Электронный учебно-методический комплекс дисциплины

Cистемы подвижной радиосвязи и радиоопределения

Для студентов специальностей

Ι−45 01 01 Многоканальные системы телекоммуникаций

Ι−45 01 02 Системы радиосвязи, радиовещания и телевидения

Минск 2012

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение. Классификация, особенности построения и основные характеристики существующих систем подвижной радиосвязи и радиоопределения

1.1. Классификация систем мобильной радиосвязи

Современные системы мобильной радиосвязи (СМР) весьма разнообразны по спектру применений, используемым информационным технологиям и принципам организации. Поэтому их содержательный обзор был бы затруднен без предварительной систематизации. Основываясь на данных, можно предложить следующий набор классификационных признаков СМР:

· способ управления системой, иначе способ объединения абонентов - централизованный (координированный) или автономный (некоординированный). При централизованном объединении связь между абонентами производится через центральные (или базовые) станции. В противном случае связь между пользователями устанавливается непосредственно, без участия базовых станций;

· зона обслуживания - радиальная (в пределах радиуса действия радиостанции), линейная (для линейно протяженных зон), территориальная (для определенных конфигураций территории);

· направленность связи - односторонняя или двусторонняя связь между абонентом и базовой станцией;

· вид работы системы - симплекс (поочередная передача от абонента к базовой станции и обратно) или дуплекс - одновременная передача и прием в каждом из двух названных направлений;

· метод разделения каналов в системе радиосвязи, или метод множественного доступа - частотный, временной или кодовый;

· способ использования частотного ресурса, выделенного системе связи, - жесткое закрепление каналов за абонентами, возможность доступа абонентов к общему частотному ресурсу (транкинговые системы), повторное использование частот за счет пространственного разнесения передатчиков (сотовые системы);

· категория обслуживаемых системой связи абонентов профессиональные (служебные, корпоративные) абоненты, частные лица;

· вид передаваемой информации - речь, кодированное сообщение и др.

Данный перечень не исчерпывает всех возможных системообразующих признаков (можно упомянуть и такие, как диапазон используемых частот, вид модуляции сигналов, способ соединения системы связи с коммутируемой телефонной сетью общего пользования (ТФОП), число обслуживаемых абонентов и пр.), однако и его достаточно для демонстрации многообразия существующих СМР.

Учитывая распространенность существующих типов СМР, а также перспективы их развития, можно предложить следующую систему классификации СМР, основу которой составляют три из перечисленных ранее отличительных признака:

· назначение системы и размер зоны радиопокрытия;

· метод множественного доступа;

· схема дуплексирования каналов радиолинии.

В зависимости от назначения системы, объема предоставляемых услуг и размеров зоны обслуживания можно выделить следующие четыре типа СМР:

· транкинговые системы связи (ТСС);

· системы персонального радиовызова (СПРВ);

· системы персональной спутниковой связи (СПСС);

· сотовые системы мобильной связи (ССМС).

По способу организации множественного доступа, т.е. технологии распределения между отдельными каналами связи частотно-временного ресурса, выделяют СМР на основе одной из трех конкурирующих технологий:

· множественный доступ с частотным разделением каналов (МДЧР, англоязычная аббревиатура FDMA - frequency division multiple access);

· множественный доступ с временным разделением каналов (МДВР или ТОМА - time division multiple access);

· множественный доступ с кодовым разделением каналов (МДКР или CDMA - code division multiple access).

Что же касается третьего признака классификации - дуплексирования каналов, то различие СМР состоит в способе организации информационного обмена в радиоканале двусторонней связи между абонентами либо между базовой станцией и абонентом. Наибольшее распространение находят системы с организацией дуплексной передачи на основе частотного и временного разделения.

Рассматриваемые ниже конкретные примеры помогут лучше понять смысл приведенной классификации и дадут некое предварительное представление о принципах построения СМР.

1.2. Системы персонального радиовызова

Системы персонального радиовызова (СПРВ), или пейджинговые системы (от английского термина paging - вызов), представляют собой системы мобильной радиосвязи, обеспечивающие одностороннюю передачу коротких сообщений из центра системы (терминала персонального радиовызова, или пейджингового терминала) на миниатюрные абонентские приемники (пейджеры), причем передаваемые сообщения могут быть четырех типов - тональные, цифровые, буквенно-цифровые и речевые. В последнее время стали появляться публикации о разработке пейджеров для двусторонней связи, способных осуществлять передачу подтверждений о приеме сообщений.

По своему назначению СПРВ можно подразделить на частные (ведомственные) и общего пользования. Частные СПРВ предназначены для передачи сообщений на ограниченной территории в интересах отдельных групп пользователей, причем, как правило, передача осуществляется с диспетчерского терминала радиовызова без взаимодействия с ТФОП. Под системами общего пользования понимают системы мобильной радиосвязи, обеспечивающие передачу сообщений ограниченного объема от пользователей ТФОП (или с персонального компьютера) через пейджинговый терминал на абонентские приемники СПРВ. Потенциальными пользователями СПРВ в основном являются различные экстренные службы (скорая помощь, пожарная и аварийно-спасательная службы, полиция и пр.), а также лица, занятые в сфере оказания различного рода услуг (консультационных, бытового технического обслуживания и др.).

Основной отличительной чертой СПРВ служит ее работа вне реального времени, т.е. сообщения передаются не в момент его выдачи отправителем, а в порядке очереди, устанавливаемой центром управления, хотя на практике величина задержки между моментом отправления и получения не превышает нескольких минут. В сочетании с краткостью сообщений и односторонней направленностью СПРВ оказываются технически очень простыми, а значит и экономически выгодными потребителю, поэтому системы пейджинговой связи нередко называют "мобильной связью для бедных".

В самой общей версии структурная схема СПРВ представлена рис. 1.1, где используются сокращения:

· ТПВ - терминал персонального вызова (paging terminal - PT);

· КСПВ - контроллер сети персонального вызова (paging network controller - PNC);

· ЦЭиО - центр эксплуатации и обслуживания (operations and maintenance center- ОМС);

· КЗОВ - контроллер зоны обслуживания вызовов (paging area controller- РАС);

· БС - базовая станция (base station - BS);

· АП - абонентский приемник (pager - P).

Терминал персонального вызова принимает и анализирует входящие данные вызовов из ТФОП (или от других источников). Контроллер сети персонального вызова во взаимодействии с ЦЭиО обеспечивает все функции управления системой, в том числе такие, как определение типа вызова абонента - индивидуальный, общий или групповой. Контроллер зоны обслуживания осуществляет распределение данных к передатчикам БС, а также может выполнять некоторые статистические вычисления.

Базовые станции контролируют и передают сигналы радиовызова на соответствующие абонентские приемники. Применение нескольких БС в пределах зоны действия СПРВ позволяет обеспечить более надежную связь с абонентами.

