Залупа. СПС GSM ч1 Рыжков А.Е. Общие сведения о системах сотовой связи Классификация и эволюция систем подвижной связи. Модель osi
 Скачать 1.64 Mb.
|
1 2 Общие сведения о системах сотовой связи 1. Классификация и эволюция систем подвижной связи. Модель OSI. Первые сотовые сети появились в 1981г. и за это время сменилось 3 поколения стандартов. Этапы развития сотовых систем и систем беспроводного доступа с 1981 г. по настоящее время проиллюстрированы рис.1.1. Сотовые стандарты 1-го поколения аналоговые, рассчитанные на передачу только каналов телефонии. На рис.1.1 указано несколько аналоговых стандартов: - AMPS Advanced Mobile Phone System, стандарт США, наиболее распространенный среди аналоговых стандартов в мире, - TACS Total Access Communications System, стандарт, принятый в Великобритании, ряде стран Европы и Британского Содружества, - С-NET Cellular Network, аналоговый стандарт ФРГ, - NMT Nordic Mobile Telephone System, аналоговый стандарт, разработанный скандинавскими странами и Финляндией. Первый европейский стандарт беспроводного телефона, СТ-1, был также аналоговым, последующие СТ-2 и СТ-3 - цифровыми.  Рис. 1.1. Этапы развития ССПО общего пользования Аналоговые стандарты сотовой связи до 1991 г. определяли развитие коммерческой радиотелефонии. Благодаря им произошел психологический перелом в сознании массового пользователя, быстро оценившего удобства подвижной ТФ связи. Однако очень скоро проявились недостатки систем 1-го поколения. Аналоговых стандартов было много, но они имели несовместимые протоколы, что ограничивало свободу передвижения абонентов национальными границами. Второй недостаток состоял в том, что в этих стандартах не было специальных каналов передачи данных, и поэтому аналоговые сотовые сети было невозможно подключить к различным сетям передачи данных, например, к ISDN (Integrated Services Digital Network цифровой сети с интеграцией услуг). Поэтому в 80-е годы в Европе, США и Японии были разработаны универсальные цифровые стандарты сотовой связи 2-го поколения, появившиеся на рынке в 1991г.: - общеевропейский GSM Global System for Mobile Communications, - американский D-AMPS Digital AMPS, пришедший на смену аналоговому AMPS, - японский PDC Personal Digital Cellular System, ранее называвшийся JDC. Эти стандарты позволяют передавать как телефонию, так и данные, организовать взаимодействие с сетями ISDN и пакетными сетями передачи данных, обеспечивают шифрацию передаваемых сообщений. В результате конкурентной борьбы сотовые сети аналоговых стандартов 1-го поколения практически исчезли. Развивались и цифровые стандарты беспроводного телефона 2-го поколения: - PACS Personal Access Communications System, США, - PHS Personal Handiphone System, Япония, - DECT Digital European (или Enhanced) Cordless Telecommunica-tions, европейский стандарт, получивший наибольшее распространение. 1994 г. был отмечен появлением на рынке сотовой связи первого стандарта с кодовым разделением каналов (CDMA - Code Division Multiple Access), разработанного американской фирмой Qualcomm и получившего коммерческое название cdmaOne. Наконец, в 1999 г. заработали спутниковые системы подвижной связи Iridium и Globalstar. В настоящее время завершается переход к стандартам сотовой связи 3-го поколения. Эти системы обеспечивают передачу высокоскоростных потоков данных, что необходимо для предоставления абонентам таких услуг, как передача мультимедийных сообщений и потоковое видео. Из 4-х стандартов 3-го поколения программы IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000) два появились как результат эволюции стандартов 2-го поколения: GSM и CDMA2000. Два других разработаны в рамках европейской программы развития подвижной связи UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). На сегодняшний день основными