Альтернативные интерфейсы На Рисунок

Рисунок 2.22 - Наземные радиоинтерфейсы IMT-2000

Эти пять альтернатив являются эволюцией систем второго поколения. Две спецификации были созданы на основе работ Европейского института стандартов по телекоммуникациям (European Telecommunications Standards Institute — ETSI) по разработке универсальной мобильной телекоммуникационной системы (universal mobile telecommunications system — UMTS) как стандарта для беспроводных систем третьего поколения в Европе. Системы UMTS включают в себя два стандарта. Один из этих стандартов известен как широкополосная схема CDMA, или W-CDMA. В этой схеме для обеспечения высокой скорости передачи данных при эффективном использовании полосы частот применяется технология CDMA. В табл. 2.8 приведены некоторые основные параметры схемы W-CDMA. Еще одна схема систем UMTS, предложенная в Европе, называется IMT-TC, или CDMA с временным разделением (TD-CDMA). Этот подход представляет собой сочетание технологий W-CDMA и ТОМА. Технология IMT-TC должна обеспечить обновление систем GSM, основанных на технологии TDMA.

Еще одна система, основанная на CDMA, известная как cdma2000, имеет североамериканское происхождение. Эта схема похожа на широкополосную схему CDMA, но несовместима с ней. Отчасти это потому, что в стандартах используются разные скорости передачи элементов сигнала (чипов). Кроме того, в системе cdma2000 используется технология, именуемая работой с несколькими несущими, которая не применяется в схеме W-CDMA.

В других разделах книги мы уже рассматривали некоторые технологии, которые появляются в системах третьего поколения. Это турбокоды, коды Голда и коды расширения переменной длины.

Еще две спецификации интерфейса показаны на Рисунок 2.22. Схема IMT-SC разработана преимущественно для сетей, использующих исключительно TDMA. Использование IMT-FC с несущими TDMA и CDMA позволяет предложить некоторые услуги третьего поколения. Эта схема является частью стандарта DECT (Digital European Cordless Telecommunications — цифровые европейские беспроводные телекоммуникации), который будет рассмотрен в главе 3.

Вопросы проектирования систем CDMA

Доминирующей технологией для систем третьего поколения является CDMA. И хотя были разработаны три различные схемы CDMA, их проекты имеют некоторые общие особенности. Например:

• Ширина полосы частот. Важной целью при проектировании систем третьего поколения является ограничение использования каналов до 5 МГц. Существует несколько причин принятия такого решения. С одной стороны, полоса шириной 5 МГц и более повышает шансы приемника на восстановление многолучевого сигнала. С другой стороны, доступный спектр ограничен из соображений конкуренции, и 5 МГц являются разумной верхней границей, которая может быть выделена системам третьего поколения. И, наконец, 5 МГц подходят для поддержки скоростей передачи данных 144 и 384 Кбит/с, что является одной из основных услуг третьего поколения.

• Скорость передачи элементов сигнала. При заданной ширине полосы скорость передачи элементов сигнала (чипов) зависит от желаемой скорости передачи данных, потребности в обработке ошибок и ограничений, накладываемых на ширину полосы частот. При заданных параметрах проекта разумной будет скорость передачи элементов сигнала 3 * 106 элементов/с и выше.

• Передача на нескольких скоростях: Термин передача на нескольких скоростях (multirate) означает предоставление определенному пользователю нескольких логических каналов с фиксированной скоростью передачи данных, причем разные скорости передачи данных предоставляются в разных логических каналах. Далее, логические каналы могут независимо обрабатываться коммутатором и направляться через беспроводные и стационарные сети различным адресатам. Преимуществом передачи на нескольких скоростях является то, что система становится достаточно гибкой, чтобы поддерживать несколько приложений данного пользователя, и может эффективно использовать пропускную способность, предоставляя каналы, требуемые только для данной услуги.

Передачи на нескольких скоростях можно добиться в одном канале CDMA с использованием схемы TDMA. Для достижения различных скоростей передачи данных в кадре выделяется различное количество слотов. Все подканалы при данной скорости передачи данных будут защищены схемами исправления ошибок и чередования (Рисунок 2.23, а). Альтернативой является использование нескольких кодов CDMA с отдельным кодированием и чередованием и наложение их на отдельные каналы CDMA (см. Рисунок 2.23, б).

АНАЛОГОВЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Первоначально сотовые телефонные сети предоставляли для обмена информацией аналоговые каналы. Теперь такие сети называют системами первого поколения. С начала 80-х годов самой популярной технологией первого поколения в Северной Америке была AMPS (Advanced Mobile Phone System — усовершенствованная система мобильной телефонной связи), разработанная компанией AT&T. Этот подход также получил распространение в Южной Америке, Австралии и Китае. Несмотря на то что на смену этим системам постепенно приходят системы второго поколения, технология AMPS используется все еще довольно широко. Краткий обзор этой технологии приводится ниже.

Архитектура сети GSM

На Рисунок 2.14 показаны ключевые функциональные элементы системы GSM-Линии Um, Abis и А обозначают интерфейсы между функциональными элементами, которые стандартизированы в документации GSM. Таким образом, можно приобретать оборудование у разных поставщиков и ожидать, что оно будет успешно взаимодействовать. В стандарте GSM определены также дополнительные интерфейсы, но здесь они рассматриваться не будут.

Аспекты радиосвязи Системам GSM

В системах GSM используется сложная иерархия кадров TDMA, определяющая логические каналы (Рисунок 2.15). По сути, каждая полоса частот шириной 200 кГц делится на 8 логических каналов, определяемых повторяющимися последовательностями слотов.

На низшем уровне иерархии находится слот, длительность которого равна 15/26 мс, или примерно 0,577 мс. При скорости передачи битов 270,833 Кбит/с каждый слот будет иметь длину 156,25 бит. Слот состоит из следующих полей.

• Завершитель. Позволяет синхронизировать передачу данных с мобильных устройств, находящихся на разных расстояниях от базовой станции (будет рассмотрено ниже).

• Зашифрованные биты. Данные шифруются в блоки с помощью обычного шифрования 114 открытых битов в 114 зашифрованных битов. Затем зашифрованные биты помещаются в два 57-битовых поля слота.

• Захваченные биты. Используются для указания, содержит ли блок данные или же он "захвачен" для срочного сигнала управления.

• Настроечная последовательность. Используется для настройки параметров приемника в соответствии с особенностями текущего тракта распространения сигнала, а при многолучевом распространении еще и для выбора наиболее сильного сигнала. Настроечная последовательность является известной комбинацией битов, индивидуальной для каждой ячейки. Она позволяет мобильным устройствам и базовой станции определять, действительно ли пришел принимаемый сигнал с передатчика или же он возник в результате сильных помех.

Кроме того, настроечная последовательность используется для выравнивания сигналов, распространяющихся по множественным траекториям, которое позволяет отделять нужный сигнал от нежелательных отражений. Зная, как изменяется известная настроечная последовательность вследствие многолучевого замирания, в оставшейся части сигнала этот эффект можно компенсировать.

• Защитные биты. Используются во избежание наложения пакетов данных вследствие разных задержек на тракте.

Формат кадра GSM

Рисунок 2.15. Формат кадра GSM

Формат слота, показанный на Рисунок 2.15, называется нормальным пакетом и несет пользовательские данные (сравните с Рисунок 2.13, б). Для управления передачей сигналов используются другие форматы пакетов.

Более крупной иерархической единицей являются мультикадры из 26 кадров, в которые обычно собираются 8-слотовые кадры TDMA. Один из кадров мультикадра используется для управления передачей сигналов, а другой пока не используется, т.е. для передачи данных используются 24 кадра. Таким образом, каждому информационному каналу выделяется по одному слоту на кадр и по 24 кадра на каждый мультикадр длительностью 120 мс. Вычислим скорость передачи данных.

114 бит/слот х 24 слота/мультикадр / 10 мс/мультикадр = 22,8 Кбит/с .

В спецификации GSM допускаются также информационные каналы половинной скорости передачи данных, когда имеются два информационных канала, каждый из которых занимает один слот в 12 из 26 кадров. При использовании кодеров речи с половинной скоростью передачи данных пропускная способность системы удваивается. Есть также мультикадры, содержащие по 51 кадру, которые используются для управления трафиком.

Форматы кадров каналов управления AMPS

Рисунок 2.11. Форматы кадров каналов управления AMPS

Назад Вперед

Функционирование систем первого поколения

В постоянной памяти каждого сотового телефона, поддерживающего стандарт AMPS, имеется модуль числового распределения (numeric assignment module — NAM). В модуле NAM хранится номер телефона, выделенный ему поставщиком услуг, а также регистрационный номер телефона, присвоенный мобильному устройству производителем. Когда телефон включается, он начинает передавать коммутатору MTSO свой регистрационный номер и номер телефона (см. Рисунок 2.5). Коммутатор MTSO имеет базу данных с информацией о мобильных устройствах, которые заявлены украденными, поэтому зная регистрационный номер, можно заблокировать украденный телефон. Телефонный же номер используется коммутатором MTSO для операций со счетом. Если телефоном пользуются в другом городе, то счет за услуги все равно выставляется местному поставщику услуг.

При заказе разговора имеют место такие действия.

1. Абонент инициирует вызов, вводя телефонный номер вызываемой стороны, и нажимает кнопку "send" (отправить).

2. Коммутатор MTSO проверяет, действителен ли номер телефона и уполномочен ли пользователь заказывать разговор; некоторые поставщики услуг требуют, чтобы пользователь вводил не только номер телефона вызываемого абонента, но и PIN-код (личный номер) во избежание использования украденных устройств.

3. Коммутатор MTSO посылает на сотовый телефон пользователя сообщение, в котором указано, какой информационный канал следует использовать для отправления и приема сигналов.

4. Коммутатор MTSO также отправляет сигнал вызываемой стороне. Действия 2-4 происходят в течение 10 с процесса инициации вызова.

5. После ответа вызываемой стороны коммутатор MTSO устанавливает канал связи между двумя абонентами и начинает считать стоимость разговора.

6. Когда один из абонентов вешает трубку, коммутатор MTSO освобождает канал связи и радиоканалы передачи данных и вычисляет окончательную стоимость разговора.

Функционирование сотовой системы

Рисунок 2.5 - Общий вид сотовой системы

• Инициализация мобильного устройства. Включенное мобильное устройство проводит сканирование и выбирает самый сильный настроечный канал управления, используемый данной системой (см. Рисунок 2.6, а). Ячейки с различными полосами частот периодически транслируют сигналы в различных настроечных каналах. Приемник мобильного устройства выбирает самый сильный настроечный канал и начинает его прослушивать. В результате этой процедуры мобильное устройство автоматически выбирает антенну базовой станции той ячейки, в пределах которой оно будет действовать1. Затем выполняется квитирование между мобильным устройством и коммутатором MTSO, контролирующим данную ячейку, что тоже осуществляется через базовую станцию этой ячейки. Квитирование используется для опознания пользователя и для регистрации его местоположения. Все время, пока включено мобильное устройство, эта процедура сканирования периодически повторяется, что позволяет следить за движением устройства. Если устройство входит в новую ячейку, выбирается новая базовая станция. Кроме того, мобильное устройство следит за сигналами избирательного вызова, о чем мы поговорим ниже.