Ключевым фактором в развитии СПРВ, как и в случае ТСС, явилась стандартизация радиоинтерфейса. В настоящее время наиболее широкое распространение получили стандарты POCSAG, ERMES, а также семейство протоколов FLEX.

Рис. 1.1. Обобщенная структурная схема системы персонального радиовызова

Стандарт POCSAG (Post Office Code Standardization Advisory Group - Консультативная группа стандартизации кодов почтовой связи), разработанный в Англии в 1978 г., был рекомендован в 1982 г. Международным консультативным комитетом по радиосвязи (МККР) в качестве международного и ныне используется в большинстве существующих СПРВ. Скорость передачи сообщений кодом POCSAG составляет 1,2 и 2,4 кбит/с при полосе частотных каналов 12,5...25 кГц.

Требования к функциональному развитию сетей СПРВ, увеличению скорости передачи сообщений, а также интеграции национальных сетей СПРВ в транснациональные привели к разработке стандарта ERMES (European Radio Messaging System - Европейская система передачи сообщений). Предусматривается выделение СПРВ ERMES диапазона частот 169,4...169,8 МГц, в котором организуется 16 радиоканалов с разносом частот 25 кГц и скоростью передачи сообщений 6,25 кбит/с.

Примером дальнейшего развития СПРВ может служить система протоколов FLEX (включая ReFLEX и InFLEXion), разработанная фирмой Motorola. Достоинством последних является повышенная скорость передачи сообщений, возможность двустороннего пейджинга, а также передача голосовых сообщений.

На ранних этапах развития массовой мобильной связи СПРВ получили достаточно широкое распространение, причем рост количества обслуживаемых абонентов доходил до 20% ежегодно. Так, если в 1990 г. в мире насчитывалось 20 млн. пользователей, то в 1997 г. их число превысило 100 млн. В России на начало XXI столетия пейджинговая абонентская сеть исчислялась многими сотнями тысяч. Вместе с тем для стран с высоким уровнем проникновения мобильного телекоммуникационного сервиса (ЕС, Скандинавия, США и др.) характерно постепенное свертывание сетей персонального радиовызова и замещение их услуг более прогрессивными и постоянно дешевеющими системами сотового телефона.

1.3. Системы персональной спутниковой связи

Термином "системы персональной спутниковой связи" (СПСС) объединяются различные по построению и орбитальной конфигурации системы, в которых пользовательский терминал получает и передает сообщение по радиолинии, напрямую связывающей его с космическим аппаратом (КА). Основная роль СПСС в свете современных воззрений состоит в распространении услуг мобильной связи на те участки земной поверхности, где развертывание наземных сетей невозможно в принципе или экономически нецелесообразно, т.е. в акваториях Мирового океана, в районах с малой плотностью населения и пр. Можно сказать, что СПСС предназначены для "глобализации" информационного сервиса, поскольку свободны от каких-либо ограничений, связанных с географией или рельефом обслуживаемых регионов.

Несмотря на сходство в части объемов и номенклатуры предоставляемых услуг, различные СПСС обладают особенностями, в немалой степени обусловленными характеристиками орбит КА. Исходя из этого, общепринята классификация СПСС, основанная на следующих орбитальных параметрах КА:

· возвышение над поверхностью Земли;

· форма орбиты;

· периодичность прохождения КА над точками земной поверхности;

· наклонение орбиты к плоскости экватора.

По высоте над поверхностью Земли различают следующие СПСС:

· низкоорбитальные (диапазон высоты орбит от 700 до 1500км);

· среднеорбитальные (от 5000 до 15000 км);

· высокоорбитальные (около 36000 км). По форме орбиты КА подразделяются на:

· круговые (труднореализуемые на практике);

· близкие к круговым (наиболее распространенный тип орбит в системах спутниковой связи);

· эллиптические;

· геостационарные (т.е. круговые экваториальные с периодом обращения КА, равным одним суткам);

· параболические и гиперболические (характерные для систем, работающих за пределами околоземного пространства: космические зонды, аппараты для исследования планет и Солнца и пр.).

По периодичности прохождения КА над точками земной поверхности орбиты делятся на:

· синхронные, проекции которых на земную поверхность (трассы) совпадают ежесуточно (изомаршрутные) либо раз в несколько суток (квазимаршрутные);

· несинхронные, у которых трассы, соответствующие двум любым орбитам КА, не совпадают никогда.

В зависимости от наклонения различают орбиты:

· прямые (с углом наклона меньше 90°);

· обратные (с углом наклона больше 90°);

· полярные (с углом наклона, равным 90°);

· экваториальные (лежащие в экваториальной плоскости).

В состав любой СПСС входят следующие компоненты:

· космический сегмент, состоящий из спутников-ретрансляторов, число которых варьируется от единиц до сотни;

· наземный сегмент, состоящий из центра управления СПСС, центра запуска КА, командно-измерительных станций, центра управления связью и шлюзовых станций;

· пользовательский (абонентский) сегмент, состоящий из персональных или коллективных терминалов спутниковой связи;

· наземные сети связи, с которыми посредством интерфейса связи сопрягаются шлюзовые станции СПСС.

В настоящее время особое внимание уделяется разработке систем связи на базе низкоорбитальных СПСС. Повышенный интерес к ним объясняется умеренными требованиями к мощности, излучаемой пользовательским терминалом, и, как следствие, сравнительной дешевизной и малыми габаритами последнего.

Низкоорбитальные СПСС позволяют обеспечить бесперебойную связь с абонентами, находящимися в любой точке земной поверхности и практически не имеют альтернативы при организации связи в регионах со слабой инфраструктурой связи и низкой плотностью населения. Дополнительным аргументом в пользу развития низкоорбитальных СПСС служит и экологический фактор: для гарантии полной биологической безопасности человека необходимо, чтобы выходная мощность СВЧ-излучения радиотелефона не превышала 50 мВт. Эффективный прием сигналов такой мощности без значительного усложнения аппаратуры возможен только в случае низкоорбитальных систем связи. Наиболее известными представителями систем этого типа являются СПСС Iridium и Globalstar.

Низкоорбитальная система Iridium предназначается для дуплексной радиотелефонной связи, факсимильной связи и передачи данных. Инициатором проекта, начатого в 1987 г., является компания Motorola (США). Однако в связи с большими финансовыми расходами в 1993 г. проект был переведен на рельсы широкого международного сотрудничества, в результате чего был образован международный консорциум, в состав которого вошло более 20 крупнейших компаний. Космический сегмент системы состоит из 66 КА, расположенных на 11 квазикруговых орбитах высотой 780 км с наклонением 86,4°. Период обращения КА вокруг Земли составляет 100 мин. Система обладает управляемой конфигурацией космической группировки, что обеспечивает 100%-покрытие поверхности Земли в течение 99,5% времени.