стандартами сотовой связи в мире являются 3: GSM поколений 2G+ или 3G, CDMA2000, и европейский стандарт с кодовым разделением каналов 3-го поколения UMTS. По числу абонентов сотовые сети стали основными телекоммуникационными сетями в мире. Фактически сети стандарта UMTS объединены с сетями GSM, так что надо говорить о сетях GSM/UMTS. Статистика абонентов сотовой связи на декабрь 2007г. приведена в табл.1.1. Из нее следует, что за 2007г произошли существенные изменения в мировой структуре сотовых сетей. Сети стандарта GSM продолжают свой рост, аккумулируя более 75% всех абонентов, что соответствует процентному соотношению абонентов в июле 2006г. Число абонентов UMTS за это время возросло почти в 3 раза (70 млн. в июле 2006г.), так что можно с полным основанием говорить о развитии единой сети GSM/UMTS. По региональной статистике примерно половину абонентов UMTS составляют пользователи из стран Западной Европы, а другую половину из Юго-восточной Азии. Драматически снижается число абонентов сетей D-AMPS (в июне 2005г. – 79 млн. абонентов), уменьшилось и количество абонентов японского стандарта PDC (39,3 млн. полтора года тому назад). Рост абонентской базы стандарта CDMA2000 (260 млн. в апреле 2006г.) произошел как за счет перехода на этот стандарт абонентов сетей cdmaOne (29,3 млн. в июне 2005г.), так и абонентов D-AMPS. Таблица 1.1
Что касается сетей беспроводного доступа, то на уровне систем третьего поколения (3G) появились стандарты Bluetooth, Wi-Fi и WiMAX, обеспечивающие беспроводный доступ к компьютерам. Стандарты сотовых сетей разработаны на основе модели взаимодействия открытых систем OSI (Open System Interconnection). Эта модель была предложена международной организацией по стандартизации для организации компьютерных сетей и разработки стандартов и протоколов телекоммуникационных сетей. В модели OSI предусмотрено 7 уровней протоколов (рис. 1.2). 1. Физический уровень обеспечивает параметры кабельного соединения или радиолинии, кодирование информации, модуляцию. 2. Уровень соединений обеспечивает надежную передачу данных по каналу связи между двумя функциональными элементами сети, синхронизацию и управление потоком данных. 3. Сетевой уровень обеспечивает надежное соединение между конечными устройствами обмена информацией, отвечает за установку, поддержку и завершение соединений. 4. Транспортный уровень обеспечивает надежную, прозрачную передачу данных между конечными устройствами, восстановление данных при появлении ошибок. 5. Сеансовый уровень организует сеансы связи с необходимыми качественными характеристиками. 6. Уровень представления обеспечивает независимость прикладных процессов от форматов представления данных. 7. Уровень приложений предоставляет пользователям конкретные информационные услуги.
Рис. 1.2. Структура модели OSI Реальные протокольные структуры частично используют модель OSI. Фактически протоколы сотовых сетей – это протоколы двух нижних уровней модели OSI: физического и уровня соединений, поверх которых расположены протокольные стеки организации различных услуг. К таким структурам, например, относятся протоколы мобильного Интернета WAP (Wireless Application Protocol) и обычного Интернета (рис. 1.3),
Рис.1.3. Структура протоколов Интернета где протокол сетевого 3-го уровня IP Internet Protocol, протокол транспортного 4-го уровня TCP Transmission Control Protocol, протокол транспортного 4-го уровня UDP User Datagram Protocol, протоколы 7-го уровня применения, например, HTTP Hypertext Transfer Protocol и др. 3. Распространение радиоволн на трассах подвижной связи. 