Глобальная система мобильной связи

До того как была разработана Глобальная система мобильной связи (GSM), в странах Европы использовалось множество разных несовместимых сотовых телефонных технологий первого поколения. Стандарт GSM был разработан для внедрения в Европе общей технологии второго поколения, чтобы одни и те же абонентские устройства можно было использовать по всему континенту. Эта технология оказалась весьма успешным и, возможно, самым популярным мировым стандартом для систем нового поколения. Впервые стандарт GSM появился в 1990 году в Европе. Теперь подобные системы внедрены в Северной и Южной Америке, Азии, Северной Африке, а также в Средней Азии и в Австралии. Ассоциация GSM заявила, что к концу 2000 года она обслуживала три четверти всех абонентов сотовой сети по всему миру, причем подавляющее большинство абонентов GSM находилось в Европе и на тихоокеанском побережье Азии, 8 миллионов проживает также в Северной Америке.

IS-95

Наиболее популярной схемой CDMA второго поколения является система IS-95, которая первоначально была внедрена в Северной Америке. В табл. 2.5 перечислены некоторые ключевые параметры системы IS-95. Структура передачи данных в прямом и обратном каналах связи отличается, потому будет описана для каждого направления отдельно.

Эффекты распространения радиоволн в мобильной связи

Радиосвязь с подвижными объектами имеет свои сложности, отсутствующие в проводных или стационарных беспроводных системах связи. Особого внимания требуют два аспекта: интенсивность сигнала и эффекты распространения сигнала.

• Интенсивность сигнала. Интенсивность сигнала между базовой станцией и мобильным устройством должна быть достаточно высокой, чтобы поддерживать качество сигнала на приемнике, но при этом не слишком высокой, чтобы не создавать сильной интерференции с каналами других ячеек, которые используют ту же полосу частот. Ситуацию дополнительно усложняют несколько факторов. Уровень искусственного шума бывает очень разным. Например, шум зажигания автомобилей в диапазоне частот сотовой связи в городе гораздо больше, чем в пригороде. Есть и другие источники шумовых сигналов, характеристики которых в большой степени зависят от места. Поэтому интенсивность сигнала является переменной величиной и ведет себя как функция расстояния от базовой станции до точки в пределах ячейки. Кроме того, интенсивность сигнала динамически меняется по мере движения мобильного устройства.

• Замирание. Даже если интенсивность сигнала лежит в эффективном диапазоне, разрушить сигнал или вызвать его отклонение могут эффекты, возникающие при распространении сигнала.

При проектировании сотовой сети инженеры-связисты должны учитывать различные эффекты распространения сигнала, желаемый максимальной уровень мощности передачи на базовой станции и на мобильном устройстве, обычную характерную высоту антенны мобильного устройства и доступную высоту антенны базовой станции. На основе этих факторов и определяются размеры отдельной ячейки. К сожалению, как было отмечено выше, эффекты распространения являются динамическими и их бывает трудно предсказать. Наилучшее, что можно сделать, — это разработать модель, основываясь на опытных данных, и, применив эту модель к данной окружающей среде, разработать правило определения размера ячейки. Одна из наиболее широко используемых моделей была представлена Окумурой (Okumura), а ее усовершенствование предложено Хатой (На1а). В качестве исходных данных был принят подробный анализ района Токио и получена информация о потерях на тракте для городской среды. Модель Хаты является обобщением опытных фактов, в котором учтено много условий и типов сред. В городской среде предлагается следующее выражение для потерь в тракте.

LдБ = 65,55 + 26,16 lg fc - 13.82 lg ht - A(hr) + (44,9 - 6,55 lg ht) lg d

Здесь

fc — частота несущей в мегагерцах, которая варьируется от 150 до 1500 МГц;

ht — высота передающей антенны (базовой станции) в метрах, лежит в пределах 30-300 м;

hr — высота принимающей антенны (мобильного устройства) в метрах, лежит в пределах 1-10 м;

d — расстояние между антеннами в километрах, варьируется в пределах 1-20 км;

A(hr) — поправочный коэффициент для высоты мобильной антенны.

Для небольших или средних городов поправочный коэффициент вычисляется по такой формуле:

A(hr) = (1,1 lg fc - 0,7) hr - (1,56 lg fc - 0,8) дБ

Для больших городов множитель вычисляется по следующей формуле:

A(hr) = 8,29 [lg (1,54 hr)]2 - 1,1 дБ для fc <= 300 МГц

A(hr) = 3,2 [lg (11,75 hr)]2 - 4,97 дБ для fc >= 300 МГц

Чтобы оценить потери на тракте для пригорода, формулу потерь для городской среды (2.1) нужно изменить следующим образом:

LдБ(пригород) = LдБ(город)- 2 [lg (fc/28)]2 - 5,4

Для потерь на открытом пространстве формула выглядит следующим образом:

LдБ(открытая местность) = LдБ(город)- 4,78 lg (fc)2 - 18,773 (lg fc) - 40,98

Модель Окумуры/Хаты считается одной из лучших по точности предсказания потерь на тракте и представляет собой практический способ оценки потерь на тракте для множества ситуаций.

Пример. Пусть fc = 900 МГц, ht, = 40 м, hr = 5 м и d = 10 км. Оцените потери на тракте для города средней величины.

A(hr) = (1,1 lg 900 - 0,75) 5 - (1,56 lg 900 - 0,8) дБ = 12,75 - 3,8 = 8,95 дБ

LдБ = 69,55 + 26,16 lg 900 - 13,82 lg 900 - 8,95 + (44,9 - 6,55 lg 40) lg 10
= 69,55 + 77,28 - 22,14 - 8,95 +34,4 = 150,14 дБ

Каналы управления в системе AMPS

Система AMPS состоит из 21 полнодуплексного канала управления шириной 30 кГц. Каждый из них включает в себя 21 обратный канал (reverse control channel — RCC) от абонента к базовой станции и 21 прямой канал от базовой станции к абоненту. По этим каналам передаются (в форме кадров) данные с использованием схемы частотной манипуляции (FSK).

На Рисунок 2.11, а показана структура кадра канала RCC. Кадр начинается с 48-битового поля-предтечи, состоящего из 30-битового поля тактовой синхронизации (чередующиеся нули и единицы), 11-битовой последовательности синхронизации слов (11100010010) и 7-битового цифрового кода цвета (digital color code — DCC). Код DCC используется для распознавания данных, передаваемых в ячейках внутренних каналов; он представляет собой уникальный идентификатор базовой станции и служит адресом назначения для кадра RCC. За предтечей следует собственно информационный кадр, который содержит от одного до шести слов данных. Каждое слово вмещает 36 бит данных и закодировано с помощью укороченной версии кода БХЧ (63, 51, 5). В этой укороченной версии к 36 битам данных добавляется 12 контрольных разрядов и образуется 48-битовое слово. Для дальнейшего повышения надежности каждое слово передается пять раз в одном и том же кадре, а для восстановления слова на базовой станции используется мажоритарная логика. Если учесть все служебные сигналы, то скорость передачи данных будет порядка нескольких сотен битов в секунду. Примерами сообщений RCC являются сообщения инициации связи, отклик на избирательный вызов и подтверждение порядка.

Структура кадра FCC (см. Рисунок 2.11, б) начинается с 10-битовой последовательности тактовой синхронизации и 11-битовой последовательности синхронизации слов. Каждый кадр состоит из двух слов данных. Каждое слово закодировано с помощью кода БХЧ и содержит 28 бит данных и 12 контрольных битов. Как и ранее, из соображений надежности каждое слово повторяется пять раз. Кроме того, в каждом кадре FCC предоставляется информация о состоянии соответствующего кадра RCC (свободен или занят), для чего применяется бит "занято/свободно", который вводится в каждый десятый бит кадра. Таким образом, общий объем кадра равен 463 бит. При скорости передачи сигналов 10 Кбит/с скорость передачи данных (за вычетом служебных сигналов) составляет около 1,2 Кбит/с. Сообщения FCC включают в себя сообщения избирательного вызова и сообщения о распределении частот.

Наконец, управляющую информацию можно передавать по голосовым каналам в течение разговора. Мобильное устройство или базовая станция могут вставлять пакеты данных, прекращая передачу голоса примерно на 100 мс и заменяя его FSK-модулированным сообщением. Этот вариант используется для обмена срочными сообщениями, например связанными с изменением уровня мощности или переключением.

Кодирование данных

Цифровые данные обрабатываются тем же способом, что применяется к речевым сигналам. Данные обрабатываются блоками по 240 бит каждые 20 мс, что дает скорость передачи данных 12 Кбит/с. В зависимости от определения логических каналов реальная поддерживаемая скорость передачи данных может составлять 9,6, 4,8 и 2,4 Кбит/с. Каждый блок дополняется четырьмя остаточными битами. Для получения блока размером 244 х 2 = 488 бит используется сверточный код (1, 2, 5). Затем 32 бит из этого блока опускаются, и в блоке остается 456 бит. Для распределения данных по пакетам используется схема чередования битов, что, опять же, уменьшает влияние импульсных помех. 488 бит распределяются по 22 пакетам следующим образом:

• 1-й и 22-й пакеты содержат по 6 бит каждый;

• 2-й и 21-й пакеты содержат по 12 бит каждый;

• 3-й и 20-й пакеты содержат по 18 бит каждый;

• пакеты с 4-го по 19-й содержат по 24 бит каждый.

В результате каждый пакет переносит информацию из 5 или 6 последовательных блоков данных.

Кодирование речи

На Рисунок 2.16 показана схема обработки речевых сигналов для передачи данных по логическому информационному каналу. Все этапы обработки последовательно рассмотрены ниже.

Медленная скачкообразная перестройка частоты

Выше было сказано, что информационному каналу выделяется определенная частота как для передачи, так и для приема данных. Это не совсем верно. В GSM и во многих других сотовых схемах используется технология, известная как медленная скачкообразная перестройка частоты, которая призвана повысить качество сигнала. Каждый следующий кадр TDMA в данном канале переносится на своей несущей частоте. Таким образом, частота передачи изменяется один раз каждые 4,615 мс. Медленная скачкообразная перестройка частоты позволяет скомпенсировать эффект многолучевого замирания, который зависит от несущей частоты. Медленная скачкообразная перестройка частоты позволяет также уменьшить эффект интерференции соседних каналов. Напомним, что эта технология является разновидностью связи с расширенным спектром.

