уЧЕБНИК. Конспект лекций СанктПетербург 2005
 Скачать 1.58 Mb.
|
|
10.1 Сети сотовой подвижной связи В эволюционном развитии ССПС можно выделить три поколения: аналоговые системы, цифровые системы и универсальные системы мобильной связи. К аналоговым ССПС относятся следующие стандарты: - AMPS (усовершенствованная мобильная ТЛФ служба, диапазон 800 МГц) – США, Канада, Центральная и Южная Америка, Австралия; это наиболее распространенный стандарт в мире; используется в России в качестве регионального стандарта. - TACS (общедоступная система связи, диапазон 900 МГц) – Англия, Италия, Испания, Австрия, Ирландия; второй по распространенности среди аналоговых; - NМT – 450 и NМT – 900 (мобильный телефон северных стран) – используется в Скандинавии и во многих других странах, третий среди аналоговых; NМT – 450 является одним из двух стандартов, принятых в России в качестве федерального; - С – 450 – Германия и Португалия; - RTHS (450 МГц) – Италия; - Radiocom 2000 (170, 200, 400 МГц) – Франция; - NTT (100 – 900 МГц) – Япония. Во всех аналоговых стандартах применяется частотная ЧМ или фазовая ФМ модуляция для передачи речи и частотная манипуляция для передачи информации управления. Этот способ имеет ряд существенных недостатков: возможность прослушивания разговоров другими абонентами, отсутствие эффективных методов борьбы с замираниями сигналов под влиянием окружающего ландшафта и зданий или вследствие передвижения абонентов. Для передачи информации различных каналов используются различные участки спектра частот – применяется метод множественного доступа с частотным разделением каналов с полосами каналов от 12.5 до 30 кГц в зависимости от стандарта. С этим непосредственно связан основной недостаток аналоговых систем – относительно низкая емкость из-за недостаточно рационального использования выделенной полосы частот при частотном разделении каналов. Основные цифровые стандарты ССПС основаны на методе множественного доступа с временным разделением каналов TDMA или множественного доступа с кодовым разделением каналов CDMA. К ним относятся: - D-AMPS (цифровой AMPS); диапазоны 800 МГц и 1900 МГц; - GSM – глобальная система мобильной связи, диапазоны 900, 1800 и 1900 МГц – второй по распространенности стандарт в мире; - CDMA – диапазоны 800 и 1900 МГц; - JDC – японский стандарт цифровой сотовой связи. 110 Табл.10.1. Характеристики аналоговых стандартов сотовой связи Характеристики AMPS TACS NMT- 450 NMT-900 Radiocom – 2000 NTT Диапазон частот, МГц 825 – 845 870 – 890 935 – 950 890 – 905 453 – 457,5 463 – 467,5 935 – 960 890 – 915 424,8 - 427,9 418,8- 421,9 925 – 940 870 - 885 Радиус ячейки, км 2 – 20 2 – 20 2 – 45 0,5 – 20,0 5 – 20 5 – 10 Число каналов подвижной станции 666 600 180 1000/1999 256 до 1000 Число каналов базовой станции 96 144 30 30 - 120 Мощность пер- ка базовой станции, Вт 45 50 0 - - 25 Ширина полосы частот канала, кГц 30 25 25 25,0/12,5 12,5 25 Время переключения канала на границе, мс 250 290 1250 270 - 800 Макс. девиация частоты в канале упр-ия, кГц 8 6,4 3,5 3,5 - 4,5 Макс. девиация в речевом канале, кГц 12 9,5 5 5 2,5 5 Минимальное отношение с/ш, дБ 10 10 15 15 - 15 111 Табл.10.2.Характеристики цифровых стандартов Характеристика GSM D - AMPS JDC CDMA Метод доступа TDMA TDMA TDMA CDMA Число речевых каналов на несущую 8 3 3 32 Рабочий диапазон частот, МГц 935 – 960 890 - 915 824 – 840 869 - 894 810 – 826 940 – 956 1429 – 1441 1447 – 1489 1501 - 1513 824 – 840 869 – 894 Разнос каналов, кГц 200 30 25 1250 Эквивал. полоса частот на один разговорный канал, кГц 25 10 8.3 - Вид модуляции 0.3GMSK π/4 DQPSK π/4 DQPSK QPSK Скорость передачи информации, кбит/c 270 48 42 - Скорость преобразования речи, кбит/с 13 8 11.2(5.6) - Алгоритм преобразования речи PRE - LTR VSELP VSELP - Радиус соты, км 0.5 – 35.0 0.5 – 20.0 0.5 – 20.0 0.5 – 25.0 Цифровые ССПС по сравнению с аналоговыми системами предоставляют абонентам больший набор услуг и обеспечивают повышенное качество