Ротенштейн И. В. Сети. Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности 090303. 65 Информационная безопасность автоматизированных систем
 Скачать 6.03 Mb.
|
|
КОДОВОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ КАНАЛОВ При кодовом разделении каналов (КРК) (Code Division Multiple Access – CDMA) передаваемую информацию кодируют и превращают в шумоподобный широкополосный сигнал (ШШС) так, что его можно выделить на приемной стороне, только располагая соответствующим кодом. При этом одновременно в широкой полосе частот можно передавать и принимать множество сигналов, которые не мешают друг другу. Системы связи стандарта CDMA по сравнению с другими системами цифровой связи имеют следующие преимущества: 1. обладают исключительной сложностью результирующих сигналов, тем самым, повышая конфиденциальность передачи; 2. имеют малую спектральную плотность результирующего сигнала, что повышает скрытность системы; 3. эффективно передают информацию при многолучевом распространении радиоволн; 4. устойчивы к воздействию как импульсных, так и сосредоточенных по частоте помех; 5. осуществляют близкую к когерентной обработку сигналов, тем самым доводя помехоустойчивость до предельных значений; 6. имеют низкий уровень потребляемой мощности абонентской станции, что обеспечивает ее длительную работу без подзарядки; 7. облегчают либо полностью исключают необходимость частотного планирования; 8. гибки в развертывании, легко адаптируются к требованиям по предоставляемым услугам в конкретной сети пользования. Широкополосной называется система, в которой передаваемый сигнал, занимает полосу частот, значительно превосходящую ширину спектра, информационного сигнала. Основной характеристикой широкополосного сигнала является его база B, определяемая как произведение ширины спектра сигнала F на его период Т. Это осуществляется путем двойной модуляции несущей передаваемым информационным сигналом и широкополосным кодирующим сигналом. В широкополосной системе исходный модулирующий сигнал (например, сигнал телефонного канала) с полосой всего несколько килогерц распределяют в полосе частот, ширина которой может быть несколько мегагерц. Информация может быть введена в широкополосный сигнал (ШПС) наложением еѐ на широкополосную модулирующую кодовую последовательность перед модуляцией несущей для получения ШШС. Узкополосный сигнал умножается на псевдослучайную последовательность (ПСП) с периодом Т, состоящую из N бит длительностью t 0 каждый. В этом случае база ШПС численно равна количеству элементов ПСП. СиСПИ ЛК-08 Кодовое разделение каналов (CDMA) 2 Этот способ пригоден для любой широкополосной системы, в которой для прямого расширения спектра высокочастотного сигнала применяется цифровая последовательность (DSSS). На приѐмной стороне перемножение принятого сигнала и сигнала такого же источника псевдослучайного шума (ПСП), который использовался в передатчике, сжимает спектр полезного сигнала и одновременно расширяет спектр фонового шума и других источников интерференционных помех. Принцип работы системы сотовой связи стандарта CDMA Информационный сигнал кодируется по Уолшу, затем смешивается с несущей, спектр которой предварительно расширяется перемножением с сигналом источника псевдослучайного шума. Каждому информационному сигналу назначается свой код Уолша, затем они объединяются в передатчике, пропускаются через фильтр, и общий шумоподобный сигнал излучается передающей антенной. На вход приемника поступают полезный сигнал, фоновый шум, помехи от БС соседних ячеек и от ПС других абонентов. После ВЧ-фильтрации сигнал поступает на коррелятор, где происходит сжатие спектра и выделение полезного сигнала в цифровом фильтре с помощью заданного кода Уолша. Спектр помех расширяется, и они появляются на выходе коррелятора в виде шума. На практике в ПС используется до 3 корреляторов для приема сигналов с различным временем распространения в радиотракте или сигналов, передаваемых различными БС. В системах, использующих метод КРК, изменяя синхронизацию источника псевдослучайного шума, можно использовать один и тот же участок полосы частот для работы во всех ячейках сети. Такое 100%-ное использование доступного частотного ресурса – один из основных факторов, определяющих высокую абонентскую емкость сети стандарта CDMA и упрощающих ее организацию. Различение сигналов разных базовых станций обеспечивается тем, что все они используют одну и ту же пару коротких ПСП, но со сдвигом на 64 дискрета между разными станциями, т.