Мягкое переключение

В системах FDMA и ТDМА соседние ячейки используют различные участки доступного спектра (т.е. кратность использования частоты больше единицы и обычно составляет N = 7). Когда интенсивность сигнала в соседней ячейке превышает интенсивность в текущей ячейке, мобильной станции приходит указание переключиться на новую полосу частот, которая выделена для новой ячейки. Такая процедура называется жестким переключением. В типичной сотовой системе CDMA пространственное разделение частот не используется (т.е. N = 1), так как большую часть времени интерференция с соседними ячейками не будет препятствовать корректному приему сигналов DSSS. При мягком переключении мобильная станция временно подключается к более чем одной базовой станции одновременно. Мобильное устройство поначалу могло быть соединено с одной станцией. Если затем устройство входит в зону, в которой качество передачи двух базовых станций сравнимо (с некоторым порогом по отношению друг к другу), то мобильное устройство переходит в состояние мягкого переключения, в котором оно подключено к обеим базовым станциям. Мобильное устройство остается в этом состоянии до тех пор, пока одна из базовых станций не станет явно преобладать, и тогда устройство переключится непосредственно на эту ячейку. Находясь в состоянии мягкого переключения, данные, передаваемые с мобильного устройства, достигают обеих базовых станций и отправляются в центр коммутации, который оценивает качество обоих сигналов и выбирает один из них. Затем коммутатор отправляет данные или оцифрованную речь обеим станциям, которые передают эти сигналы на мобильное устройство. Мобильное устройство комбинирует два входящих сигнала и восстанавливает информацию.

Множественный доступ с кодовым

Вопросы проектирования мобильных беспроводных систем CDMA

Перед тем как переходить к конкретному примеру —системе GSM, — будет полезно рассмотреть некоторый вопросы проектирования, общие для всех сотовых систем CDMA.

RAKE-приемник

Если в многолучевой среде, которая является весьма распространенной для сотовых систем, множественные версии сигнала пребывают на расстоянии более одного элементарного интервала друг от друга, то приемник может восстановить сигнал, соотнося элементарные последовательности с доминирующим входящим сигналом. Оставшиеся сигналы рассматриваются как шум. Однако более производительным оказывается восстановление сигналов, прошедших по разным маршрутам, и последующее их суммирование (с подходящими значениями задержек). Этот принцип используется в RAKE-приемниках.

На Рисунок 2.18 проиллюстрирован принцип действия RAKE-приемника. Исходный двоичный сигнал расширяется с помощью применения к нему и раздробленному коду передатчика операции исключающего ИЛИ (XOR). Затем расширенная последовательность модулируется для передачи по беспроводному каналу связи. Из-за эффектов многолучевого распространения в канале оказывается много копий сигнала, каждая из которых имеет свое время задержки (t1, t2 и т.д.) и свой коэффициент затухания (а1, а2 и т.д.). В приемнике полученный сигнал демодулируется. Дсмодулированный поток элементов сигнала затем подается на блок корреляторов, причем каждый задерживается на определенную величину (свою для каждого сигнала). Затем сигналы суммируются с весовыми коэффициентами, подходящими для данного канала.

Множественный доступ с временным разделением каналов

Доступ многих пользователей к сотовой системе первого поколения осуществляется с помощью технологии FDMA (frequency division multiple access — множественный доступ с частотным разделением). Этот термин был введен ранее, при рассмотрении спутниковой связи; для сотовых систем принцип работы схемы не изменился, и его можно описать следующим образом. Для каждой ячейки выделяется 2М каналов, шириной ? Гц каждый. Половина каналов (обратные каналы) используются для передачи данных с мобильного устройства на базовую станцию: fс, fс + ?, fc + 2?, ..., fс + (М - 1)?, где fс — центральная частота в самом низкочастотном канале. Оставшаяся половина каналов (прямые каналы) используется для передачи данных с базовой станции на мобильное устройство: fс, fс + ? + ?, fc + 2? + ?, ..., fс + (М - 1)? + ?, где ? — расстояние между обратным и прямым каналами. При установлении соединения с мобильным пользователем для полнодуплексного сообщения выделяются два канала — на частоте f и на частоте f + ?. Такой порядок предоставления каналов довольно неэкономичен, так как большую часть времени один или оба канала остаются незанятыми.

Технология разделения каналов TDMA уже упоминалась при обсуждения спутниковой связи (см., например, Рисунок 1.14). Применение схемы TDMA в сотовой системе можно описать следующим образом. Так же, как и при использовании FDMA, каждой ячейке выделяется некоторое количество каналов, половина из которых используются для обратной связи, а половина — для прямой. И снова для полнодуплексного соединения мобильному устройству выделяется пропускная способность на парных — прямом и обратном — каналах. Кроме того, каждый физический канал подразделяется на несколько логических каналов. Передача данных осуществляется в виде последовательности кадров с повторяющейся структурой: каждый кадр делится на некоторое число слотов. Положение каждого слота в последовательности кадров определяет отдельный логический канал. Пример логического канала приводился на Рисунок 1.13.

Модель нагрузки ячейки

Рисунок 2.10 - Модель нагрузки ячейки

Назад Вперед

Модели многократного использования частот

Рисунок 2.2 - Модели многократного использования частот

Для характеристики повторного использования частоты существуют следующие параметры:

D — минимальное расстояние между центрами ячеек, которые используют одну и ту же полосу частот (называемую группой внутренних каналов);

R — радиус ячейки;

d — расстояние между центрами смежных ячеек (d = v3 R).

N — число ячеек в минимальном фрагменте, периодическим повторением которого образуется вся схема (каждая ячейка фрагмента использует уникальную полосу частот). Этот параметр еще называют кратностью использования.

В шестиугольной схеме возможны только следующие значения N:

N = I2 + J2 + (I x J), I, J = 0, 1, 2, 3, ...

Таким образом, возможными значениями N являются числа 1, 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, 19, 21 и т.д. Верно следующее соотношение:

D / R = vN.

Это можно записать и по-другому: D/d = vN.

Обработка речевых сигналов в системе GSM

Рисунок 2.16. Обработка речевых сигналов в системе GSM

Речевой сигнал сжимается с помощью алгоритма RPE-LPE (Regular Pulse Excited -- Linear Predictive Coder, активизация регулярными импульсами — линейный кодер с предсказанием). Суть алгоритма состоит в том, что для предсказания текущей выборки используются данные из предыдущих выборок. При кодировании каждая выборка представляется в виде линейной комбинации предыдущих выборок и описывается с помощью коэффициентов этой линейной комбинации и закодированной разности предсказанной и действительной выборок. В результате такого кодирования каждые 20 мс получается 260 бит, т.е. приблизительно скорость передачи данных составляет 13 Кбит/с. По качеству речи, воспроизводимой с помощью такого кодирования, биты в 260-битовом блоке можно разделить на три класса.

• Класс Iа: 50 бит, наиболее чувствительных к битовым ошибкам.

• Класс Ib: 132 бит, умеренно чувствительных к битовым ошибкам.

• Класс IIа: 78 бит, минимально чувствительных к битовым ошибкам.

Для защиты первых 50 бит используется 3-битовая циклическая проверка четности с избыточностью (CRC). При обнаружении ошибки вся выборка отбрасывается и заменяется измененной версией предыдущего блока. Эти 53 бит, 132 бит класса Ib, а также 4-битовая остаточная последовательность затем защищаются сверточным кодом (1, 2, 5), что в итоге дает 189 х 2 = 378 бит. Оставшиеся 78 бит остаются незащищенными и прилагаются к защищенным битам для того, чтобы дополнить блок до 456 бит, что в результате даст скорость передачи данных 456/20 мс = 22,8 Кбит/с, которая является характерной скоростью передачи данных в информационных каналах систем GSM.

Для того чтобы защитить передаваемые данные от пакетов ошибок, каждый 456-битовый блок делится на восемь 57-битовых блоков, которые передаются в восьми последовательных слотах. Так как каждый слот может вмещать в себя два 57-битовых блока, в каждом пакете оказываются данные из двух различных выборок речи.

С помощью описанных шагов речевые данные шифруются по 114 бит за такт, собираются в слоты (сборка пакета) и, наконец, модулируются для передачи. Используемая схема модуляции, OMSK (Gaussian Minimum Shift Keying — гауссова манипуляция с минимальным частотным сдвигом), представляет собой разновидность частотной модуляции (FSK).

Обратный канал системы IS-95

В табл. 2. 7 представлены параметры обратного канала связи. Обратный какал связи может включать в себя до 94 логических каналов CDMA, каждый из которых занимает одну и ту же полосу частот шириной 1228 кГц (см. Рисунок 2.19, б). Обратный канал связи поддерживает до 32 каналов доступа и до 62 информационных каналов.

При обратной связи каждый информационный канал однозначно связан с одним мобильным устройством. Каждая станция имеет уникальную маску длинного кода, основанную на ее электронном регистрационном номере. Маска длинного кода представляет собой 42-битовое число, так что всего может быть (242 - 1) различных масок. Каналы доступа используются мобильным устройством для инициации звонка, ответа на сообщения нисходящего канала избирательного вызова и для обновления сведений о местоположении.

На Рисунок 2.21 показаны этапы обработки данных, передаваемых по обратному информационному каналу при скорости, соответствующей первому набору. Первые несколько шагов те же, что и для прямого канала. Для обратного канала сверточный кодер имеет степень кодирования 1/3, т.е. эффективная скорость передачи данных утраивается до максимального значения 28,8 Кбит/с. Затем применяется блочное чередование данных.

Следующим этапом является расширение данных с помощью матрицы Уолша. Способ и цель использования матрицы отличаются от способа и цели в I прямом канале. В обратном канале связи данные, получающиеся в результате г, блочного чередования, группируются в модули по 6 бит. Каждый 6-битовый модуль играет роль индекса для выбора строки матрицы Уолша 64 х 64, и эта строка заменяется входными данными. Таким образом, скорость передачи данных увеличивается в 64/6 раз, т.е. до 307,2 Кбит/с. Целью такого кодирования является улучшение приема на базовой станции. Так как 64 возможных варианта кодирования являются ортогональными, блочное кодирование облегчает процесс принятия решения на приемнике, это удобно также с точки зрения вычислений. Модуляцию Уолша можно рассматривать как разновидность блочного кода коррекции ошибок (n, k) = (64, 6) с dmin = 32. Фактически здесь все расстояния равны 32.

Для уменьшения интерференции с другими мобильными станциями вводится генератор случайных чисел для пакета данных. Его действие основано на использовании маски длинного кода для сглаживания данных в каждом 20-миллисекундном кадре.

Следующий шаг — применение схемы DSSS. В обратном канале длинный код, являющийся уникальным для мобильного устройства, с помощью операции исключающего ИЛИ сравнивается с выходными данными генератора случайных ; чисел, что позволяет получить окончательную скорость передачи данных, равную 1,2288 Мбит/с. Затем этот цифровой поток модулируется на несущей с использованием ортогональной схемы QPSK. Эта модуляция отличается от использованной в прямом канале, так как здесь в модуляторе используется задержка, гарантирующая ортогональность. Причина использования разных модуляторов заключается в том, что в прямом канале коды расширения являются ортогональными, поскольку все получены из матрицы Уолша, в то время как в обратном канале ортогональность кодов расширения не гарантирована.

