Реферат 5G. Исследование особенностей сетей 5g по сравнению с сетями предыдущих поколений по дисциплине введение в направление
 Скачать 1.95 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ» КАФЕДРА РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ОЦЕНКА РЕФЕРАТА РУКОВОДИТЕЛЬ
РЕФЕРАТ ВЫПОЛНИЛ
Санкт-Петербург 2021 Цель и задачи реферата: Цель: исследовать особенности сетей пятого поколения в сравнении с сетями четвертого поколения. Задачи: Исследовать принципы работы сотовой связи. Исследовать принципы работы модуляции сигналов, выяснить общую информацию о каждом поколении мобильной связи. Сравнить мобильную связь 4 и 5 поколения(4G,5G) Содержание 1.Исследовать принципы работы сотовой связи. 3 1.1. Функцианальная схема работы сотовой связи. 3 1.1.1. Базовая станция 5 1.1.2. Центр коммутации 7 1.2.Эфирный интерфейс 8 1.2.1.Эфирный интерфейс системы D-AMPS 8 1.2.2.Эфирный интерфейс системы GSM 9 1.3.Организация работы системы сотовой связи 11 1.3.1.Частотные, физические и логические каналы 11 1.3.2.Инициализация и установка связи 13 1.4.Вывод 14 2.Исследовать принципы работы модуляции сигналов, выяснить общую информацию о каждом поколении мобильной связи. 14 2.1. Задачи раздела. 14 Для понимания принципов работы сетей, стоит разобраться в основах, для начала стоит разобрать модуляцию сигнала, их типы, принципы работы. После чего я перейду к разбору каждого поколения сетей, в общем разобрав из методы модуляции, используя объяснение их физического смысла и математический формулы конечного сигнала. 14 2.2.Модуляция сигнала 14 2.2.1.Амплиутдная модуляция 15 2.2.2.Фазовая модуляция 17 2.2.3.Частотная модуляция 19 2.3.Мобильныые сети разных поколений 20 2.3.1.Мобильная связь первого поколения(1G) 20 2.3.2.Мобильные сети второго поколения (2G) 22 2.3.3.Разбор модуляции сетей второго поколения 25 2.3.4.Третье поколение связи(3G) 27 2.3.5.Четвертое поколение сетей(4G) 29 2.3.6.Пятое поколение сетей(5G) 30 Новый диапазон радиочастот. 30 2.3.7.Модуляция сетей пятого поколения 31 2.4.Вывод 32 3.Сравнить мобильную связь 4 и 5 поколения(4G,5G) 33 3.1.Четвер поколение связи(4G) 33 3.2.Архитектура LTE 36 3.3.Пятое поколение связи(5G) 38 3.4.Технологии оптимизации 41 3.5.Архитектура сети 41 3.6.Сравнение 4G и 5G 43 3.7.Вывод 44 4.Заключение 45 Список использованных источников 46 Переход на станарты связи нового поколения может потребовать много ресурсов, и как я считаю важно знать насколько целесообразным является данный переход. 5G проникает в нашу жизнь все больше, сначала это были роутеры которые могут обеспечить соеденение нового поколения в пределах 1 помещения, сейчас уже некоторое операторы начинают предоставолять данные услуги. Как мне кажется, в связи со скорым переходом на стандарт связи нового поколения, необходимо знать все его приемущества, как работали его предшественники, как работает свять в принципе. В данном реферате будет проведенно сравнение двух поколений мобильной связи, схожие по типам используемой модуляции, и в принципе имеющие много общего. Ведь на базе сети четвертого поколения, можно построить сеть пятого Методы исследования. В процессе проведения исследования использовались такие методы как табличное отображение данных, структурный анализ. По итогам работы хотель бы изчить принцип работы сотовых сетей разных поколения, их основные отличия, узнать о влиянии модуляции на количество передаваемой информации. Исследовать принципы работы сотовой связи. Сотовая связь основана на географическом разделении зоны покрытия связи. Каждой ячейке выделяется определенное количество частот или каналов. Функцианальная схема работы сотовой связи. Система сотовой связи стротся в виде совокупности ячеек или сот, покрывающих обсуживаемую территорию. Ячейки принято изображать в виде правильных шестиугольников, сот. В центре каждой ячейки находится базовая станкция, обслуживающая все подвижные станции(абонентов) в пределах своей ячейки. При перемещении абонента из одной соты в другую, данные о абоненте передаются к другой базовой станции. Все базовые станции в свою очередь замыкаются в центре комутации, который выходит во Взаимоувязанную сеть связи(ВСС).  