е. всего в сети 511 кодов; при этом все физические каналы одной БС имеют одну и ту же фазу последовательности. СиСПИ ЛК-08 Кодовое разделение каналов (CDMA) 3 Число абонентов в системе CDMA зависит от уровня взаимных помех. Согласованные фильтры БС весьма чувствительны к эффекту «ближний- дальний», когда МС, расположенная вблизи базовой, работает на большой мощности, создавая недопустимо высокий уровень помех при приеме других, «дальних» сигналов, что приводит к снижению пропускной способности системы в целом. Эффективная работа системы с кодовым доступом возможна лишь при условии выравнивания сигнала от различных абонентов на входе базовой станции. Причем чем выше точность выравнивания, тем больше зона покрытия системы. Для модуляции сигнала используется три вида функций: «короткая» и «длинная» ПСП и код Уолша порядков от 0 до 63. Все они являются общими для базовых и мобильных станций, однако реализуют разные функции (табл. 1). Таблица 1. Параметры кодовых последовательностей в стандарте IS-95 Для кодового разделения каналов используются ортогональные функции Уолша, которые формируются из строк матрицы Адамара. Матрица Адамара размером 2n×2n формируется из матрицы размером n×n следующим образом: Закон формирования функций Уолша. Для того, чтобы строки матрицы не повторялись и в то же время сохраняли свойство ортогональности, каждый следующий порядок образуется удвоением СиСПИ ЛК-08 Кодовое разделение каналов (CDMA) 4 количества и длины строк. Причѐм, вправо и вниз матрица копируется без изменений, а по диагонали – с инверсией. Особенность этой матрицы состоит в том, что если попарно перемножить элементы двух различных строк, а затем сложить результаты, то получится ноль. Это значит, что любая пара строк в матрице Адамара является ортогональной (разумеется, если нет взаимного сдвига). С другой стороны, корреляция строки с самой собой дает число n (порядок матрицы – количество или длина строк). Если же скоррелировать строку и ее инверсное представление, то результат будет равен –n. Таким образом, информационную "1" можно передавать любой строкой матрицы Адамара, а информационный "0" – той же строкой, но с инверсией. Потоку второго канала можно присвоить другую строку и т. д. по количеству каналов. Строки матрицы Адамара принято называть функциями Уолша. В стандарте CDMA используется матрица 64-го порядка. Графики функций Уолша восьми первых порядков На БС формируется 4 типа каналов: канал пилот-сигнала (PI), синхроканал (SYNC), вызывной канал (РСН) и канал трафика (ТСН). Сигналы разных каналов взаимно ортогональны, что гарантирует отсутствие взаимных помех между ними на одной БС. Внутрисистемные помехи в основном возникают от передатчиков других БС, работающих на той же частоте, но с иным циклическим сдвигом. Излучение пилот-сигнала происходит непрерывно. Для его передачи используют функцию Уолша нулевого порядка (W 0 ). Пилот-сигнал - это сигнал несущей, который используется ПС для выбора рабочей ячейки (по наиболее мощному сигналу), а также в качестве опорного для синхронного детектирования сигналов информационных каналов. Обычно на пилот-сигнале излучается около 20% общей мощности, что позволяет мобильной станции (МС) обеспечить точность выделения несущей частоты и осуществить когерентный прием сигналов. СиСПИ ЛК-08 Кодовое разделение каналов (CDMA) 