Каждый КА орбитальной группировки формирует с помощью 6 фазированных антенных решеток 48 приемопередающих лучей в диапазоне 1616...1626,5 МГц. Каждый из названных лучей освещает на земной поверхности соту диаметром 640 км. В совокупности 48 лучей создают подспутниковую зону радиопокрытия радиусом в 4500 км. При использовании 48 лучей вся орбитальная группировка формирует на поверхности Земли примерно 2150 сот. В системе используется комбинация частотного и временного разделения каналов. Благодаря применению многолучевых антенн и сотовой структуры обслуживаемой зоны рабочие частоты используются многократно. При этом в смежных сотах используются различные частоты, а в каждой восьмой соте возможно повторение частот. В результате частоты диапазона 1616...1626,5 МГц используются в системе более 150 раз.

Радиолиния "абонент - КА" содержит 64 канала с разносом частот между ними, равным 160 кГц, при ширине полосы каждого канала 126 кГц. Радиолиния "КА - абонент" содержит 29 каналов с разносом частот 350 кГц при ширине полосы канала 280 кГц. Формат многостанционного доступа сочетает временное разделение каналов для каждой соты и частотное разделение для смежных сот. В результате пропускная способность системы при использовании всего диапазона частот и 48 лучей каждого КА составляет 3835 дуплексных каналов связи.

Несмотря на успешное развертывание данной системы к осени 1998 г., ее коммерческая эксплуатация не оправдала оптимистических прогнозов, оказавшись убыточной. В конечном игоге консорциум, владеющий системой, в 2000 г. вынужден был принять нелегкое решение о прекращении ее коммерческого функционирования.

СПСС Globalstar, разработанная корпорациями Qualcomm, Ioral и рядом других, в идеологическом плане основана на использовании принципов сотовых систем связи с выносом в космическое пространство ретрансляторов базовых станций. Космический сегмент системы содержит орбитальную группировку из 48 низкоорбитальных спутников-ретрансляторов, размещенных на 8 круговых орбитах с наклонением в 52° и высотой 1414 км. Подобная конфигурация космического сегмента обеспечивает наилучшее обслуживание абонентов в средних широтах (между 70° с.ш. и 70° ю.ш.), что достигается двукратным покрытием земной поверхности в указанной полосе. Каждый КА с помощью фазированных антенных решеток формирует 16 лучей, использующих один и тот же диапазон частот. В отличие от СПСС Iridium, и системе Globalstar применяется кодовое разделение каналов, причем в качестве канальных кодов используются последовательности Уолша.

В России коммерческая эксплуатация системы Globalstar началась в ноябре 2000 г., и к началу 2005 г. объем абонентской базы достиг 6000 клиентов (в основном корпоративных).

Следует упомянуть, что и в России разрабатывается несколько проектов низкоорбитальных систем связи, из которых наиболее продвинутым в реализационном плане является СПСС "Гонец". Указанная система прошла все стадии разработки и находится на этапе развертывания. Орбитальная группировка СПСС "Гонец" должна состоять из 45 спутников-ретрансляторов, расположенных на 5 квазиполярных орбитах с наклонением 83° по 9 КА на каждой, что является оптимальным с точки зрения радиопокрытия территории России. Плоскости орбит разнесены друг относительно друга на 36° по долготе, а высота орбиты составляет 1400 км.

1.4. Сотовые системы мобильной связи

Известные системы ведомственной связи или транкинговые системы связи (глава 11) в принципе не ориентированы на коммерческого потребителя, имея первоочередной целью удовлетворение ведомственных и корпоративных нужд. Они, как правило, характеризуются небольшой абонентской емкостью, фиксированной и весьма скромной номенклатурой услуг, невысокой скоростью передачи данных и пр. СПРВ, тем более не отвечают потребительским стандартам XXI века и имеют статус переходного средства одностороннего оповещения, постепенно вытесняемого более прогрессивными технологиями мобильной связи по мере расширения и удешевления последних. Что же касается СПСС, то они в настоящий момент являются самими массовыми системами радиосвязи.

В свете сказанного становятся понятными причины, по которым ведущие позиции в коммерческой мобильной связи принадлежат наземным системам, основанным на возможности многократного использования выделенного ресурса при соответствующем пространственном разнесения приемопередатчиков базовых станций. Исторически первыми системами, многократно эксплуатирующими выделенный ресурс, явились системы с повторным использованием частотных каналов. Идея повторного применения частот заключается в том, что в смежных областях радиопокрытия СМР используются разные полосы разрешенного частотного диапазона, тогда как в зонах, достаточно удаленных друг от друга, допускается передача в одних и тех же частотных каналах. Возможность подобного частотно-территориального планирования объясняется быстрым пространственным затуханием радиоволн дециметрового диапазона, применяемых в СМР этого типа.

Участок территории радиопокрытия, на котором осуществляется связь в фиксированной полосе частот, схематически изображается в виде правильного шестиугольника и по сходству с пчелиными сотами получил название соты. В результате СМР с пространственным разнесением частот получили наименование сотовых систем мобильной связи (ССМС). Группу сот, в пределах которой отсутствует повторное использование частотных полос, называют кластером. Сотовая топология позволяет многократно увеличить абонентскую емкость системы по сравнению с системами радиальной структуры и охватить сколь угодно большую зону обслуживания без ухудшения качества связи и расширения выделенного частотного диапазона. Вместе с тем использование сотового принципа построения предполагает и ряд усложнений, касающихся определения текущего местоположения мобильного абонента и обеспечения непрерывности связи при перемещении его из одной соты в другую. Соответствующая процедура получила название эстафетной передачи (и английской транскрипции handoff или handover).

Высокая спектральная эффективность ССМС достигается ценой максимально частого повторного использования одних и тех же частотных полос, и с этой точки зрения наиболее предпочтительным был бы трехсотовый (или трехэлементный) кластер, изображенный на рис. 1.2, а, где одинаковыми цифрами обозначены соты с совпадающими наборами частотных каналов.

а)	б)
в)	д)
Рис. 1.2. Варианты структур кластера ССМС

Кроме того, каждой из сот кластера данного типа отводится частотная полоса, равная трети полного частотного диапазона, а значит, и треть общего числа каналов связи в системе, что обеспечивает значительную абонентскую емкость соты. Вместе с тем частое повторение зон с одинаковыми полосами частот характеризуется заметным уровнем соканальных помех, т.е. помех от станций системы, работающих в той же полосе частот, но расположенных в несмежных сотах. Для уменьшения влияния соканальных помех более выгодны кластеры с большим числом элементов, например 7-элементные, изображенные на рис. 1.2, б. Можно показать, что расстояние D между центрами ячеек, в которых используются одинаковые полосы частот, и число п_с элементов в кластере связаны соотношением

, (1.1)

где р - радиус ячейки, т.е. радиус окружности, описанной вокруг правильного шестиугольника. Параметр , определяемый соотношением

, (1.2)

называют коэффициентом уменьшения соканальных помех или коэффициентом соканального повторения. Для величины употребляют наименование коэффициент эффективности повторного использования частот или коэффициент повторного использования частот. Увеличение числа элементов в кластере, благоприятно сказывающееся на уровне соканальных помех, приводит к пропорциональному уменьшению полосы частот, которая может быть использована в каждой соте, а значит, к снижению абонентской емкости соты.