Рисунок 1.1 - Ячейки системы покрывающие всю обслуживаемую территорию  Рисунок 1.2 - Ячейка базовой станции. Вид идеальной идеальной геометрической фигуры не встречается больше нигде. В реальности границы ячейки имееют вид неправильных кривых, зависящих от условий расположения и затухания радиоволн, т.е. от рельефа местности, характера и плотности растительности и застройки и прочих факторов. Точно по такому-же принципу базовая станция не всегда находится в центре. Для лучшего понимания разберем устройсво приемо-передающего блока, тоесть абонента.  Рисунок 1.3 - Блок-схема приемо-передающего блока Придлагаю не рассматривать блок управления, и углубится в изучение приемо-передающего блока. Так как модули передатчика и приемника парные, то рассмотреть можно только один из них, ведь второй занимается обратным. АЦП- аналого-цифровой преобразователь - преобразует в цифровую форму сигнал с микрофона. Кодер речи - кодирует сигнал речи, преобразует сигнал по определенным законам с целью сокращения его избыточности. Кодер канала - добавляет в цифровой сигнал дополнительную информацию, для защиты от ошибок при передачи по линии связи. Модулятор - осуществляет перенос информации кодированного сигнала на несущую частоту. Все это, и их парные модули находятся под управлением логического блока. Данная схема является сильно упрощенной, но справляется с задачей. Базовая станция Многие элементы базовых станций по назначению не отличаются от аналогичных элементов подвижной станции(абонента), но в целом базовая станция существенно больше и сложнее подвижной.  Рисунок 1.4 - Блок-схема базовой станции Первая особенность которую стоит отметить, использование разнесенного приема, для чего базовая станция должна иметь две приемных антенны. Одноименные приемники и передатчики имеют общие перестраиваемые опорные генераторы, обеспечивающие их согласованную перестройку при переходе с одного канала на другой. Приемник и передатчик имеют в общем ту же структуру что и в подвижной станции, не считая отсутвия блоков ЦАП и АЦП. Блок соппряжения с линией связи осуществляет упаковку информации, передаваемой по линии связи на центр коммутации, и распаковку принимаемой информации. Обычно используется радиорелейная или волоконно-оптическая линия. Контроллер базовой станции, зачастую является достаточно мощным и современным компьютером, обеспечивающим управление работой станции. Для обеспечения достаточной надежности, многие блоки и узлы базовой станции дублируются, так-же в состав базовой станции входят источники бесперебойного питация(аккумуляторы). Центр коммутации Центр коммутации является мозговым цетром и одновременно диспеьчероским пунктом системы сотовой связи, на который замыкаются потоки информации со всех базовых станций и через который осуществляется выход на другие сети связи стационарную телефонную сеть, сети междугородной связи, спутниковой связи, другие виды связи.  Рисунок 1.5 - Блок-схема центра коммутации Коммутатор подключается к линиям связи через соответствующие контроллеры связи, осуществляющие промежуточную обработку(упаковку/распаковку, буферное хранилице) потоков информации. Общее управление работой центра коммутации и состемы в целом происходит в центральном контроллере, который снабжен мощным математическим обеспечением, и ПО. Работа цетрна коммутации подразумевает прямое участие оператора, поэтому в состав цетра входит соответствующий терминал, а так-же средтва отображения и регистрации информации. Важным элементом явдяется базы данных - домашний регистр, гостевой регистр, центр аутенфикации, регистр апаратуры. Домашний регистр содержит информацию о всех абонентах, зарегистрированных в данной системе, и о видах услуг, которые могут быть предоставленны пользователю. Гостевой регистр, содержит информаци об абонентах гостях, тех абонентов которые уже зарегистрированны в другой системе. Центр аутенфикации, занимается аутенфикацией абонентов и шифрованием информации. Регистр апаратуры, проверяет подвижные станции на исправность и санкционность работы. Эфирный интерфейс В каждом стандарте сотовой связи используется несколько интерфейсвов, в общем случае различных в разных стандартах Эфирный интерфейс системы D-AMPS Начнем со стандарта IS-54. Временная структура его эфирного интерфейса отличается сравнительной простотой.  