеквадратичным отклонением времени задержки до 16 мкс. Используемая система синхронизации позволяет компенсировать абсолютное время задержки сигнала до 233 мкс, что соответствует максимальному радиусу соты, равному 35 км. В стандарте GSM используется гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Обработка разговорного сигнала производится путем прерывистой передачи речи (DTX), при которой передатчик включается только при наличии сигнала, в паузах и в конце разговора передатчик отключается. Для этого используется речевой кодек с регулярным импульсным возбуждением, долговременным предсказанием и линейным предикативным кодированием с предсказанием (RPE/LTR -LTR - кодек). Общая скорость преобразования речевого сигнала - 13 кбит/с. Для обеспечения скрытности связи в стандарте GSM применяется шифрование по алгоритму с открытым ключом (RSA). В общем случае стандарт GSM позволяет создать сеть, представляющей пользователям широкий диапазон услуг с подключением к телефонным сетям общего пользования (PSTN), сетям передачи данных (PDN) и цифровым сетям с интеграцией служб (ISDN). Основные характеристики стандарта GSM приведены в таблице 5.

Таблица 5 Основные характеристики стандарта GSM

Функциональная схема и состав оборудования стандарта GSM

Функциональная схема, принятая в стандарте GSM, представлена на рис. 31.

Рис.31 Функциональная схема, принятая в стандарте GSM

Здесь MSC (Mobile Ststion) - центр коммутации подвижной связи, BSS (Base Station System) - оборудование базовой станции, OMC (Operations and Maintenance Centre) - центр управления и обслуживания MS (Mobile Stations) - подвижные станции.

Для сопряжения элементов системы имеется несколько интерфейсов, которые взаимодействуют между собой в соответствии с системой сигнализации МККТТ № 7. MSC, обслуживающий группу сот, аналогичен центру коммутации ISDN и является интерфейсом между фиксированными сетями и подвижной связью. Кроме того, он обеспечивает маршрутизацию вызовов и выполняет функции управления вызовами, а также осуществляет "эстафетную передачу" MS в процессе перемещения ее, из одной соты в другую, с переключением рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностей. В функции MS входит также сбор статистических данных, необходимых для контроля работы и оптимизации сети, а также формирует данные для выписывания счетов, которые направляются в центр расчетов (биллинг - центр). Выполняет процедуры запрета несанкционированного доступа в сеть. MSC также управляет процедурами регистрации местонахождения MS и передачи управления, кроме передачи управления в подсистеме базовых станций (BSS). Передача вызова позволяет сохранить соединения и обеспечивать введение разговора, когда подвижная станция перемещается из одной зоны обслуживания в другую. В сотах передачу вызова осуществляет BSC, если же вызов осуществляется между двумя сетями управления равными BSC, то первичное управление осуществляет MSC. Кроме того, возможна передача вызова между сетями относящимися к разным MSC.

Для слежения за перемещением MS в центре коммутации предусмотрены регистры положения HLR и перемещения VLR. В HLR храниться та часть информации местоположения MS, по которой центр коммутации может доставить вызов станции, а так же содержит международный идентификационный номер подвижного абонента (IMSI). По этому номеру в центре аутентификации (AUC) опознается MS. В общем случае HLR представляет собой справочную базу данных постоянных абонентов сети. В ней содержаться опознавательные номера и адреса, параметры подлинности абонентов, состав услуг связи, а так же специальная информация о маршрутизации. Регистрируются данные о роуминге (блуждании) абонента, а так же временный идентификационный номер подвижного абонента (TMSI) в соответствующем VLR.

К данным, содержащимся в HLR, имеют дистанционный доступ все MSC и VLR данной сети и других сетей для обеспечения межсетевого роуминга абонентов. В случае, если в сети имеется несколько HLR, запись об абоненте делается только один раз и здесь каждая HLR является частью общей базы данных. Для доступа к данным, хранящимся в HLR, необходимо знать номер IMSI или MSISDN (номер подвижного абонента в сети ISDN).

Регистр перемещения VLR служит для функционирования подвижной станции за пределами зоны, контролирующей HLR. При перемещении MS из зоны, контролируемой данной BSC, в зону контролируемой другой BSC, последняя регистрирует подвижную станцию, а в VLR заносится информация о номере области связи, куда доставляется вызов станции. В VLR записываются так же данные, что и в HLR. Однако данные в VLR хранятся до тех пор, пока MS находится в ее контролируемой зоне, а затем они списываются. На случай сбоев устройства памяти HLR и VLR имеют защиту.

В стандарте GSM соты группируются в географические зоны (LA) с соответствующими идентификационными номерами (LAC). В VLR содержаться данные об абонентах, находящихся в нескольких LA. При перемещении MS из одной LA в другую, данные, о его местоположении автоматически обновляются в VLR. В случае, если старая и новая LA находится под управлением различных VLR, то данные в старом VLR стираются после того, как они будут записаны в новом. При этом запись о текущем адресе MS в HLR так же обновляется. VLR присваивает номер так же "блуждающей" MS (MSRN). Когда MS принимает вызов, VLR извлекает его MSRN и передает на MSC для прикрепления к ближайшей базовой станции.

Распределением номера передачи управления при переходе соединений от одного MSC к другому осуществляет так же VLR. Кроме того, VLR управляет распределением новых TMSI и передает их в HLR, а так же процедурой установления подлинности во время обработки вызова. TMSI можно периодически менять, для усложнения самовольного доступа в сеть. В целом VLR представляет собой локальную базу данных для MS данной зоны и доступ к нему обеспечивается через IMSI, TMSI или MSPN. VLR исключает постоянный запрос в HLR и сокращает время на обслуживании вызова.

Для защиты сети от несанкционированного доступа вводится механизм аутентификации - удостоверения подлинности абонента. Центр аутентификации (АИС) проверяет полномочия абонента и осуществляет его доступ в сеть, состоит из нескольких блоков и формирует ключи и алгоритмы АИС. Одним из основных блоков АИС является регистр идентификации оборудования (EIR - Equipment Identification Register), где сосредоточены ключи шифрования.

В процессе пользования сетью, каждый MS получает стандартный модуль подлинности абонента (SIM), в который входит международный идентификационный номер (ISMI), свой индивидуальный ключ аутентификации (Ki) и алгоритм аутентификации (AS). Информация содержащая в SIM, в процессе обмена данными между MS и сетью, позволяет осуществлять полный цикл АИС и разрешить доступ в сеть.