5 Таблица 2. Основные технические характеристики стандарта CDMA Характеристика Значение Диапазон частот передачи MS, МГц 824,040÷848,860 Диапазон частот передачи BTS, МГц 869,040÷893,970 Дуплексный разнос частот, МГц 45 Относительная нестабильность несущей частоты BTS ±5х10 -8 Относительная нестабильность несущей частоты MS ±2,5х10 -6 Вид модуляции несущей частоты QPSK (BTS), O-QPSK (MS) Ширина спектра излучаемого сигнала, МГц: по уровню -3 дБ по уровню -40 дБ 1.25 1.50 Тактовая частота ПСП, МГц 1.2288 Число каналов BTS на одной несущей 1 пилот-канал, 1 канал сигнализации, 7 каналов персонального вызова, 55 каналов связи Число каналов MS 1 канал доступа, 1 канал связи Скорость передачи данных, бит/с: в канале синхронизации в канале персонального вызова и доступа в каналах связи 1200 9600, 4800 9600, 4800, 2400, 1200 СиСПИ ЛК-9 РСП и ССП 1 Радиорелейные системы передачи Радиосистема передачи, в которой сигналы электросвязи передаются с помощью наземных ретрансляционных станций, называется радиорелейной системой передачи. На частотах ОВЧ- и СВЧ-диапазона надежная связь с низким уровнем помех может быть получена только в условиях прямой видимости между антеннами, излучающими радиоволны. Расстояние между антеннами радиорелейных систем зависит от структуры земной поверхности и высоты антенн над ней. Типичные расстояния составляют 40 - 50 км при высотах башен и мачт, на которых устанавливаются антенны, около 100 м. Ограниченность расстояния прямой видимости не следует рассматривать как недостаток. Именно за счет невозможности свободного распространения радиоволн на большие расстояния устраняются взаимные помехи между радиорелейными системами передачи внутри одной страны и разных стран. Кроме того, в указанных диапазонах практически отсутствуют атмосферные и промышленные помехи. Антенны могут работать в режиме передачи и приема одновременно в противоположных направлениях с использованием двух частот: f 1 и f 2 . При этом, если станция передает сигнал на частоте f 1 и принимает на частоте f 2 , то соседние с ней станции передают на частоте f 2 , а принимают на частоте f 1 . Эта пара частот, соответствующая двухчастотному плану частот МСЭ-Р, образует радиочастотный ствол. Радиорелейные линии (РРЛ) занимают диапазоны ОВЧ и СВЧ, причем граница между аналоговыми и цифровыми радиорелейными системами (РРС) лежит вблизи частоты 11 ГГц. Аналоговые РРС предназначены в основном для передачи многоканальных телефонных сигналов в аналоговой форме и сигналов данных с низкой и средней скоростью по каналам ТЧ, а также сигналов телевидения. Цифровые РРС используются для организации цифровых трактов со скоростями от 2 до 140 Мбит/с. Большинство станций РРЛ составляют промежуточные радиостанции (ПРС), играющие роль активных ретрансляторов. На всех станциях РРЛ целесообразно иметь однотипную, унифицированную приемопередающую аппаратуру (ППА), удовлетворяющую требованиям заданного частотного плана. Перспективным вариантом построения ППА является вариант с усилением на СВЧ и преобразованием частоты. Недостатком подобной схемы является необходимость обработки сигнала на СВЧ. СиСПИ ЛК-9 РСП и ССП 2 Наиболее часто используются ППА, в которой обработка сигналов производится на промежуточной частоте f ПЧ . Номинальное значение f ПЧ выбирается в соответствии с рекомендациями МСЭ-Р и обычно составляет 70 МГц. Приемопередающая аппаратура с обработкой на промежуточной частоте Применение промежуточной частоты для обработки сигнала позволяет унифицировать аппаратуру усиления сигнала, а также ввода и вывода информационных сигналов на промежуточных, узловых и оконечных станциях. Тропосферные радиорелейные системы передачи Тропосфера - нижняя часть атмосферы Земли. В тропосфере всегда есть локальные объемные неоднородности, вызванные различными физическими процессами, происходящими в ней. Волны диапазона 0,3..5 ГГц способны рассеиваться этими