Рисунок 1.6 - Струтура кадра и слота системы D-AMPS(стандарт IS-54) Передача информации в канале трафика организуется следующий один за другим кадрами, длительностью 40 мс. Каждый кадр состоит из 6 слотов, длительность слота 6,67 мс, что соответсвует 324 битам, следовательно длительность одного бита 20,55 мкс. При полноскоростном кодировании, на один речевой канал в каждом кадре отвидится два слота, т.е. 20-миллисекундный сегмет речи упаковывается в один слот, длительность которого в троем меньше. При полускоростном кодировании на один речевой канал отводится один слот в кадре, т.е. упаковка сигнала речи оказывается вдвое более плотной, чем при полноскоростном кодировании. Слот имеет несколько различную структуру в прямом канале трафика - от базовой станции к подвижной и в обратном канале трафика - от подвижной станции к базовой. В обоих случаях на передачу информации собсвенно речи отводится 260 бит. Еще 52 бита занимает управляющая и вспомогательная информация. Эфирный интерфейс системы GSM Временная структура эфирного интерфейса системы GSM еще сложнее. Передача информации организуется кадрами, которые имеют длительность 4,615 мс. Каждый кадр состоит из восьми слотов по 577 мкс, и каждый слот соответствует своему каналу речи, т.е. в каждом кадре передается информация восьми речевых каналов. При полноскоростном кодировании все последовательные кадры содержат информацию одних и тех же восьми речевых каналов. При полускоростном кодировании, пока также не реализованном, четные и нечетные кадры содержат информацию разных речевых каналов, т.е. информация одного и того же речевого канала передается через кадр, так что в общей сложности передается информация шестнадцати речевых каналов. Возвращаяськ используемой в настоящее время схеме полноскоростного кодирования, заметим, что информационный кадр может быть одного из двух видов -кадр канала трафика или кадр канала управления. В обоих случаях он имеет одну и ту же длительность и состоит из 8 слотов, но слоты имеют различную структуру и разное информационное содержание. Первые 148 бит слота составляют информационный пакет, или информационную пачку оставшиеся 8,25 бит - защитный интервал. Из 148 бит пачки на передачу информации речи отводится 116 бит (из них 114 бит - на передачу собственно речи и 2 бита - на скрытые флажки,  Рисунок 1.7 - Структура эфирного интерфейса системы GSM Определяющие тип передаваемой информации), 26 бит занимает обучающая последовательность, и оставшиеся 6 бит образует два 3-битовых защитных бланка по краям пачки. Организация работы системы сотовой связи Частотные, физические и логические каналы Частотный канал - это полоса частот, отводимая для передачи информации одного канала связи. Расмотрим пример частотного канала. В стандарте D-AMPS в США для передачи информации прямого канала отводится полоса частот 869...894 МГц, а для передачи информации обратно канала - полоса 824...849 МГц, т.е. прямой и обратный канал разнесены на частоте 45 МГц. Один частотный канал занимает полосу ∆f = 30 кГц, так что в перделах одного диапазона , с учетом защитных полос по краям, вмещается 832 частотных канала. Центральная частота канала связана с его номером N соотношением: Обратный канал: f0 = 825,000 + 0,030 N, 1 ≤N≤ 799, f0 =825,000 + 0,030 (N -1023), 991 ≤ N ≤1023; Прямой канал: fn =870,000 + 0,030 N, 1 ≤N≤ 799, fn =870,000 + 0,030 (N -1023), 991≤N≤ 1023. Таблица 1.1 - Распределение частотных каналов стандарта D-AMPS в США  Физический канал в системе с множественным доступом на основе временного разделения (TDMA) - это временной слот с определенным номером, в последовательности кадров эфирного интерфейса . Таким образом, в одном частосном канале в стандарте D-AMPS при полноскоростном кодировании передается информация трех физических каналов, при полускоростном кодировании, шести каналов. Логические каналы различаются по виду информации, передаваемой в физическом канале. В принципе в физическом канале может быть реализоваен один из двух видов логических каналов, канал трафик или канал управления. Каждый из них, в свою очередь, может в общем случае существовать в одном из нескольких вариантов. Логический канал трафика - это канал передачи речи или данных, информации, ради которой собственно и создается сотовая связь. Инициализация и установка связи Перейдем к рассмотрению организации основных режимов работы сотовой связи. Центр коммутации и базовые станции работают круглосуточно, без перебойно. Рассмотрим сначала наиболее простой случай - работу подвижной станции и пределах одной ячейки своей системы, без передачи обслуживания. В этом случае в работе подвижной станции можно выделить 4 этапа, которым соответвствуют четыре режима работы: включение и инициализация, режим ожидания, режим установления связи, режим включения связи.  