Рисунок 2.21 - Обратный канал связи системы IS-95

Назад Вперед

Общая архитектура GSM

Рисунок 2.14. Общая архитектура GSM

Мобильная станция

Через интерфейс Um, называемый также радиоинтерфейсом, мобильная станция сообщается с трансивером базовой станции в той ячейке, в которой находится мобильное устройство. Термином мобильное оборудование (mobile equipment — ME) обозначается физический терминал, такой, как телефон или устройство персональной службы связи (personal communication service -PCS), включающее в себя радиотрансивер, процессоры для обработки цифровых сигналов и модуль идентификации абонента (subscriber identity module -SIM). SIM представляет собой портативное устройство, имеющее вид интеллектуальной карточки или встраиваемого модуля, в котором хранится идентификационный номер абонента, координаты сетей, которыми разрешено пользоваться абоненту, ключи шифрования и другая информация об абоненте. Абонентские устройства GSM до вставки модуля SIM абсолютно неотличимы друг от друга. Поэтому путешествующий абонент, захвативший с собой свой модуль SIM, может в разных странах использовать разные устройства, вставляя в них свой модуль. В действительности, за исключением определенных срочных соединений, абонентские устройства не будут работать без вставленного модуля SIM. Поэтому носить с собой везде нужно именно модуль SIM, а само устройство брать с собой необязательно.

Организация сотовой сети Принцип

Рисунок 2.1 - Геометрические структуры сотовых систем

На практике точная шестиугольная структура не используется. Отклонения от идеальных шестиугольников обусловлены топографическими ограничениями, местными условиями распространения сигнала и соображениями целесообразности расположения антенн.

В беспроводной сотовой системе нельзя неограниченно использовать одну и ту же частоту для разных сообщений, так как при передаче на произвольных частотах разные сигналы могут интерферировать, даже если географически они разделены. Поэтому для систем, поддерживающих большое количество одновременных сеансов связи, нужен механизм, определяющий принципы использования спектра.

Многократное использование частот

В каждой ячейке сотовой сети имеется базовый трансивер. Мощность передаваемых сигналов тщательно регулируется (несколько это возможно для быстро меняющихся условий сред мобильной связи), поскольку (1) требуется осуществлять связь в пределах одной ячейки, но (2) это не должно приводить к интерференции сигналов данной ячейки с сигналами соседних. Как правило, каждой ячейке выделяется 10-50 частот, в зависимости от планируемой нагрузки. Кроме того, нужен механизм использования одной и той же частоты в ячейках, расположенных недалеко друг от друга, чтобы одну частоту можно было использовать для нескольких одновременных сеансов связи.

Важным вопросом, разумеется, является определение удаленности двух ячеек, использующих одну частоту, поскольку сигналы этих ячеек не должны интерферировать друг с другом. Были предложены различные модели многократного использования частот, некоторые примеры приведены на Рисунок 2.2. Если схема состоит из N ячеек, для которых выделяется одинаковое количество частот, то каждая ячейка будет иметь K/N частот, где К — общее число частот, выделяемых системе. Мобильная телефонная система AMPS, в которой К = 395, а N = 7, представляет собой наименьшую систему, в которой можно обеспечить достаточную изоляцию двух сеансов использования одной и той же частоты. Это означает, что в среднем на одну ячейку должно приходиться не более 57 частот.

Переключение

Переключение — это процедура изменения "прописки" мобильного устройства с одной базовой станции на другую при переходе мобильного пользователя из одной ячейки в другую. Переключение пользователя осуществляется в разных системах по-разному, при этом задействовано множество факторов. Здесь будет дан только краткий обзор этой процедуры.

Переключение может инициироваться сетью, тогда решение о переключении принимается исключительно на основе сетевых измерений сигналов, принимаемых от мобильного устройства. Существуют альтернативные схемы переключения с участием пользователя, которые позволяют мобильному устройству участвовать в принятии решения о переключении, предоставляя возможность обратной связи с сетью по сигналам, принимаемым мобильным устройством. В любом случае для принятия решения могут использоваться различные метрики производительности. Например, такие.

• Вероятность блокирования вызова. Вероятность того, что новая ячейка окажется заблокированной вследствие превышения возможностей (пропускной способности) базовой станции. В таком случае решение о передаче мобильного устройства соседней ячейке принимается не на основе качества сигнала, а в зависимости от степени использования пропускной способности.

• Вероятность потери соединения. Вероятность того, что в процессе переключения звонок будет потерян.

• Вероятность завершения звонка. Вероятность того, что разрешенный звонок не будет прерван до его завершения.

• Вероятность неудачного переключения. Вероятность того, что переключение будет выполнено при неподходящих условиях приема.

• Вероятность блокирования переключения. Вероятность того, что переключение не будет завершено успешно.

• Вероятность переключения. Вероятность того, что до завершения разговора произойдет одно переключение.

• Частота переключений. Число переключений за единицу времени.

• Длительность прерывания. Промежуток времени в ходе переключения, в течение которого мобильный пользователь не будет соединен с базовой станцией.

• Задержка переключения. Расстояние, на которое переместится мобильное устройство от точки, где должно было произойти переключение, до точки, в которой оно действительно произошло.

Основным параметром, используемым при принятии решения о переключении, является измеренная интенсивность сигнала от мобильного устройства к базовой станции. Обычно на базовой станции сигнал усредняется по времени движения, чтобы отбросить быстрые флуктуации, возникающие вследствие эффектов многолучевого распространения. На Рисунок 2.7, а показана усредненная мощность, принимаемая на двух смежных базовых станциях от мобильного устройства, которое движется от станции А, находящейся в точке LA, к станции В, находящейся в точке LB. Этот рисунок служит иллюстрацией различных стратегий переключения, используемых для определения момента переключения.

• Относительная интенсивность сигнала. Обслуживание мобильного устройства передается с базовой станции А базовой станции В в тот момент, когда интенсивность сигнала, принимаемого на станции В, впервые превысит интенсивность на станции А. Если в дальнейшем интенсивность сигнала на станции В упадет ниже значения, регистрируемого на станции А, то мобильное устройство снова будет переключено на станцию А. На Рисунок 2.7, а переключение происходит в точке L. В этой точке интенсивность сигнала, регистрируемого на базовой станции А, все еще достаточна, но имеет тенденцию к снижению. Поскольку вследствие эффектов многолучевого распространения интенсивность сигнала флуктуирует, то даже при усреднении мощности такой подход может дать эффект пинг-понга, когда устройство периодически переключается между двумя базовыми станциями.

Переключение между двумя ячейками

Рисунок 2.7 - Переключение между двумя ячейками

Интенсивность сигнала относительно порога. Переключение происходит, если (1) сигнал на текущей базовой станции становится довольно слабым (ниже установленного порога) и если (2) появляется другой, более сильный сигнал. Смысл этой стратегии состоит в том, что пока сигнал на текущей базовой станции является достаточно сильным, переключать мобильное устройство необязательно. Если использовать большой порог, например Th1, эта схема будет равносильна схеме с определением относительной интенсивности сигнала. При пороговом значении Th2 переключение произойдет в точке L2. Если задать достаточно низкий порог по сравнению с критической интенсивностью сигнала (т.е. с интенсивностью сигнала в точке L1), например Th2, то мобильное устройство может зайти довольно глубоко в новую ячейку (L4), прежде чем произойдет переключение. Это снизит качество канала связи и способно привести к разрыву соединения. Пороговое значение нельзя определять, не учитывая другие параметры, поскольку его эффективность зависит от предварительных знаний о критической интенсивности сигнала между текущей базовой станцией и потенциальной новой базовой станцией.

Относительная интенсивность сигнала и гистерезис. Переключение происходит только в том случае, если сигнал на новой базовой станции значительно сильнее (на величину Н, показанную на Рисунок 2.7, а), чем на текущей станции. Тогда переключение происходит в точке L3. Эта схема предотвращает эффект пинг-понга, так как если переключение уже произошло, знак порогового значения Н меняется на противоположный.

Термином гистерезис обозначается явление, известное как магнитный гистерезис, которое можно пояснить с помощью Рисунок 2.7, б. Механизм переключения можно представить состоящим из двух состояний. Пока мобильное устройство относится к станции А, переключение произойдет только тогда, когда относительная интенсивность сигнала достигнет порога Н или превысит его. Мобильное устройство, переданное станции В, останется там до тех пор, пока относительная интенсивность сигнала не упадет ниже -H, и только тогда устройство будет передано обратно станции А. Единственный недостаток этой схемы: первая передача может все еще быть необязательной, если базовая станция А имеет достаточно интенсивный сигнал.

• Относительная интенсивность сигнала, гистерезис и порог. Переключение происходит, только если (1) текущий уровень сигнала упадет ниже порога и (2) базовая станция-кандидат окажется сильнее, чем текущая станция, на величину Н. В нашем примере переключение мобильного устройства произойдет в точке L3, если пороговое значение будет либо Th1, либо Th2, и в точке L4 — если пороговое значение будет равно Th1.

• Технологии прогнозирования. Решение о переключении принимается на основе ожидаемого в будущем значения интенсивности принимаемого сигнала. Принятие решения о переключении осложняется использованием схем регулирования мощности, которые позволяют базовым станциям динамически настраивать мощность сигналов, передаваемых мобильными устройствами. На этом вопросе мы остановимся подробно в следующем разделе.

Подсистема базовой станции

Подсистема базовой станции (base station subsystem — BSS) состоит из контроллера базовых станций и одной или нескольких базовых трансиверных станций. Каждая базовая трансиверная станция (base transceiver station — BTS) определяет ячейку, в которую входит радиоантенна, радиотрансивер и канал связи с контроллером базовых станций. Ячейка GSM может иметь радиус от 100 м до 35 км, в зависимости от среды. Контроллер базовой станции (base station controller — BSC) может совмещаться с BTS или управлять работой нескольких устройств BTS, а следовательно, несколькими ячейками. Контроллер BSC резервирует радиочастоты, управляет переключениями мобильных устройств с одной ячейки на другую в пределах одной подсистемы BSS и контролирует избирательное обращение.

Пример мобильного сотового соединения

Рисунок 2.6 - Пример мобильного сотового соединения

• Звонок с мобильного устройства. Звонок с мобильного устройства начинается с отправки номера вызываемого устройства по предварительно выбранному каналу (см. Рисунок 2.6, б). Приемник мобильного устройства сначала проверяет, свободен ли настроечный канал, анализируя информацию в прямом (от базовой станции) канале. Когда обнаруживается, что канал свободен, мобильное устройство может начинать передачу в соответствующем обратном (к базовой станции) канале. Базовая станция в свою очередь отправляет запрос на коммутатор MTSO.

• Избирательный вызов. Далее коммутатор MTSO пытается установить связь с вызываемым устройством. Коммутатор отправляет адресное сообщение определенной базовой станции, в зависимости от номера вызывающего мобильного устройства (см. Рисунок 2.6, в). Каждая базовая станция передает сигналы избирательного вызова в собственном выделенном настроечном канале.