Регистр идентификации оборудования (EIR) содержит централизованную базу данных для подтверждения подлинности IMSI и состоит из списков номеров, организованных следующим образом:

белый список - содержит номера MS, входящие в данную сеть;

черный список - содержит номера MS, которые украдены или им отказано в обслуживание по какой - либо причине;

серый список - содержит номера MS, у которых существует опреде ленные проблемы, однако нет оснований для включения в черный список.

К данным, хранящимся в EIR, имеет доступ MSC данной сети, а так же MSC других подвижных сетей. Сеть может содержать несколько EIR, при этом каждая EIR управляет определенной группой IMSI.

Центр эксплуатации и технического обслуживания (OMC), является центральным элементом сети GSM, обеспечивает контроль и управление другими компонентами сети и контроль качества ее работы. Соединения ОМС с другими компонентами сети GSM осуществляется по каналам пакетной передачи протокола Х.25.

Центр управления сетью (NMC) обеспечивает рациональное иерархическое управление сетью GSM. В его функции входит так же эксплуатация и техническое обслуживание на уровне всей сети, поддерживаемой центрами ОМС, которые отвечают за управление региональными сетями. В NMC сосредоточены данные о состояние всей сети и он может давать указания по изменению стратегии решения региональных проблем.

Оборудование базовой станции BSS состоит из контролера базовой станции BSC и приемо - передающих базовых станций BTS. BSS может управлять несколькими приемопередающими блоками, а так же распределением радиоканалов, контролером соединений, регулировкой их очередности, режимом работы с прыгающей частотой, модуляцией и демодуляцией сигналов, кодированием и декодированием сообщений, кодированием речи, адаптацией скорости передачи для речи, данных и вызова, определением очередности передачи сообщений персонального вызова.

Транскодер TCE преобразует выходные сигналы каналов передачи речи и данных MSC (64 кбит/с ИКМ) в цифровой сигнал со скоростью 13 кбит/с, что соответствует рекомендациям GSM по радиоинтерфейсу (Рек. GSM 04.08). Такой цифровой канал передачи речи называют "полноскоростным", а "полускоростным" - при скорости передачи речи 6,5 кбит/с. Для снижения скорости передачи используют специальные речепреобразующее устройство, основанные на линейном предикативном кодировании (LPS), долговременном предсказании (LTR) и остаточном импульсном возбуждении (RPE или RELP).

MSC и транскодер располагают вместе, в этом случае передача сообщений в направлении к контролеру BSC ведется с добавлением к потоку со скоростью передачи 13 кбит/с, дополнительных битов (стафингование) до скорости передачи данных 16 кбит/с. Деле осуществляется уплотнение с кратностью 4 в стандартный канал 64 кбит/с. Таким образом формируется определенная Рекомендациями для GSM 30-ти канальная ИКМ линия, обеспечивающая передачу 120 речевых каналов. Шестнадцатый канал (64 кбит/с) "временное окно", выделяется отдельно для передачи информации сигнализации и часто содержит трафик SSN7 или LAPD. В другом канале (64 кбит/с) могут передаваться так же пакеты данных, согласующихся с протоколом Х.25 МККТТ. В итоге результирующая скорость передачи по указанному интерфейсу составляет 30х64 кбит/с+64 кбит/с+64 кбит/с= 2048 кбит/с.

Подвижная станция MS служит для доступа абонента в сеть GSM и далее к фиксированным сетям электросвязи. В стандарте GSM существует 5 классов MS, отличающихся выходной мощностью (таб. 6).

Таб.6

Класс мощности	Максимальный уровень мощности передатчика
1	20 вт
2	8 вт
3	5 вт
4	2 вт
5	0,8 вт

При организации связи предусматривается адаптивная регулировка мощности передатчика, обеспечивающая требуемое качество связи. Каждой первичной станции присваивается свой международный идентификационный номер (IMSI), который используется так же для предотвращения доступа к сетям GSM похищенной станции или станции без полномочий.

Структурная схема подвижной станции

Блок-схема цифровой подвижной станции (ПС) приведена на рис. 32. В ее состав входят: блок управления, приемопередающий блок, антенный блок.

Рис.32 Блок-схема цифровой подвижной станции

Блок управления включает в себя микротелефонную трубку (микрофон и динамик), клавиатуру и дисплей. Клавиатура служит для набора номера телефона вызываемого абонента, а так же команд, определяющих режим работы ПС. Дисплей служит для отображения различной информации, предусматриваемой устройством и режимом работы станции.

Приемопередающий блок состоит из передатчика, приемника, синтезатора частот и логического блока.

В состав передатчика входят:

• АЦП, преобразует в цифровую форму сигнал с выхода микрофона и вся последующая обработка и передача сигнала речи производится в цифровой форме;

• кодер речи, осуществляет кодирование сигнала речи, т.е. преобразование сигнала, имеющего цифровую форму, по определенным законам с целью сокращения его избыточности;

• кодер канала, добавляет в цифровой сигнал, получаемый с выхода кодера речи, дополнительную (избыточную) информацию, предназначенную для защиты от ошибок при передачи сигнала по линии связи; той же целью информация подвергается определенной переупаковке (перемежению); кроме того, кодер канала вводит в состав передаваемого сигнала информацию управления, поступающую от логического блока;

• модулятор, осуществляет перенос информации кодированного видеосигнала на несущую частоту.

Приемник по составу соответствует передатчику, но с обратными функциями входящих в него блоков:

• демодулятор, выделяет из модулированного радиосигнала кодированный видеосигнал, несущий полезную информацию;

• декодер канала, выделяет из выходного потока управляющую информацию и направляет ее на логический блок; принятая информация проверяется на наличие ошибок, и выявленные ошибки исправляются; до последующей обработки принятая информация подвергается обратной (по отношению к кодеру) переупаковке;

• декодер речи, восстанавливает поступающий на него с кодера канала сигнал речи, переводя его в естественную форму, со свойственной ему избыточностью, но в цифровом виде;

• ЦАП - преобразует принятый цифровой сигнал речи в аналоговую форму и подает его на вход динамика;

• эквалайзер - служит для частичной компенсации искажений сигнала вследствие многолучевого распространения, по существу, он является адаптивным фильтром, настраиваемым по обучающей последовательности символов, входящей в состав передаваемой информации. Блок эквалайзера не является функционально необходимым и в некоторых случаях может отсутствовать.

Логический блок - это микрокомпьютер, осуществляющий управление работой ПС.