связи, а также взаимодействие с цифровыми сетями ISDN и пакетной передачи данных. Дальнейшее развитие ССПС осуществляется в рамках создания проектов систем третьего поколение 3G, которые будут отличаться унифицированной 112 системой радиодоступа. Они охватывают технологии наземной сотовой, спутниковой связи и беспроводного доступа. Рис.10.1 Поколения систем сотовой подвижной связи и этапы их развития Элементы сетей сотовой связи Система сотовой связи строится в виде совокупности ячеек (сот), покрывающих обслуживаемую территорию, ячейки обычно схематически изображают в виде правильных шестиугольников. В центре каждой ячейки находится базовая станция БС, обслуживающая все подвижные станции ПС в пределах своей ячейки. При перемещении абонента из одной ячейки в другую происходит передача его обслуживания от одной БС к другой. Все БС соединены с центром коммутации ЦК подвижной связи по выделенным проводным или радиорелейным каналам связи. С центра коммутации имеется выход на телефонную сеть общего пользования ТФОП. 3 Программа IHE - 2000 2 JDS GSM DAMPS CDMA DSC1800 PCS1900 1 NTT TACS C - 450 NMT AMPS IFS 113 ТФОП БС БС БС БС БС БС БС Рис.10.2. Функциональная схема сети сотовой связи. Подвижная станция. В ее состав входят: блок управления; приемопередающий блок, антенный блок. Рис.10.3. Функциональная схема подвижной станции. Блок управления включает в себя микротелефонную трубку (микрофон и динамик), клавиатуру и дисплей. Клавиатура служит для набора номера телефона вызываемого абонента, а также 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, вся последующая обработка и передача сигнала речи производится в цифровой форме; кодер речи – осуществляет кодирование сигнала Центр коммутации Состав сети сотовой подвижной связи микрофон передатчик синтезатор приемник динамик д и с п л е й к л а в - р а К п О р М и М е У м Т / А п Т е О р Р е д а ч а гетер один смес генер атор АЦП к-р речи к-р канала Модул-р Логический блок ЦАП д-р речи д-р канала Эквал-р Демодул Антенный блок Блок упр-я Приемо-передающий блок приемник 114 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 информацию, предназначенную для защиты от ошибок за счет введения избыточности при передаче сигнала по линии связи; с 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 информацию; декодер канала – выделяет из входного потока управляющую информацию и направляет ее на логический блок; принятая информация проверяется на наличие ошибок и выявленные ошибки исправляются; для последующей обработки принятая информация подвергается обратной (по отношению к кодеру) переупаковке; декодер речи – восстанавливает поступающий на него с декодера 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 простейшем случае четвертьволновой штырь) и коммутатор прием/передача. Последний для цифровой станции представляет собой электронный коммутатор, подключающий антенну либо на выход передатчика, либо на вход приемника, т.к. ПС цифровой системы никогда не работает на прием и передачу одновременно. Блок-схема подвижной станции является упрощенной. На ней не показаны усилители, селектирующие цепи, генераторы сигналов синхрочастот и цепи их разводки, схема контроля мощности на передачу и прием и управления ею, схема управления частотой генератора для работы на определенном частотном канале и т.п. Для обеспечения конфиденциальности передачи информации в некоторых системах возможно использование режима шифрования; в этих случаях передатчик и приемник ПС включают соответственно блоки шифратора и дешифратора сообщений. В ПС системы GSM предусмотрен специальный съемный модуль идентификации абонента ( Subscriber Identity Module – SIM карта). Подвижная станция системы GSM включает также детектор речевой 115 активности, который с целью экономного расходования энергии источника питания, а также снижения уровня помех, создаваемых для других станций при работающем 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. Рис.10.4. Блок-схема