• Принятие вызова. Вызываемое мобильное устройство распознает свой номер в настроечном канале, за которым следит в настоящий момент, и отвечает данной базовой станции. Базовая станция отправляет ответ на коммутатор MTSO, который устанавливает канал связи между вызывающей и вызываемой базовыми станциями. В то же самое время коммутатор MTSO выбирает подходящий канал информационного обмена внутри ячейки каждой базовой станции и уведомляет каждую базовую станцию, которые в свою очередь уведомляют свои мобильные устройства (см. Рисунок 2.6, г). Оба мобильных устройства настраиваются на выделенные им каналы.

• Текущий вызов. Пока поддерживается соединение, два мобильных устройства обмениваются голосовыми сигналами или данными, проходящими через соответствующие базовые станции и коммутатор MTSO (см. Рисунок 2.6, д).

• Переключение. Если мобильное устройство во время соединения выходит за пределы одной ячейки и входит в зону действия другой, то старый информационный канал следует заменить каналом, выделенным новой базовой станции в новой ячейке (см. Рисунок 2.6, е). Система осуществляет это изменение, не прерывая звонка и не беспокоя пользователя.

Система также выполняет некоторые другие функции, не представленные на Рисунок 2.6.

• Блокирование вызова. Если при звонке с мобильного устройства все информационные каналы, выделенные ближайшей базовой станции, заняты, то мобильное устройство предпринимает предварительно заданное количество последовательных попыток установления связи. После определенного количества неудачных попыток пользователю возвращается сигнал "занято".

• Завершение вызова. Когда один или оба пользователя вешают трубку, об этом узнает коммутатор MTSO и освобождает информационные каналы обеих базовых станций.

• Потеря вызова. Если в определенный период соединения из-за интерференции или слабого сигнала базовая станция не может поддерживать минимально требуемую интенсивность сигнала, то информационный канал связи с пользователем прерывается, о чем уведомляется коммутатор MTSO.

• Звонки стационарным и удаленным мобильным абонентам/от стационарных и удаленных мобильных абонентов. Коммутатор MTSO подключен к коммутатору общественной телефонной сети. Это означает, что коммутатор MTSO может устанавливать соединение между мобильным пользователем из своей зоны и стационарным абонентом через телефонную сеть. Более того, MTSO может соединяться через телефонную сеть либо через выделенные каналы связи с удаленными MTSO и устанавливать соединение между мобильным пользователем из своей зоны и удаленным мобильным пользователем.

Пример распределения нагрузки в ячейке с пропускной способностью 10 каналов

Рисунок 2.9. Пример распределения нагрузки в ячейке с пропускной способностью 10 каналов

Параметр А — мера трафика в часы пик — является входным при моделировании нагрузки. Затем, исходя из конкретной модели, ищутся ответы на вопросы, подобные тем, что приведены в начале раздела. Природу модели определяют два ключевых фактора:

• способ обработки блокированных звонков;

• число источников трафика.

Блокированные звонки можно обрабатывать двумя способами. Во-первых, их можно помещать в очередь ожидания свободного канала. Эта практика называется задержкой неудачного вызова (LCD), хотя в действительности вызов не является неудачным, он просто отложен. Во-вторых, блокированный вызов можно отклонить или прервать. Это, в свою очередь, приводит к двум предположениям по поводу действий пользователя. Если пользователь вешает трубку, ожидает в течение некоторого случайного интервала времени и только потом возобновляет попытку дозвониться, то это называется очисткой неудачного вызова (LCC). Если же пользователь периодически пытается дозвониться, то это называется удержанием неудачного вызова (LCH). Для каждой их этих двух возможностей блокирования выведены формулы, которые характеризуют производительность системы. Для сотовых систем обычно используется модель LCC, которая, как правило, более точно описывает систему.

Вторым ключевым элементом модели трафика является предположение о том, конечно или бесконечно количество пользователей. В модели с бесконечным количеством источников нагрузки предполагается фиксированная частота прибытия звонков. Для конечного числа источников частота прибытия звонков за висит от числа уже занятых источников. В частности, если общее число пользователей, равно L и каждый пользователь заказывает соединения со средней частотой ?/L, тогда, если ячейка совсем не занята, частота прибытия звонков равна ?. В то же время если в момент времени / обслуживаются К пользователей, тогда мгновенная частота прибытия звонков в этот момент равна ?(L - K)/L. Отметим, что модели с бесконечным числом источников аналитически проще, а применять их стоит, если число источников по крайней мере в 5-10 раз превышает пропускную способность системы.

Модель с бесконечным числом источников и очисткой неудачных вызовов

Для модели LCC с бесконечным числом источников ключевым интересующим нас параметром является вероятность потери вызова, или уровень обслуживания. Итак, уровень обслуживания 0,01 означает, что в течение часа повышенной нагрузки вероятность блокирования вызова равна 0,01. Вполне приемлемыми считаются значения вероятности в пределах 0,01-0,001.

Уравнение для модели LCC с бесконечным числом источников имеет следующий вид:

схемы с многократным использованием частот

Рисунок 2.4 - Пример схемы с многократным использованием частот

Принцип работы RAKEприемника

Рисунок 2.18 - Принцип работы RAKE-приемника

ПРИНЦИПЫ СОТОВОЙ СВЯЗИ

Сотовой радиосвязью называется технология, разработанная для увеличения пропускной способности мобильных радиотелефонных услуг. До введения сотовой радиосвязи для предоставления этих услуг требовались передатчики и приемники высокой мощности. Типичная система связи могла обслуживать около 25 каналов и имела эффективный радиус действия около 80 км. Для увеличения пропускной способности такой системы нужно было использовать оборудование более низкой мощности и, следовательно, меньшего радиуса действия при участи в ней нескольких передатчиков и приемников. В начале данного раздела кратко рассматривается организация сотовой системы, после чего анализируются некоторые особенности ее внедрения.

Принципы временного и кодового разделения каналов

Рисунок 2.23 - Принципы временного и кодового разделения каналов

Назад Вперед

Прямой канал системы IS-95

В табл. 2. 6 приведены параметры прямого канала связи. Прямой канал связи состоит из 64 логических каналов CDMA, каждый из которых занимает полосу частот шириной 1228 кГц (Рисунок 2.19, а). При прямой связи поддерживаются четыре типа каналов.

• Пилот-сигнал (канал 0). Постоянно передаваемый сигнал. Этот канал позволяет мобильному устройству получать информацию о синхронизации, дает точку отсчета для определения сдвига фаз в процессе демодуляции и средство для сравнения интенсивности сигнала для определения момента переключения. Пилот-канал состоит из всех нулей.

• Синхронизация (канал 32). Канал со скоростью передачи данных 1200 бит/с используется мобильной станцией для получения идентификационной информации о сотовой системе (системное время, состояние длинного кода, проверка протоколов и т.д.)

• Избирательные сообщения (каналы 1—7). Содержат сообщения для одной или нескольких мобильных станций.

• Информационный обмен (каналы 8—31 и 33—63). В прямом канале поддерживается 55 информационных каналов. В исходной спецификации указано, что поддерживаются скорости передачи данных до 9600 бит/с. Позже был добавлен второй набор скоростей до 14400 бит/с.

Обратите внимание, что все эти каналы используют одну и ту же полосу частот. Для распознавания разных каналов используется раздробленный код. Раздробленный код прямого канала включает 64 ортогональных 64-битовых кодов, полученных из матрицы Уолша размером 64 х 64.

Проектирование слота для системы TDMA

Рисунок 2.12 - Проектирование слота для системы TDMA

Если ограничить задержку кодирования величиной 20 мс, тогда закодированную речь можно группировать блоками по 20 мс или выборками речи по 240 бит. При скорости 12 Кбит/с данные также группируются в 240-битовые блоки. Затем к этим блокам можно применять схемы исправления ошибок.

В цифровых системах второго поколения обычно используются сверточные коды коррекции ошибок со степенью кодирования 1/2. При таком кодировании число битов в блоке данных увеличивается до 480. Кроме того, к блоку данных нужно добавить восемь бит, чтобы учесть длину регистра сдвига. Таким образом, длина блока речи составит 488 битов.

При выбранных параметрах минимальная скорость передачи битов для восьмиканальной системы составит

8 каналов х 488 бит/канал / 20 x 10-3 c = 195,2Кбит/с.

В действительности потребуется несколько более высокая скорость передачи битов, что обусловлено другими соображениями, о которых мы поговорим ниже. Это означает, что в доступной полосе шириной 200 кГц придется обеспечивать скорость передачи данных выше, чем 200 Кбит/с. На практике таких скоростей передачи данных невозможно достигнуть без использования адаптивного выравнивания. Lля осуществления адаптивного выравнивания в мобильной среде потребуется включать новую настроечную последовательность всякий раз, когда мобильное устройство переместится на расстояние, достаточное для изменения характеристик тракта передачи. Предположим, что настроечная последовательность включена в каждый слот. Грубый критерий состоит в том, что фаза несущего сигнала после настроечной последовательности не должна превышать 1/20 длины волны (т.е. Я/10). При частоте 900 МГц длина волны составляет 0,333 м. Итак,

максимальная длительность передачи = ? / 20 = 0,333 / 20 / 69,4 = 0,24мс.

Настроечную последовательность можно использовать более выгодно, если передавать 0,24 мс речи или данных до нее и после нее и использовать настроечную последовательность в сочетании с 0,48 мс данных.

Далее требуется определить длину настроечной последовательности. При проектировании эквалайзера для многолучевого сигнала, ширина полосы которого примерно равна скорости передачи битов (200 кГц, 200 Кбит/с), используют эвристическое правило: число отводов эквалайзера должно в шесть раз превышать число битов, передаваемых за максимальное время рассеивания (?m = 0,01 мс). Таким образом, для настроечной последовательности в слоте выделяется 0,06 мс.

Теперь предположим, что в конце каждого слота нужен защитный интервал. Его вводят из-за различия во времени задержек между разными мобильными устройствами и базовой станцией. Поскольку один и тот же кадр TDMA совместно используют восемь мобильных устройств, требуется синхронизировать передачу данных с мобильных устройств, чтобы данные с одного из них не приходились на чужие слоты. В функции базовой станции входит предоставление каждому мобильному устройству информации о синхронизации, что позволяет выравнивать относительные задержки и сохранять структуру кадра TDMA. Однако мобильные устройства могут двигаться и относительно базовой станции, и относительно друг друга, так что для учета этих отклонений после каждого слота вставляется защитный интервал. Когда мобильное устройство впервые заказывает соединение базовой станции, базовая станция предоставляет мобильному устройству информацию о синхронизации, которая зависит от текущего времени задержки распространения сигнала между мобильным устройством и базовой станцией. Избежать частого обновления информации о синхронизации можно путем введения достаточного защитного времени. Приведем пример расчета защитного интервала. Средний телефонный звонок занимает 130 с, так что радиальное расстояние до базовой станции, которое может покрыть мобильное устройство, составляет (130 с) х (69,4 м/с) = 9022 м. Изменение задержки распространения сигнала, обусловленное перемещением на такое расстояние, составляет 9022 / (3 х 108 м/с) = 0,03 мс.