Рассмотренные структуры кластеров предполагают использование на базовых станциях антенн с круговой диаграммой направленности, осуществляющих передачу сигнала по всем направлениям с одинаковой мощностью. Эффективным способом снижения соканальных помех является применение направленных (в горизонтальной плоскости) антенн с шириной диаграммы направленности 120 или 60°, в результате чего шестиугольная ячейка разбивается на 3 или 6 секторов, т.е. производится секторизация сот. В секторе сигнал излучается антенной только одну сторону, а уровень излучения в противоположном направлении сокращается до минимума. Таким образом, секторизация сот позволяет чаще использовать одинаковые полосы частот в кластерах без изменения их структуры, либо в рамках прежней схемы повторения частот заметно снизить уровень соканальных помех. Если кластер состоит из п_с сот, каждая из которых содержит т_с секторов, то говорят, что размерность кластера (). Типичными размерностями кластеров, широко применяемых на практике, являются (3, 9), (4, 12), (7, 21). На рис. 1.2, в, д приведены возможный варианты распределения наборов частотных каналов в секторизованных кластерах. Отметим, что разработка топологии ССМС является своеобразной и достаточно сложной задачей и на одном из этапов проведится частотно-территориального планирования.

1.5. Эволюция систем и стандартов сотовой связи

История развития ССМС насчитывает немногим более 30 лет, однако этот короткий период был отмечен рядом поворотных моментов и существенной эволюцией воззрений на роль и философию рассматриваемых систем. Можно говорить о трех поколениях ССМС, различия между которыми - с известной долей условности - устанавливаются следующими критериями.

Все ССМС или стандарты первого поколения являются аналоговыми. В их числе:

· AMPS (Advanced Mobile Phone Service) - Усовершенствованная мобильная телефонная служба. Диапазон рабочих частот — 869...894 МГц для БС и 824...849 МГц для МС, ширина полосы канала связи - 30 кГц. Начало коммерческого применения - 1983 г. Широко используется в США, Канаде, Центральной и Южной Америке, Австралии. По состоянию на начало 2000 г. ССМС AMPS использовалась в 95 странах мира и обслуживала (вместе со своей цифровой модификацией D-AMPS) около 31% абонентской базы сотовой связи, т.е. около 94,5 млн. чел. Имеет модификацию NAMPS (Narrow Band AMPS - узкополосная AMPS), основное отличие которой состоит в том, что полоса канала связи составляет 10 кГц;

· TAСS (Total Access Communications System) -Общедоступная система связи. Частотный диапазон: 935...950 МГц для БС, 890...905 МГц для МС, ширина полосы канала связи - 25 кГц. Начало коммерческого применения - 1985 г. Наибольшее распространение стандарт TAСS получил в европейских странах - Англия, Италия, Испания, Австрия и др. На начало 1999 г. абонентская база данного стандарта вместе с модификациями составляла 6,4 млн. чел. Модификации ETACS (Enhanced TAСS - усовершенствованный TAСS), JTACS (Japanese TAСS -японский TAСS) и NTACS (Narrow Band TAGS - узкополосный TAСS) различаются по используемому частотному диапазону, ширине полосы канала и пр.;

· NMT (Nordic Mobile Telephone System) - Скандинавская система мобильной телефонной связи. Существует в двух основных вариантах NMT 450 и NMT 900, отличаясь только диапазоном используемых частот: NMT450 - 463...467,5 МГц для БС и 453...457,5 для МС; NMT 900 - 935...960 МГц для БС и 890...915 МГц для МС. Ширина полосы канала - 25 кГц. Начало коммерческого использования - 1981 г. (NMT450) и 1986 г. (NMT 900). Помимо скандинавских стран, эти стандарты широко используются во многих странах Западной и Восточной Европы и ряде других регионов мира. Существует модификация стандарта NMT 450 с усовершенствованной процедурой аутентификации - NMT 450i (improved - усовершенствованный).

Упомянем также аналоговые системы первого поколения С-450 (Германия и Португалия), RTMS (Radio Telephone Mobile System - мобильная радиотелефонная система) (Италия), Radio-corn 2000 (Франция) и NTT (Nippon Telephone and Telegraph System - Японская система телефона и телеграфа).

Во всех перечисленных аналоговых стандартах применяется метод множественного доступа с частотным разделением каналов, для передачи речевой информации используется частотная модуляция, а для передачи информации сигнализации - частотная манипуляция. Системам первого поколения присущ ряд недостатков, основными из которых являются относительно низкая абонентская емкость, несовместимость различных стандартов, отсутствие засекречивания передаваемых сообщений, не­возможность взаимодействия с цифровыми системами с интеграцией служб (ISDN) и пакетной передачей данных (PDN).

В значительной степени указанных недостатков лишены цифровые ССМС второго поколения, среди которых наибольшее распространение получили следующие:

· D-AMPS (Digital-AMPS - цифровая AMPS), или IS-54 (IS -сокращение от Interim Standard, т.е. промежуточный стандарт), представляет двухрежимную аналого-цифровую систему, совмещающую работу в аналоговом и цифровом режимах в том же диапазоне, что и AMPS. Начало практического использования относится к 1992 г. Усовершенствованная версия данного стандарта IS-136, отличие которой от IS-54 заключается в наличии полностью цифровых каналов управления, начала применяться с 1996 г. Версия IS-136 используется в диапазонах 800 и 1900 МГц;

· GSM (Global System for Mobile Communications) - Глобальная система мобильной связи. Данным стандартом предусматривается работа в диапазоне 935...960 МГц для БС и 890...915 МГц для МС при ширине полосы канала связи 200 кГц. Практическое применение общеевропейского стандарта GSM 900 началось в 1991 г. Совершенствование данного стандарта привело к освоению нового частотного диапазона 1800 МГц, в котором благодаря более широкой рабочей полосе частот в сочетании с меньшими размерами сот удается строить сотовые сети значительно большей емкости. Первоначально данная версия именовалась Personal Communication Network(PCN) - Сеть персональной связи, затем Digital Cellular System(DCS) - Цифровая система сотовой связи, а спустя три года после начала эксплуатации (1993г.) была переименована в GSM1800. Диапазон работы БС - 1710...1785 МГц, МС -18О5...1880 МГц при ширине полосы канала связи 200 кГц. Стандарт GSM нашел применение и в США, однако, из-за того что диапазон 1800 МГц занят системой D-AMPS в версии IS-136, ему мыла выделена полоса частот в диапазоне 1900 МГц. Соответствующая версия стандарта GSM получила наименование "американский" GSM или IS-661. На начало 1999 г. стандарт GSM в различных версиях использовался в 129 странах мира, а объем абонентской базы достиг величины 137 млн. чел., что составляет 45% от общего числа пользователей ССМС;