Синтезатор является источником колебаний несущей частоты, используемой для передачи информации по радиоканалу. Наличие гетеродина и преобразователя частоты обусловлено тем, что для передачи и приема используются различные участки спектра (дуплексное разделение по частоте).

Антенный блок включает в себя антенну (в простейшим случае четвертьволновой штырь) и коммутатор прием/передача. Последний для цифровой станции может представлять собой электронный коммутатор, подключающий антенну либо на выход передатчика, либо на вход приемника, так как ПС цифровой системы никогда не работает на прием и передачу одновременно.

Блок-схема подвижной станции, приведенная на рис. 3.8 является упрощенной. На ней не показаны усилители, селектирующие цепи, генераторы сигналов синхрочастот и цепи их разводки, схемы контроля мощности на передачу и прием и управлению ею, схема управления частотой генератора для работы на определенном частотном канале и т.п. Для обеспечении конфиденциальности передачи информации в некоторых системах возможно использование режима шифрования. В этих случаях передатчик и приемник ПС, стандарта GSM, снабжен специальным съемным модулем идентификации абонента (Subscriber Identity Module - SIM). Подвижная станция стандарта GSM включает так же детектор речевой активности (Voice Activity Detector), который с целью экономного расходования энергии источника питания (уменьшения средней мощности излучения), а так же снижения уровня помех, создаваемых для других станций при работающим передатчике, включает работу передатчика на излучение только на те интервалы времени, когда абонент говорит. На время паузы в работе передатчика в приемный тракт дополнительно вводится комфортный шум. В необходимых случаях в ПС могут входить отдельные терминальные устройства, например факсимильный аппарат, в том числе подключаемые через специальные адаптеры с использованием соответствующих интерфейсов.

Блок - схема аналоговой ПС проще рассмотренной цифровой за счет отсутствия блоков АЦП/ЦАП и кодеков, но сложнее за счет более громоздкого дуплексного антенного переключателя, поскольку аналоговой станции приходится одновременно работать на передачу и на прием.

Структурная схема базовой станции

Блок-схема БС приведена на рис.33. Особенностью БС является использование разнесенного приема, для чего станция должна иметь две приемные антенны. Кроме того, БС может иметь раздельные антенны на передачу и на прием (рис. 33 соответствует этому случаю). Другая особенность - наличие нескольких приемников и такого же числа передатчиков, позволяющих вести одновременную работу на нескольких каналах с различными частотами.

Рис.33 Блок-схема базовой станции

Одноименные приемники и передатчики имеют общие перестраиваемые опорные генераторы, обеспечивающие их согласованную перестройку при переходе с одного канала на другой. Конкретное число N приемопередатчиков на одну приемную и N передатчиков на одну передающую антенну. Между приемной антенной и приемниками устанавливается делитель мощности на N выходов, а между передатчиками и передающей антенной - сумматор мощности на N входов.

Приемник и передатчик имеют ту же структуру, что и в ПС, за исключением того, что в них отсутствуют ЦАП и АЦП, поскольку и входной сигнал передатчика, и выходной сигнал приемника имеют цифровую форму. Возможны варианты, когда кодеки (либо только кодек речи, либо кодек речи и канальный кодек) конструктивно реализуются в составе ЦК, а не в составе приемопередатчиков БС, хотя функционально они остаются элементами приемопередатчиков.

Блок сопряжения с линией связи осуществляет упаковку информации, передаваемой по линии связи на ЦК, и распаковку принимаемой от него информации. Для связи БС с ЦК обычно используется радиорелейная или волоконно - оптическая линия, если они не располагаются территориально в одном месте.

Контролер БС (компьютер) обеспечивает управление работой станции, а так же контроль работоспособности всех входящих в нее блоков и узлов.

Для обеспечения надежности многие блоки и узлы БС резервируются (дублируются), в состав станции включается автономные источники бесперебойного питания (аккумуляторы).

В стандарте GSM используется понятие системы базовой станции (СБС), в которую входит контролер базовой станции (КБС) и несколько (например, до шестнадцати) базовых приемопередающих станций (БППС - рис. 34). В частности, при БППС, расположенные в одном месте и замыкающиеся на общий КБС, могут обслуживать каждый свой 120 - градусный азимутный сектор в пределах ячейки или шесть БППС с одним КБС - шесть 60-градусных секторов. В стандарте D-AMPS в аналогичном случае могут использоваться соответственно три или шесть независимых БС, каждая со своим контролером, расположенных в одном месте и работающих каждая на свою секторную антенну.

Рис.34 Система базовой станции

Структура центра коммутации

Центр коммутации - это автоматическая телефонная станция ССС, обеспечивающая все функции управления сетью. ЦК осуществляет постоянное слежение за ПС, организует их эстафетную передачу, в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении ПС из соты в соту и переключение рабочих каналов в соте, при появление помех или неисправностей.

На ЦК замыкаются потоки информации со всех БС, и через него осуществляется выход на другие сети связи - стационарную телефонную сеть, сети междугородной связи, спутниковой связи, другие сотовые сети. В состав ЦК входит несколько процессоров (контролеров).

Блок-схема центра коммутации представлена на рис. 35. Коммутатор подключается к линиям связи через соответствующие контролеры связи, осуществляющие промежуточную обработку (упаковку/распаковку, буферное хранение) потоков информации. Управление работой ЦК предполагает участие операторов, поэтому в состав центра входят соответствующие терминалы, а так же средства отображения и регистрации (документирования) информации. В частности, оператором вводятся данные об абонентах и условиях их обслуживания, исходные данные по режимам работы системы, в необходимых случаях оператор выдает требующиеся по ходу работы команды.

Важными элементами системы являются БД - домашний регистр, гостевой регистр, центр аутентификации, регистр аппаратуры. Домашний регистр (местоположения - Home Location Register, HLR) содержит сведения обо всех абонентах, зарегистрированных в данной системе, и о видах услуг, которые могут быть им оказаны. В нем фиксируется местоположение абонента для организации его вызова и регистрируются фактически оказанные услуги. Гостевой регистр (местоположения - Visitor Location Register, VLR) содержит сведения об абонентах - гостях (роумерах), т.е. об абонентах, зарегистрированных в другой системе. Центр аутентификации (Authentication Center) обеспечивает процедуры аутентификации абонентов и шифрование сообщений. Регистр аппаратуры (идентификации - Equipment Identity Register), если он существует, содержит сведения об эксплуатируемых ПС на предмет их исправности и санкционированного использования. В частности, в нем могут отмечаться украденные абонентские аппараты, а так же аппараты, имеющие технические дефекты, например являющиеся источником помех недопустимо высокого уровня.