На Рисунок 2.13, а показана полученная схема слота. Следующий этап состоит в распределении закодированного блока данных между несколькими слотами, в Которые также войдут настроечная последовательность и защитные биты. Максимальная длительность слота равна приблизительно 0,57 мс. Учитывая, что Каждый кадр состоит из 8 слотов, получаем длину кадра 4,6 мс. Пусть данные Нужно отправить с задержкой кодирования 20 мс, так что если длину кадра считать равной 4 мс, а длину каждого слота равной 0,5 мс, удобно будет отправить блоки речи в пяти последовательных слотах в одном и том же канале. Блок речи состоит из 488 бит, так что в каждый слот следует поместить 488/5 или около 98 бит данных. Это даст скорость передачи битов 98/0,4 = 245 Кбит/с. При такой скорости передачи данных минимальное количество требуемых настроечных битов составляет (0,06 мс) х (245 Кбит/с) = 14,7, что при округлении даст 15 бит. Подобным образом рассчитывается и минимальное количество защитных битов, которое оказывается равным (0,03 мс) х (245 Кбит/с) = 7,35, т.е. при округлении в большую сторону — 8 бит.

Протокольная архитектура передачи сигналов GSM

Между ключевыми объектами, изображенными на Рисунок 2.14, связанными с мобильностью, радиоресурсами и управлением соединением, происходит интенсивный обмен управляющими сообщениями. Подробное описание различных форматов и семантики сообщений заняло бы целую книгу. Здесь будет представлен только краткий обзор структуры, из которого станет видна сложность проектирования систем второго поколения.

На Рисунок 2.17 обобщаются протоколы, используемые между основными элементами архитектуры сети. Нижний уровень архитектуры предназначен для физической связи между объектами. Между мобильной станцией и базовой станцией-трансивером действует радиосвязь, описанная в предыдущих разделах, посредством которой переносятся данные высших уровней. Между другими объектами используется стандартный цифровой канал со скоростью передачи данных 64 Кбит/с.

Рисунок 2.17 - Протокольная архитектура передачи сигналов GSM

На канальном уровне используется протокол управления каналом передачи иных (см. Рисунок 4.3), известный как LAPDm. Он представляет собой модифицированную версию протокола LAPD, определенного для сети ISDN (Integrated Services gital Network — цифровая сеть с интеграцией услуг). Оставшиеся каналы связи пользуют обычный протокол LAPD. По сути, протокол LAPD разработан для образования потенциально ненадежных физических каналов связи в надежные малы передачи данных. Осуществляется это посредством использования циклической проверки четности с избыточностью, которая проводится для обнаружения ошибок, а также автоматического запроса на повторение (ARQ) для повторной передачи поврежденных кадров.

Над канальным уровнем размещено множество протоколов, которые обеспечивают выполнение особых функций, включая перечисленные ниже.

• Управление радиоресурсами. Управление установкой, эксплуатацией и удалением радиоканалов, включая переключения.

• Управление мобильностью. Процедуры обновления и регистрации местоположения, а также защита и аутентификация.

• Управление соединением. Управление заказом, обслуживанием и завершением звонков (соединений между пользователями).

• Мобильная прикладная часть (mobile application part — MAP). Осуществление передачи большинства сигналов между различными объектами, находящимися в фиксированных точках сети, например между регистром HLR и регистром VLR.

• Управление базовой трансиверной станцией. Выполнение различных функций управления и административных функций на базовой трансиверной станции под руководством контроллера базовых станций.

MAP находится не непосредственно над канальным уровнем, а над двумя промежуточными протоколами, SCCP и МТР. Эти протоколы являются частью Системы передачи сигналов номер 7 (SSN7), которая представляет собой набор протоколов, разработанных для обеспечения контроля над передачей сигналов а коммутируемых сетях, таких, как цифровые общественные телекоммуникационные сети. Эти протоколы обеспечивают выполнение общих функций, которые используются различными приложениями, включая MAP.

Распределение спектра

В Северной Америке для системы AMPS выделены две полосы частот по 25 МГц (табл. 2.4): одна для передачи сигналов с базовой станции на мобильные устройства (869-894 МГц), вторая — для передачи сигналов с мобильных устройств на базовую станцию (824-849 МГц). Каждая полоса с целью создания условий для конкуренции разделена на две (т.е. чтобы на каждом рынке можно было разместить двух операторов). Оператору для его системы выделяется только 12,5 МГц в каждом направлении. Каналы разделены полосами по 30 кГц, что позволяет каждому оператору поддерживать по 416 каналов. Двадцать один канал выделен для управления, оставшиеся 395 — для передачи вызовов. Каналы управления представляют собой каналы обмена данными, в которых поддерживается скорость передачи данных 10 Кбит/с. Разговоры передаются по каналам для переговоров в аналоговом виде, с использованием частотной модуляции. Управляющую информацию также можно отправлять как данные по каналам Для переговоров, в форме пакетов. Поскольку указанного количества каналов недостаточно для большинства основных рынков, приходится либо довольствоваться меньшей полосой частот на один разговор, либо внедрять многократное использование частот. В различных подходах к мобильной телефонии применяются оба варианта. Стандарт AMPS предусматривает многократное использование частот.

Расщепление ячейки

Рисунок 2.3 - Расщепление ячейки

В табл. 2.1 представлены характерные параметры традиционных ячеек, именуемых макроячейками, и микроячеек, созданных описанным выше способом. Средний разброс задержек — это усреднение разброса задержек по многим трактам распространения (ведь один и тот же сигнал может распространяться несколькими путями, и существует временная задержка между прибытием в приемник самого раннего и самого позднего сигнала). Как отмечалось выше, меньшие ячейки позволяют использовать меньшую мощность и обеспечивают прекрасные условия распространения сигнала.

Регулирование мощности

Учитывая наличие многих спорных моментов, при проектировании в сотовой системе желательно предусмотреть возможность динамической регулировки мощности.

1. Чтобы сообщение проходило эффективно, мощность принимаемого сигнала должна существенно превышать фоновые шумы, в связи с этим предъявляются повышенные требования к мощности передатчика. По мере того как мобильное устройство удаляется от передатчика, принимаемая мощность уменьшается из-за обычного затухания. Кроме того, эффекты отражения, дифракции и рассеяния могут вызвать быструю смену уровней принимаемой мощности даже на небольших расстояниях. Ведь уровень мощности является суммой сигналов, приходящих по множеству различных путей, а фазы, соответствующие этим путям, являются случайными, так что при их сложении сигнал иногда усиливается, а иногда ослабляется. Отметим также, что при движении мобильного устройства воздействие сигналов, поступающих разными путями, может меняться.

2. В то же время желательно минимизировать мощность сигнала, передаваемого мобильным устройством, чтобы уменьшить интерференцию с каналами удаленных ячеек, использующих одну и ту же полосу частот, уменьшить вред, наносимый здоровью людей, и сэкономить энергию батарей.

3. В системах с расширенным спектром (SS), использующих множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA), желательно выравнять уровни мощности сигналов, принимаемых базовой станцией от разных мобильных устройств. Это влияет на производительность системы, так как всем пользователям выделены одни и те же частоты.

На Рисунок 2.8 показано два варианта регулирования мощности. Регулирование мощности по разомкнутому циклу зависит исключительно от мобильного устройства, без учета ответной реакции базовой станции, и используется в некоторых системах расширенного спектра. В таких системах базовая станция непрерывно передает немодулированный пилот-сигнал. Этот сигнал позволяет мобильному устройству синхронизироваться с прямым каналом (от базовой станции к мобильному устройству) CDMA и дает эталонную фазу для демодуляции. Его можно также использовать для контроля мощности. Мобильное устройство следит за уровнем мощности принимаемого контрольного сигнала и устанавливает передаваемую мощность в обратном канале (от мобильного устройства к базовой станции), обратно пропорциональную мощности сигнала. При таком подходе предполагается, что интенсивности сигналов в прямом и обратном каналу связи сильно коррелируют, как обычно и бывает. Регулирование по разомкнутому циклу не такое точное, как регулирование по замкнутому циклу. При этом первая схема позволяет оперативнее реагировать на быстрые флуктуации интенсивности сигнала, например, подобные тем, что возникают при появлении мобильного устройства из-за большого здания. Такая быстрая реакция требуется в обратном канале связи систем CDMA, где при случайном увеличении интенсивности принимаемого сигнала на базовой станции могут подавляться все прочие сигналы.

При регулировании мощности по замкнутому циклу выравнивается интенсивность сигнала в обратном канале (от мобильного устройства к базовой станции). При этом учитываются характеристики этого обратного канала, такие, как уровень мощности принимаемого сигнала, отношение сигнал/шум или частота появления в принимаемом сигнале ошибочных битов. Базовая станция принимает решение о регулировании мощности и передает команды регулирования мощности в канал управления мобильного устройства. Регулирование по замкнутому циклу также используется для выравнивания мощности в прямом канале. В этом случае мобильное устройство предоставляет базовой станции информацию о качестве принимаемого сигнала, а базовая станция затем регулирует передаваемую мощность.

Регулирование мощности в обратном канале

Рисунок 2.8 - Регулирование мощности в обратном канале

В табл. 2.2 показаны классы мощности, используемые в стандарте GSM, который является стандартом для систем ТDМА и будет рассмотрен в разделе 2.3. В соответствии с мощностью выходных сигналов стандарт GSM определяет восемь классов базовых станций и пять классов мобильных станций. Регулирование в направлениях проводится по схеме замкнутого цикла.

Регулирование трафика

Для систем FDMA пропускная способность ячейки равна количеству выделенных ей частотных каналов. В идеальной ситуации количество доступных каналов в ячейке должно равняться общему числу абонентов, которые могут быть активны в любой момент. На практике же невозможно достичь такой пропускной способности, которая позволяла бы выдержать любую возможную нагрузку в любой момент времени. К счастью, не все абоненты заказывают разговоры одновременно, поэтому разумно иметь сеть такого размера, чтобы она могла выдерживать некоторый ожидаемый уровень трафика. Во многом производительность системы зависит от схемы регулирования трафика.

Концепция регулирования трафика была разработана при проектировании телефонных коммутаторов и телефонных сетей с коммутацией каналов, однако эта концепция в равной степени применима и к сотовым сетям. Рассмотрим ячейку, способную обслуживать N пользователей одновременно (т.е. пропускная способность которой равна N каналов), у которой есть L потенциальных абонентов (L мобильных устройств). Если L < N, систему называют неблокируемой; одновременно могут быть обработаны все звонки. Если L>N, систему называют блокируемой; абонент, пытающийся заказать разговор, может обнаружить, что пропускная способность использована полностью, т.е. заблокирована для него. Для блокируемых систем основными интересующими нас вопросами производительности являются следующие.