· PDC (Personal Digital Cellular) - Персональная цифровая сотовая связь. Цифровая ССМС, разработанная в Японии и 1993 г. и первоначально называвшаяся JDC (Japan Digital Cellular - Японская цифровая сотовая связь), по своим техническим характеристикам подобна D-AMPS и отличается от последней возможностью работы в нескольких диапазонах частот - 800, 1400 и 1500 МГц. Хотя стандарт РDС используется только в Японии, его абонентская база достигает 39,5 млн. пользователей, или 13% от общемирового числа абонентов ССМС;

· IS-95 (Interim Standard- IS), альтернативное наименование cdmaOne. Все перечисленные ранее цифровые ССМС второго поколения используют метод множественного доступа с частотно-временным разделением каналов связи. Критическими явились 1992-1993 гг., когда в США был разработан первый стандарт ССМС на основе метода множественного доступа с кодовым разделением (CDMA), получивший название IS-95. Диапазон рабочих частот - 824...848 МГц для МС и 869...894 МГц для БС при ширине спектра излучаемых сигналов 1,25 МГц. Практическое применение указанного стандарта началось в 1995-1996 гг. в Гонконге, США и Южной Корее, причем в США используется версия этого стандарта для диапазона 1900 МГц.

Что касается ССМС третьего поколения, то в настоящий момент процесс формирования их облика еще продолжается, изобилуя коллизиями, конфликтами интересов и компромиссами. Принципиальные критерии, отличающие ССМС третьего поколения, а также некоторые детали конкретных спецификаций, имеющих фактический статус стандартов и весьма близких к практическому воплощению, рассмотрены ниже.

Начало развития сотовой связи в странах СНГ относится к девяностым годам прошлого века. В настоящее время в качестве основного стандарта в Европе, в том числе в Республике Беларусь, утвердился стандарт GSM. По итогам 2012 г. контингент абонентов сотовых сетей связи в Республике Беларусь составил приблизительно 9,6 млн. человек.

2. Принципы построения и структура сотовых сетей связи второго поколения

2.1. Обобщенная структурная схема сети сотовой связи стандарта GSM. Назначение отдельных подсистем, блоков и устройств

Рассмотрим основные элементы ССМС и характер их взаимодействия. Хотя сотовые системы разных стандартов имеют значительные отличия в деталях, интегральное их описание с помощью некоторой обобщенной модели возможно и полезно. В качестве подобного обобщения выберем схему ССМС, приближенную к стандарту GSM, как наиболее отчетливо структурированную. Функциональное построение ССМС иллюстрируется схемой на рис. 2.1. В приведенной схеме условно можно выделить четыре основных компонента - центр управления и обслуживания (ЦУО) (иначе operations and maintenance center - ОМС) и три подсистемы:

· подсистема мобильных станций ПМС (mobile station subsystemMSS);

· подсистема базовых станций ПБС (base station subsystemBSS);

· подсистема коммутации ПК (switching subsystemSSS), - функциональное сопряжение которых описывается рядом интерфейсов.

Подсистема мобильных станций объединяет оборудование, обеспечивающее доступ абонентов в систему.

Главным звеном в архитектуре ССМС является подсистема коммутации, которая включает в себя центр коммутации подвижной связи ЦКПС (mobile switching center MSC), визитный (гостевой) регистр местоположения ВРМ (visited location register VLR), домашний регистр местоположения ДРМ (home location register HLR), центр аутентификации ЦА (authentication center ADC) и регистр идентификации оборудования РИО (equipment identity register EIR).

В подсистему базовых станций входят базовые приемопередающие станции БС (base transceiver station BTS) и контроллеры базовых станций КБС (base station controller BSC). Центр коммутации подвижной связи обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается и процессе работы мобильная станция, т.е. коммутацию мобильных абонентов друг с другом, с абонентом ТфОП и др.

ЦКПС представляет собой автоматическую цифровую телефонную станцию (доработанная АХЕ-10, DX-220) и обслуживает группу сот, обеспечивая все виды соединений, в которых нуждается мобильная станция:

1) выход мобильной станции на телефон общего пользования,

2) выход на телефон внутри сети одного оператора,

3) звонок на телефон этого стандарта другого оператора,

4) звонок на сеть другого стандарта.

На ЦКПС возлагаются также функции коммутации каналов, к которым относятся "передача обслуживания" (или "эстафетная передача") и переключение каналов в соте при появлении сильных помех и неисправностей, если только это не является обязанностью КБС. Помимо коммутационных задач ЦКПС, управляет процедурами слежения за мобильными станциями с помощью домашнего и визитного регистров местоположения для обеспечения доставки вызова, а также процедурами аутентификации и идентификации абонентов с помощью ЦА и РИО.

Блоки ДРМ и ВРМ по своей сути представляют собой базы данных. Первый содержит сведения о постоянно приписанных к данному ЦКМС абонентах и о видах услуг, которые им могут быть оказаны, второй содержит информацию об абонентах, временно находящихся в зоне обслуживания данного ЦКМС.

Рис. 2.1. Обобщенная структурная схема ССМС ПМС (MSS) - подсистема мобильных станций; ПБС (BSS) - подсистема базовых станций; ПК (SSS) - подсистема коммутаций; КБС (BSC)- контроллер базовых станций; ЦКМС (MSC) - центр коммутации мобильной связи; ВРМ (VLR) - визитный регистр местоположения; ДРМ (HLR) - домашний регистр местоположения; ЦА (AUC)- центр аутентификации; РИО (EIR) - регистр идентификации оборудования; ЦУО - регистр управления и обслуживания; БС (BTS) - базовая станция; МС (MS) – мобильная станция; МКЦПС (GMSC) – шлюз центра коммутации подвижной связи; ЦСИС (ISDN)– цифровая сеть с интеграцией служб; ЦУС – центр управления сетью; PTN – сеть передачи данных; ТфОП – телефонная сеть общего пользования.

Контроллер базовых станций осуществляет управление несколькими БС, которые обеспечивают связь с МС через радиоинтерфейс, а также производит упаковку информации, передаваемой в ЦКПС, и ее распаковку при передаче в обратном направлении.