неоднородностями. Учитывая, что неоднородности находятся на значительной высоте, нетрудно представить, что рассеянные ими радиоволны могут распростра- няться на сотни километров. Это дает СиСПИ ЛК-9 РСП и ССП 3 возможность разнести станции на расстояние 200..400 км друг от друга, что значительно больше расстояния прямой видимости. Линии на основе тропосферных радиорелейных систем передачи строятся, как правило, в труднодоступных и удаленных районах. Значительные расстояния между станциями, безусловно, выгодны при организации протяженных линий, поскольку требуется меньшее число станций. Однако за счет глубоких замираний из-за неустойчивости пространственно- временной структуры тропосферы и крайне малой мощности радиосигнала в точке приема организация хорошего качества связи и значительного количества каналов затруднена. Тип аппаратуры Диапазон частот, ГГц Среднее расстояние между станциями, км Число каналов ТЧ "Горизонт-М" 0,8..1 300 60 ТР-120 0,8..1 300 120 ДТР-12 0,8..1 600 12 Радиосистемы передачи на декаметровых волнах Радиосистема передачи, в которой используется отражение декаметровых волн от ионосферы, называется ионосферной системой передачи на декаметровых волнах. В ионосфере происходит, строго говоря, не отражение радиоволны, а поворот ее траектории за счет неоднородности диэлектрических свойств вертикального профиля ионосферы. Траектория распространения радиоволн, от одной точки на поверхности Земли к другой, с одним отражением от ионосферы называется ионосферным скачком. Расстояние между пунктами приема и передачи, измеренное вдоль поверхности Земли, составляет около 2000 км. Траектория распространения радиоволн может быть образована несколькими ионосферными скачками. Условия распространения радиоволн, а следовательно, и качество радиосвязи зависят от состояния ионосферы, определяемого временем года, суток и циклом солнечной активности. В результате ионосферные системы передачи на декаметровых волнах не позволяют организовать большого числа каналов, и обычно количество каналов не превышает одного-двух телефонных или нескольких телеграфных. Радиосистемы, использующие ионосферное рассеяние радиоволн и отражение от следов метеоров Радиосистема передачи, в которой используется рассеяние метровых волн на неоднородностях ионосферы, называется ионосферной системой передачи на метровых волнах. Образование ионосферных волн в метровом диапазоне во многом сходно с образованием тропосферных волн. Разница заключается в том, что рассеяние происходит не в тропосфере, а в ионосфере на высоте 75..95 км. Предельная дальность связи в этом СиСПИ ЛК-9 РСП и ССП 4 случае 2000..3000 км, наиболее подходящие частоты 40..70 МГц. При ионосферном рассеянии в пункт приема приходит только ничтожная часть излучаемой энергии, что вынуждает использовать мощные радиопередатчики и большие по размеру антенны. Такие системы позволяют организовать с удовлетворительным качеством до трех телефонных каналов. В атмосферу Земли непрерывно проникают потоки мелких космических частиц - метеоров. Большинство из них сгорает на высоте 80..120 км, образуя ионизированные следы. Протяженность следа 10..25 км, а время существования от 5 мс до 20 с. Радиосистемы, использующие отражения от следов метеоров, работают в диапазоне 30..70 МГц. Время прохождения радиосигналов при метеорной связи составляет только 2..4 ч в сутки. Обычно с помощью этих радиосистем организуется передача телеграфных сигналов, причем таких, для которых задержка в передаче не играет существенной роли. Метеорные системы передачи применяются для дублирования ионосферных систем на декаметровых волнах в полярных широтах, для связи в метеорологической службе и некоторых других целей. План распределения частот Для работы РРЛ выделены полосы частот шириной: 400 МГц в диапазоне 2ГГц (1,7÷2,1 ГГц), (может быть 6 дуплексных ВЧ стволов); 500 МГц в диапазонах 4 (3,4÷3,9), 6 (5,67÷6,17) и 8 (7,9÷8,4) ГГц (8 ВЧ стволов); 