1. Какова степень блокирования, т.е. какова вероятность того, что запрос соединения будет блокирован? Или какая пропускная способность (N) необходима для того, чтобы достигнуть определенной верхней границы вероятности блокирования?

2. Если заблокированные соединения ожидают предоставления услуги, то каково среднее время задержки? Или какая пропускная способность нужна для достижения определенного значения средней задержки?
В этом разделе мы кратко изложим соответствующие концепции регулирования трафика и приведем примеры их применения. В приложении Б этот вопрос рассмотрен более подробно.

Величину загрузки системы определяют два параметра:

? — средняя частота звонков (запросов соединения), поступающих в единицу времени;

h — среднее время разговора.

Основной мерой нагрузки является интенсивность трафика, которая выра-ясается в безразмерных единицах, эрлангах.

А = ? h.

Величину А можно интерпретировать несколькими способами. Это нормированная версия ?: А равно среднему числу звонков, поступающих в течение среднего времени разговора. Можно также рассматривать ячейку как систему обслуживания с несколькими серверами, в которой количество серверов равно пропускной способности N. Среднее время предоставления услуги на сервере равно h. Основным соотношением в системе обслуживания с несколькими серверами является ? h = ? N, где ? — использование сервера, или часть времени, в течение которого сервер занят. Отсюда А = ? N, и параметр А является мерой среднего числа требуемых каналов.

Пример. Если частота вызовов в среднем составляет 20 вызовов в минуту, а среднее время разговора — 3 минуты, тогда А - 60. Можно ожидать, что ячейка с пропускной способностью 120 каналов будет использоваться наполовину в любой момент времени. В то же время коммутатора с пропускной способностью 50 будет явно недостаточно. Пропускная способность в 60 каналов будет удовлетворять средний спрос, однако из-за флуктуации около среднего значения А временами ее будет не хватать.

Пример. Чтобы прояснить эти концепции, рассмотрим Рисунок 2.9, на котором показана модель функционирования ячейки с пропускной способностью 10 каналов в течение одного часа. Частота вызовов в минуту составляет 97/60. Среднее время разговора на один вызов в минутах составляет 294/97. Таким образом, А = (97/60) х (294/97) = 4,9 эрлангов. Другой способ трактовки параметра А — рассматривать его как среднее число обрабатываемых вызовов. Т.е. в среднем задействовано 4,9 канала. В то же время последняя интерпретация соответствует действительности только для неблокируемых систем. Параметр А был определен как частота попыток соединения, а не обслуживаемого трафика.

Обычная блокируемая система ограничивается некоторым верхним пределом интенсивности трафика. Считается неразумным проектировать систему с Учетом трафика, ожидаемого в пиковое время. Чаще всего системы проектируются в расчете на среднюю частоту попыток соединения, имеющую место в час наибольшей нагрузки. Час наибольшей нагрузки определяется как 60-минутный период в течение дня, когда трафик наибольший. Союз ITU-T рекомендует усреднять трафик в часы пик по 30 самым загруженным дням года; данный пара-Метр называется "средним трафиком в часы пик". В Северной Америке практикуют усреднение по 10 наиболее загруженным дням. Отметим, что это типичные Измерения обработанного, а не запрашиваемого трафика, и они являются лишь оценкой истинной нагрузки.

Сетевая подсистема

Сетевая подсистема (network subsystem — NS) обеспечивает связь между сотовой сетью и общественными коммутируемыми телекоммуникационными сетями. Подсистема NS управляет переключениями между ячейками, находящимися в различных подсистемах базовых станций, опознает пользователей и подтверждает достоверность их счетов, а также выполняет функции роуминга мобильных пользователей. Центральным элементом подсистемы NS является мобильный центр коммутации (mobile switching center — MSC). Он управляет четырьмя базами данных.

• База данных регистра исходного положения (home location register — HLR). В регистре HLR хранится информация, как временная, так и постоянная, о каждом из абонентов, который "принадлежит" системе (т.е. об абонентах, телефонные номера которых связаны с центром коммутации).

• База данных регистра местонахождения посетителей (visitor location register — VLR). Одну из важных частей информации составляет местонахождение абонента. Местонахождение определяется из регистра VLR, в который введен абонент. В регистре местонахождения посетителей хранится информация об абонентах, которые в данный момент физически находятся в районе, обслуживаемом данным центром коммутации. В регистре отмечается, является ли абонент активным, а также фиксируются другие параметры, связанные с абонентом. При поступлении звонка абоненту система использует связанный с абонентом телефонный номер для опознания исходного для данного абонента центра коммутации. Этот центр коммутации, в свою очередь, в своем регистре HLR может найти центр коммутации, в зоне действия которого в данный момент физически находится абонент. При поступлении звонка от абонента регистр VLR используется для инициирования звонка. Даже если абонент находится в зоне, принадлежащей его исходному центру коммутации, он может также быть представлен в регистрах VLR других центров коммутации.

• База данных центра аутентификации (authentication center — AuC). Эта база данных используется в процессе аутентификации; например, в ней хранятся ключи аутентификации и шифрования для всех абонентов, представленных как в регистрах исходного положения, так и в регистрах место нахождения посетителей. Центр управляет доступом к данным пользователей, а также процессом аутентификации при присоединении абонента к сети. Данные, передаваемые системами GSM, шифруются, поэтому они конфиденциальны. Для шифровки данных, передаваемых от абонента трансиверу базовой станции, используется поточный шифр А5. В то же время переговоры по сети с наземными линиями связи проходят без шифрования. Другой поточный шифр, A3, используется для аутентификации.

• База данных регистра идентификации оборудования (equipment identity register — EIR). В этой базе данных хранятся записи о типе оборудования, которое имеется на мобильной станции. Эта база данных также важна для безопасности (например, для блокирования звонков с украденных мобильных устройств и предотвращения использования сети станциями, которым не было дано такого разрешения).

Схема передачи данных по прямому

Рисунок 2.20 - Схема передачи данных по прямому каналу системы IS-95

На следующем этапе обработки вводится информация о регулировании мощности в информационном канале. Этот поток, имеющий скорость 800 бит/с, вводится в данные, передаваемые со скоростью 19,2 Кбит/с посредством замены некоторых битов кода и кодирования контрольных битов с помощью генератора длинного кеда. В таких "захваченных" битах передается информация, указывающая мобильному устройству, что следует увеличить, уменьшить или оставить неизменным текущий уровень мощности.

Следующий шаг — применение схемы DSSS; используется одна строка матрицы Уолша (64 х 64), скорость увеличивается от 19,2 Кбит/с до 1,2288 Мбит/с. Одна строка матрицы выделяется мобильной станции еще во время установления соединения. При наличии в передаваемых данных нуля посылается 64 бит выделенной строки; в противном случае посылается результат применения к строке побитового исключающего ИЛИ. Таким образом, окончательная скорость передачи данных получается равной 1,2288 Мбит/с. Этот цифровой поток битов затем модулируется на несущей с использованием схемы QPSK. Напомним из главы 6, что QPSK предполагает создание двух потоков битов, которые модулируются раздельно (см. Рисунок 6.6.). В схеме IS-95 данные разделяются на синфазный (I) и квадратурный (Q) каналы, и к данным и уникальному короткому коду применяется операция исключающего ИЛИ. Короткие коды генерируются 15-битовым регистром сдвига как псевдослучайные числа.

СИСТЕМЫ CDMA ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ

Множественный доступ с кодовым разделением каналов (code division multiple access — CDMA) представляет собой основанную на расширении спектра схему, которая является второй, после TDMA, альтернативой разделения каналов для сотовых сетей второго поколения. Этот раздел начинается с краткого обзора преимуществ подхода CDMA, а затем рассматривается наиболее широко используемая схема такого типа — IS-95.

СИСТЕМЫ TDMA ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ

С этого раздела начинается изучение сотовых систем второго поколения. Вначале предлагается краткий обзор, а затем подробно рассматривается один тип сотовых систем второго поколения.

СИСТЕМЫ ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ

Беспроводные системы связи третьего поколения разрабатываются с целью по лучения высокоскоростных беспроводных средств передачи не только речи, но и данных, мультимедиа и видео. По инициативе ITU IMT-2000 определено следующее видение союзом ITU возможностей систем третьего поколения.

• Качество речи сравнимо с качеством речи в общественной коммутируемой телефонной сети. Пользователям, имеющим высокоскоростные автомобили, в пределах довольно большой зоны доступна скорость передачи данных 144 Кбит/с.

• Пешеходам, стоящим или медленно идущим в пределах небольших участков, доступна скорость передачи данных 384 Кбит/с.

• Для учреждений будет поддерживаться скорость передачи данных 2,048 Мбит/с.

• Передачи данных могут быть симметричными и асимметричными.

• Поддерживается связь как с коммутацией пакетов, так и с коммутацией каналов.

• Имеется адаптивный интерфейс с Internet, который позволяет эффективно отразить асимметрию прибывающего и отправляемого трафика.

• Как правило, доступный спектр частот используется более эффективно.

• Поддерживается разнообразное мобильное оборудование.

• Система достаточно гибка для введения новых услуг и технологий.

Вообще одной из движущих сил современных технологий коммуникации является тенденция к универсализации персональных средств телекоммуникации и доступа к сообщениям. Первая концепция означает, что человек, используя один персональный счет, сможет легко идентифицировать себя и использовать с максимальным удобством любую систему коммуникации по всей стране, континенту или даже по всему миру. Второе понятие означает возможность использовать один терминал для соединения с информационными службами в разнообразных средах (например, можно было бы иметь портативный терминал, который будет одинаково хорошо работать в учреждении, на улице и на борту самолета). Осуществлению этих целей будет, несомненно, способствовать революция, происшедшая в области персональной вычислительной техники. Большим шагом вперед являются, например, модули идентификации абонента (SIM), использующиеся в сотовых телефонных системах GSM.

Эти концепции глобальной беспроводной связи были названы персональными службами связи (PCS) и персональными сетями связи (PCN), а их воплощение в жизнь является задачей беспроводных систем третьего поколения.

Вообще планируется, что в дальнейшем технология будет цифровой с возможностью множественного доступа с временным или кодовым разделением каналов, чтобы эффективно использовать спектр частот и обеспечивать высокую пропускную способность.

Телефоны PCS, согласно проекту, должны иметь меньшую мощность и быть относительно маленькими и легкими. Во всех странах сейчас ведутся работы, по завершении которых одни и те же терминалы можно будет использовать повсеместно.

Слот TDMA

Рисунок 2.13 - Слот TDMA

Получившаяся в результате структура кадра показана на Рисунок 2.13, б. По каналу со скоростью передачи 242 Кбит/с передается 121 бит за 0,5 мс.