При этом ЦКПС может выполнять функции коммутации каналов и пакетов:

1) коммутация каналов – создание канала передачи информации между абонентами на всё время сеанса связи (речевой трафик – передача речевой информации);

2) коммутация пакетов (при релизации стандартов GPRS, UMTS и т.п.) (формируются пакеты переменной или постоянной длины).

В общем случае можно организовать независимую коммутацию каналов и независимую коммутацию пакетов. Протокол GPRS (General Packet Radio Serves) позволяет организовать коммутацию пакетов и передать данные абонентов.

ЦКПС выполняет функции эстафетной передачи и роуминга. Эстафетная передача (Hand Over):

1) может осуществляться в пределах одной ячейки при значительных помехах на какой-то частоте, перевод мобильных станций на другие частоты, не подверженные глубоким замираниям;

2) при перемещении мобильных станций между сотами передает абонента из одной ячейки в другую. Эти соты контролирует один контроллер базовой станции;

3) перемещение между ячейками соты, которые контролируют разные контроллеры базовых станций;

4) при значительных перемещениях осуществляется переход в другой центр коммутации мобильной связи. Во всех вариантах процедуры эстафетной передачи измеряется уровень нескольких базовых станций и переключение на ту базовую станцию, где уровень сигнала выше.

Роуминг заключается в предоставлении услуг мобильной связи клиентам других сетей данного стандарта.

Каждый абонент получает уникальный международный идентификатор мобильного оборудования IMEI, а также стандартный сменный модуль подлинности абонента – SIM-карту, в которой содержится:

а) международный идентификационный номер IMSI,

б) персональный идентификационный номер PIN,

в) персональный номер разблокировки.

IMEI и IMSI не связаны с друг другом. Это дает возможность использовать разные SIM-карты в разных сетях или использовать одну SIM- карту в различных терминалах мобильных телефонов.

В ДРМ содержатся номера, адреса, параметры подлинности абонентов, состав услуг связи и другие параметры, помогающие выполнять маршрутизацию. ВРМ и ДРМ содержат до 20 наименований постоянно и временно хранящихся данных. Доступ к данным в ДРМ имеют все остальные центры коммутации. Если в сети несколько ДРМ, то запись об этом абоненте содержится только в одном, а все остальные имеют удалённый доступ, который осуществляется по номеру IMSI. ВРМ обеспечивает контроль за перемещением мобильных станций и служит для эффективного управления установленными соединениями, при этом заносится информация о его месте расположения. Содержит информацию об абонентах, временно находящихся в зоне обслуживания данного центра коммутации мобильной связи.

В ДРМ (HLR) хранится та часть информации о местоположении какой-либо подвижной станции, которая позволяет центру коммутации доставить вызов определенной мобильной станции. Практически ДРМ (HLR) представляет собой справочную базу данных о постоянно зарегистрированных в сети абонентах. В ней содержатся опознавательные номера и адреса, а также параметры подлинности абонентов, состав услуг связи, специальная информация о маршрутизации. Ведется регистрация данных о роуминге (блуждании) абонента, включая данные о временном идентификационном номере подвижного абонента (TMSI — Temporary Mobile Subscriber Identity) и соответствующем визитном регистре местоположения (VLR). Регистр HLR содержит международный идентификационный номер подвижного абонента (IMSI — International Mobile Subscriber Identity), состав услуг связи, специальную информацию о маршрутизации. Он используется для опознавания подвижной станции в центре аутентификации ЦА (AUC — Authentication Center).

Домашний регистр местоположения вместе с ЦКПС (MSC) обеспечивает маршрутизацию вызова и изменения местоположения (роуминг) мобильной станции. Он содержит всю административную информацию каждого абонента, зарегистрированного в соответствующей сети GSM, наряду с информацией о текущем местоположении мобильных станций. Местоположение мобильных станций находится обычно в форме адреса данной мобильной станции в ВРМ (VLR) (Visit Location Register). Более детально процедура маршрутизации будет описана позже. Логически для каждого абонента существует один ДРМ (HLR) в сети GSM, хотя он может быть реализован как распределенная база данных. К данным, содержащимся в ДРМ (HLR), имеют дистанционный доступ все MSC и ВРМ (VLR) сети и, если в сети имеются несколько распределенных ДРМ (HLR), в базе данных содержится только одна запись об абоненте, поэтому каждый HLR представляет собой определенную часть общей базы данных сети об абонентах. Доступ к ней осуществляется по номеру IMSI или по номеру подвижной станции в сети ISDN (MSISDN — Mobile Station ISDN Number). К базе данных могут получить доступ ЦКПС (MSC) или ВРМ (VLR), относящиеся к другим сетям, в рамках обеспечения межсетевого роуминга абонентов.

Состав временных данных, которые хранятся в домашнем регистре местоположения:

1. Параметры аутентификации и шифрования.

2. Временный номер МС (TMSI), который назначает ВРМ.

3. Данные об адресе текущего ВРМ, если их несколько в сети.

4. Номер или код зоны местоположения подвижной МС.

5. Номер соты при эстафетной передаче.

6. Регистрационный статус (данные).

7. Таймер отсутствия ответ (отключения соединения).

8. Состав используемых в данный момент паролей.

9. Активность связи.

Второе основное устройство, обеспечивающее контроль над передвижением подвижной станции из зоны в зону, — визитный регистр местоположения ВРМ (VLR). С его помощью достигается функционирование подвижной станции за пределами зоны, контролируемой ДРМ (HLR). Когда в процессе перемещения подвижная станция переходит из зоны действия одного контроллера базовой станции BSC, объединяющего группу базовых станций, в зону действия другою BSC, она регистрируется новым BSC, и в ВРМ (VLR) заносится информация о номере области связи, которая обеспечит доставку вызовов подвижной станции. Для сохранности данных, находящихся в ДРМ (HLR) и ВРМ (VLR), в случае сбоев предусмотрена защита устройств памяти этих регистров.

ВРМ (VLR) содержит такие же данные, как и ДРМ (HLR), однако эти данные содержатся в ВРМ (VLR) только до тех пор, пока абонент находится в зоне, контролируемой ВРМ (VLR).

В сети подвижной связи GSM соты группируются в географические зоны (LA — Location Area), которым присваивается свой идентификационный номер (LAC — Location Area Code). Каждый VLR содержит данные об абонентах в нескольких LA. Когда подвижный абонент перемещается из одной LA в другую, данные о его местоположении автоматически обновляются в ВРМ (VLR). Если старая и новая LA находятся под управлением различных ВРМ (VLR), то данные на старом ВРМ (VLR) стираются после их копирования в новый ВРМ (VLR). Текущий адрес ВРМ (VLR) абонента, содержащийся в ДРМ (HLR), также обновляется.