базовой станции Особенностью БС является использование разнесенного приема, для чего станция должна иметь две приемные антенны на передачу и на прием. Другая особенность – наличие нескольких приемников и такого же числа передатчиков, позволяющих вести одновременную работу на нескольких каналах с различными частотами. Одноименные приемники и передатчики имеют общие перестраиваемые опорные генераторы, обеспечивающие их согласованную перестройку при переходе с одного канала на другой; конкретное число N приемопередатчиков зависит от конструкции и комплектации БС. Для обеспечения одновременной работы N приемников на одну приемную и N передатчиков на одну передающую антенну между приемной антенной и приемниками устанавливается делитель мощности на N входов, 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 конструктивно реализуются в составе ЦК, а не в составе приемопередатчиков БС, хотя функционально они остаются элементами приемопередатчиков. 116 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. Контроллер БС (компьютер) обеспечивает управление работой станции, а также контроль работоспособности всех входящих в нее блоков и узлов. Для обеспечения надежности многие блоки и узлы БС резервируются, в состав станции включаются автономные источники бесперебойного питания (аккумуляторы). … … Р Рис Рис.10.5 Базовая станция стандарта GSM В стандарте GSM используется понятие системы базовой станции СБС, в которую входит контроллер базовой станции КБС и несколько, например до 16, базовых приемо-передающих станций. В частности, три БППС, расположенные в одном месте и замыкающиеся на общей КБС, могут обслуживать каждая свой 120 – градусный азимутальный 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 контроллером, расположенных в одном месте и работающих каждая на свою секторную антенну. Центр 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 переключения рабочих каналов в соте при появлении помех и неисправностей. На ЦК замыкаются потоки информации со всех БС, и через него осуществляется выход на другие сети связи – стационарную телефонную сеть, Система базовой станции стандарта GSM. ПС ПС ПС ПС СБС К центру коммутации Контроллер базовой станции БППС БППС … 117 сети междугородной связи, спутниковой связи, другие сотовые сети. В состав ЦК входит несколько процессоров (контроллеров). Рис.10.6. Коммутатор подключается к линиям связи через соответствующие контроллеры связи, осуществляющие промежуточную обработку (упаковку/распаковку, буферное хранение) потоков информации. Управление работой ЦК и системы в целом производится от центрального контроллера. Работа ЦК предполагает участие операторов, поэтому в состав центра входят соответствующие терминалы, а также 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 базы данных БД – домашний регистр, гостевой регистр, центр аутентификации, регистр аппаратуры. Домашний регистр 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 содержит сведения об абонентах – гостях (роумерах), т.е. об абонентах, зарегистрированных в другой системе, но пользующихся в настоящее время услугами сотовой связи в данной системе. Центр аутентификации обеспечивает процедуры аутентификации абонентов и шифрования сообщений. Регистр аппаратуры, 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 также аппараты, К другим сетям связи Контроллеры связи Коммутатор Контроллеры связи Коммутатор Средства отображения и регистрации Терминалы операторов Гостевой регистр Домашний регистр Центр аутентификации Регистр аппаратуры К базовым станциям Блок – схема центра коммутации 118 имеющие технические дефекты, например, являющиеся источниками помех недопустимо высокого уровня. 