3.1. Основные положения теории распространения радиоволн. Для расчета трасс необходимо определять мощность сигнала на входе приемника РRX при известной мощности передатчика PTX. Эти мощности связаны между собой множителем, называемым потерями на трассе L. Для трасс с прохождением прямого луча (рис.3.1) плотность потока энергии, излучаемой передающей антенной, определяют как вектор Пойнтинга  [Вт/м2] (3.1)где ED и HD – напряженности электрического и магнитного полей, а GTX – коэффициент усиления передающей антенны. Напряженность электрического поля в точке приема  [B/м] (3.2) [B/A],  Мощность в антенне приемника пропорциональна плотности излучения и эффективной площади антенны ARX: PRX = ПARX, где (3.3) ARX = GRX 2/4 (3.4) GRX – коэффициент усиления приемной антенны, - длина волны. В результате  (3.5)Переходя к расчетам в децибелах, выражая R в километрах, частоту f в мегагерцах, получаем: PRX (дБм) = PTX (дБм) + GTX (дБ) +GRX (дБ) – L (дБ), (3.6) где потери на трассе L (дБ) = 32,5 + 20 lg f (МГц) + 20 lg R (км) (3.7)   Р d2’ d1      R      MS     hMS hBTS BTS ис. 3.1 Прохождение прямого луча. d2 Рис.3.2 Двухлучевая модель канала связи. Формула (3.6) является основной для расчета трасс в системах радиосвязи. Проблема состоит в определении затухания на трассе. В рассмотренной однолучевой модели затухание пропорционально квадрату частоты и квадрату расстояния от приемника. Однако однолучевые модели находят весьма ограниченное применение в практике действующих сетей. На длинных открытых трассах более верный результат дает двухлучевая модель, где наряду с прямым лучом учитывают и луч, отраженный от поверхности Земли (рис. 3.2). При отражении от Земли фаза сигнала изменяется приблизительно на 180. Если электрические длины прямого и отраженного лучей примерно равны, то эти лучи в антенне приемника в значительной мере компенсируют друг друга, что вызывает существенное увеличение затухания на трассе. Обозначив hTX – высоту антенны передатчика и hRX – высоту антенны приемника, получаем формулу для расчета затухания на трассе, где справедлива двухлучевая модель L (дБ) = 120 + 40 R (км) – 20 lg hTX (м) – 20 lg hRX (м) (3.8) Как видно, в двухлучевой модели затухание прямо пропорционально четвертой степени расстояния R, обратно пропорционально квадрату высот подвеса антенн и не зависит от рабочей частоты. Формула (3.8) справедлива при условии   (3.9)Например, для системы GSM-900 при = 33 см, высоте антенны MS hRX = 1м, расстоянии R = 3 км выражение (3.8) “работает”, когда hTX менее 10м. На практике однолучевую и двухлучевую модели при расчета трасс используют редко. Прежде всего, это обусловлено наличием препятствий на трассах сотовой связи, перекрывающих прямой луч. В результате в точке приема интерферирует множество лучей, попавших в нее в результате множественных отражений и дифракции. Отражающие поверхности (Земля и здания) неоднородны, имеют различные углы наклона, что влияет на коэффициенты отражения и поляризацию волн. Поэтому для расчета трасс, особенно в городах, для определения затуханий используют сложные модели, построенные на основе усреднения и обработки экспериментальных данных (модель Окумура – Хата), либо модели, учитывающие реальные параметры городской застройки (модель Кся – Бертони), либо многолучевые теоретико-экспериментальные модели, требующие проведения расчетов на ЭВМ. При этом, как правило, пренебрегают искривленностью поверхности Земли, поскольку протяженность трасс сотовой связи невелика. Подробнее эти модели рассмотрены далее в разделе 6. В любом случае расчет затуханий по моделям дает усредненную картину полей. Для их более точного определения следует использовать статистические характеристики или производить натурные измерения на местности. Важно отметить, что все модели позволяют найти усредненное (медианное) значение сигнала в точке приема. Из-за перемещения мобильных абонентов, постоянного изменения окружающей среды (отражателей и препятствий) и, как следствие этого, нестабильности интерференционной картины