Сотовые системы первого и второго

Таблица 2.5. Сотовые телефонные системы второго поколения

	GSM	IS-136	IS-95
Год введения	1990	1991	1993
Метод доступа	TDMA	TDMA	CDMA
Полоса частот для передачи сигналов базовой станции	935-960 МГц	869-894 МГц	869-894 МГц
Полоса частот для передачи сигналов мобильного устройства	890-915 МГц	824-849 МГц	824-849 МГц

Рисунок 2.19 - Структура канала системы IS-95

На Рисунок 2. 20 показана схема обработки данных, передаваемых по прямому информационному каналу со скоростью, соответствующей первому набору. Для голосовых передач речь кодируется со скоростью 8550 бит/с. После добавления дополнительных битов для обнаружения ошибок скорость повышается до 9600 бит/с. Когда пользователь молчит, вся пропускная способность канала не используется. В такие периоды тишины скорость передачи данных снижается до 1200 бит/с. Скорость 2400 бит/с используется для передачи переходов в фоновом шуме, а скорость 4800 бит/с — для смешивания оцифрованной речи и сигнальных данных.

Данные или оцифрованная речь передаются блоками по 20 мс с использованием схемы прямого исправления ошибок (сверточный код со степенью кодирования 1/2). Таким образом, эффективная скорость передачи данных удваивается и достигает максимум 19,2 Кбит/с. Если скорости передачи данных ниже, то биты, выходящие из кодера (называемые кодовыми символами) копируются, что позволяет достичь скорости 19,2 Кбит/с. Затем данные чередуются в блоках для уменьшения влияния длительных помех.

После чередования биты данных скремблируются. Этот шаг необходим для обеспечения конфиденциальности данных, а также для предотвращения отправки одинаковых фрагментов данных, что, в свою очередь, уменьшает вероятность одновременного отправления данных пользователями в момент наибольшей загрузки системы. Скремблирование осуществляется посредством длинного кода — псевдослучайного числа из 42-битового регистра сдвига. Регистр сдвига устанавливается в исходное положение с помощью электронного регистрационного номера пользователя. Выходные данные генератора длинного кода передаются со скоростью 1,2288 Мбит/с, что в 64 раза выше скорости 19,2 Кбит/с, так что выбирается только один бит из 64 (операция децимации). Получающийся поток сравнивается (операция !исключающего ИЛИ) с выходными данными устройства блочного чередования.

Характерные параметры макро и микроячеек

Таблица 2.1. Характерные параметры макро- и микроячеек

	Макроячейка	Микро ячейка
Радиус ячейки	1-2 км	0,1-1 км
Мощность передаваемого сигнала	1-10 Вт	0,1-1 Вт
Средний разброс задержек	0,1-10 мкс	10-100 нс
Максимальная скорость передачи данных	0,3 Мбит/с	1 Мбит/с

Пример. Пусть система состоит из 32 ячеек с радиусом 1,6 км каждая, имеет выделенную полосу частот, позволяющую поддерживать 336 информационных каналов, и кратность использования частоты N= 7. Какую географическую зону обслуживают эти 32 ячейки, сколько каналов приходится на одну ячейку, и какое число одновременно поступающих звонков может обрабатываться? Повторите задачу для 128 ячеек с радиусом 0,8 км.

На Рисунок 2.4, а показана схема, покрывающая приблизительно квадратную область. Площадь одного шестиугольника с радиусом R составляет 1,5 R v3 . Т.е. шестиугольник с радиусом 1,6 км покрывает зону площадью 6,65 км2, а 32 ячейки покрывают зону площадью 6,65 х 32 = 213 км2. Для N= 1 количество каналов на одну ячейку составляет 336/7 = 48, а общая пропускная способность составляет 48 х 32 = 1536 каналов. Для схемы, показанной на Рисунок 2.4, б, площадь покрываемой зоны равна 1,66 х 128 = 213 км2. Количество каналов на одну ячейку составляет 336/7 = 48, а общая пропускная способность — 48 х 128 = 6144 каналов.

Классы передатчиков согласно стандарту GSM

Таблица 2.2 Классы передатчиков согласно стандарту GSM

Класс мощности	Мощность базовой станции, Вт	Мощность мобильной станции, Вт
1	320	20
2	160	8
3	80	5
4	40	2
5	20	0,8
6	10
7	5
8	2,5

Параметры системы AMPS

Таблица 2.4 Параметры системы AMPS

Полоса частот для передачи сигналов с базовой станции	869-894 МГц
Полоса частот для передачи сигналов с мобильного устройства	824-849 МГц
Расстояние между прямым и обратным каналами	45 МГц
Ширина канала	30 кГц
Количество полнодуплексных голосовых каналов	792
Количество полнодуплексных каналов управления	42
Максимальная мощность мобильного устройства	3 Вт
Размер ячейки, радиус	2-20 км
Модуляция в голосовом канале	Частотная модуляция, максимальное отклонение 12 кГц
Модуляция в канале управления	Частотная манипуляция, максимальное отклонение 8 кГц
Скорость передачи данных	10 Кбит/с
Код защиты от ошибок	БХЧ (48, 36, 5) и (40, 28, 5)

Параметры прямого канала связи системы

Таблица 2.6. Параметры прямого канала связи системы IS-95

Канал	Синхро-низация	Избиратель-ный вызов	Первый набор инфор-мационных каналов	Второй набор инфор-мационных каналов
Скорость передачи данных (бит/с)	1200	4800	9600	1200	2400	4800	9600	1800	3600	7200	14400
Количество повторений кода	2	2	1	8	4	2	1	8	4	2	1
Скорость передачи символов модуляции (символ/с)	4800	19200	19200	19200	19200	19200	19200	19200	19200	19200	19200
Количество чипов на символ модуляции	256	64	64	64	64	64	64	64	64	64	64
Количество чипов на бит	1024	256	128	1024	512	256	128	682,67	341,33	170,67	85,33

Увеличение пропускной способности

Со временем, когда система будет обслуживать все больше клиентов, трафик может распределиться таким образом, что какой-нибудь ячейке для обслуживания звонков не хватит выделенных ей частот. Для выхода из такой ситуации используется несколько подходов.

• Добавление новых каналов. Обычно, когда система установлена в определенном регионе, используются не все каналы, и с расширением системы можно просто добавлять новые.

• Заимствование частот. В самом простом случае перегруженные ячейки могут "одалживать" частоты у смежных ячеек.

• Расщепление ячеек. На практике распределение трафика и топография местности неоднородны, что также дает возможность увеличения пропускной способности. Ячейки в областях с повышенным спросом на услуги мобильной связи можно расщеплять. Как правило, размеры исходных ячеек колеблются от 6,5 до 13 км. Меньшие ячейки также можно разбивать, однако следует помнить, что на практике радиус 1,5 км считается минимальным (см. ниже обсуждение микроячеек). При использовании меньших ячеек нужно уменьшать уровень мощности, чтобы сигнал оставался в пределах ячейки. Кроме того, при движении мобильные устройства переходят из одной ячейки в другую, что требует передачи вызова от одного базового трансивера другому. Этот процесс называется переключением (handoff). Так вот, по мере уменьшения размера ячейки переключения будут происходить все чаще. На Рисунок 2.3 изображена схема расщепления ячейки, которая обеспечивает увеличение пропускной способности системы. При уменьшении радиуса ячейки в F раз размеры покрываемой области уменьшаются в F2 раз, а требуемое число базовых станций увеличивается в те же F2 раз.

• Разбивка ячеек на секторы. При разбивке на секторы ячейка делится на несколько клиновидных секторов, в каждом из которых остается свой набор каналов. Обычно на ячейку приходится 3-6 секторов. Каждому сектору предоставляется отдельный набор каналов ячейки, а для фокусировки сигнала на отдельных секторах используются направляемые антенны базовой станции.

• Микроячейки. По мере уменьшения ячейки антенны перемещаются с крыш высотных зданий и вершин холмов на крыши зданий поменьше или на стены высотных домов и в конце концов оказываются на фонарных столбах, с высоты которых они обслуживают микроячейки. Любое уменьшение размеpa ячейки сопровождается уменьшением уровня мощности сигналов, излучаемых базовой станцией. Микроячейки полезно располагать на городских улицах в густо населенных районах, а также внутри больших зданий общественного пользования.

Вопросы проектирования мобильных беспроводных систем TDMA

Перед тем как переходить к рассмотрению системы GSM, будет полезно изучить некоторые общие принципы. После этого анализа станут понятны мотивы некоторых проектных решений, принятых в GSM. Общая цель состоит в определении такой длины и структуры слота трафика, которые обеспечат эффективную передачу речи и данных, а также эффективное использование спектра радиодиапазона. Рассмотрим следующий набор требований.

• Количество логических каналов (число слотов в кадре TDMA) — 8; оказывается, что это минимальное количество слотов, при котором оправдываются затраты на разделение каналов.

• Максимальный радиус ячейки (R) — 35 км; он обеспечивает достаточный уровень трафика в сельской местности.

• Частота — около 900 МГц; обычно именно такая частота выделяется для мобильных радиоприложений.

• Максимальная скорость движения (Vm) — 250 км/ч или 69,4 м/с, чтобы можно было пользоваться мобильными устройствами в скоростных поездах.

• Максимальная задержка кодирования — приблизительно 20 мс, чтобы не приводить к чрезмерным задержкам в стационарных сетях, в которых может использоваться спутниковая связь.

• Максимальный разброс задержек (?m) — 10 с (в горных районах); эта задержка представляет собой разницу задержек распространения различных компонентов многолучевых сигналов, прибывающих на одну и ту же антенну.

• Ширина полосы частот не должна превышать 200 кГц, что соответствует 25 кГц на один канал (именно эта величина в настоящее время принята для европейских аналоговых сотовых систем с частотной модуляцией).

На Рисунок 2.12 приведены шаги, которые предлагается выполнить при проектировании слота системы TDMA. Этой схемой мы будем руководствоваться при дальнейшем обсуждении.

Кодер речи должен обеспечивать удовлетворительное качество речи при минимальной скорости передачи данных. Традиционным видом речевого кодирования, дающим поток цифровых битов, является импульсно-кодовая модуляция (РСМ), которая приводит к скорости передачи данных 64 Кбит/с. Эта скорость слишком высока для сотовой связи. Для имеющихся в настоящее время технологий разумно использовать скорость передачи данных около 12 Кбит/с, что дает хорошее качество воспроизведения речи.

Выравнивание задержек

Поскольку мобильные устройства находятся на разных расстояниях от базовой станции в пределах одной ячейки, передаваемые ими данные приходят с f разными задержками. Это явление создает проблемы при проектировании системы, так как один кадр TDMA одновременно использует до восьми мобильных устройств. Потому решающее значение имеет синхронизация слотов кадра. Базовая станция передает разным мобильным устройствам управляющие сигналы, которые позволяют синхронизировать распределение слотов. В формате кадра предусмотрены остаточные биты и защитные биты, которые обеспечивают зазор, позволяющий предотвратить перекрывание битов данных из разных слотов. Базовая станция может синхронизировать любое активное мобильное устройство, посылая управляющие сигналы, в которых будет указано, следует ускорить или замедлить отсчет времени.