Рисунок 1.8 - Упрощенная схема установления связи 1.Подвижная станция через канал случайного доступа (RACH) запрашивает выделенный закрепленный канал управления (SDCCH) для установления связи. 2.Контроллер базовой станции через канал разрешения доступа (AGCH) назначает канал SDCCH. 3.Подвижная станция через канал SDCCH проводит аутентификацию и выдает запрос на вызв( с номера вызываемного абонента) 4.Центр коммутации выдает команду на назначение канала трафика (ТСН). 5.Центр коммутации выдает вызываемый номер на стационарную телефонную сеть, и после ответа вызываемого абонента завершает соединение. Вывод Рассмотренн принцип работы сотовой сети, ее основные элементы. Проведен разбор организации сотовой сети. Выяснил последовательность действий при процессе инициализации. Исследовать принципы работы модуляции сигналов, выяснить общую информацию о каждом поколении мобильной связи. Задачи раздела. Для понимания принципов работы сетей, стоит разобраться в основах, для начала стоит разобрать модуляцию сигнала, их типы, принципы работы. После чего я перейду к разбору каждого поколения сетей, в общем разобрав из методы модуляции, используя объяснение их физического смысла и математический формулы конечного сигнала. Модуляция сигнала Модуляция- процесс изменения одного или нескольких параметров несущего сигнала при помощи модулирующего сигнала. В итоге которого спектр управляющего сигнала переходит в высокочастотную область, в следствии чего, передается с большей эффективностью.  Рисунок 2.1 – Типы модуляции Амплиутдная модуляция Амплитудная модуляция - это тип модуляции, при котором высота несущего сигнала изменяется в соответствии с высотой сигнала сообщения. В амплитудной модуляции изменяется только амплитуда несущей волны, в то время как частота и фаза несущей волны остаются постоянными. На первом рисунке показан высокочастотный несущий сигнал, который не содержит информации, на втором рисунке показан модулирующий сигнал или сигнал сообщения, который содержит информацию, а на последнем рисунке показан результирующий амплитудно-модулированный сигнал. На третьем рисунке показано, что амплитуда как положительного, так и отрицательного полуциклов несущей волны изменяется в соответствии с мгновенной амплитудой сигнала сообщения. По максимумам можно провести воображаемую линию, которая будет повторять очертания повторять сигнал сообщения.  Рисунок 2.2 – Графическое отображение амплитудной модуляции Несущий сигнал не содержит никакой информации, поэтому даже если мы изменим амплитуду несущего сигнала, потеря информации не произойдет. Однако, если мы изменим характеристики (амплитуду, частоту или фазу) сигнала сообщения, потеря информации произойдет, потому что сигнал сообщения содержит информацию. Поэтому характеристики сигнала сообщения не должны быть изменены. Амплитудная модуляция была самым ранним методом модуляции, используемым для передачи голосовых сигналов по радиосигналам. Математическое объяснение модуляции. Рассмотрим синусоидальный модулирующий сигнал(сигнал сообщения):  (2.1) Рассмотрим модулирование несущей волны:  (2.2) Используя приведенные выше математические выражения для сигнала сообщения и несущего сигнала, мы можем создать новое математическое выражение для полной модулированной волны:  (2.3) где am — это модулирующий сигнал или сигнал сообщения ac — является несущим сигналом Am — максимальная амплитуда сигнала сообщения Ac — максимальная амплитуда несущего сигнала ωm — частота сигнала сообщения ωc —частота несущего сигнала Фазовая модуляция Фазовая модуляция - это тип угловой модуляции, при котором общий фазовый угол несущего сигнала изменяется в соответствии с амплитудой сигнала сообщения.  