принимаемый сигнал подвержен быстрым и медленным замираниям (рис.3.3). Быстрые замирания обусловлены отклонением мгновенных значений амплитуды сигнала во времени и распределены по закону Рэлея (рис. 3.4). Медленные замирания (локальное среднее сигнала) определяются усреднением во времени интерференционной картины (рис. 3.5). Статистически значения локального среднего распределены по логнормальному закону. Таким образом, для принимаемого сигнала используют такие характеристики случайных процессов как математическое ожидание, медианное значение (вероятность превышения которого составляет 50%) и среднеквадратичное отклонение (дисперсия).  Рис. 3.3 Зависимость сигнала на входе приёмника MS от расстояния.  Рис. 3.4 Быстрые замирания сигнала на входе приёмника MS.  Рис. 3.5 Медленные замирания сигнала на трассе. 3.2. Модели расчета потерь в канале связи Итак, радиоканалы мобильных сетей сотовой связи, как было сказано, имеют свою специфику. На величину потерь на трассе влияют следующие факторы: • структура зон действия сотовой связи: города или пригороды, районы с той или иной плотностью застройки; • MS, как правило, находится вне зоны прямой радиовидимости BTS, и сигналы в точку приема поступают в ходе переотражения и дифракции (рис. 3.6), • передвижение мобильных абонентов во время сеанса связи вносит в сигналы доплеровские частотные сдвиги; • наличие большого количества отражателей приводит к эффекту рассеяния электромагнитных волн и многолучевому распространению. MS принимает множество интерферирующих сигналов копий. Вследствие отмеченных явлений в канале связи имеют место: • затухание сигналов; • медленные замирания сигналов; • быстрые замирания сигналов.  Рис. 3.6. Многолучевой прием сигналов Затухание сигналов характеризуют средними потерями мощности на трассе распространения между BTS и MS. Величина потерь зависит от дальности связи, типа и плотности застройки, несущей частоты, высоты антенн BTS и MS и многих других факторов. Как правило, в зависимости от дальности связи мощность сигнала затухает со скоростью 20...40 дБ/декада, т. е. при увеличении дистанции BTS-MS в 10 раз потери возрастают в 100...10000 раз. Широкое распространение при расчете средних потерь мощности на трассе получил метод Окумура-Хата (рекомендации Rec. ITU-R P.592-2). Данный метод основан на аналитической аппроксимации результатов практических измерений, где исходными величинами являются расстояние R, рабочая частота f, высоты подвеса антенн базовой станции hBTS и мобильной станции hMS . Набор эмпирических формул и поправочных коэффициентов, полученный в результате такой аппроксимации, позволяет рассчитать средние потери для различных типов местности. Условия применимости модели: f = 150…1500 МГц, hBTS = 30…200 м, hMS = 1…10 м. В районах с типичной городской застройкой (typicalurban) потери составляют  [дБ],где - несущая частота, МГц; hBTS и hMS - высоты антенн BTS и MS, м; a(hMS) - поправочный коэффициент; R - расстояние между BTS и MS, км. Поправочный коэффициент a(hMS) зависит от типа местности, в которой действует система связи. Для малых и средних городов  ,для больших городов  8,9 lg(1,54 hMS) 2 – 1,1 при 200 МГцa(hMS) = 3,2 lg(11,75 hMS) 2 – 4,97 при 400 МГц В типичных пригородных районах (typicalsuburban) величина потерь Lsuburban = 63,35 + 27,72 lgf – 13,82 lghBTS – (1,1 lgf – 0,7) hMS + (44,9 – 6,55 lghBTS) lgR – 2 lg(/28) 2 дБ. В сельской местности (rural) Lrural = 27,81 + 46,05 lgf – 13,82 lghBTS – (1,1 lgf – 0,7) hMS + (44,9 – 6,55 lghBTS) lgR – 4,78(lg) 2 дБ. В диапазоне 1500 2000 МГц расчеты ведут на модели COST 231 Хата [COST 231 TD (90) 119]. Средний город и пригородный центр с умеренной плотностью посадки деревьев - Lurban = 45,55 + 34,5 lgf – 13,82 lghBTS – (1,1 lgf – 0,7) hMS + (44,9 – 6,55 lghBTS) lgR дБ. 1 2 |