10.2 Сети транкинговой связи Транкинговые системы связи ТСС классифицируют по следующим признакам: 1) По методу передачи речевой информации: аналоговые и цифровые. Передача речи в радиоканале аналоговых систем осуществляется с использованием частотной модуляции, шаг сетки частот обычно составляет 12,5 кГц. Для передачи речи в цифровых системах используют различные типы вокодеров, преобразующих аналоговый речевой сигнал в цифровой поток со скоростью не более 4,8 кбит/c. 2) В зависимости от количества БС и общей архитектуры: однозоновые или многозоновые системы. В системах первого типа имеется одна БС, в системах второго типа – несколько БС с возможностью роуминга. 3) По методу объединения БС в многозоновых системах: БС могут объединяться с помощью единого коммутатора или соединяться друг с другом непосредственно, или через систему с распределенной коммутацией. 4) По типу многостанционного доступа: FDMA (с частотным разделением) или FDMA+TDMA (+ с временным разделением). 5) По способу поиска и назначения канала: системы с децентрализованным СДУ и централизованным СЦУ управлением. В СДУ процедуру поиска свободного канала выполняют абонентские радиостанции АР, что приводит к относительно большому времени установления соединения. В СЦУ поиск и назначение свободного канала производится на БС. 6) По типу канала управления КУ. Во всех ТСС каналы управления являются цифровыми. Различают системы с выделенным частотным КУ и системы с распределенным КУ. В системах с распределенным КУ информация о состоянии системы и поступающих вызовах распределена между низкоскоростными субканалами ПД, совмещенными со всеми рабочими каналами. 7) По способу удержания канала. ТСС позволяет абонентам удерживать канал связи на протяжении всего разговора или только на время передачи. Первый способ, называемый также транкингом сообщений, наиболее традиционен для систем связи и обязательно используется во всех случаях применения дуплексной связи или соединения с ТФОП. Второй способ может быть реализован только при использовании полудуплексных радиостанций РС, в которых передатчик включается только на время произнесения абонентом фраз разговора. Такой метод обслуживания, предусматривающий удержание канала только на время передачи, называется транкингом передачи. Платой за высокую эффективность данного метода служит снижение комфортности переговоров. 119 В состав БС, кроме радиочастотного оборудования (ретрансляторы, устройство объединения радиосигналов, антенны) входят также коммутатор, устройство управления УУ и интерфейсы к различным внешним сетям. Ретранслятор РТ – набор приемопередающего оборудования, обслуживающего одну пару несущих частот. До последнего времени в подавляющем большинстве ТСС одна пара несущих соответствовала одному каналу трафика. В настоящее время с появлением стандартов, предусматривающих временное уплотнение, один РТ может обеспечить два или четыре канала. Антенны БС, как правило, имеют круговую диаграмму направленности. При расположении БС на краю зоны применяются направленные антенны. БС может располагать как единой приемопередающей антенной, так и раздельными антеннами для приема и передачи. В некоторых случаях на одной мачте может размещаться несколько приемных антенн для борьбы с замираниями, вызванными многолучевым распространением. Устройство объединения радиосигналов позволяет использовать одно и то же антенное оборудование для одновременной работы приемников и передатчиков на нескольких частотных каналах. РТ работают только в дуплексном режиме, разнос частот приема и передачи составляет от 45 МГц до 3 МГц. Коммутатор в однозоновой ТСС обслуживает весь ее трафик, включая соединения МА (мобильного абонента) с ТфОП и все вызовы, связанные с ПД. Устройство управления обеспечивает взаимодействия всех узлов БС. Оно также обрабатывает вызовы, осуществляет аутентификацию вызывающих абонентов, ведение очередей вызовов, внесение записей в БД повременной оплаты. В некоторых системах УУ регулирует максимально допустимую продолжительность соединения с ТС. Как правило, используются два вида регулировки: уменьшение продолжительности соединения в заранее заданные часы наибольшей нагрузки, или адаптивное изменение в зависимости от текущей нагрузки. |