Рис.35 Блок-схема центра коммутации

Как и в БС, в ЦК предусматривается резервирование основных элементов аппаратуры, включая источник питания, процессоры и базы данных. БД часто не входят в состав ЦК, а реализуются в виде отдельных элементов. Устройство ЦК может быть различным в исполнении разных компаний - изготовителей.

Интерфейсы сотовой связи

В каждом стандарте сотовой связи используется несколько интерфейсов, в общем случае различных и разных стандартах. Предусмотрены свои интерфейсы для связи ПС с

БС, БС - с ЦК (а в стандарте GSM - еще и отдельный интерфейс для связи приемопередатчика БС с КБС), центра коммутации - с домашним регистром, с гостевым регистром, с регистром аппаратуры, со стационарной телефонной сетью и другие.

Все интерфейсы подлежат стандартизации для обеспечения совместимости аппаратуры разных фирм-изготовителей, что не исключает возможности использования азличных интерфейсов, определяемых разными стандартами, для одного и того же нформационного стыка. В некоторых случаях используются уже существующие тандартные интерфейсы, например, соответствующие протоколам обмена в цифровых нформационных сетях.

Интерфейс обмена между ПС и БС носит название эфирного интерфейса или радиоинтерфейса (air interface) и для двух основных стандартов цифровой сотовой связи (D-AMPS и GSM) обычно обозначается одинаково - Dm, хотя организован по-разному. Эфирный интерфейс обязательно используется в любой ССС при любой ее конфигурации и в единственном возможном для всего стандарта сотовой связи варианте. Данное обстоятельство позволяет ПС любой фирмы-изготовителя успешно работать совместно с БС той же или либо другой фирмы, что удобно для компаний - операторов и необходимо для организации роуминга. Стандарты эфирного интерфейса разрабатываются весьма тщательно, чтобы обеспечить возможно более эффективное использование полосы частот, выделенной для канала радиосвязи.

Частотный план стандарта GSM

В стандарте GSM используют полосы частот, приведенные в таблице 6.

Таб.6 Полосы частот, используемые в стандарте GSM

Стандарт	Частота, МГц		Длина волны, см
	Обратный канал	Прямой канал	Обратный канал	Прямой канал
GSM - 900	890 - 915	935 - 960	32,8 - 33,7	31,2 - 32,1
GSM - 1800	1710 - 1785	1805 - 1880	16,8 - 17,6	16,0 - 16,6
GSM - 1900	1850 - 1910	1930 - 1990	15,7 - 16,2	15,1 - 15,6

Одна из особенностей ССС - это жесткая ограниченность выделенных полос частот, вмещающих в себя небольшое число частотных каналов. Отсюда следует задача наиболее рационального использования имеющегося диапазона, оптимизации его использования и, следовательно, повышения емкости системы связи.

Другая особенность заключается в том, что используемые в сотовой связи полосы частот относятся к дециметровому диапазону. Дециметровые радиоволны распространяются в основном в пределах прямой видимости, дифракция на этих частотах выражена слабо, а молекулярного поглощения и поглощения в гидрометеорах (снег, дождь) практически нет. Однако близость подстилающей поверхности и наличие преград (зданий), особенно в условиях города приводит к появлению отраженных сигналов, интерферирующих между собой и с сигналом, прошедшим по прямому пути. Это явление называется многолучевым распространением сигналов.

Отражение от подстилающей поверхности приводит к тому, что мощность принимаемого сигнала убывает пропорционально не второй степени расстояния между передатчиком и приемником, как при распространении в свободном пространстве, а пропорционально четвертой степени этого расстояния, т.е. напряженность поля, убывает пропорционально квадрату расстояния. Интерференция нескольких сигналов, прошедших различными путями, вызывает явление замираний результирующего сигнала, при котором интенсивность принимаемого сигнала изменяется в значительных пределах при перемещении подвижной станции. Кроме того, возникают искажения, являющиеся следствием наложения нескольких соизмеримых на интенсивности смещенных один относительно другого во времени сигналов, которые могут приводить к ошибкам в принимаемой информации. Многолучевое распространение существенно затрудняет расчет интенсивности сигналов в зависимости от удаления от базовой станции, а такой расчет необходим для корректного проектирования системы.

Наиболее широко распростроненый стандарт GSM работает в диапазоне 800 - 900 мГц. При передаче на подвижные станции (линия "вниз") используется полоса 890 - 915 МГц, а для передачи к базовым станциям (линия "вверх") полоса 935 - 960 МГц. Сети GSM функционируют совместно с существующими аналоговыми системами стандартов NMT - 900, TACS, ETACS, поэтому частотные планы разработаны с учетом этой особенности. Разнос каналов в стандарте GSM составляет 200 кГц, а число частотных каналов в выделенной полосе равно 124. Частоты для организации дуплексного канала группируются парами с разносом 45 МГц. Эти пары частот сохраняются при перекосах частоты. Каждой соте присваивается определенное количество пар частот. Если обозначить F1(n) - номер несущей частоты в полосе 890 - 915 МГц, а F2(n) - номер несущей частоты в полосе 935 - 960 МГц, то частоты каналов определяются следующим образом:

F1(n) = 890,2 + 0,2 (n - 1), МГц;

F2(n) = F1(n) + 45 МГц; 1 < n < 124

Каждая несущая частота уплотняется 8-ю физическими каналами, которые размещаются в 8 временных окнах в пределах TDMA кадра и в последовательности кадров. Причем каждый физический канал использует одно и то же временное окно в каждом временном TDMA кадре.

Прежде чем сформировать физический канал, все сообщения и данные, представленные в цифровой форме, группируются и объединяются в логические каналы двух типов:

• каналы связи, предназначенные для передачи кодированной речи или данных (ТСН);

• каналы управления, предназначенные для передачи сигналов управления и синхронизации (ССН).

По одному физическому каналу может быть передано несколько типов логических каналов, но только при их соответствующей комбинации.

Роуминг в ССПС

Одна из функций ССПС - это функция роуминга, позволяющая расширить возможности пользования сотовой связью за пределами одной ("домашней") системы.