Рисунок 2.3 - Графическое отображение фазовой модуляции На первом рисунке показан низкочастотный модулирующий сигнал или сигнал сообщения, который содержит полезную информацию, на втором рисунке показана высокочастотная несущая волна, которая не содержит никакой информации, а на последнем рисунке показан результирующий фазо-модулированный сигнал. На третьем рисунке показано, что фаза как положительного, так и отрицательного полуциклов несущего сигнала изменяется в зависимости от вариаций амплитуды модулирующего сигнала. Во время положительного полуцикла фаза несущего сигнала смещается в одном направлении, тогда как во время отрицательного полуцикла фаза несущего сигнала смещается в противоположном направлении. При фазовой модуляции отклонение фазы прямо пропорционально амплитуде сигнала сообщения. Помехоустойчивость фазовой модуляции лучше, чем амплитудная модуляция. Математическое обьяснение молуляции:  (2.4) где Aωo – амплитуда ωo – среднее значение угловой частоты переносчика. Ω – частота mф – индекс угловой модуляции Частотная модуляция Частотная модуляция - это тип модуляции, при котором частота несущего сигнала изменяется в зависимости от изменения амплитуды сигнала сообщения.  Рисунок 2.4 - Графическое отображение частотной модуляции При частотной модуляции величина изменения частоты несущего сигнала определяется амплитудой сигнала сообщения. Например, предположим, что несущий сигнал имеет отклонение частоты ± 4 кГц. В таком случае несущий сигнал будет двигаться вверх и вниз на 4 кГц. Частота модулированной волны высока, когда сигнал сообщения достигает своей максимальной амплитуды. Несущая волна не содержит никакой информации, поэтому даже если мы изменим частоту несущей волны, потери информации не будет. Основным преимуществом частотной модуляции (FM) в радиопередаче является то, что она имеет большое отношение сигнал/шум (отношение мощности сигнала к мощности шума) и поэтому отклоняет радиочастотные помехи лучше, чем амплитудная модуляция (AM). Математическое обьяснение модуляции:  (2.5) Посмотрев на формулы частотной и фазовой модуляции можно заметить визуальное сходство, что логично ведь, они относятся к разновидности угловой модуляции. Мобильныые сети разных поколений Мобильная связь первого поколения(1G) В ранних версиях сотовой связи было большое количество недостатков, одновременно в одной зоне могло совершаться только 23 звонка, площадь такой зоны была 26 квадратных километров. Даже если учесть тот факт, что телефон был не для всех, ведь изначально он был разработан как аналог рации и CB радио, это все равно сильно ограничивало малочисленных пользователей. Отличительной особенностью сотового телефона, которая отличала ячейку с half-duplex walkie-talkie, стала необходимость двух частот для работы, это позволило симулировать full-duplex, при котором передача данных производится в обе стороны. Из-за этого два пользователя способны были общаться, не отсекая голос собеседника. С введением первого поколения сотовых телефонов, благодаря развития полупроводников и микропроцессоров в 70-х годах, появилась возможность избавиться от ограничения в 23 звонка в зоне, расширив их до 359. Однако тогда использовались аналоговые каналы передачи для голосовой связи. Из представленных тогда систем 1G, можно выделить три: AMPs, TACS, NMT. В самой распространенной сети AMPs использовалась частотная модуляция. Хотя чаще всего использовалась амплитудная модуляция, больше подходящая для аналоговых сигналов. Таблица 2.1 – Характеристики сетей первого поколения
Мобильные сети второго поколения (2G) Архитектура 2G состоит из сети радиодоступа, включающей соты и транзитную связь, и опорной сети, состоящей из магистралей, серверов и коммутаторов. Вся сеть управляется данными и состоит из интеллектуальных мобильных центров коммутации. Стандартная платформа 2G поддерживает голосовые услуги с коммутацией каналов, данные и факс; голосовую почту, включая услуги голосовых уведомлений. Платформа также поддерживает дополнительные услуги, такие как протокол беспроводных приложений, WAP, высокоскоростные данные с коммутацией каналов, HSCSD, а также услуги определения местоположения мобильного телефона и сотового вещания. Она также предоставляет услуги переносимости номеров, которые позволяют менять поставщика услуг мобильной связи без изменения номеров. Таблица 2.2 – Характеристики сетей второго поколения.
Продолжение таблицы 2.2
Разбор модуляции сетей второго поколения |