1 ГГц в диапазонах 11 и 13 ГГц (до 12 ВЧ стволов). Эти полосы распределяют между ВЧ стволами РРСП по определѐнному плану, называемому планом распределения частот. Планы частот составляют так, чтобы обеспечить минимальные взаимные помехи между стволами, работающими на одну антенну. СиСПИ ЛК-9 РСП и ССП 5 Спутниковые системы связи Конфигурация систем СС зависит от типа искусственного спутника Земли (ИСЗ), вида связи и параметров земных станций. Для построения систем СС используются в основном три разновидности ИСЗ – геостационарной орбите (ГСО), на высокой эллиптической орбите (ВЭО) и низко-высотной орбите (НВО). Каждый тип ИСЗ имеет свои преимущества и недостатки. Уникальной орбитой является ГСО - круговая орбита с периодом обращения ИСЗ 24 часа, лежащая в плоскости экватора, с высотой 35875 км от поверхности Земли. Орбита синхронна с вращением Земли, поэтому спутник оказывается неподвижным относительно земной поверхности. Достоинства ГСО: зона обслуживания составляет около трети земной поверхности, трех спутников достаточно для почти глобальной связи, антенны земных станций практически не требуют систем слежения. Однако в северных широтах спутник виден под малыми углами к горизонту и вовсе не виден в приполярных областях. Примером ИСЗ с ВЭО могут служить отечественные спутники типа "Молния" с периодом обращения 12 часов, наклонением 63 24’ c высотой апогея над северным полушарием 40 тысяч км, а высота перигея около 500 км. Движение ИСЗ в области апогея замедляется, при этом длительность радиовидимости составляет 6..8 ч. Преимуществом данного типа ИСЗ является большой размер зоны обслуживания при охвате большей части северного полушария. Недостатком ВЭО является необходимость слежения антенн за медленно дрейфующим спутником и их переориентирования с заходящего спутника на восходящий. "Низколеты" запускаются на круговые орбиты, плоскость которых наклонена к плоскости экватора (полярные и квазиполярные орбиты) с высотой порядка 200..2000 км над поверхностью Земли. Запуск легкого ИСЗ на низкую орбиту может быть осуществлен с помощью недорогих пусковых установок. Однако скорость перемещения ИСЗ относительно поверхности Земли достаточно велика, в результате длительность сеанса от восхода спутника до его захода не превышает несколько десятков минут. Диапазоны рабочих частот систем СС регламентированы МСЭ-Р, различны для участков Земля-ИСЗ и ИСЗ-Земля и лежат в пределах 2..40 ГГц. Для систем СС существуют некоторые особенности передачи сигналов: СиСПИ ЛК-9 РСП и ССП 6 запаздывание сигналов - для геостационарной орбиты около 250 мс в одном направлении. Является одной из причин появления эхосигналов при телефонных переговорах; эффект Доплера - изменение частоты сигнала, принимаемого с движущегося источника. Для скоростей много меньших скорости света v r /c<<1 изменение частоты составляет f=f 0 /(1 v r /c). Наиболее сильно эффект Доплера проявляется для ИСЗ, использующих негеостационарные орбиты. В зависимости от назначения системы СС и типа земных станций регламентом МСЭ различаются следующие службы: фиксированная спутниковая служба для связи между станциями, расположенными в определенных фиксированных пунктах, а также распределения телевизионных программ; подвижная спутниковая служба для связи между подвижными станциями, размещаемыми на транспортных средствах (самолетах, морских судах, автомобилях и пр.); радиовещательная спутниковая служба для непосредственной передачи радио и телевизионных программ на терминалы, находящиеся у абонентов. Фиксированная спутниковая служба (ФСС). На начальном этапе развития ФСС развивалась в направлении создания систем магистральной связи с применением крупных земных станций с диаметрами зеркала антенн порядка 12..30 м. В настоящее время функционирует около 50 систем ФСС. В качестве примеров можно отметить отечественные системы СС "Молния-3", "Радуга", "Горизонт" и международные системы Intelsat и Eutelsat. Развитие ФСС идет по направлениям увеличения срока службы ИСЗ, повышения точности удержания ИСЗ на орбите, разработки и совершенствования многолучевых антенн, а также возможности работы на антенны земных станций малого диаметра (1,2..2,4 м) (системы VSAT). Подвижная спутниковая служба (ПСС). В силу международного характера работы транспорта для его управления создаются международные системы глобальной спутниковой связи, например, система морской спутниковой связи Inmarsat, которая введена в действие в 1982 году. Функционально она содержит геостационарные спутники, расположенные над Атлантическим, Индийским и Тихим океанами; береговые станции, установленные на различных континентах, и разветвленную сеть судовых станций различных стандартов. В настоящее время системой Inmarsat пользуется около 15 тысяч судов. В рамках организации Inmarsat решается проблема создания системы авиационной спутниковой связи. Успехи в космических технологиях последних лет, а также достижения в микроэлектронике, появление эффективных алгоритмов параметрического компандирования речевых сигналов, разработка лазерных линий межспутниковой связи вызвали большой интерес к использованию легких низколетящих ИСЗ для ПСС. Поддержание большой (десятки аппаратов) группировки ИСЗ на НВО для СиСПИ ЛК-9 РСП и ССП 7 обеспечения непрерывности связи оказывается экономически целесообразно, во- первых, ввиду упоминавшейся выше относительно малой стоимости вывода спутника на НВО и, во-вторых, в связи возможностью создания систем с малогабаритными абонентскими станциями, имеющими изотропные антенны. Различают два типа СС с НВО. В наиболее простых из них пакеты информации передаются через ИСЗ-ретранслятор непосредственно или с задержкой на время пролета по трассе. Второй тип систем обеспечивает непрерывную связь. Зоны радиовидимости отдельных ИСЗ объединяются в единое информационное пространство. Примером такой системы служит международный проект Iridium, возглавляемый фирмой Motorola. Система базируется на 66 легких (масса 689 кг) ИСЗ, равномерно размещенных на 6 полярных орбитах (по 11 ИСЗ на каждой орбите) высотой 780 км, плоскости которых разнесены на 30 , но совпадают по фазам движения. Каждый ИСЗ связан с четырьмя соседними. Ретранслятор работает на многолучевую антенну с числом лучей 48, что позволяет организовать в системе 2100 активных лучей одновременно, т.е. создать сотовую зону обслуживания на всей поверхности Земли. В системе принят многостанционный доступ с частотно-временным разделением каналов, для межспутниковых линий и станций сопряжения предусматривается диапазон частот "K" 19..29 ГГц, для абонентских линий "Земля- ИСЗ" и "ИСЗ-Земля" - использование двух полос в диапазоне частот "L" 1610..1626,5 МГц. Система Iridium сможет охватить связью до 1,5 млн. абонентов. Планируется применение двухрежимных абонентских терминалов: режим Iridium и режим одного из стандартов сотовой подвижной связи (например, GSM). При нахождении абонента в зоне обслуживания системы сотовой связи, он обслуживается данной системой. Когда абонент покидает зону обслуживания системы сотовой связи, автоматически происходит его переключение на обслуживание системой СС Iridium. Радиовещательная спутниковая служба (РСС). РСС реализует одно из основных направлений развития телекоммуникаций - персонализацию, т.е. телевизионные программы принимаются непосредственно на индивидуальные приемники абонентов. МСЭ утвердил международный план спутникового ТВ вещания в диапазоне 12 ГГц (НТВ-12). В планах зафиксированы точки стояния ИСЗ на ГСО, номера частотных каналов, параметры бортовой передающей аппаратуры. Для спутников бывшего СССР выделены пять точек стояния: 23 , 44 , 74 , 110 и 140 восточной долготы. Следует отметить, что из-за исторически сложившегося развития технических средств, для непосредственного телевидения применяется также диапазон 11 ГГц, выделенный для ФСС. |