Роуминг - это функция, или процедура предоставления услуг сотовой связи абоненту одного оператора в системе другого оператора. Термин роуминг происходит от английского "roam" - бродить, странствовать, абонента использующего услуги роуминга, называют роумером (английское "roamer"). Для реализации роуминга необходимо техническое обеспечение его осуществимости (в простейшем случае - использование в обоих системах одного и того же стандарта сотовой связи) и наличие роумингового соглашения между соответствующими компаниями - операторами. По мере развития мобильной связи возникает возможность роуминга между системами сотовой и мобильной спутниковой связи.

Для организации роуминга ССПС должна быть одного стандарта, а центры коммутации подвижной связи должны быть соединены специальными каналами связи для обмена данными о местонахождение абонента. Для обеспечения роуминга необходимо выполнение трех условий:

• наличие в требуемых регионах ССПС, совместимой со стандартом компании, у которой был приобретен радиотелефон;

• наличие соответствующих организационных и экономических соглашений о роминговом обслуживание абонентов;

• наличие каналов связи между системами, обеспечивающих передачу звуковой и другой информации для роминговых абонентов.

Различают три вида роуминга:

• автоматический;

• полуавтоматический, когда абоненту для пользования данной услугой в каком - либо регионе необходимо предварительно поставить об этом в известность своего оператора;

- ручной, т.е. обмен одного радиотелефона на другой, подключенный к ССПС другого оператора.

Идеализованная и сильно упрощенная схема организации роуминга могла бы быть представлена в следующем виде. Абонент сотовой связи, оказавшийся на территории "чужой" системы, допускающий реализацию роуминга, инициирует вызов обычным образом, как если бы он находился на территории "своей" системы.

Центр коммутации, убедившись, что в его домашнем регистре этот абонент не значится, воспринимает его как роумера и заносит в гостевой регистр. Одновременно (или с некоторой задержкой) он запрашивает в домашнем регистре "родной" системы роумера относящиеся к нему сведения, необходимые для организации обслуживания (оговоренные подпиской виды услуг, пароли, шифры), и сообщает, в какой системе роумер находится в настоящее время; последняя информация фиксируется в домашнем регистре "родной" системы роумера. После этого роумер пользуется сотовой связью, как дома: исходящие от него вызова обслуживаются обычным образом, с той только разницей, что относящиеся к нему сведения фиксируются не в домашнем регистре, а в гостевом; поступающие на его номер вызова переадресуются "домашней" системой на эту систему, где роумер гостит. По возвращении роумера домой в домашнем регистре "родной" системы стирается адрес той системы, где роумер находился, а в гостевом регистре той системы, в свою очередь, стираются сведения о роумере. Оплата услуг роуминга производится абонентом через "домашнюю" систему, а "домашняя" компания - оператор, оказавшей услуги роуминга, в соответствии с роминговым соглашением.

Описанная схема соответствует автоматическому роумингу. Для завершения процесса она должна быть еще дополнена автоматической системой ведения расчетов между компаниями - операторами, которая может оказаться весьма непростой - с учетом возникновения перекрестных обязательств между рядом компаний, а так же возможности учета (погашения) взаимных обязательств пар компаний, входящих в группу, охватываемую системой автоматического роуминга. Противоположностью автоматическому является ручной, или административный, роуминг, в некоторых стандартах предшествовавший появлению автоматического. В случае ручного роуминга абонент предупреждает, например, телефонным звонком, "домашнюю" компанию -оператор о предстоящем убытии, а по приезде в другой город - местную компанию -оператор о своем прибытии. Необходимые данные вносятся в домашний и гостевой регистр вручную операторами соответствующих центров коммутации. Существовали и промежуточные варианты: с отдельной процедурой регистрации (автоматической) нового роумера; с автоматической организацией вызова со стороны роумера, но с точной маршрутизацией при вызове роумера со стороны сети и др.

Картина организации роуминга была бы не полной, если бы не упомянули некоторых моментов истории, а так же ряда дополнительных проблем, сопутствующих роумингу. При появлении сотовой связи ни проблемы, ни даже понятия роуминга не было - столь большой успех и широкое распространение сотовой связи предсказать было невозможно. Поэтому роуминг появился по мере развития сотовых систем и использовал в разных стандартах, странах и регионах различные технические и организационные решения.

Заметное развитие роуминг получил в аналоговых стандартах AMPS (Северная Америка) и NMT (Скандинавия), но появление цифровых стандартов потребовало пересмотра многих из использовавшихся там решение. Решение задачи роуминга в цифровом стандарте D-AMPS опирается на отдельный стандарт IS-41, определяющий межсистемные операции. Более выгодное положение в этом отношении у стандарта GSM, который с самого начала разрабатывался как общеевропейский и в который процедура роуминга заложена как обязательный элемент. Кроме того, в стандарте GSM имеется возможность так называемого роуминга с SIM - картами, или пластикового роуминга, с перестановкой SIM - карт между аппаратами различных вариантов стандарта GSM (GSM 900, GSM 1800 и GSM 1900), поскольку во всех трех вариантах стандарта GSM используются унифицированные SIM - карты. Процедура роуминга в стандарте GSM становится еще более удобной с появлением двухрежимных, а в дальнейшем - и трехрежимных абонентских терминалов (GSM 900/GSM 1800/GSM 1900). Но и стандарт GSM пока не развернут полностью, в частности в отношении реализации всех принципиально заложенных в него технических решений. Из технических и организационных трудностей, связанных с развитием роуминга, отметим следующие: аутентификация абонентов с учетом неизбежного, инициативного и даже агрессивного фрода; организация оплаты услуг роуминга, существенно усложняющаяся с ростом масштабов и расширением географии роуминга; протекционизм (например, в некоторых странах запрещается применение абонентских аппаратов иностранного производства).

В заключение отметим, что при огромном росте межрегиональных и международных связей и делового общения организация полноценного автоматического роуминга в сотовой связи является одной из актуальных проблем, и в ее решении остаются моменты, требующие дополнительной работы.

Контрольные вопросы

1.Приведите функциональную схему и состав оборудования стандарта GSM и поясните основные узлы.

2.Назначение SIM - карты.

3.Приведите функциональную схему цифровой подвижной станции и поясните основные узлы.

4.Приведите функциональную схему цифровой базовой станции и поясните основные узлы.

5.Роумингом в ССПС, условия организации и виды.

Лекция 8-9-10

Цифровые ССПС с кодовым разделением каналов

Особенности стандарта IS-95 MS и BTS стандарта IS-95

Цифровые ССПС с кодовым разделением каналов

CDMA - сотовые системы подвижной радиосвязи с кодовым разделением абонентов общего пользования были разработаны впервые фирмой Qualcomm (США) и успешно развиваются фирмой MOTOROLA. На системы CDMA в США был принят стандарт, получивший обозначение IS-95. Первая в мире коммерческая система с кодовым разделением каналов (CDMA) была внедрена в 1995 году компанией Hutchison Telephone (Гонконг). Сеть эта была построена на оборудовании фирмы Motorola, базовые станции типа SC9600 и коммутационная станция типа EMX2500.

В CDMA системах каждый голосовой поток отмечен своим уникальным кодом и передается на одном канале одновременно со многими другими кодированными голосовыми потоками. Принимающая сторона использует тот же код для выделения сигнала из шума. Единственное отличие между множественными голосовыми потоками это уникальный код. Канал, как правило, очень широк и каждый голосовой поток занимает целиком всю ширину диапазона. Эта система использует наборы каналов шириной 1.23 МГц. Голос кодируется на скорости 8.55 кбит/с, но определение голосовой активности и различные скорости кодирования могут урезать поток данных до 1200 бит/с. В системах CDMA могут устанавливаться очень прочные и защищенные соединения, несмотря на экстремально низкую величину мощности сигнала, теоретически - сигнал может быть слабее чем уровень шума.

Принцип CDMA основан на использовании широкополосных сигналов (ШПС), полоса которых значительно превышает полосу частот, необходимую для обычной передачи сообщений. ШПС характеризуется базой сигнала, определяемая как произведение ширины его спектра F на его длительность T:

B=F-T

При цифровой передачи сообщений в виде двоичных символов, длительность ШПС T и скорость передачи связаны соотношением:

Следовательно, база сигнала B = F/C характеризует расширение спектра ШПС

относительно спектра сообщения, которое в свою очередь может осуществляться двумя методами или их комбинацией:

1. прямым расширением спектра частот;

2. скачкообразным изменением частоты несущей.

По первому методу узкополосный сигнал умножается на псевдослучайную последовательность (ПСП) длительностью T, которая в свою очередь состоит из N бит длительностью каждая. Тогда база ШПС (Рис. 4.1) численно равна количеству элементов ПСП. B = T/τ _o = N

Рис.4.1 Формирование ШПС методом прямого расширения спектра частот

При скачкообразныном изменении частоты несущей, производится быстрая перестройка выходной частоты синтезатора в соответствии с законом формирования ПСП (Рис.4.2).

Рис.4.2 Формирование ШПС методом скачкообразного изменения несущей частоты

Для приёма ШПС используется оптимальный приёмник, который для сигнала с известными параметрами вычисляет корреляционный интеграл:

здесь X(t) - входной сигнал, представляющий сумму исходного сигнала u(t) и шума u_ш(t).

Далее значение Z сравнивается с порогом Z₀. Вычисление корреляционного интеграла осуществляется с помощью коррелятора или согласованного фильтре (Рис.4.3).

Рис. 4.3 Корреляционный приемник ШПС

Функции коррелятора состоит в «сжатии» спектра широкополосного входного сигнала путем умножения его на эталонную копию u(t) с последующей фильтрацией в полосе 1/Т. Это позволяет увеличить отношение сигнал\шум на выходе коррелятора в В раз по отношению ко входу.

При поступлении на коррелятор входного сигнала x(t) и опорного u(t), амплитуда выходного сигнала уменьшается и становится равным «0» при сдвиге равной длительности элемента ПСП. Изменение амплитуды выходного сигнала коррелятора определяется видом корреляционной функции. При отсутствии сдвига между входной и опорной ПСП она называется автокорреляционной функцией АКТ, а при наличие сдвига взаимно корреляционной функцией ВКФ. Структура М-последовательности с N=15, вид её периодической АКФ(б) и апериодической АКФ(в), т.е. периодически не продолжающейся во времени, приведена на рис. 4.4.

Рис. 4.4 Структура М-последовательности с N=15 (а), периодическая АКФ (б)

и апериодическая АКФ (в)

Из приведенного следует, что выбирая ансамбль сигналов с «хорошими» автокорреляционными и взаимокорреляционными функциями, путём корреляционной обработки (свертки ШПС), можно обеспечить разделение сигналов, что и является основным принципом построения систем с кодового разделение каналов связи.

На практике, в сотовых системах связи, в основном используются ШПС получаемые путем прямого расширения спектра, а различие каналов определяется формой псевдослучайной последовательности, которая используется для расширения полосы спектра частот. Сформированный таким образом радиосигнал, называется фазоманипулированным ШПС.

Выбор вида ПСП зависит от взаимных и автокорреляционных характеристик ансамбля сигналов, его объема, простоты реализации устройств формирования и «сжатия» (свертки) сигналов в приемнике. Перечисленным условием наиболее удовлетворяют линейные М-последовательности и их сегменты, а для расширения объема ансамбля сигналов часто используют составные ПСП с добавлением последовательности Уолша.

Основной проблемой создания систем ССПС стандарта CDMA, является реализация малогабаритных, малопотребляющих и многофункциональных устройств «сжатия» ШПС. К настоящему времени эта проблема успешно решается различными фирмами, в частности, по предложению американской формы Qualcomm, в США принят стандарт IS-95 для систем ССMС с CDMA. Европе в разных программы RACE, разработаны проект CODI T (code Division testbed), основная цель которого возможность использования в стандарте CDMA для третьего поколения CCПС ИМТS/FPLMTS.

Особенности стандарта IS-95

CCПС с CDMA стандарта IS-95 была разработана фирмой Qualcomm. Основная цель разработки состояла в увеличении емкости ССПО по сравнению с аналоговыми не менее чем на порядок. Технические требования к системе CDMA сформулирована Ассоциацией промышленности связи (TIA) в следующих стандартах:

IS-95 - CDMA радиоинтерфейс

IS-96 - CDMA речевые службы

IS-97 - CDMA подвижная станция

IS-98 - CDMA базовая станция

IS-99 - CDMA служба передачи данных.

Система рассчитана для работы в диапазоне 800 МГц, выделенной для сетей ССПС стандартов AMPS/DAMPS. Скрытность связи является технологической особенностью CDMA, поэтому шифрование сообщений не требуется.

Стандарт IS-95 использует прямое расширение спектра частот на основе 64 последовательностей функций Уолша. Речевые сообщения преобразуются по алгоритму CELP со скоростью преобразования 8000 бит/с, а в канале, с учетом дополнительных символов для повышения помехоустойчивости, 9600 бит/с. Система допускает режимы работы на скоростях 4800, 2400 и 1200 бит/с. При передачи "вниз" в системе используется сверточние кодирование со скоростью 1/2, а «вверх » 1/3 . Кроме того применяется перемежение передаваемых сообщений, а на приёме декодер Витерби с мягким решением.

Канал связи стандарта CDMA Qualcomm занимает полосу 1,25 МГц, а основные характеристики и технические параметры приведены в таблице 4.1.

На приёме отраженные сигналы, приходящие с разными задержками, обрабатываются раздельно, а затем осуществляется весовое сложение. Такая процедура приёма значительно снижает отрицательная влияние эффекта многолучевости.

Для раздельной обработки сигналов, в каждом канале приёма параллельно работают 4 коррелятора на BTS и 3 на MS. Кроме того, параллельно работающие корреляторы позволяют осуществлять мягкий режим «Эстафетной передачи» (Soft Handoff) при пересечении сот. Происходит это за счет управления MS двумя или более BTS. Транскодер, входящий в состав основного оборудования, проводит оценку качества приёма сигналов от двух BTS последовательно кадр за кадром (рис. 4.5).

Таб.4.1 Основные характеристики и технические параметры стандарта CDMA Qualcomm

Рис. 4.5 Принципы склеивания лучших кадров, принимаемых разными базовыми станциями

Выбор результирующего сигнала, как процесс определения лучшего кадра, формируется путем непрерывной коммутации и последующего «склеивания» кадров, принимаемых разными базовыми станциями, участвующими в «Эстафетной передаче», что обеспечивает мягкий режим. При этом обеспечивается высокое качество приема речевых сообщений и устраняются перерывы в сеансах связи имеющих место в сотовых сетях связи других стандартов.

Обобщенная структурная схема стандарта CDMA приведена на рис.4.6.

Рис.4.6 Структурная схема сети сотовой подвижной радиосвязи CDMA

Как видно, основные элементы приведенной схемы, аналогичны используемым в ССПС аналогового и цифрового стандартов. Отличие состоит лишь в наличии устройства оценки качества и выбора кадра (SU Selection Unit). Кроме того, между BTS управляющие разными контроллерами (BSC), вводится линия передачи между SU и BSC (Inter BSC Soft handoff), для реализации мягкого режима «Эстафетной передачи».

Протоколы установления связи используют, логические каналы, которые в CDMA подразделяются на прямые (forward), обратные (Reverse), передача «вверх». Структура таких каналов стандарта IS-95 приведена на рис.4.7.

Рис.4.7 Структура каналов связи в стандарте CDMA IS-95

Прямой пилотный канал служит для синхронизации MS с сетью и контроля за сигналами BTS по времени, частоте и фазе.

Канал синхронизации используется для идентификации BTS, уровня излучения пилотного сигнала, фазы ПСП BTS. После завершения перечисленных этапов синхронизации, начинаются установления соединением.

По каналу вызова осуществляется вызов MS. По получению вызывного сигнала MS передает сигнала подтверждения на BTS. После этого с BTS передается информация об установления соединения и назначения канала связи.

Полностью канал начинает функционировать только после получения MS всей системной информации (частота несущей, тактовая частота, задержка сигнала по каналу синхронизации).

Прямой канал трафика служит для передачи речевых сообщений и данных, а также управляющей информации с BTS на MS.

В том случае, если MS не использует канал трафика, то для организации связи с BTS служит обратный канал доступа. По этому же каналу осуществляется установочные вызова и ответов на сообщения, передаваемые по каналу вызова и запрет на регистрацию в сети. Канал вызова и доступа совмещается (объединяются).

По каналу обратного трафика передаются речевые сообщения и управляющая информация с MS на BTS.

Количество каналов на BTS составляет 64, из которых 2 канала используются для синхронизации, 7 - для персонального вызова (Paging), остальные 55 - для передачи речевых сообщений.

Все 64 канала BTS используют одну и тоже ПСП. Для разделения каналов при передаче применяют 64 взаимно ортогональных последовательностей Уолша. По этой причине отсутствуют взаимные помехи между каналами передачи одной BTS. Однако имеет место помехи, создаваемые соседними BTS работающими в этой же полосе радиочастот и используемые ту же самую ПСП, но с другим циклическим сдвигом.

При передаче с MS также используются ортогональные последовательности Уолша, но не для разделения каналов, а для повышения помехоустойчивости. Для этого в каждой группе из 6 бит информационного сообщения, при передаче, ставится в соответствии одна из 64 ортогональных последовательности Уолша. Разделение сигналов MS обеспечивается путем использования ПСП с разными циклическими сдвигами.

Формирования сигнала на подвижной станции приведена на рис.4.8, а структурная схема приемной базовой станции на рис. 4.9.

Рис. 4.8 Формирование сигнала подвижной станции

Рис. 4.9 Структурная схема приемника базовой станции

Уровень помех создаваемые соседними BTS и другими MS определяют верхний порог пропускаемый способности сети стандарта CDMA.

Для расчета количество активных абонентов в соте системы CDMA, предполагают, что все k активных абонента в соте работают в общей полосе частот F, а скорость передачи сообщений постоянна и равна С. При этом чувствительность приемника BTS равна Pq, а уровень фонового шума - Р_ш.

При заданных исходных условиях, отношение сигнал/шум на входе приемника BTS определяется выражением:

здесь, (k-1)*Po - уровень сигнала от других активных станции.

В свою очередь, отношение энергии одного бита E₀ информационного сигнала к спектральной плотности шума N₀ определяется выражением:

Тогда k - 1 = B / (E₀/N₀), при условии, что уровни сигналов от всех MS на входе BTS приблизительно равны и минимальны, близки к P₀. Отсюда следует, что регулировка уровня мощности сигналов MS должно быть очень точной и в большом диапазоне.

В стандарте IS-95 уровень мощности сигнала MS регулируются в диапазоне 84дБ с шагом 1 дБ, что позволяет минимизировать уровень сигнала на входе BTS. Это в свою очередь уменьшает уровень взаимных помех в системе и повышает ее емкость.

Следующем недостатком системы CDMA Qualcomm является необходимость использования одинаковых по размерам сот на всей сети, так как в противном случае возникают взаимные помехи от сигналов подвижных станции, которые находятся в соседних сотах разного размера. Кроме того, это приводит и к проблемам с «эстафетный передачей».