ВРМ (VLR) обеспечивает также присвоение номера для услуг роуминга мобильной станции (MSRN — Mobile Station Roaming Number). Когда подвижная станция принимает входящий вызов, VLR выбирает MSRN и передает его на MSC, который осуществляет маршрутизацию этого вызова к базовым станциям, находящимся рядом с подвижным абонентом.

Во время движения подвижная станция может покинуть зону, обслужи­ваемую одним ЦКПС-ВРМ (MSC/VLR), и переместиться в зону, которую обслуживает другой ЦКПС-ВРМ (MSC/VLR). В этом случае ЦКПС-ВРМ (MSC/VLR) участвует в передаче управления от одного ЦКПС-ВРМ (MSC/VLR) к другому. Он также присваивает новый временный номер TMSI подвижному абоненту и передает его в ДРМ (HLR). Новый ВРМ (VLR) инициирует процедуру установления подлинности абонента и его оборудования. Кроме случая, когда подвижный абонент меняет зону местоположения, временный номер может периодически изменяться по решению оператора с целью защиты от злонамеренного опознавания номеров участников разговора. В этом случае процедура изменения идет также с использованием ВРМ (VLR). Для доступа к ВРМ (VLR) могут использоваться идентификационные номера IMSI, TMSI и MSRN.

В заключении отметим, что ВРМ (VLR) — это локальная база данных в данной зоне о подвижном абоненте. Применение VLR позволяет сократить число запросов HLR, что снижает сетевой трафик и уменьшает время обслуживания.

Состав временных данных, хранящихся в визитном регистре местоположения следующий:

1. Временный международный идентификационный номер пользователя (TMSI).

2. Код информации о зоне расположения.

3. Указание по использованию основных служб (услуги абонента).

4. Номер соты при эстафетной передаче.

5. Параметры аутентификации и шифрования.

6. Специальный номер – MSRN (Mobile Station Roaming Number)/

Из анализа этих данных видно, что часть данных дублируется в ВРМ и ДРМ.

В сети мобильной связи стандарта GSM соты группируются в географические локальные зоны LA (Locations Areas). Каждая LA имеет свой идентификационный номер – LAI (Location Area Identity). Каждый регистр ВРМ может содержать данные о МС, находящиеся в нескольких географических зонах LA (рис. 2.2).

Если МС перемещается из одной зоны LA1 в другую, то данные о его местоположении автоматически обновляются в ВРМ. При этом текущий адрес ВРМ (смотри временные данные РМ), содержащиеся в регистре ДРМ, также обновляются.

Если зона предыдущего местоположения абонента LA1 и зона его текущего местоположения LA2 находятся под контролем разных регистров ВРМ, т.е. LA1 – в ВРМ1, а LA2 – в ВРМ2, то данные в ВРМ1 списываются только после их записи в ВРМ2 зоны LA2. Также производится обновление временного идентификационного номера абонента TMSI1, который действителен в пределах зоны LA1, на новый номер TMSI2, действующий в пределах LA2.

Доступ к базе данных ВРМ осуществляется через IMSI (обращение ДРМ к ВРМ), TMSI и MSRN(Mobile Station Roaming Number) – специальный номер блуждающей МС, который присваивается её ВРМ при роуминге. ВРМ передаёт MSRN при вызове в центр коммутации, который передаёт его к тем БС, которые находятся рядом с МС. Регистр ВРМ участвует в процедурах установления подлинности абонента во время обработки вызова.

В целом ВРМ представляет собой локальную базу данных о МС для той географической зоны, где в данный момент находится абонент. Введение дополнительного регистра ВРМ по отношению к ДРМ, позволяет по замыслу разработчиков исключить постоянные запросы в ДРМ, разгрузив его, и сократить время на обслуживание вызовов.

При установлении соединений между МС и БС через ЦКПС происходят процедуры аутентификации абонента и идентификации оборудования, в которых участвуют соответствующие устройства сети. В общем, ЦА обеспечивает возможность проведения процедуры аутентификации абонентов и шифрование передаваемых абонентов. РИО содержит сведения об эксплуатируемых МС на предмет их исправности и санкционированного использования. Процедуры идентификации и аутентификации предназначены для защиты законных абонентов от попыток обмана со стороны злоумышленников и незаконного использования передаваемой информации.

Рис. 2.2. Принцип формирования географических зон в стандарте GSM

Под идентификацией оборудования понимается процедура отождествления МС, претендующей на услуги сети связи, с одной из множества зарегистрированных в ЦКПС. Идентификатор МС (IMEI – идентификационный номер оборудования МС) обычно содержит коды изготовления и место сборки МС, электронный серийный номер. Процедура идентификации позволяет сети узнать статус этой МС, т.е. перечень предоставляемых услуг; уровень приоритета в получении доступа, установления канала связи и т.д. В системах связи стандарта GSM в регистре идентификации оборудования ЦК имеется три списка: белый, серый и чёрный. МС, занесённой в белый список, разрешено пользоваться сетью. В сером списке хранятся идентификаторы МС, имеющие неурегулированные вопросы с сетью (требуют ремонта, имеют задолженности по оплате услуг). В чёрный список включены МС, которые утеряны или украдены, а также незаконно размноженные (клонирование). Кроме идентификации оборудования могут проводиться и другие виды идентификаций (абонента, управления, сети).

Под аутентификацией понимается процедура установления подлинности абонента. Различают аутентификацию сообщения, абонента, устройства и т.д. Аутентификация сообщения – подтверждение или отрицание следующих предположений:

1) сообщение исходит от законного абонента;

2) сообщение при передаче не изменилось;

3) сообщение доставлено по требуемому адресу;

4) последовательность принятых сообщений соответствует последовательности отправленных.

Аутентификация абонента – установление подлинности абонента, претендующего на услуги сети. Для этого разработаны криптографические протоколы, в результате применения которых законные пользователи достигают своих целей, а притязания злоумышленников отвергаются. При попытке доступа к МС абонент вводит свой пароль, который сравнивается с хранящимся в памяти устройства и приписан данному абоненту. Доступ разрешается только в случае их совпадения. В стандарте GSM используется пароль, называемый PIN-кодом (Personal Identification number) – код для активации МС. Трёхкратное неправильно введение PIN-кода блокирует SIM-карту и работа данной МС прекращается. Для разблокировки МС используется персональный номер разблокировки PUK-код (Personal Unblocking Key). Но главным в SIM-карте является IMSI (международный идентификационный номер) (International Mobile Station Identity), который проверяется при подключении МС в центре аутентификации. Работа оборудования регистра идентификации основана на анализе IMEI (International Mobile station Equipment Identity) – идентификационный номер оборудования мобильной станции.