Одним из методов снижения взаимных помех в системе с CDMA, следовательно и увеличение емкости сети, является применение прерывистой передачи речи на основе использования детектора активности речи и вокодера с алгоритмом CELP, а также переменной скорости преобразования аналогового речевого сигнала в цифровой.

Передача сообщений в стандарте IS-95 осуществляется кадрами, а используемая технология приема позволяет анализировать ошибки в каждой информационном кадре. При этом, если количество ошибок превышает допустимое, то этот кадр стирается (frame erasure). В свою очередь, «частота стирания битов» определяется отношением E0/N0. При увеличение количество активных абонентов в соте, из-за взаимных помех отношений E0/N0 снижается, а частота ошибок увеличивается. Общие нормы на величину таких ошибок еще не принята и поэтому различные фирмы производители принимают свои допустимые значение частоты ошибок. Например, фирма Qualcomm считает допустимую величину ошибок равной трем процентам, при этом емкость системы CDMA увеличивается в 20...30 раз по сравнению с системой AMPS. В свою очередь фирма Motorola считает допустимые число ошибок равной один процент, тогда емкость системы CDMA увеличивается по сравнению с AMPS только в 15 раз.

По данным фирмы Motorola, при отношении E0/N0=7... 8 дБ и допустимой частоте ошибок в один процент на трехсекторной соте можно организовать до 60 активных каналов.

Особенности MS стандарта IS-95

Разработанная для стандарта IS-95 MS двухрежимная,т.е. позволяющая помимо сети CDMA поддерживать связь и с существующими сетями аналоговых стандартов с частотной модуляцией (AMPS). Это дает существенные преимущества абонентам CDMA, так как позволяют использовать MS и там, где существующие аналоговые сотовые сети обеспечивают радиопокрытие. Особенностью таких MS является добавление к существующим станциям аналоговых стандартов функций цифровой обработки сигналов. В стандарте IS-95 фирмы Qualcomm, эти функции реализованы в трех заказных СБИС, конструктивно объединенных в одном устройстве. Структурная схема подвижной станции CDMA приведена на рис. 108.

Рис. 4.10 Структурная схема подвижной станции CDMA

Особенности BTS стандарта IS-95

В данном стандарте BTS могут работать как с антеннами с круговой диаграммой направленности , так и секторными , обычно 120-градусными. Структурная схема BTS стандарта CDMA приведена на рис.4.11.

Здесь предполагается использование в сотах антенн с круговой диаграммой направленности оборудование, включая канальные блоки, цифровые универсальные, а также могут быть сконфигурированные как информационный или служебный каналы. Для синхронизации работы сети применяют приемник глобальной системы место определения - GPS, куда входит также опорный тактовый генератор и формирователь секундных импульсов.

Сигнал промежуточной частоты, сформированный в блоке цифровой обработки, поступает в приемопередающий блок, где преобразуется в радиочастотный сигнал несущей частоты. Далее он усиливается в усилителе мощности и через радиочастотный фильтр поступает на передающую антенну.

Рис.4.11 Структурная схема базовой станции CDMA

На приеме, сигнал с приемной антенны выделяется радиочастотным фильтром, усиливается в малошумящем усилителем и затем преобразуется в сигнал промежуточный частоты, который подается на блок цифровой обработки. Тракты приема и передачи разделены, т.е. отсутствует сумматоры мощности, что исключает потери мощности при сложении.

Требуемые режимы и алгоритмы работы BTS обеспечивает контроллер соты. Кроме того, контроллер формирует статистическую информацию о работе соты, а также управляет объединением портов канальных блоков для передачи сообщений по цифровой линии к контроллеру сети и центру коммутации подвижной связи.

Безопасность и конфиденциальность связи в стандарте IS-95

Применение сложного радио интерфейса в стандарте К-95,основанного на передаче сообщений кадрами с использованием канального кодирования и перемежения с последующим «расширением» передаваемых сигналов с помощью составных ШПС, с формированных на основе 64 видов последовательностей Уолша и псевдослучайных последовательностей с количеством элементов 2 и (2⁴²-1), позволяют обеспечить высокую степень безопасности передаваемых сообщений. Кроме того, безопасность связи обеспечивается также применением процедуры аутентификации и шифрования сообщений.

Для процедуры аутентификации в MS хранится один ключ А и один набор общих секретных данных как при работе в режиме с частотным разделением каналов, так и в режиме CDMA. Аутентификация осуществляется путем передачи «цифровой подписи» состоящей из 18 бит, которая передается в начале сообщения в ответе MS на запрос сети при поиске станции и добавляется к регистрационному сообщению или пакету данных передаваемых по каналу доступа. Предусматривается возможность смены аутентификационного набора общих секретных данных.

Шифрование сообщений, подлежащих передачи по каналу связи, осуществляется в соответствии с стандартом IS-54. Кроме того, возможен режим «Частный характер связи», для этого предусматривается секретная маска в виде длинного кода, аналогичная описанной в стандарте IS-54.

Наивысшая конфиденциальность связи обусловлена многоступенчатым кодированием, расшифровка которого потребует попросту нескольких весьма напряженных лет упорного труда. Так, если сигналы аналоговых стандартов можно прослушать самыми простыми измерительными приемниками, которые свободно продаются в магазинах, то для прослушивания с эфира сигналов стандартов GSM и DAMPS поставляется уже более совершенная аппаратура радиоконтроля.

Что касается обнаружения из эфира сигналов технологии CDMA, то из-за их повышенной криптостойкости и скрытности под шумами эта задача является архисложной. Интересно, что совокупность таких качеств, как криптостойкость, помехоустойчивость и помехозащищенность в сочетании с пониженным расходом емкости аккумуляторной батареи было бы целесообразным применять технологию CDMA для нужд силовых структур и ведомств.

Контрольные вопросы

1.В чем состоит основной принцип CDMA?

2.Приведите основные характеристики и технические параметры стандарта CDMA и как обеспечивается мягкий режим «Эстафетной передаче»?

З.Приведите структурную схему сети сотовой подвижной радиосвязи стандарта CDMA и поясните её.

4.Приведите и поясните структуру каналов связи в стандарте CDMA IS-95 и формирование сигнала подвижной станции в стандарте CDMA IS-95.

5.Приведите структурную схему приемника базовой станции и поясните её.

6.В чем состоят особенности MS стандарта IS-95. 7.В чем состоят особенности BTS стандарта IS-95.

8.Как обеспечивается безопасность и конфиденциальность связи в стандарте IS-95.

Лекция 10-2