Уже отмечалось, что идентификаторы IMEI и IMSI разные и не связаны между собой. Это позволяет реализовать разные алгоритмы работы с сетью GSM:

1) выбрать разные модели телефонов, без изменения номера и других данных, записанных на SIM-карте;

2) использовать различные SIM-карты, например, зарегистрированные в различных сетях, с различными тарифами с одним телефонным аппаратом.

ЦУО (центр управления и обслуживания) осуществляет взаимодействие со всеми основными узлами и устройствами подсистемы коммутации.

Кроме того, имеется ЦУС – центр управления сетью, который позволяет обеспечить иерархическое управление всей сетью GSM, диспетчерское управление, контроль трафика, предотвращение аварийных ситуаций при перегрузке, контроль региональных проблем, контроль маршрутов сигнализации.

ЦКПС обеспечивает через шлюз ШЦКПС связь с внешними сетями: телефонной сетью общего пользования (TфОП), цифровой сетью с интеграцией служб (ЦСИС или ISDN), сетью передачи данных (PTN).

2.3. Базовая станция сотовой сети стандарта GSM. Структурная схема, назначение, основные характеристики и параметры

Базовая станция (БС) представляет собой дуплексный приемопередатчик, работающий в автоматическом режиме, который располагается в зоне обслуживания данной станции. БС поддерживает, как правило, иерархическую структуру сот:

макросоты - обеспечение общего покрытия с радиусом соты R_max = 35 км;

микросоты – обеспечение покрытия на отдельных улицах, кварталах R=500÷1000 м;

пикосоты – для обеспечения покрытий внутри помещений R до 100 м.

БС обязательно поддерживает использование секторных антенн со значением угла секторизации 60⁰, 90⁰, 120⁰.

Структурно БС состоит из некоторого количества съемных блоков и соединяющих их шин (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Структурная схема базовой станции

где 1 - локальная шина А;

2 - локальная шина Б;

3 - шина синхронизации;

4 - шина мультисброса «х»;

5, 7, 9, 11 - шины управления приемопередатчика (ПмПд) блоком разделения/сложения сигналов (РСС);

6, 8, 10, 12 - шины передачи данных;

АФТ - антенно-фидерный тракт.

Блок коммутации и распределения подключает определенные временные слоты к отдельным передатчикам, формирует сигналы тактовой синхронизации, хранит базу данных с параметрами всех устройств, входящих в БС, обрабатывает аварийные сигналы, контролирует ошибки передачи, обменивается управляющими сигналами с контроллером базовой станции КБС (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Структурная схема блока коммутации и распределения.

где HDLC – специальная буферная часть (концентратор);

Пр.С. – преобразователь стыка;

DRAM, SRAM, Boot – динамическая, статическая и постоянная память соответственно;

БВСС – блок выделения синхросигнала;

ТГ – тактовый генератор.

Интерфейсный коммутатор выделяет временные слоты из Abis канала (либо из потока Е1) и передает блоку ПмПд по локальной шине. Этот коммутатор поддерживает функцию мультисброса, т.е. передачи неиспользуемых слотов на данной БС к другим БС. Данный режим включается по интерфейсу ОМТ (интерфейс обслуживания) при установке БС.

Блок центрального процессора выполняет следующие функции:

1. Общее управление БС

2. Загрузка программного обеспечения для всех съемных блоков

3. Обработка аварийных сигналов

4. Сигнализация КБС

Блок синхронизации обеспечивает стабильные синхросигналы для всех цифровых устройств БС. Эти синхросигналы могут формироваться то собственного источника, от блока внешней синхронизации (выделенной тактовой частоты из блока Е1) либо приемника GPS (глобальная система позиционирования).

HDLC – концентратор каналов высокого уровня. Обеспечивает функции мультиплексирования и передачи каналов синхронизации.

Приемопередатчик(ПмПд) осуществляет прием и передачу сигналов на частотах, выделенных оператору в диапазоне GSM (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Структурная схема приемопередатчика.

Цифровой блок обеспечивает формирование слота данных для передачи его по локальной шине либо управление данных с локальной шины цифровому сигнальному процессору. Взаимодействие с локальной шиной осуществляется через контроллер управления каналов данных высокого уровня HDLC. В цифровом блоке происходит помехоустойчивое кодирование/декодирование трафика, подлежащего передаче/приему; шифрование либо дешифрование; упаковка либо распаковка слотов эфирного интерфейса.

В блоке обработки сигналов происходит оценка импульсной характеристики канала и ее выравнивание (эквалайзинг).

В приемопередатчике (ПмПд) осуществляется модуляция несущей частоты в диапазоне прямого канала (от БС к МС) методом гауссовой частотной манипуляции с минимальным частотным сдвигом.

При работе с медленными скачками по частоте значение несущей частоты Пд (Пм) меняется по квазислучайному закону. Скачки по частоте являются мерой борьбы с многолучевостью на радиолинии БС-МС.

Для работы нескольких ПмПд на одну антенну используются блоки сложения/разделения сигналов (РСС). Данные блоки существуют в двух вариантах: фильтрующие (рис. 2.6.) и гибридные (рис. 2.7). Достоинством такого построения является то, что используются двухполосные фильтры, которые как правило, охватывают заранее выделенный диапазон частот. Это обеспечивает уменьшение уровня шумов в принимаемом диапазоне. Недостатком такой схемы является трудность в реализации режима с перескоком частоты.

По другому принципу построены гибридные РСС (рис. 2.7). Их основным достоинством является более компактная структура, меньшие затраты оборудования.

Рис. 2.6. Структурная схема блока сложения и разделения.

Рис. 2.7. Структурная схема блока сложения и разделения.

Внешний вид некоторых базовых станций показан на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Внешний вид базовых станций стандарта 2G и 3G.

Важное место при построении базовых станций имеют антенны и элементы антенно-фидерного тракта (рис. 2.9-2.10).

Большое распространение получили ромбические проволочные антенны, помещенные в общий защитный кожух, который выполнен из диэлектрического материала и не искажает форму диаграммы направленности. Как правило, поддерживается секторизация на 120 и 60 градусов, что позволяет уменьшить количество базовых станций и обслуживать большее количество абонентов на единицу обслуживаемой площади.

Рис. 2.9. Внешний вид антенны и элеменов антенно-фидерного тракта базовых станций стандарта GSM.

Рис. 2.10. Внешний вид антенны и элеменов антенно-фидерного тракта базовых станций стандарта GSM.

2.3. Контроллер базовых станций. Структурная схема, назначение, основные характеристики

Структурная схема контроллера базовой станции (КБС) показана на рис.2.11.

Основными элементами КБС являются: групповой коммутатор, станционные терминалы, центральный процессор (ЦП), процессор поддержки, блок коммутации каналов, блок управления приемо-передатчиками, блок адаптации скорости, микропроцессоры (МП) и блоки

Поиск по сайту: