УЗБЕКСКОЕ АГЕНСТВО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Кафедра радиотехнических

систем

Сборник лабораторных работ

по дисциплине

«Мобильные системы связи»

Ташкент 2007

В сборнике лабораторных работ дается обзор современных мобильных систем связи, способы формирования цифровых сигналов (речи и данных) и методы модуляции. Привидятся основные характеристики современных систем мобильной связи различных стандартов.

Сборник может быть использован также при подготовке бакалавров и магистров по следующим направлениям и специальностям:

бакалавриатуры – 5522000 - Радиотехника, 5522100 - Телевидение, радиосвязь и радиовещание, 5522200 - Телекоммуникация, 5524400 - Мобильные системы связи, 5340100 - Экономика, 5340200 - Менеджмент, 5840200 - Телекоммуникации и 552190 - Информатика и информационные технологии, и магистратуры – 5А522005 - Радиотехнические устройства и средства связи, 5А522104 - Цифровое телевидение и радиовещание и 5А524401 - Мобильные системы связи.

При составлении были использованы учебно-методические материалы кафедры «Радиотехника» Ижевского Государственного технического университета и кафедры «Связь» Астраханского государственного технического университета, в том числе литература [1,2,3]

ВВЕДЕНИЕ

В последнем десятилетии мы являемся свидетелями бурного развития систем связи с подвижными объектами. В первую очередь следует назвать системы персонального радиовызова, транкинговым системы радиосвязи и сотовые системы связи.

Опыт эксплуатации действующих систем показал их несомненную перспективность их дальнейшего усовершенствования. Наиболее современными из них приблизили подвижную связь по качеству принимаемой информации к проводной телефонной связи, с дополнительными видами услуг, что привело к массовому притоку абонентов.

Данный методический сборник будет полезен при подготовке студентов при изучении систем мобильной связи.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ПЕРСОНАЛЬНОГО

РАДИОВЫЗОВА, ПЕЙДЖЕРЫ, РЕПИТЕРЫ, ОСНОВНЫЕ ПРОТОКОЛЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

1. Цель работы

Изучить классификацию систем персонального радиовызова, пейджеры, репитеры, основные протоколы передачи информации.

2. Задание

1. Ознакомиться с классификацией систем персонального радиовызова.

2. Ознакомиться с основными типами абонентских приемников (пейджеров).

3. Ознакомиться с репитерами систем персонального радиовызова (СПРВ) и режимами их работы.

4. Ознакомиться с основными протоколами передачи информации в СПРВ.

5. Составить отчет.

3. Содержание отчета

1. Название и цель работы.

2. Зарисовать структурную схему репитера.

4. Краткая теория

4.1.Классификация систем персонального радиовызова

Системы персонального радиовызова принято классифицировать по виду передаваемых корреспонденту сообщений (аналоговые и цифровые), а также по территориальному признаку (локальные, городские и районные). Классификация СПРВ представлена на рис. 1.

Рис. 1. Классификация систем персонального радиовызова

К аналоговым относятся первые СПРВ, использующие в качестве абонентских простые приемники частотно-модулированного сигнала (сигнальные пейджеры). Эти приемники содержали несколько настроенных контуров, обеспечивающих выделение характерных последовательностей низкочастотных сигналов (тонов). При получении заданного вида последовательности тонов приемник подавал звуковые сигналы. При этом для передачи вызова абоненту использовалось последовательное тональное кодирование адреса, обеспечивающее возможность обслуживания до нескольких десятков тысяч пользователей. Аналоговые СПРВ были предназначены только для передачи условного номера (адреса), при получении которого пользователь должен был действовать по заранее оговоренному плану. Поэтому указанные системы, как правило, содержали только службу отправки сообщений, совмещенную со службой их подготовки.

С повышением популярности СПРВ аналоговые системы перестали удовлетворять требованиям по ресурсу адресов пользователей, уровню обеспечиваемой помехоустойчивости и перечню предоставляемых услуг. Поэтому в настоящее время на смену аналоговым пришли цифровые СПРВ. В этих системах на приемник абонента сети передаются не частотно-модулированные аналоговые сигналы, а частотно-модулированные цифровые последовательности. Это позволило передавать абонентам не только вызывной (адресный) сигнал, но и короткие буквенно-цифровые сообщения, отображаемые на дисплее абонентского приемника (пейджера). Кроме того, использование цифровых методов обработки обеспечивает существенное повышение помехоустойчивости, значительное увеличение ресурса адресов, расширение перечня предоставляемых услуг, а также позволяет несколько продлить срок службы элементов питания пейджеров.

Как видно из рис.1, аналоговые и цифровые СПРВ в зависимости от размеров обслуживаемой территории и числа пользователей подразделяются на локальные, городские и региональные.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили локальные и городские системы персонального радиовызова.

Локальные СПРВ предназначены для доведения вызова и коротких сообщений внутри административных и производственных зданий, а также на прилегающих территориях. Они позволяют быстро передавать информацию сотрудникам независимо от их местоположения, что приводит к повышению эффективности их работы.

Городские СПРВ, в отличие от локальных, имеют значительно больший (до десятков километров) радиус действия и соответственно обслуживают большее количество абонентов. Обычно они предназначены для облегчения взаимодействия должностных лиц нескольких учреждений одной отрасли, а также для передачи сообщений сотрудникам территориально - рассредоточенных крупных предприятий.

Региональные СПРВ представляют собой функциональное объединение нескольких городских СПРВ, каждая из которых имеет свою зону обслуживания, но согласованно работающих по единому для системы протоколу. Такое зоновое построение региональных СПРВ может привести к взаимному влиянию (интерференции) радиосигналов пейджинговых передатчиков соседних зон. Для снижения интерференции в региональных СПРВ применяются методы синхронного вещания (S-системы) или временного разделения передач (Т-системы).

Построение S-систем предусматривает организацию синхронной работы передатчиков. С этой целью организуются дополнительные каналы связи между базовыми станциями сети и/или осуществляется управление передатчиками по каналу управления, организованному на отдельной (служебной) радиоволне. В настоящее время СПРВ, построенные по принципу S-систем, не нашли широкого применения из-за свойственных им недостатков:

Þ высокая стоимость оборудования;

Þ высокие требования к качеству каналов связи между базовыми станциями, что поднимает стоимость аренды указанных каналов;

Þ необходимость выделения дополнительной частоты;

Þ ограничение размеров обслуживаемой зоны расстоянием прямой видимости от центральной базовой станции.

При построении СПРВ по принципу Т-систем удается несколько снизить требования к аппаратуре и каналам связи, а значит, и удешевить систему в целом. Поэтому эти системы находят наиболее широкое применение.

Построение СПРВ как Т-системы предполагает разбиение всего времени работы на временные отрезки, называемые циклами, которые в свою очередь разбиваются на временные окна. В общем случае количество временных окон соответствует числу пейджинговых передатчиков в системе, каждому из которых назначается свое временное окно. Такая организация работы передатчиков приводит к тому, что, находясь в зоне действия нескольких передатчиков, пейджер пользователя в каждый момент времени принимает сигнал только одного из них. Простота реализации Т-систем делают их более привлекательными, однако максимальная емкость Т-систем по сравнению с S-системами несколько ниже.

В целях расширения зоны обслуживания региональная СПРВ может быть построена как R-система. Такое построение предусматривает укомплектование базовых станций дополнительными пейджинговыми приемниками, работающими на частоте системы, и буферными запоминающими устройствами. Работа системы синхронизируется во времени. Приемники базовых станций принимают передаваемые другими станциями системы сообщения и накапливают их. Далее во время своего "временного окна" базовые станции осуществляют передачу всех поступивших сообщений. Очевидно, что реализация R-систем приводит к значительному удешевления региональных СПРВ за счет отказа от использования дополнительных каналов связи между базовыми станциями и расширению зоны обслуживания.

Развертывание региональных СПРВ считается целесообразным при числе пользователей более 10 тысяч.

4.2. Основные типы абонентских приемников (пейджеров)

В зависимости от оборудования и классификации СПРВ принято различать сигнальные, дисплейные (текстовые и цифровые) и голосовые пейджеры (рис.2).

Рис. 2. Основные типы пейджеров

Наиболее простыми являются пейджеры аналоговых СПРВ, называемые сигнальными или тональными пейджерами. Этот тип пейджеров позволяет только уведомить абонента о поступлении вызова за счет подачи звукового, светового или вибрационного сигнала. Основным недостатком таких пейджеров является то, что их владелец для выяснения причины поступления вызова должен предпринимать какие либо дополнительные действия (например, позвонить по телефону в заранее определенное место). Для повышения удобства пользования вместо однотональных пейджеров были разработаны многотональные, позволяющие по виду принятой последовательности тонов несколько уменьшить неопределенность содержания поступившего вызова. Наиболее существенным недостатком сигнальных пейджеров является небольшой срок службы элементов питания, что наряду с малой информативностью поступающего сигнала обусловило их замену более совершенными дисплейными пейджерами.

Дисплейные пейджеры получили свое название от небольшого экрана (дисплея), размещенного на лицевой панели приемника и обеспечивающего возможность визуального восприятия поступившей информации в удобный для пользователя момент времени. В настоящее время существует два типа дисплейных пейджеров: цифровые и текстовые.

Цифровые пейджеры позволяют принимать и отображать на дисплее сообщения, состоящие из нескольких (до 10) цифр и некоторых других символов (скобки, знаки препинания, арифметические знаки и др.). Наиболее распространенным сообщением, передаваемым на цифровой пейджер, являются номера телефонов, время выполнения и условный номер варианта заранее оговоренных пользователями действий. Например, принятое сообщение вида "2369427-1" может означать, что получатель должен позвонить по телефону 236-9427 и доложить по первому пункту установленного перечня донесений. Это позволяет пользоваться заранее составленными таблицами соответствий "комбинация цифр - действие" и обеспечивает высокую конфиденциальность передаваемой информации. Кроме того, передача условных номеров не требует большого времени занятия радиоканала, повышает его информационную емкость и упрощает процедуру автоматического ввода таких сообщений в систему с телефонных аппаратов с DTMF набором.

Более широкие возможности имеют текстовые пейджеры, позволяющие владельцу получать сообщения, состоящие из ограниченного количества символов (до 100) буквенно-цифрового текста. Входящее в состав приемника запоминающее устройство позволяет поочередно принимать несколько следующих друг за другом сообщений без потери предыдущих. Это обеспечивает возможность передачи адресату значительного объема информации и возможность выдачи подробных инструкций на дальнейшие действия. Основным недостатком этого типа пейджеров является невысокая конфиденциальность передаваемой информации, так как она становится доступной оператору сети.

Следующим, достаточно самостоятельным типом приемников СПРВ являются голосовые пзйджеры.

Голосовой пейджинг позволяет передавать по радиоканалу короткие звуковые сообщения, принимаемые специализированным (голосовым) пейджером. В основе принципа действия этих приемников лежит аналоговая передача речевого сообщение, что обусловливает их низкую помехоустойчивость. Кроме того, большая длительность передаваемого сообщения на ряду со значительным временем передачи (до десятков секунд) обладают очень низкой информативностью. Конфиденциальность передаваемой и принимаемой информации также оставляет желать лучшего. Перечисленные недостатки голосовых пейджеров обусловили их ограниченное использование. Таким образом, основными и наиболее распространенными типами приемников СПРВ являются - дисплейные цифровые и текстовые пейджеры.

4.3. Репитеры СПРВ и режимы их работы

В процессе развития практически любой из рассмотренных выше СПРВ как правило возникает необходимость расширения зоны ее действия. Наиболее простым способом достижения этой цели является увеличение выходной мощности пейджингового передатчика и/или действующей высоты передающей антенны. Однако это не всегда допустимо из-за ограничений по электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств в данном районе. Кроме того, указанные меры зачастую не позволяют кардинально решить проблему из-за "затенения" некоторых участков различными зданиями или элементами рельефа местности. Чаще всего расширение зоны обслуживания достигается за счет использования в системе нескольких передатчиков, управление которыми осуществляется по принципу R-систем. При этом каждая базовая станция оборудуется пейджинговым репитером, структурная схема которого приведена на рис.3.

Репитер представляет собой автономное приемно-передаощее устройство, включающее блок питания, приемопередатчик и блок управляющей логики.

Рис. 3. Структурная схема репитера

Приемопередатчик совместно с блоком управляющей логики осуществляет прием сигнала от базовой станции (или другого репитера), обработку информации с коррекцией ошибок и повторную передачу принятого сигнала.

Репитер может функционировать в следующих режимах:

Þ ожидания и приема сообщений;

Þ повторения всех сообщений;

Þ повторения пакетов данных с указанием адреса репитера;

Þ повторения всех пакетов с передачей их конкретному репитеру;

Þ повторения пакетов с адресацией по субкодам;

Þ самодиагностики;

Þ донесения результата диагностики на указанный пейджер.

Режим ожидания и приема сообщений является основным. В указанный режим репитер переходит после повторения всех ранее принятых сообщений. При этом репитер ожидает поступления блока синхронизации, после приема которого, осуществляется прием синхрослова или его инверсии. Затем принимается и декодируется адрес репитера, передающего сообщение. После установления синхронизации осуществляется прием сообщений, исправление обнаруженных ошибок и запись их в запоминающее устройство (ОЗУ). Если в процессе приема сообщений происходит переполнение ОЗУ, то все ранее принятые сообщения стираются и репитер переходит в режим ожидания очередного блока синхронизации.

В этом же режиме репитер может принимать сообщения в виде одного цифрового пакета, а также многопакетные сообщения. В последнем случае после окончания приема первого пакета репитер ожидает поступления следующего в течение некоторого времени. Если в течение этого установленного интервала времени очередной пакет не поступит, то репитер переходит из режима приема в режим ожидания поступления новых сообщений. Особенностью многопакетного режима является то, что при поступлении в установленный временной интервал "постороннего" сообщения, передаваемого с другой скоростью или полярностью модуляции, оно будет принято и записано в ОЗУ до окончания приема многопакетного сообщения.

Режим повторения всех сообщений. В этом режиме после приема сообщения или последовательности пакетов, из которых оно состоит, принятое сообщение повторяется полностью, после чего репитер переходит в режим ожидания.

Режим повторения пакетов сообщений с адресом репитера используется, как правило, при большой протяженности трассы радиопередачи, В этом случае сообщения передаются только после приема начального блока синхронизации и декодирования адреса очередного репитера. При последующей передаче адрес приема (очередного репитера) заменяется на адрес отправки, что обеспечивает возможность передачи сообщения по цепочке репитеров, т.е. в этом режиме используется два набора адресов приема и передачи, при этом вторая пара называется адресами обратного канала и используется для донесения о состояния репитера.

В режиме повторения всех пакетов сообщений с передачей их конкретному репитеру первый в цепочке репитер осуществляет прием всех сообщений от базовой станции, игнорируя сообщения, поступающие от других репитеров системы, чьи адреса указаны в специальном перечне. Наличие данного режима работы обеспечивает возможность совместного использования оборудования различных производителей СПРВ и предотвращает "зацикливание" системы.

Режим повторения пакетов сообщении с адресацией но субкодам реализуется за счет присвоения каждому репитеру входного и выходного субкодов. В этом режиме работы репитер принимает сообщения от базовой станции или другого репитера. При совпадении субкода сообщения с входным субкодом репитера, поступившее сообщение передается с указанием выходного субкода репитера. В случае несовпадения субкодов сообщение не передается.

Режимы самодиагностики и передачи донесений о состоянии репитера на указанный пейджер являются технологическими и обеспечивают возможность осуществления дистанционного контроля за рабочими параметрами репитера.

В заключение необходимо заметить, что существующие репитеры могут работать в безадресном или только в одном из рассмотренных выше режимов.

Основные технические характеристики, обобщенные по множеству известных типов репитеров приведены в табл.1.

Таблица 1.

Параметр	Значение
Чувствительность приемника, мкВ	Не хуже 0,5
Стабильность частоты гетеродина	< 2,5 Е-6 в диапазоне рабочих частот
Ширина полосы пропускания по уровню – 3 дБ, кГц	15
Выходная мощность передатчика, Вт	До 50
Отклонение частоты	< 2,5 Е-6 в диапазоне рабочих частот
Ширина полосы излучения на уровне – 30 дБ	16
Количество программируемых рабочих каналов	До 99
Емкость ОЗУ, кБит	До 140
Напряжение питания, В	~ 220; 13,6
Потребляемая мощность, Вт	Не более 200
Наличие органов управления	Как правило, отсутствуют управление дистанционное
Вес, кг	До 40
Рабочий диапазон температур, град.	-30… +60

4.4. Основные протоколы передачи информации в СПРВ

В настоящее время известно достаточно большое количество протоколов пейджинговой связи, первым из них появился TWOTONE. Указанный протокол предусматривал передачу от базовой станции радиосигнала, представляющего собой несущую, промодулированную двумя низкочастотными посылками фиксированной длины с. последующим приемом и выделением заданной адресом пейджера комбинации частот этих посылок. Этот протокол позволял передавать в эфир только сигнал вызова сильно ограниченному кругу пользователей. Поэтому на смену ему пришли более совершенные протоколы (FIVETONE и 5/6 TONE), построенные по принципу модуляции несущей разнотональными посылками. С внедрением данных протоколов появилась возможность реализации режима работы пейджера с низким энергопотреблением. Сущность этого режима состоит в передаче дополнительной посылки, обеспечивающей включение декодера пейджера только на время приема сообщения.

Дальнейшее развитие пейджинговых протоколов пошло по пути частотной модуляции несущей двоичными сигналами. Такой подход обеспечил возможность создания специализированного оборудования, использующего высокоскоростные и помехозащищенные цифровые протоколы доведения информации.

Однако эти протоколы имеют ряд существенных недостатков, поэтому в настоящее время на территории РФ получили наиболее широкое распространение протоколы POCSAG, ERMES и FLEX, которые будут рассмотрены ниже.

4.4.1. Протокол POCSAG

Этот стандарт был утвержден Международным союзом электросвязи (МСЭ) как международный в 1982г. Основными его достоинствами по сравнению с другими протоколами того времени являются: высокая скорость передачи информации, эффективный алгоритм обнаружения и исправления ошибок, большое число производителей оборудования. Для увеличения производительности СПРВ протокол обеспечивает скорость передачи информации 512, 1200 и 2400 бит/с.

Сообщения передаются в асинхронном режиме: пакет сообщения может стартовать в любой момент времени и длина его не определена.

Общая структура сигнала в формате POCSAG приведена на рис. 4.

Рис. 4. Структура сообщений в форме POCSAG

Сигнал в формате POCSAG начинается с преамбулы, состоящей из 576 бит чередующихся 0 и 1. Преамбула служит для вывода приемного устройства (пейджера) из «спящего» состояния в режим «приема» и его тактовой синхронизации.

После преамбулы следует поток блоков, содержащих физические адреса пейджеров и тексты сообщений. Длина кодовой последовательности в формате POCSAG не определена, блоки следуют один за другим каждый со своим кодовым словом синхронизации – для подстройки синхронизации приемников (при передаче длинных сообщений).

Каждый блок состоит из 17-ти 32-битовых слов. Первое из них – слово синхронизации (фиксированная последовательность 32 бит: 0111 1100 1101 0010 0001 0101 1101 1000), далее идет последовательность из восьми двойных слов или кадров (фреймов), нумеруемых с 0-го по 7-ой.

Каждое 32-разрядное слово содержит 21 информационный бит и 11 избыточных (контрольных) бит, которые служат для определения и корректировки ошибок. Протокол предусматривает коррекцию ошибок по алгоритму БЧХ, при котором в одном 32-битном кодовом слове корректируется ошибка при приеме одного неверного бита (или двух, если расстояние между ними не превышает 6 бит), а возникновение от 2-х до 5-ти ошибок детектируется (т.е. это слово исключается и в большинстве моделей текстовых пейджеров эта часть обозначается скобками).

В зависимости от функционального назначения блоки делятся на адресные, в которых передается физический адрес пейджера, и информационные, содержащие текст сообщения.

Основное отличие протокола POCSAG от других протоколов пейджинговой передачи заключается в способе приема содержащегося в начале каждого пейджингового сообщения физического адреса пейджера - кэпкода (CapCode), которому оно адресовано. Все возможные 2 млн. физических адресов разбиты на 8 групп, соответствующие 8 кадрам (frames) адресного блока.

Адресный блок состоит из адресного кодового слова и предшествующих "пустых" слов (специальные фиксированные 32-битовые последовательности) и формируется следующим образом: физический адрес пейджера делится на 8. Остаток от деления дает номер фрейма, в первое слово которого записывается частное от деления. Во все предыдущие фреймы записываются "пустые" слова (специальные фиксированные 32-битовые последовательности: 0111 1010 1000 1001 1100 0001 1001 0111), а все оставшиеся до конца адресного блока слова пропускаются, т.е. сразу за адресным словом начинается следующий блок. Фактически остаток от деления является номером интервала времени (кадра - frame), в котором данный пейджер будет вести прием и распознавание своего номера.

Пейджер принимает только кадры, соответствующие его адресу. Это позволяет в восемь раз увеличить адресную емкость системы и значительно повысить срок службы элементов питания.

Информационный блок служит для передачи цифровой и алфавитно-цифровой информации на пейджер, заданный адресным блоком. Он содержит слово синхронизации, информационные слова, и, если сообщение закончилось, "пустые" слова до конца блока.

Увеличение скорости передачи сообщений ведет к увеличению пропускной способности системы, однако, при этом снижается устойчивость к помехам, а главное - снижается чувствительность радиоприема, т.е. фактически - радиус рабочей зоны приема сообщений. Для подавляющего большинства пейджеров чувствительность в зависимости от скорости передачи равна следующим значениям: 512 бит/с - 5 мкВ/м; 1200 бит/с - 7 мкВ/м; 2400 бит/с - 9 мкВ/м.

4.4.2. Протокол FLEX

Протокол пейджинговой связи FLEX разработан формой Motorola. Основным достоинством этого протокола является высокая скорость передачи данных - 1600, 3200 и 6400 бит/с, а, следовательно, высокая пропускная способность. Так, если в стандарте POCSAG ресурс частоты составляет 10-15 тысяч абонентов, то во FLEX-системах ресурс частотного канала лежит в пределах 20-80 тысяч абонентов. В отличие от протокола POCSAG протокол FLEX использует синхронную передачу данных, т.е. синхронизация передатчика и приемника производится по абсолютному значению времени.

Структура формата FLEX приведена на рис. 5.

При скорости 1600 бит/с используется 2-уровневая частотная модуляция. При скорости 3200 бит/с может использоваться как 2-уровневая, так и 4-уровневая частотная модуляция. При скорости 6400 бит/с используется 4-уровневая частотная модуляция. Значения девиации для различных двоичных данных при 2-уровневой и 4-уровневой частотной модуляции приведены на диаграмме рис. 6.

Данные в протоколе FLEX формируются в кадры, которые передаются последовательно со скоростью 32 кадра в минуту (1,875 с на кадр). Полный цикл протокола FLEX состоит из 128 кадров, которые нумеруются от 0 до 127, и передаются ровно 4 минуты. Каждый час делится на 15 циклов, пронумерованных от 0 до 14.

Так как протокол FLEX является синхронным, для его синхронизации используются сигналы точного времени, передаваемые в начале каждого часа в кадре 0 цикла 0. При передаче этого кадра осуществляется синхронизация приемников.

Каждый кадр протокола FLEX передается 1,875 с и состоит из блока синхронизации (115 мсек) и 11 информационных блоков (но 160 мс на блок).

Рис. 5. Структура формата FLEX

Блок синхронизации обеспечивает синхронизацию кадра и настройку пейджеров (фрагменты "Синхрон. 1" и "Синхрон.2"), а также несет информацию о номере цикла и кадра (фрагмент "Кадр инфо").

Рис. 6. Значения девиации для различных

двоичных данных

Информационные блоки содержат служебную информацию, адресное поле, задающее адреса пейджеров, которым адресованы сообщения, векторное поле, указывающее, где расположены сообщения в поле сообщений и их длина, и непосредственно поле сообщений, содержащее сами сообщения. Последовательность расположения полей в кадре показана на рис. 7.

Рис. 7. Последовательность расположения полей

в кадре FLEX

Поля не привязаны к границам блока. Порядок расположения адресов пейджеров в адресном поле должен соответствовать порядку расположения векторов в векторном поле. Адреса пейджеров могут задаваться одним кодовым словом (короткий адрес), поддерживая при этом до 2 миллионов адресов, или двумя кодовыми словами (длинный адрес), поддерживая до 5 миллиардов адресов.

При кодировании информации используется код БЧХ, позволяющий восстанавливать единичные ошибки передачи данных. Кроме того, используемая в протоколе последовательность передачи сформированных бит информации позволяет восстанавливать принятые данные при пропадании сигнала на интервале до 10 мс.

К достоинствам протокола FLEX следует отнести:

Þ повышенную скорость передачи данных, а, следовательно, повышенную пропускную способность на один частотный канал;

Þ возможность поддержания большого количества адресов (до 5 миллиардов);

Þ улучшенные характеристики помехоустойчивости канала передачи;

Þ обеспечение энергоэкономичного режима работы пейджеров;

Þ возможность совместной работы с другими протоколами.

4.4.3. Протокол ERMES

Протокол ERMES был разработан как общеевропейский протокол пейджинговой связи.

К достоинствам протокола ERMES следует отнести следующее:

Þ повышенную скорость передачи данных, а, следовательно, повышенную пропуски способность на один канал;

Þ обеспечение энергоэкономичного режима работы пейджеров;

Þ возможность передачи произвольного набора данных объемом до 64 Кбит;

Þ возможность удобной организации роуминга во всех регионах, охваченных сетью ERMES

Для функционирования СПРВ по протоколу связи ERMES выделяется единый диапазон частот (или его часть) 169,4-169,8 МГц, в котором организуются 16 частотных каналов c разносом частот в 25 кГц. Для приема сигнала используются сканирующие по частоте абонентские приемники (пейджеры). Скорость передачи данных составляет 6,25 кбит/с.

Системы персонального радиовызова на базе протокола ERMES обеспечивают следующие услуги:

Þ передачу цифровых сообщений длиной до 1600 знаков;

Þ передачу буквенно-цифровых сообщений длиной до 9000 символов;

Þ передачу произвольного набора данных объемом до 64 Кбит;

Þ возможность приема вызова и сообщений одним унифицированным приемником (пейджером) во всех странах, входящих в объединенную СПРВ ERMES.

Структура протокола ERMES приведена на рис. 8.

Рис. 8. Структура протокола ERMES

Каждый час передается 60 циклов по одной минуте каждый. Каждый минутный цикл содержит 5 последовательностей по 12 с. Каждая из последовательностей включает в себя 16 типов групп, которые обозначаются буквами латинского алфавита от А до Р. Каждая группа имеет длину 0,75 с и состоит из четырех блоков: синхронизации; служебной информации; адреса; информационного сообщения.

Порядок расположения групп внутри последовательности для каждого частотного канала свой и устроен так, что позволяет пейджеру в пределах последовательности просмотреть свою группу в режиме сканирования на всех 16 частотах.

Протокол ERMES использует помехоустойчивое кодирование передаваемой информации с прямой коррекцией ошибок (FEC), циклический код (30, 18), кодовое расстояние Хемминга - 6.

Приемники персонального вызова (пейджеры) в системе ERMES работают следующим образом. Находясь в зоне приема "своей" базовой станции пейджер принимает сообщения на ее частоте. При попадании в другой регион пейджер, не "слыша" сигнал на своей частоте, переходит в режим сканирования по каналам ERMES и, обнаружив сигнал, начинает принимать информацию на частоте базовой станции данного региона.

4.4.4. Протокол RDS

Протокол RDS (Radio Data System) получил путевку в жизнь в начале 90-х годов в качестве многофункционального формата передачи данных, как на адресные, так и на безадресные приемники. Принцип передачи данных основан на уплотнении сигнала вещательной станции, работающей в FM и УКВ диапазонах. Передача данных происходит путем замешивания в комплексный стереосигнал на поднесущей частоте 57 кГц с девиацией ±2 кГц частотно-модулированного сигнала RDS. Спектр суммарного сигнала показан на рис. 9 (где А и В - сигналы левого и правого каналов стереовещания).

Рис. 9. Спектр суммарного сигнала

Помимо пейджинговых сообщений, формат RDS позволяет передавать на радиприем-ники с декодером сигнала RDS различную текстовую информацию в виде неподвижной или бегущей строки - это может быть название принимаемой радиостанции, темп музыки, рекламные тексты. Более того, радиоприемник, при переезде из одного города или области в другие, может сам настраиваться на требуемую радиостанцию или выбранный тип передачи (классическая музыка, рок, известия и пр.) и, при передаче экстренных сообщений, переключаться из других режимов (проигрывание компакт-дисков и аудиокассет) на прием.

Протокол RDS рассчитан на работу с фиксированной скоростью 1187 бит/с и имеет структуру, показанную на рис.10.

Самый большой элемент в структуре формата называется "группой" и содержит 104 бита информации. Каждая группа включает в себя 4 блока по 26 битов каждый. Блок состоит из 16-разрядного информационного слова и 10-разрядного контрольного слова. Передача данных полностью синхронна и не имеет разрывов между группами или блоками. Информационное слово служит непосредственно для передачи данных. Контрольное слово - для синхронизации и исправления ошибок.

Рис. 10. Структура формата RDS

Информационные слова группы RDS содержат следующую информацию.

Группа начинается с 16-разрядного, так называемого Pi-кода (Program Identification), индивидуального для каждой страны, который является признаком RDS передачи, и, соответственно, страны, в которой эта передача ведется.

Следующие пять бит (начало второго блока) определяют тип передачи данных: радиотекст, передача времени и даты, радиопейджинг и пр.

Один бит (бит ТР - Traffic program) управляет переключением радиприемника из режима проигрывания аудиокассеты или CD-диска в режим приема при передаче важных информационных сообщений. Следующие 5 бит формируют название программы, которое высвечивается на дисплеи радиоприемника при приеме вещательной станции. Это могут быть новости (News), спортивная информация (Sport), типы передаваемой музыки (например Rock, Jazz, Classic) и т.д.

Далее идет (последние 5 бит второго информационного слова) 5-ти разрядный адресный код AC (Address Code), который определяет местоположение данных передаваемых сообщений и команд, в том числе и адрес пейджерного приемника.

При передаче пейджингового сообщения тип передачи данных задается как 01110, а адрес пейджера и само сообщение передаются в нескольких последовательных группах и занимают в каждой группе два последних блока. Первоначально следует адрес пейджера, а затем символы самого сообщения.

В организации передачи пейджингового сообщения участвуют и другие RDS группы предназначенные для передачи времени и даты, а также синхронизации RDS приемников. Синхронизирующая метка передается каждую секунду, а время и дата - каждую минуту.

Стандарт RDS рассчитан для одновременной поддержки 4 пейджинговых сетей. Поскольку формат RDS "не привязан" к конкретной частоте, а работает в диапазоне частот (FМ/УКВ), пейджер для своей настройки производит сканирование всего диапазона. После настройки на одну частоту вещательной станции в течение 1 с происходит синхронизация приемника, в течение 2 с определяется код страны и признак сети пейджинга. Если они не соответствуют кодам, хранящимся в памяти пейджера, то он настраивается на волну другой радиостанции. После нахождения своей сети пейджер в течение 15 с переходит в режим экономии батарейки. Организация экономии расхода электроэнергии достигается за счет активизации приемника в отдельные интервалы времени, определяемые его индивидуальным номером, и аналогична подобной организации в стандарте POCSAG. Специфика RDS-стандарта - уплотнение сигнала вещательной станции - позволяет операторам связи в большинстве случаев с меньшими капиталовложениями, чем для других систем, развернуть СПРВ. Экономия объясняется отсутствием расходов на частотное присвоение, антенно-фидерное устройство и передатчик, которые являются весьма дорогостоящим оборудованием. Расходы же состоят из арендной платы за поднесущую 57 кГц, стоимости кодера RDS и организации диспетчерской.

Зона покрытия RDS пейджинга при эксплуатации наиболее широко распространенных RDS-пейджеров Nokia, Infotelecom, Matador на 10-20% меньше зоны устойчивого приема самой вещательной станции и имеет, как правило, радиус в несколько десятков км. Для выравнивания зон вещания и RDS пейджинга, а также уменьшения ошибок при передаче пейджинговых сообщений, обусловленных взаимным влиянием спектров вещательного и RDS сигналов, в передающий тракт включают аудиопроцессор.

Аудиопроцессор осуществляет компрессию сигнала, а также ограничение по частотному диапазону, подавляя высокочастотные компоненты (выше 15 кГц) спектра вещательного сигнала левого и правого каналов. Это исключает наложение спектра сигнала КСС на спектр RDS. В качестве аудиопроцессоря на российском рынке широко используется процессоры американской фирмы SRL марки SMP-850.

Дальнейшим развитием системы RDS является система голосового пейджинга Моbi DARC.

Центральной частотой передачи пейджинга здесь выбрана частота 76 кГц. Система MobiDARC не оказывает влияния на передаваемую аудиоинформацию, а также на другие системы передачи данных на поднесущей (RDS с центральной частотой 57 кГц). Канальная скорость передачи данных - 16 кбит/с (эффективная скорость - 1200 бит/с). Удельная емкость системы голосового пейджинга - 35000 абонентов на одну частоту из расчета 1,5 сообщений в день длительностью 45 с для каждого абонента.

5. Контрольные вопросы

1. По какому признаку классифицируются СПРВ?

2. На какие виды подразделяются СПРВ в зависимости от размеров обслуживаемой территории?

3. Дайте характеристику S–систем, Т-систем и R–систем.

4. Как классифицируются приемники персонального радиовызова?

5. Как расширяется зона действия СПРВ?

6. Охарактеризуйте режимы функционирования репитера.

7. Перечислите основные технические характеристика репитеров.

8. Какие основные протоколы передачи информации используются в СПРВ?

9. Дайте характеристику протокола POCSAG.

10. Дайте характеристику протокола FLEX.

11. Дайте характеристику информационных блоков протокола FLEX.

12. Дайте характеристику протокола ERMES.

13. Поясните спектр суммарного сигнала в протоколе RDS.

14. Поясните структуру формата RDS.

15. Чем выравнивается зона покрытия пейджинга и вещательной станции?

16. Нарисуйте спектр сумматорного сигнала в системе голосового пейджинга MobiDARC.

Литература

1. Бабков В.Ю., Вознюк М.А., Дмитриев В.И. Системы мобильной связи. СПб.: ГУТ – СПб, 1999.

2. Соловьев А.А. Пейджинговая связь. - М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2000.

3. Громаков Ю.Я. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. ЭКО – ТРЕИДЗ. М. 2000.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ТИПЫ

ТРАНКИНГОВЫХ СИСТЕМ

1. Цель работы

Изучить принципы построения, функционирования и типы транкинговых систем.

2. Задание

1. Изучить принципы построения и функционирования тарнкинговых систем.

2. Изучить режимы работы транкинговых систем.

3. Ознакомиться с комплексом документов регламентирующих работу транкинговых сетей связи Российской Федерации.

4. Изучить основные типы транкинговых систем:

4.1. Система ВОЛЕМОТ;

4.2. Система АЛТАЙ;

4.3. Системы стандарта SMARTRUNK;

4.4. Системы стандарта МРТ 1327;

4.5. Система IDEN;

4.6. Система стандарта TETRA.

3. Содержание отчета

1. Название и цель работы.

2. Описание принципа построения и типов транкинговых систем связи.

4. Краткая теория

4.1. Общий обзор

Можно утверждать, что важнейшей стратегией развития подвижной радиосвязи является разработка и внедрение единых международных стандартов, создание на их основе международных глобальных сетей подвижной радиосвязи общего пользования. Однако продолжают успешно развиваться сравнительно простые системы радиосвязи, имеющие специальное ограниченное применение.

Профессиональные системы подвижной радиосвязи создавались и развертывались в интересах обеспечения служебной деятельности различных государственных структур (министерства обороны, правоохранительных органов, промышленных групп и других организаций). Основными требованиями к этим системам являются:

Þ обеспечение связи в данной зоне обслуживания,

Þ возможность взаимодействия различных абонентских групп и циркулярной (диспетчерской) связи,

Þ оперативность управления связью и возможность приоритетного установления связи.

Общие тенденции развития профессиональных отечественных систем подвижной радиосвязи в целом отвечают современному мировому уровню, но не обеспечивают совместимость оборудования при работе в составе систем связи, построенных на основе единых стандартов. В то же время на Западе на практике реализуется международная унификация и стандартизация оборудования.

Общий рынок систем и оборудования позволил разработать унифицированную элементную базу, массовый выпуск которой обеспечил высокую элементную надежность и значительное снижение цен на эту продукцию. В результате ежегодный рост количества абонентов профессиональных систем в западных странах составляет около 25 %.

В профессиональных системах подвижной радиосвязи наиболее эффективное использование частотного ресурса обеспечивается в транкинговых системах - системах со свободным доступом радиоабонентов к общему частотному ресурсу.

Одной из первых транкинговых систем, использующих принцип выбора соответствующего канала для обеспечения гарантированного доступа к связи и ориентированной на телефонию, была отечественная радиотелефонная система АЛТАЙ. Ее появление и повсеместное распространение в нашей стране вызвано жестким государственным регулированием всех сфер деятельности. На Западе системы, нацеленные на экономию частотного ресурса, появились и стали широко использоваться в первую очередь в США, лишь немногим более 10 лет назад, когда сотовые сети уже существовали и стала ощущаться острая нехватка свободных каналов для обычной радиосвязи.

Что касается Европы, то ее потребность в радиосвязи по сравнению с США значительно меньше. Затрудненность достижения консенсуса многочисленными странами и разобщенность научного потенциала серьезно препятствовали глубине и единообразию технических решений. Все это привело к созданию целого ряда систем, как правило, дорогих и не всегда оригинальных.

Тем не менее, появление и развитие транкинговых радиосистем на Западе стало следствием нескольких основных причин:

Þ потребности гарантированного доступа к связи для оперативного руководства;

Þ нехваткой частотного ресурса;

Þ наличие достаточно разветвленной телефонной сети, в том числе сотовых систем;

Þ уровнем спроса на новые технические решения.

Под термином транкинг понимается метод равного доступа абонентов к общему выделенному пучку (термин trunk (англ.) - пучок) каналов, при котором конкретный канал закрепляется для каждого сеанса связи индивидуально в зависимости от распределения нагрузки в системе.

Термин транкинг впервые стал употребляться для обозначения систем радиотелефонной связи, ориентированных на организацию ведомственной, внутрипроизводственной и технологической связи. Первоначально такие системы использовались при организации систем подвижной радиосвязи, не имеющих присоединения к телефонным сетям общего пользования. В основу этих систем подвижной радиосвязи закладывался принцип общности интересов (корпоративности) пользователей, поэтому в сетях, построенных на их основе, трафик должен замыкаться внутри этих сетей.

В последние годы появилась тенденция создания на базе транкинговых систем — систем радиосвязи общего пользования, которые являются продолжением телефонных сетей общего пользования (ТфОП).

4.1. Общие требования

Транкинговые системы связи, как специализированные системы связи (ведомственные, выделенные, технологические и внутрипроизводственные сети), находят широкое применение во всем мире.

В соответствии с концепцией использования в России транкинговая сеть может считаться сетью связи общего пользования, если она отвечает следующим требованиям:

Þ обеспечивает круглосуточное предоставление абонентам входящей и исходящей местной, междугородной и международной связи и возможность тарификации услуг;

Þ обеспечивает закрепление за каждым абонентом системы номера телефонной сети общего пользования;

Þ имеет дуплексный способ организации канала;

Þ обладает вероятностью отказа не более 5% при расчетной нагрузке на одного абонента - 0,025 Эрл[1];

Þ имеет защиту от несанкционированного доступа в систему;

Þ обеспечивает выполнение условий для организации оперативно-розыскных мероприятий.

Эти требования соответствуют рекомендациям Международного союза электросвязи (МСЭ), в которых указано, что сети радиотелефонной связи общего пользования и абоненты таких сетей должны являться продолжением (или иметь нумерацию) ТфОП.

В транкинговых сетях общего пользования допускается использование только сертифицированного оборудования, отвечающего техническим требованиям к оборудованию с многостанционным доступом.

Выдача лицензий на организацию сетей связи общего пользования на основе транкинговых систем предусматривает обязательное наличие сертификата на оборудование, допускающее включение в ТфОП и выполнение оператором ряда технических требований. В соответствии с федеральным законом «О связи» допускается предоставление коммерческих услуг ведомственными транкинговыми сетями при условии, что это не повлияет на выполнение ими основных задач.

4.2. Принципы построения и функционирования

Несмотря на разнообразие транкинговых систем принципы их построения во многом совпадают. Транкинговая система может быть многозоновой и однозоновой. В каждой зоне установлена базовая станция (БС), через которую обеспечивается радиосвязь с абонентами системы. В качестве абонентских устройств в транкинговых системах используют автомобильные или портативные радиостанции работающие в симплексном, дуплексном или полудуплексном режимах[2]. Структурная схема транкинговой системы приведена на рис.1. В состав типовой БС входят: антенны, устройство объединения радиосигналов на передачу (комбайнер), ретрансляторы (приемопередатчики), устройство управления, маршрутизатор и интерфейс телефонного канала и терминал. Используются всенаправленные антенны при расположении БС в центре зоны. При необходимости могут использоваться направленные антенны. Прием и передача могут осуществляться с использованием одной приемопередающей антенны, либо на отдельные приемную и передающую антенны.

Ретранслятор - приемопередающее устройство, работающее в дуплексном режиме. В транкинговых сетях с частотным разделением каналов (МДЧР) на каждый ретранслятор приходится один приемопередатчик, приемник и передатчик работают на разных частотах. Для повышения надежности может осуществляться групповое резервирование ретрансляторов (например, в некоторых системах на каждые пять рабочих приходится один резервный).

Устройство управления (УУ) обеспечивает взаимодействие между всеми узлами БС, в частности: обработку вызовов, поступающих и передаваемых по каналу управления; осуществляет аутентификацию вызовов; контролирует длительность соединения с ТфОП, следит за очередностью прохождения вызовов и т.д.

Рис. 1. Структурная схема базовой станции

Маршрутизатор осуществляет обработку вызовов, производит выбор маршрута и осуществляет коммутацию абонентов, а в многозоновых системах отслеживает перемещение абонентов из зоны в зону.

Интерфейс обеспечивает сопряжение базовой станции с ТфОП.

Терминал предназначен для контроля за состоянием системы, проведением тестирования аппаратуры для выявления неисправностей, оперативного внесения изменений в базу данных системы.

4.3. Режим работы

Транкинговые системы могут работать в следующих режимах:

Þ персональной (индивидуальной) радиотелефонной связи;

Þ групповой (диспетчерский) режим связи. Групповой режим предназначен для обеспечения одновременной связи между всеми участниками группы. Разговор между вызывающим абонентом и лицом, к которому он обращается, слышат все члены группы;

Þ связи с автоматической телефонной и учрежденческой телефонной станциями;

Þ непосредственной связи между радиостанциями. Мобильные радиостанции могут связаться между собой непосредственно в обход ретранслятора. Это удобно в тех случаях, когда подвижные абоненты находятся в радиусе действия своих радиостанций, но вне зоны обслуживания ретранслятора.

Принцип работы системы иллюстрируется рис.2. Для случая 4-канальной БС темные области первых четырех линий на рис.2 указывают на занятость ретранслятора, а темные области самой нижней свидетельствуют об одновременной занятости всех каналов БС, когда абонент не может получить немедленный доступ ни к одному из каналов. Такая ситуация называется блокировкой каналов.

Если бы каналы были сформированы не на основе транкинга, то только один из них был бы доступен абоненту, как это происходит в обычной системе радиосвязи.

При автоматическом доступе к нескольким каналам на основе транкинга, вероятность быть заблокированным или получить отказ значительно уменьшается.

Рис. 2. Блокировка

Средняя нагрузка в транкинговой системе обычно варьируется в пределах от десятков до сотен абонентов. Факторами, определяющими нагрузочные возможности системы, являются режимы работы (индивидуальная или диспетчерская связь), частота обращения абонентов и показатель уровня обслуживания, исходя из чего, определяется необходимое число ретрансляторов. Качество обслуживания характеризуется вероятностью Р получения доступа к свободному каналу с первой попытки.

4.4. Типы транкинговых систем

Транкинговые системы отличаются разнообразием. Одним из главных признаков транкинговой системы является возможность группирования абонентов по общим интересам. По этой причине трафик в основном замыкается внутри транкинговых сетей (до 90 %), а выход большинства абонентов на ТфОП предполагается в редких случаях. Предоставление разного набора услуг зависит от приоритетов, установленных внутри системы.

Особенность транкинговых систем - предусмотрена возможность обеспечения связи между абонентами системы без выхода на ретрансляторы. В системах, ориентированных на организацию сетей связи общего пользования (например, сотовых), такая возможность отсутствует.

Как и все системы радиотелефонной связи, Транкинговые системы на абонентском участке используют радиоканал. Способ его организации в разных транкинговых системах различный: дуплексный, симплексный, .и двухчастотный симплекс, т.е. когда прием и передача ведутся на разных частотах, однако технически не обеспечена одновременная двухсторонняя передача информации.

По способу предоставления радиоканала Транкинговые системы делятся на системы с каналом управления и без него. В системах без канала управления используются различные аналоговые и цифровые протоколы управления, соединение в которых устанавливается на любом свободном радиоканале и определяется путем сканирования со стороны абонентской станции.

Системы с аналоговыми протоколами управления по отношению к системам с цифровыми протоколами менее эффективны, так как требуют на установление соединения больше эфирного времени. В таких системах число радиоканалов приходится ограничивать из-за относительно большого времени установления соединения. В них обычно имеет место неравномерная загрузка приемопередающего оборудования, которая отрицательно сказывается на качестве работы приемопередатчиков. Системы без канала управления более дешевы по сравнению с системами, имеющими канал управления. Системы с каналом управления более совершенны, чем без него. При этом способ выделения канала управления (закрепленный или распределенный) не принципиален.

В системах с закрепленным каналом управления имеется специально выделенный канал управления (т.е. один канал управления выделен для передачи и приема сигналов управления, а остальные для передачи информации). В системах с распределенным каналом управления выделение для него конкретного канала динамическое, т.е. в разные моменты времени используются разные частотные каналы. В системах с каналом управления могут использоваться различные внутренние протоколы управления.

При развертывании транкинговых систем связи общего пользования (ТССОП) и в процессе их эксплуатации операторы должны руководствоваться комплексом документов, технических требований, порядком и правилами, регламентирующими работу транкинговых сетей связи (рис. 3). Для транкинговых систем связи в Российской Федерации выделены частоты в диапазонах:

160 (147-170); 400 (401- 406, 412 - 417, 422 - 427); 800 (815 - 820, 860 - 865) Мгц.

Рис. 3. Технические требования, регламентирующие работу транкинговых сетей связи

Следует иметь в виду, что транкинговые системы связи, имеющие выход в ТфОП, должны рассчитываться из средней нагрузки на канал не менее 0,25 Эрл при вероятности блокирования вызова менее 0,05.

В настоящее время на рынке средств подвижной связи помимо отечественных систем сухопутной подвижной связи (АЛТАЙ, ВОЛЕМОТ) в большом количестве представлено оборудование различных зарубежных производителей, которое позволяет развернуть сети транкинговой радиосвязи радиальной, радиально-зоновой либо квазисотовой структур, работающих в различных диапазонах частот и предоставляющих потребителям определенный набор услуг.

Для ТССОП обязательным является применение дуплексной радиосвязи. Это накладывает существенное ограничение на выбор частоты рабочих каналов в сети, так как абонентские радиостанции (радиотелефоны) должны иметь развязку между приемником и передатчиком. Развязку можно выполнить лишь используя радиостанции в 2-диапазонном варианте (например, 160 и 450 МГц) либо при большом «дуплексном разносе» в диапазоне 450 МГц (например, передача в диапазоне 403- 430 МГц), прием в диапазоне (450- 470 Мгц). Здесь неизбежны трудности в назначении частот. Помимо этого, при использование дуплексной радиосвязи резко возрастает стоимость абонентской радиостанции (например дуплексная носимая радиостанция Н70 фирмы NOKIA стоит около 1800 долл.).

Транкинговые системы, реализующие разные протоколы транкинга (стандарты), имеют разные возможности.

4.4.1. Система ВОЛЕМОТ

ВОЛЕМОТ работает в диапазоне частот около 330 МГц, в котором может быть организовано 188 дуплексных радиоканалов. Для передачи сигналов от БС к АС используется диапазон 337,1375 - 341,8125 МГц, а для передачи сигналов от АС к БС соответственно 301,1375 - 305,8125 МГц. Каналы отстоят друг от друга на 25 кГц.

ВОЛЕМОТ содержит (рис.4): центральную коммутационную станцию (ЦКС), зоновые коммутационные станции (ЗКС), если это необходимо, базовые (БС), абонентские радиостанции (АС). Система имеет сотовую структуру и может быть построена таким образом, что зоны радиосвязи, перекрываясь, обеспечивают сплошное покрытие территории или, как показано на рис.4, остаются участки, на которых связь не обеспечивается.

В зоне используются от 2 до 60 радиоканалов. ЦКС обычно размещается в зоне с наибольшим количеством абонентов и подключается к телефонной сети общего пользования (ТфОП) и БС. Количество соединительных линий (каналов) между любой БС и ЦКС равно количеству радиоканалов данной БС.

Легко заметить, что такая структура сети допустима только при большой концентрации абонентов в центральной зоне и малой в периферийных зонах. Дело в том, что соединения абонентов периферийных зон со стационарными абонентами, находящимися в той же зоне, оказываются излишне «длинными», так как устанавливаются через соединительные линии между БС и ЦКС и далее обратно в свою зону через ТфОП.

Рис. 4. Пример покрытия территории.

Если количество абонентов в периферийных зонах велико, то целесообразно обеспечить возможность их непосредственного соединения с абонентами АТС, минуя ЦKC. Это позволяет сократить количество соединительных линий (СЛ) между БС периферийной зоны и ЦКС, а также исключить участие в местных соединениях (в периферийной зоне) ТФОП, которая связывает периферийную зону с зоной ЦКС, для этого предусмотрена установка в периферийных зонах зоновых коммутационных станций (ЗКС). ЗКС подключается к ЦКС и к АТС ТфОП основной зоны.

В периферийной зоне с ЗКС соединения абонентов с местными абонентами ТфОП осуществляется через ЗКС и местную АТС, а соединения с абонентами основной и других периферийных зон (если они есть) - через ЗКС и ЦКС (рис.4). При этом количество СЛ между ЗКС и ЦКС может быть значительно меньше количества радиоканалов зоны, так как весь местный график пропускается, минуя эти СЛ.

Кроме того, предусматривается возможность организации между ЗКС и ЦКС до 4-х соединительных линий, которые включаются в ЦКС на правах радиоканалов, занимая канальную емкость ЦКС. В ЗКС для подключения таких линий предусмотрены специальные комплекты магистральных каналов.

ВОЛЕМОТ позволяет создавать сети, имеющие центральную и до 15 периферийных зон с ЗКС или без них. Общее количество радиоканалов в сети без ЗКС не должно превышать канальной емкости ЦКС - 89 радиоканалов (половина общего числа 188 дуплексных радиоканалов). Установка в периферийной зоне ЗКС позволяет организовать до 19 радиоканалов, заняв 2-4 канальных ввода ЦКС для подключения ЗКС, т.е. установка в периферийных зонах ЗКС позволяет увеличить общее количество радиоканалов в сети с 89 при простейшей схеме сети до 345 (60 каналов в центральной зоне, по 19 каналов в 15 периферийных зонах при 2 СЛ между ЦКС и ЗКС). При этом естественно предполагается использование радиокадалов с одинаковыми частотами в территориально разнесенных зонах сети.

Для организации связи в регионах с низкой абонентской плотностью в системе, кроме периферийных зон при ЦКС (первичных), предусмотрена возможность организации до 7 периферийных зон при ЗКС (вторичных), образуя сеть ЗКС. Предельная емкость сети определяется техническими ограничениями коммутационных станций, составляющей для ЦКС - 10 тыс. АС, для ЗКС - 1 тыс. АС.

4.4.2. Система АЛТАЙ

Долгое время была единственным видом подвижной связи общего пользования на территории бывшего СССР. Даже в 1994 г. сети связи АЛТАЙ работали в 120 городах, численность абонентов составляла 53% общего числа абонентов мобильной связи в России.

Первоначально система АЛТАЙ (рис. 5) строилась как радиальная с одной зоной обслуживания. Она состоит из центральной станции (ЦС), диспетчерских пунктов (ДП), абонентских станций (АС). Взаимодействует с ТфОП, обеспечивая связь АС системы между собой и абонентами ТфОП. Количество абонентов с правом автоматического установления исходящих соединений ограничено. Связь АС с абонентами ТфОП, не имеющими права на автоматическое соединение, осуществляется через диспетчерские пункты.

Полоса частот передачи сигналов от ЦС к АС - 337, 1375 - 341,8125МГц и от АС к ЦС - 301, 1375 - 305,8125 МГц. В этой полосе организовано 188 радиоканалов с шириной полосы 25 кГц. Все каналы диапазона разделены на определенные группы, каждая из которых называется стволом. Весь диапазон разбит на 22 ствола, все стволы, кроме 7-го, имеют по 8 каналов. Ствол 7 имеет 7 каналов.

Комплект оборудования системы АЛТАЙ обеспечивает возможность создания одной зоны с использованием радиоканалов одного ствола. Размер зоны определяется радиусами действия ЦС и АС, который в зависимости от высоты антенны и ландшафта составляет 20 - 40 км. Все каналы доступны всем АС.

Один комплект системы АЛТАЙ содержит до 300 АС, из которых 100 имеют право автоматической связи с ТфОП, остальные связываются с ТфОП через оператора ДП. В состав оборудования зоны могут входить до 18 ДП. Всем АС зоны предоставлено право автоматической связи между собой. ЦС \ подключается к АТС ТфОП четырьмя исходящими СЛ.

Последующее развитие технических решений на базе электронной АТС КВАНТ-Е, приемопередающих станций ППС-4В, нескольких стационарных и мобильных портативных АС позволяет создавать сети, построенные по принципу радиально-зоновой или даже псевдосотовой архитектуры, в которой может быть использовано до 32 радиоканалов. Подобные сети могут строиться поэтапно.

Так, при строительстве сети связи в крупном городе первоначально подключается коммутационное оборудование, например, с 16-канальной группой ППС. Аналогичное оборудование с меньшим количеством АС размещается в населенных пунктах меньшего размера, расположенных на сравнительно небольших расстояниях, причем услуги связи и в городе и в населенных пунктах налаживаются первоначально без взаимодействия между собой. Впоследствии эти сети объединяются в радиально-зоновую сеть через ЦК (центральный коммутатор) по общему каналу управления.

При увеличении числа АС система наращивается путем установки дополнительных ППС (т.е. базовых станций).

Рис. 5. Структура сети АЛТАЙ

АЛТАЙ - система с децентрализованным управлением, в которой для передачи сигналов управления (например, вызовов) используется любой свободный канал. Сигналы управления - аналоговые, в виде тональных посылок.

4.4.3. Системы стандарта SMARTRUNK

Система SmarTrunk (1992) специально разработана для применения в сельских местностях и развивающихся странах. За короткий срок технология SmarTrunk стала мировым стандартом. На сегодня более тысячи систем обслуживают сотни тысяч абонентов по всему миру. SmarTrunk II - это новое поколение популярной радиотелефонной системы.

Система имеет следующие технические данные:

Þ рабочий диапазон частот 147 - 174 МГц (VHF) и 403 - 470 МГц (UHF);

Þ количество каналов - до 16 дуплексных;

Þ количество абонентов зависит от типа используемого контроллера: ST-850, ST-852, ST-853, и в последнем случае достигает 4096;

Þ типы вызовов

- абонент системы - ТфОП,

- абонент - абонент системы,

- групповой вызов,

- срочный и аварийный вызовы,

- приоритетный вызов,

- диспетчерский вызов;

Þ тип сигналов управления: аналоговый DTMF[3] (SmarTrunk) или цифровой BPSK[4] (SmarTrunk II). Сигналы передаются в голосовом диапазоне перед установлением соединения.

Метод управления основан на сканировании абонентских радиостанций.

Основным элементом системы (рис. 6) является многоканальная базовая станция, оснащенная ретрансляторами (приемопередатчиками) и транкинговыми контроллерами. Все радиоканалы полностью независимы друг от друга, это позволяет в случае необходимости разносить оборудование системы на значительное расстояние.

Рис. 6. Структурная схема 4-канальной сети

Контроллер каждого канала имеет выходы на 2 двухпроводные абонентские линии. Обычно один из выходов подключается к АТС ТфОП, а второй к местной (учрежденческой) АТС (У АТС) либо к спутниковой линии связи. Набор в линию импульсный или тональный (DTMF). Набор со стороны абонента АТС (У АТС) тональный или импульсный (через детектор «щелчков»). При использовании специального конвертера можно перейти от двухпроводных абонентских линий к трехпроводным соединительным линиям, что дает каждому абоненту полный телефонный номер без донабора в тональном режиме. (DTMF). Здесь надо учитывать, что отечественные ТФ аппараты не имеют режима DTMF, а Министерство связи РФ запрещает использование двухпроводных абонентских линий для входа в ТфОП.

Комбайнер - устройство, позволяющее складывать сигналы от нескольких передатчиков, направлять их в общую передающую антенну и обеспечивающее развязку сигналов и их фильтрацию. Тип комбайнера зависит от разноса каналов по частоте. Если каналы расположены с разносом не менее 150 кГц для диапазона VHF и не менее 250 кГц для диапазона UHF, то в качестве комбайнеров применяются объемные резонаторы с затуханием в полосе частот не более 3,5 - 4 дБ. При разносе каналов менее 150 кГц (например, 12,5 или 25 кГц) применяются комбайнеры гибридного типа.

При этом в тракт передачи вносится существенное затухание: при сложении 2-х сигналов 3,8 дБ, при сложении 4-х - более 7 дБ и более 10 дБ (10 раз по мощности) при сложении 8 каналов, поэтому для транкинговой системы, имеющей 8 каналов с разносом по частоте 25 или 12,5 кГц, используется разделение каналов на 2 четверки, работающие каждая на свою передающую антенну.

В результате расстройки комбайнера в процессе эксплуатации могут возникать перекрестные помехи между рабочими каналами транкинговой системы и возрастать уровни побочных излучений, создающих помехи другим радиосредствам.

Центральным элементом системы SmarTrunk является контроллер, подключенный к приемопередатчику рабочего канала. Он отвечает за загрузку своего канала, вырабатывает сигналы управления, определяет, может ли АС использовать данный канал, каковы его привилегии, в том числе по выходу в ТфОП.

Связь между подвижными абонентами в системе организуется следующим образом. После включения питания каждая АС начинает последовательно просматривать все радиоканалы, заложенные в ее памяти, в поисках вызывного сигнала. При обнаружении своего вызывного кода она прекращает сканирование и подает звуковой сигнал, оповещающий владельца о поступлении вызова. После этого начинается диалог между абонентами.

При необходимости вызвать какую-либо из АС по радиоканалу или выйти в ТфОП пользователь набирает код желаемого вызова. АС последовательно просматривает доступные радиоканалы, и, найдя свободную частоту, обеспечивает связь с приемопередатчиком базовой станции. Предоставляя канал пользователю, радиостанция оповещает его об этом звуковым сигналом. Далее производится набор номера ТфОП или добавочного номера подвижного абонента. После этого пользователь ведет разговор.

Чтобы позвонить подвижному абоненту с ТфОП, надо набрать телефонный номер одного из приемопередатчиков системы и после звукового сигнала соединения набрать добавочный номер нужного абонента. Услышав ответ можно вести разговор. Если пользователь не отвечает или у него выключена АС, звонящий услышит сигнал «занято». Если система имеет несколько БС и местоположение абонента неизвестно, можно попытаться найти его в зоне действия других приемопередатчиков.

Контроллер ST-850 позволяет вести базу по абонентам, в которой содержатся дополнительные номера тех, кто может пользоваться данным радиоканалом, основные ограничения для каждого абонента (максимальная разрешенная продолжительность разговора, разрешение на выход в междугородную сеть, на использование привилегированной телефонной линии и т.п.).

Контроллер также ведет базу данных по сеансам связи через данный ретранслятор: номера обращавшихся абонентов; отметки о характере связи (город - абонент, абонент - город, абонент - абонент); даты, время и продолжительность сеансов связи. На основании этих данных подготавливаются счета за пользование услугами связи.

Система SmarTrunk II существенно расширила идеологию SmarTrunk . В ней введен цифровой протокол сигнализации, что обеспечивает большую дальность связи, повышенную защиту от несанкционированного доступа. Предусматривается дистанционное отключение АС с диспетчерского пункта для предотвращения доступа в систему нелегальных пользователей и нарушителей.

4.4.4. Система SmarTrunk II

В системе SmarTrunk II используется контроллер ST-852, который является универсальным, и позволяет работать как в формате прежней системы SmarTrunk (аналоговый протокол, тональные сигналы DTMF), так и цифровом формате SmarTrunk II.

Принципы функционирования системы SmarTrunk II имеют отличия от SmarTrunk. Связь между подвижными абонентами производится по эфиру без выхода па АТС ТфОП (через ретранслятор во всей зоне действия системы либо без использования ретранслятора в зоне до 4 км). В процессе установления связи имеется возможность индивидуального, группового либо общего (общий циркуляр) вызовов. Для вызова необходимо набрать добавочный номер (номер радиоабонента и вызов «3*»).

В исходном состоянии приемопередатчики системы работают на прием, АС сканируют по радиокапалам. В случае вызова АС захватывает свободный приемопередатчик и посылает запрос в виде цифрового пакета. Приемопередатчик, получив запрос от мобильного абонента, включает передачу пилот-тона на частоте 1200 Гц длительностью 0,3 с. Все АС, не участвующие в это время в других сеансах связи (сканирующие по частотам), прекращают сканирование и задерживаются на канале, передающем пилот-тон.

Когда все абонентские станции собрались на канале, ретранслятор передает вызывной пакет (пейдж), в котором содержится адрес вызываемой станции. В результате вызываемая станция остается на канале и начинает сеанс связи, а остальные продолжают сканирование.

Процедура вызова мобильным абонентом системы абонента ТфОП заключается в наборе нужного номера (до 14 цифр). После этого посылается вызов «1*». АС сканирует в поисках свободного канала. После его нахождения получает ответ ТфОП (зуммер) и посылает телефонный номер. При необходимости после соединения возможен тональный донабор, например, для доступа к автоответчикам или добавочным номерам местной АТС.

Процедура вызова мобильного абонента ТфОП заключается в наборе одного из телефонных номеров системы. Если линия свободна, то происходит соединение с контроллером базовой станции (абонент ТфОП получает тональный сигнал), после чего необходимо набрать добавочный номер.

Если абонент системы занят или его радиостанция выключена, или он находится вне зоны действия системы, то абонент ТфОП получит сигнал «занято». Если система имеет несколько мест расположения БС, то можно выйти на них и проверить, не находится ли абонент там.

Таким образом, при наличии нескольких зон обслуживания поиск подвижных абонентов осуществляет вызывающий абонент ТфОП. Часть абонентских номеров можно использовать в качестве групповых. Вызвать группу радиостанций можно как с обычного телефона, так и с другой радиостанции. : Правила набора те же, что и для одиночных радиоабонентов.

Диспетчерская связь внутри своей группы не требует набора номера, достаточно нажать на тангенту «передача» на своей радиостанции и все радиостанции группы будут ее слышать.

Срочный вызов оператора системы можно осуществить путем набора 1 комбинации и «9*». В случае бедствия или опасности набор комбинации «0*» приведет к автоматическому набору заранее запрограммированного телефонного номера (например, милиции). Если при наборе этих комбинаций все каналы окажутся занятыми, то система принудительно прервет один из разговоров для прохождения срочного или аварийного вызова.

Предпринимались попытки организовать транкинговую связь с использованием принципов построения сотовых систем (в частности ЗАО «ЛЕО» в Москве). Для этой цели была разработана система SuperTrunk. В ней предусмотрено использование в каждом приемопередатчике нескольких разнесенных в пространстве приемников. Для связи выбирается тот приемник, в зоне действия которого находится АС.

Это позволяет избавиться от неприятности, связанной с наличием одного приемника в обычных системах SmarTrunk, зона действия которого определяет зону обслуживания всей системы в целом, что особенно неприятно в условиях города с его сложным рельефом.

4.4.5. Системы стандарта МРТ 1327

Стандарт МРТ 1327 имеет статус общеевропейского и принят в качестве основного для транкинговых систем в России. Его протокол разработан в Великобритании в диапазоне 174 - 225МГц для радиосетей общего пользования. Впоследствии протокол получил широкое распространение в Европе и стал стандартом для производителей транкингового оборудования. Помимо Европы, требования МРТ 1327 взяли на вооружение также страны Британского содружества (Австралия и Новая Зеландия), а впоследствии и Япония. Через Гонконг и Японию оборудование данного стандарта проникло и распространилось в Китае.

Кроме протокола МРТ 1327, описывающего общие принципы сигнализации в транкинговых радиосетях, имеются также спецификации для подвижных абонентов (МРТ 1343), для базовых станций (МРТ 1347), для оборудования транкинговой аппаратуры (МРТ 1352) и т.д.

Протокол МРТ 1327 сделан открытым, что дает право любым производителям выпускать как базовое оборудование, так и абонентские станции. Это обстоятельство сделало стандарт МРТ 1327 весьма популярным. Постепенно МРТ распространился и на другие диапазоны частот и в настоящее время транкинговая аппаратура стандарта МРТ 1327 выпускается для диапазонов 146-174, 300-380, 400-520 МГц и даже 800 Мгц. Предельные параметры систем МРТ-1327 (свыше 1 млн. абонентских адресов, до 1024 управляющих каналов и практически неограниченное количество рабочих каналов) позволяют строить транкинговые сети любого масштаба, вплоть до покрывающих целые регионы и страны.

К системам стандарта МРТ-1327, которые являются системами с закрепленным каналом управления, относятся ACTIONET фирмы NOKIA, ACCESNET фирмы ROHDE&SCHWARZ, TAITNET фирмы TAIT и другие.

Существуют три основных конфигурации транкинговых систем стандарта МРТ-1327:

Þ одноцентровая;

Þ многозоновая, включающая несколько одноцентровых;

Þ региональная, объединяющая несколько многозоновых систем.

Базовая станция одноцентровой системы состоит из ретрансляторов с канальными контроллерами (по одному на каждый канал) и контроллера центра. Один из каналов является управляющим, остальные - рабочими (каналами трафика). Управляющий канал используется для передачи служебной информации от контрольного центра абонентским станциям и обратно.

Многозоновая система состоит из нескольких одноцентровых (до 10) и центра управления системой, который по линиям связи соединяется с ретрансляторами. В отличие от сотовых сетей для межцентровых соединений могут быть использованы обычные телефонные линии, что позволяет снизить стоимость системы. Количество линий, соединяющих ретрансляционный центр с центром управления, может быть меньше числа каналов ретранслятора и определяется предполагаемым трафиком межцентровых соединений. Центр управления собирает и хранит информацию о местонахождении и перемещениях подвижных абонентов.

В системе стандарта МРТ 1327 один радиоканал выделяется под канал управления. Именно по этому каналу передается вся служебная информация (коды вызова, индивидуальные номера радиостанций, статусные сообщения и т.д.) между базой и абонентскими радиостанциями. Остальные каналы используются для обмена информацией.

Принцип действия системы протокола МРТ 1327 можно пояснить на примере соединения двух абонентов. В исходном состоянии все абонентские радиостанции в пределах зоны действия данной базовой станции находятся в режиме «дежурного приема» на частоте управляющего канала. На этом канале система постоянно передает сообщения типа ALOHA, т.е. приглашение на связь с уведомлением о времени ожидания ответа от абонентских станций.

Вызывающий абонент набирает на клавиатуре своей радиостанции номер нужного ему абонента и производит вызов. При этом его радиостанция посылает в ответ на очередную посылку ALOHA от базовой станции вызывную последовательность. Приняв вызов, базовая станция проверяет полномочия абонента по принципу «свой - чужой» и на том же управляющем канале вызывает второго абонента. Получив от него подтверждение о готовности к связи, базовая станция передает обеим радиостанциям команду перестроиться на один из свободных в этот момент каналов трафика. После чего обе радиостанции автоматически перестраиваются на указанный канал и начинают радиообмен.

При нажатии любым из абонентов клавиши «отбой» происходит автоматический возврат радиостанций в режим «дежурного приема» на управляющем канале. В случае, когда все каналы трафика заняты, базовая станция помещает поступающие вызовы в очередь на обслуживание и обрабатывает вызовы по мере освобождения каналов.

Типы протоколов

Известны две основные разновидности транкинговых систем протокола МРТ 1327, которые выпускаются рядом фирм, - это системы с архитектурой: централизованного управления и децентрализованного распределенного управления. К первым относятся системы ACCESSNET фирмы ROHDE&SCHWARZ, ACTIONET фирмы NOKIA некоторые другие. К системам с распределенным управлением относятся системы TAITNET фирмы TAIT, а также МРТ 1327, выпускаемые фирмами MOTOROLA и ZETRON.

В системах с централизованным управлением, типичным представителем которых является система ACCESSNET фирмы Rohde&Schwarz, базовый контроллер (сотовый контроллер) играет основную роль в работе системы. В этом контроллере сосредоточены как функции управления радиоканалами, так и блоки, реализующие обмен согласно протоколу МРТ 1327, интерфейсы для стыковки с телефонными сетями и т.д. Базовый контроллер также отвечает и за стыковку с другими сотами транкинговой сети.

Достаточно высокие цены на базовую аппаратуру систем ACCESSNET обусловлены прежде всего тем, что эти системы обладают широкими возможностями в плане построения многозоновых структур (например, на основе ACCESSNET можно построить транкинговую сеть, покрывающую всю европейскую часть России) и высоким качеством изготовления.

Следует отметить, что основными особенностями структуры с централизованным управлением являются наличие выходов в телефонные сети в каждой соте и возможность организации межсотовых связей, минуя коммутатор центральной (региональной) соты. Типовая структура многосотовой сети стандарта МРТ-1327 на базе оборудования ACCESSNET представлена на рис.7.

К системам с распределенным управлением относится система TAITNET. Это транкинговая система полностью соответствующая стандарту МРТ 1327, производится фирмой TAIT (Новая Зеландия). Система уникальна но сравнению с другими аналогичными системами с динамическим распределением каналов, поскольку архитектура сети основана на полностью распределенной коммутации. Это позволяет минимизировать число соединительных линий между базовыми радиостанциями, не требует использования мощных и, следовательно, дорогих центральных коммутаторов, тем самым существенно сокращает капиталовложения при организации инфраструктуры системы.

Транкинговая система TAITNET строится по модульному принципу, что обеспечивает возможность поэтапного развития. Система, построенная по данному принципу, позволяет гибко менять свою конфигурацию и размер в соответствии с требованиями заказчика.

В состав ретрансляционной базовой станции входят блок управления центра, контроллеры отдельных радиоканалов, приемопередатчики на каждый радиоканал и антенно-фидерные устройства.

Рис. 7. Многосотовая сеть стандарта МРТ – 1327

системы АССЕSSNЕТ

Один центр может содержать до 24-х радиоканалов. Один из каналов должен быть обязательно выделен в качестве управляющего, и использоваться для приема запросов от мобильных станций и передачи им управляющей информации. Остальные каналы центра используются непосредственно для осуществления радиосвязи (трафиковые каналы). Для обеспечения максимальной пропускной способности системы на этапе программирования ее работы задается, что если длина очереди запросов на соединение превысит некоторое пороговое значение, управляющий канал обязан перевестись в режим обслуживания трафика.

Каждый канал центра состоит из ретранслятора (приемопередатчика) и блока управления каналом (БУК). БУК обеспечивает прием и передачу управляющих данных по радио через управляемый им приемопередатчик, а также непосредственно реализацию протоколов МРТ 1327. БУК способен поддерживать как управляющий, так и трафиковый каналы, таким образом, управляющий канал может работать в трафиковом режиме и наоборот.

Первый случай имеет место при переполнении очереди запросов. При этом канал управления переходит в режим обслуживания трафика, а постановка на очередь новых запросов прекращается до освобождения хотя бы одного из каналов.

После этого мобильные радиостанции, работающие на канале управления, переводятся на освободившийся трафиковый канал, и канал управления вновь начинает использоваться по назначению. Перевод трафикового канала в режим управления происходит и при отказе штатного канала управления. Для контроля неисправностей приемопередатчика контроллер имеет дополнительные входы. Комбинация «ретранслятор + БУК» может работать в системе МРТ 1327 самостоятельно, если все остальные части системы выйдут из строя, но в этом случае межцентровые соединения будут недоступны, а учетные списки не ведутся. Все модули БУК многоканальной базовой радиостанции соединяются шиной передачи данных и подключаются к блоку управления центра, который является вторым уровнем управления.

Блок управления центра служит для обеспечения согласованной работы всех радиоканалов, входящих в центр, и хранения данных об абонентах системы. Этот блок реализует такие функции протокола МРТ 1327, как постановка в очередь на обслуживание, проверка абонента по принципу «свой - чужой» и т.д. Каждый канал может быть снабжен блоком линейного интерфейса, который обеспечивает для этого канала возможность подключения к телефонным сетям учрежденческой АТС и общего пользования, так и выход через этот канал на другие ретрансляционные центры. Обычно блоками линейного интерфейса снабжают все каналы, за исключением канала управления.

Блок управления центра работает под управлением центрального контроллера системы, но сохраняет работоспособность при отсутствии или неисправности центрального оборудования системы. При этом межцентровые и телефонные соединения невозможны.

Третьим уровнем распределенного управления является центр управления транкинговой системы, в который включаются контроллер центра управления и коммутатор НЧ сигналов. Центр управления нужен даже в случае односотовой транкинговой системы, потому что стыковка с линиями АТС осуществляется через его коммутатор. Для того чтобы транкинговая система полностью выполняла все функции протокола МРТ 1327, также необходим контроллер центра управления.

Центр управления может располагаться в помещении одной из базовых станций. Связь между блоками управления и контроллером центра управления осуществляется по последовательному интерфейсу RS-232 с использованием модемов и выделенной телефонной линии. Связь с блоками управления каналами производится по шине данных, объединяющей все цифровые устройства центра.

По транкинговой сети наравне с передачей телефонных сообщений возможна пересылка буквенно-цифровых сообщений, цифровых данных и сообщений статуса. Для приема этих сообщений мобильные радиостанции оснащаются информационным терминалом, оборудованным многострочным жидкокристаллическим дисплеем и функциональной клавиатурой. Рабочее место диспетчера включает в себя радиостанцию Т2040, оснащенную интерфейсом MAP 27 и подключенную к персональному компьютеру с программным обеспечением Inform Text Dispatch System.

Транкинговая сеть может быть использована для контроля местоположения транспортных средств и отображения их координат и состояния на электронной карте города в реальном масштабе времени. Одним из возможных применений является отслеживание транспортных средств инкассаторских служб, а также возможность мгновенного поиска автомобиля при его угоне.

Диспетчерская система состоит из центра (центров) управления и транспортных средств. Каждое транспортное средство должно быть оснащено радионавигационным датчиком, приемником GPS, контроллерами, радиостанцией Т2040. Центр управления имеет IBM PC совместимый компьютер, контроллер, радиостанцию. Элементами программного обеспечения компьютера являются электронная карта города и подпрограмма контроля местоположения транспортных средств.

Центр управления может быть как стационарным, так и мобильным. В соответствии с поставленной задачей центр управления опрашивает по радиоканалу контролируемые транспортные средства. Возможен циклический и однократный опрос подвижных объектов. Принимаемые данные отображаются в реальном времени на экране монитора в виде маркеров на электронной карте города. Устные распоряжения выдаются на подвижные объекты, используя тот же канал связи. При необходимости водители транспортных средств могут инициировать передачу сигналов тревоги, которые принимаются центром управления, при этом компьютер подает звуковой сигнал и отображает на электронной карте местоположение транспортных средств.

Любые транспортные средства и неподвижные объекты могут быть связаны с базой данных для оперативного отображения информации об объектах. Данные радиообмена с транспортными средствами могут записываться круглосуточно в целях последующего разбора службы по следующим параметрам: номер объекта, время, местоположение, состояние, маршрут движения.

Использование спектра частот

Оборудование системы может поставляться в широкополосной или узкополосной версии. Широкополосная версия имеет ширину канала 25 кГц, узкополосная - 12,5 кГц. Система может работать в следующих частотных диапазонах: 66 - 88, 136 - 174, 175 - 225, 330 - 380, 400 - 520 МГц.

Абонентское оборудование

Абонентское оборудование системы включает портативные радиостанции Т3040, Т3030 и автомобильный вариант Т2040.

Радиостанции Т3040 и Т3030 разработаны для работы в системе TAITNET и имеют режимы аналоговой телефонной связи и передачи статусных сообщений, а также передачи данных. Программирование радиостанции с помощью компьютера, подсоединение внешних аксессуаров, аппаратуры передачи данных осуществляется через стандартный интерфейс MAP 27, находящий в верхней части корпуса радиостанции.

Многофункциональный дисплей радиостанций позволяет отображать до двух строчек сообщений и осуществлять установки режимов работы радиостанции. Подсветка дисплея и клавиш позволяет легко работать в темное время суток. Клавиатура радиостанции позволяет набирать номера других абонентов системы и телефонные номера ТфОП. Радиостанции могут работать как в обычном, так и в транкинговом режимах, и имеют два микрофона, которые позволяют пользователю работать в режимах громкой связи или телефонной трубки.

Радиостанция Т2040 (автомобильный вариант) разработана для работы в системе TAITNET, имеет режимы аналоговой телефонной связи и передачи статусных сообщений (передачи данных).

Этот стандарт получил широкое распространение в России наряду с такими дешевыми псевдотранкинговыми системами, как SmarTrunk. Внедрением этого протокола активно занимается системный интегратор - фирма РКК. Так, например, в Иркутской области предусматривается строительство транкинговой сети на базе оборудования ACCESSNET, которое будет включать 13 зон и 80 пар дуплексных частот на первом этапе и 31 зону с использованием 146 пар частот при полном вводе в эксплуатацию. Сеть развертывается для обслуживания ВОЛС и ЛЭП. Система стандарта МРТ-1327 рассматривается как альтернатива при замене морально устаревшей системы SmarTrunk в ГУВД Санкт-Петербурга.

В последнее время в России появляются системы на базе оборудования ACCESSNETD, которые обеспечивают совместную работу как в аналоговом, так и в цифровом режимах. При использовании цифрового формата передачи система имеет следующие параметры: скорость передачи цифровых данных в канале (оцифрованный голос) составляет 4,8Кбит/с. При этом используется стандартная полоса 12,5 или 25 кГц. Такая низкая скорость передачи при высоком качестве достигается использованием современных алгоритмов оцифровки голоса. В составе базового оборудования применяются те же базовые станции, что и в аналоговых системах ACCESSNET, а также транкинговые контроллеры ММХ-64 и DMX-64.

Применяемые в ACCESSNET-D абонентские цифровые радиостанции производства компании DeTeWe автоматически переключаются в аналоговый режим, если их вызывают абоненты, оснащенные традиционными аналоговыми радиостанциями.

Система Гранит на основе протокола МРТ-1327

В конце 90-х г. г. в России создан комплекс средств ГРАНИТ, в котором для обеспечения связью подвижных объектов используется протокол МРТ-1327. Диапазоны рабочих частот связи (для базовых станций) 337 - 343 или 385 МГц (передача); 301 - 307 или 450 МГц (прием). Ширина частотного канала для передачи речи 25 и 12,5 кГц.

Дальность связи обеспечивается на расстоянии до 40 км от базовой станции в случае использования автомобильного абонентского терминала и до 7 км при использовании носимого терминала (трубка). Соответственно мощности передатчиков равны 40 Вт и 7 Вт. Сеть связи с подвижными объектами, построенная на комплексе средств связи ГРАНИТ может обеспечить обслуживание до 2000 подвижных абонентов.

Абонентам предоставляется три категории связи:

Þ связь внутри системы только с ее абонентами;

Þ связь внутри системы и с абонентами ТфОП, но без международной и междугородной связи;

Þ все виды связи без ограничений.

Предусмотрены организация 16 зон в системе с числом радиоканалов в каждой зоне до 8 и автоматическое переключение радиоканалов при переходе абонента из одной зоны в другую без перерыва в связи и соответственно определение местоположения (номера зоны) подвижного абонента. Таким образом, как и в сотовых сетях связи, предусмотрен handover.

Структурная схема комплекса ГРАНИТ представлена на рис.8. В его состав входят центральные коммутационные станции (ЦКС), центры управления системой (ЦУС), коммутационное оборудование (КО) базовых станций, базовые станции (БС), абонентские станции (АС). Комплекс может быть привязан к ТфОП по 4-м цифровым трактам. Предусмотрен, в случае отсутствия ЦКС, автономный режим работы КО. При этом КО соединяется с автоматической телефонной станцией (АТС) по одному цифровому тракту. В качестве АТС предусматривается ДХ-200, для чего предусмотрено использование аппаратуры ИКМ-30/4 для сопряжения. В качестве ЦКС используется аппаратура АТС ЛЕСКО, ГРАНИТ-АТС и концентратор ГРАНИТ-В113. В составе комплекса может быть развернуто до 4-х ЦКС.

АТС «Леско» - автономная цифровая телефонная станция, включающая 18 абонентских модулей. Стационарный коммутатор ГРАНИТ- АТС - автоматическая цифровая телефонная станция средней емкости (128 - 2000 абонентов) с возможностью подключения ручных коммутаторов, аппаратуры дальней связи, радиорелейной связи, тропосферных станций. Стационарный концентратор ГРАНИТ-В 113 - АТС малой емкости (16 - 64 абонента) с возможностью подключения ручных коммутаторов.

В качестве центра управления системой используется ЭВМ. В состав комплекса может входить до 3-х ЦУС (1 основной и 2 резервных). Центры управления системой могут быть совмещенными с ЦКС или вынесенными. Основными функциями ЦКС являются:

Þ прием и обработка сигналов взаимодействия и управления, поступающих от АТС и от абонентских станций;

Þ управление процессом переключения каналов при переходе абонента во время разговора из одной зоны в другую;

Þ повременный учет и тарификация переговоров, ограничение длительности переговоров с установкой длительности ограничений;

Þ сбор, обработка, отображение и документирование данных о состоянии сети связи и нагрузках;

Þ дистанционное управление КОБС и ЦКС;

Þ обеспечение взаимосвязи операторов.

Коммутационное оборудование БС может быть совмещено с базовой станцией или вынесено. В качестве вынесенного КО применяется возимый транзитно-оконечный коммутатор ГРАНИТ-ТОК, а также стационарные коммутаторы: ГРАНИТ-АТС и концентратор ГРАНИТ-В 113. В составе сети может быть до 16-ти единиц КО.

В качестве БС в комплексе используется аппаратура ГРАНИТ-БС4М. Аппаратура выполнена в стационарном и возимом вариантах. Возимая базовая станция имеет встроенный транзитно-оконечный коммутатор. Диапазоны рабочих частот БС: передачи 385 - 388 МГц, приема 447 - 450 МГц.

Базовые станции имеют в своем составе 4 приемопередатчика, работающие на одну антенну, с выходной мощностью до 40 Вт. Антенны могут иметь круговую диаграмму направленности или быть направленными.

Абонентские станции могут быть двух типов: возимые (ГРАНИТ-ВВ4М) и носимые (ГРАНИТ-ВВ5М).

Диапазон рабочих частот абонентских станций соответственно: передача 447 - 450 МГц, прием 385 - 388 МГц. Мощности передатчиков абонентских станций: ГРАНИТ-ВВ5М» - 1 Вт, ГРАНИТ-ВВ4М до 20 Вт.

Обобщенная структурная схема ССПО ГРАНИТ

Рис. 8. Структурная схема ССПО ГРАНИТ

4.4.6. Система стандарта ТЕТRА

Стандарт TETRA (Terrestrial Trunked Radio) - наземное транкинговое радио) разрабатывался на основе технических решений и рекомендаций GSM, создавался как единый общеевропейский цифровой стандарт.

Транкинговые системы, использующие стандарт TETRA, эффективно и экономно поддерживают коллективное использование сети различными организациями, осуществляя взаимную секретность и безопасность. Виртуальная организация сети в стандарте TETRA позволяет каждой организации работать независимо, но получать преимущества большой высокоуровневой системы с эффективным распределением ресурсов.

В современных условиях очень важна совместимость сетей различных типов, что было принято во внимание при разработке технологии TETRA. Сети TETRA облегчают соединение с внешними сетями, и в частности, с ТфОП, частными телефонными сетями, сетями передачи данных. Качество соединений будет зависеть только от величин управляющей и контрольной систем сети. Все эти соединения могут быть доступны и с мобильного радиотерминала.

В системах стандарта TETRA информационный обмен обеспечивается с помощью так называемых служб телесервиса. Предусматриваются два вида информационного обмена: передача речи и передача данных.

Передача речи

Для передачи речи используются службы речевой связи, которые обеспечивают три вида режимов: речевая связь с индивидуальным вызовом абонентов; многосторонняя речевая связь, предусматривающая групповой вызов абонентов; широковещательная передача речи.

Режимы речевой связи обеспечивают передачу открытой речевой информации и защищенной с помощью определенных алгоритмов шифрования.

Индивидуальный вызов предусматривает соединения между двумя мобильными или между мобильным и стационарным абонентами для обеспечения прямой двусторонней связи. Обмен информацией обеспечивается либо в дуплексном режиме, либо в режиме 2-частотного симплекса. В качестве стационарных абонентов могут выступать абоненты: ТфОП, учрежденческих, мобильных и других сетей.

Групповой вызов предполагает возможность установки коммутируемого двунаправленного соединения между вызывающей стороной и несколькими абонентами, расположенными во многих пунктах. Обмен информацией после группового вызова производится только в режиме 2-частотного симплекса. При этом обмен сообщениями между абонентами осуществляется в режиме «каждый слышит каждого».

Групповой вызов может быть инициирован либо мобильным абонентом, либо диспетчером сети с помощью линейного терминала. Инициатор группового соединения несет ответственность за все аспекты соединения (начисление оплаты, возможность использования вспомогательных служб и др.). В определенных ситуациях вызывающий абонент может передавать свои полномочия по установлению группового соединения другому члену группы с помощью вспомогательной службы передач управления. При этом предполагается, что новый вызывающий имеет полномочия, аналогичные полномочиям инициатора соединения.

Для установления группового соединения используется так называемый групповой номер, который присваивается каждому мобильному абоненту оператором сети двумя способами: статическим при проектировании системы и динамическим, присваиваемым по радиоканалу, при модификации групп абонентов.

Групповой вызов передается всеми базовыми станциями, в зонах действия которых зарегистрированы мобильные абоненты данной группы.

Существует два вида групповых вызовов: стандартный, который предназначен для быстрого установления соединения, и его прерывание возможно только инициатором группового соединения и групповой с подтверждением, который требует большего времени на организацию соединения, но обеспечивает проверку присутствия всех абонентов группы.

При групповом вызове с подтверждением работа системы происходит следующим образом. Вызывающий абонент посылает в сеть групповой вызов с подтверждением, после чего начинается вызов членов группы. Если отсутствует список членов группы, об этом сообщается инициатору сообщения. Каждый член группы, получивший сигнал вызова, посылает сигнал подтверждения и переходит в режим речевой связи в выделенном канале. Сообщения об отсутствии абонентов или их занятости передаются на терминал инициатора сообщения. После этого инициатор сообщения принимает решение начать передачу либо прервать соединение, если, по его мнению, число абонентов недостаточно.

В стандарте TETRA предусмотрено подключение к группе абонента, который был занят в момент установления соединения, с помощью использования одной из вспомогательных служб.

Широковещательный вызов предназначен для организации односторонней передачи речевой информации от вызывающей стороны нескольким вызываемым абонентам. Этот вызов и последующая передача информации производятся в симплексном режиме. Он может быть инициирован как мобильным абонентом, так и диспетчером с помощью соответствующего терминала.

Вызываемые абоненты обычно называются широковещательной группой. Эта группа может содержать мобильных и стационарных абонентов, имеющих один общий широковещательный номер, который может совпадать с номером, присвоенным для группового вызова.

Если подвижные абоненты зарегистрированы в зонах действия нескольких базовых станций, вызов может быть послан на все базовые станции. Диспетчер сети может выбрать режим стандартного широковещательного вызова или широковещательного вызова с подтверждением. Широковещательное соединение может быть прервано только инициатором вызова.

Передача данных

В случае передачи данных могут быть рассмотрены две спецификации «TETRA V+D» (TETRA Voice + Data) - стандарт интегрированной передачи речи и данных и TETRA-PDO (TETRA Packet Data Optimized) - стандарт для специальной системы передачи данных. В данном случае рассматривается только стандарт «TETRA V+D», имеющий несколько служб передачи данных в режимах:

Þ коротких массивов данных (SDS - Short Data Service);

Þ коммутации каналов (CDM - Circuit Mode Data);

Þ коммутации пакетов (PMD - Packet Mode Data).

Служба передачи данных в режиме передачи коротких массивов обеспечивает передачу обобщенных массивов данных до 128 Байт по заданному адресу. Обработка и вывод этих данных на какую-то систему отображения (например, дисплей) является делом конкретного пользователя. На базе этой службы могут быть созданы различные приложения к системе, например, автоматического определения координат объекта (AVL - Automatic Vehicle Location). Как и в случае передачи речи, короткие массивы данных могут передаваться для отдельных абонентов или групп.

Функционирование служб передачи коротких массивов данных не требует поддержки в виде выключения других служб передачи данных. Это позволяет пользователю, в случае необходимости, покупать не полный комплект аппаратуры стандарта TETRA, а только комплект, поддерживающий базовые возможности, чего вполне достаточно для работы службы SDS.

Служба передачи данных в режиме коммутации каналов обеспечивает передачу данных произвольной длины. Она используется в условиях, когда на величину задержки передачи данных накладываются жесткие ограничения или сообщения имеют квазинепрерывный характер, т.е. канал передачи данных занят передачей сообщений почти непрерывно.

В стандарте TETRA предусмотрены различные способы защиты информации от помех в радиоканале, а также несколько вариантов использования полосы пропускания радиоканала. Если пользователь готов с помощью собственных аппаратно-программных средств обеспечить достоверность пакетов данных, то система TETRA может предоставить прозрачный канал связи, не внося избыточных (дополнительных) символов в код. В этом случае скорость передачи данных при использовании одного временного интервала в кадре составляет 7,2 кбит/с. Для повышения скорости система выделяет пользователю до 4-х временных интервалов, когда один абонент полностью использует один частотный канал системы. Если пользователь не хочет обеспечивать достоверность информации собственными средствами, он может воспользоваться услугой помехоустойчивого кодирования, вводя в код избыточные (дополнительные) символы.

Служба передачи данных в режиме коммутации пакетов является наиболее универсальной. Принцип коммутации пакетов, как и в других сетях передачи данных, состоит в разделении сообщения на отдельные части: пакеты с последующим использованием метода коммутации с накоплением. Суть его состоит в том, что пакеты накапливаются в центрах коммутации и далее передаются по сети. Кроме информационной части, в состав сообщения входит служебная, включающая адрес получателя и набор служебных признаков, обеспечивающих автоматизированную обработку сообщений в центрах коммутации пакетов.

В рамках службы PMD пользователю могут быть предоставлены два типа услуг передачи данных в режиме коммутации пакетов: с установлением логического соединения и без него.

Основное назначение услуги передачи данных в режиме PMD с установлением логического соединения - представление сети для передачи пакетов протокола Х.25 (протокол передачи данных в режиме пакетной коммутации с коррекцией ошибок, получивший широкое распространение в крупных сетях (государственные, корпоративные), где требуется гарантированное качество обслуживания). Стек протоколов «TETRA V+D» предусматривает для ретрансляции пакетов протокола Х.25 протокол CONP (Connection Oriented Network Protocol - сетевой протокол, ориентированный на установление логического соединения). Как следует из названия протокола CONP, он позволяет организовать в системах «TETRA V+D» логические соединения между любыми двумя абонентами как мобильными, так и стационарными, соединенными наземными линиями связи.

В абонентской радиостанции и инфраструктуре системы «TETRA V+D» с помощью маршрутизатора осуществляется взаимопреобразование протоколов Х.25 и CONP. Длина пакетов протокола Х.25 может варьироваться в пределах, от 16 до 4096 Байт.

Еще одна сфера применения протокола CONP - обслуживание пользовательских систем, использующих протокол Х.25. В этом случае одной из функций абонентской радиостанции является сборка/разборка пакетов.

Для передачи пакетов протокола CONP могут быть использованы временные интервалы в каждом кадре или по одному интервалу 1 раз в нескольких кадрах.

В качестве сетевого протокола установления логического соединения принят специально разработанный протокол SCLNP(TETRA Specific Network Protocol). Это адаптированный для стандарта TETRA протокол CLNP, который включает дополнительные услуги, свойственные транкинговым системам.

Использование спектра частот

Для систем стандарта TETRA могут использоваться диапазоны частот от 150 до 900 МГц, однако реально в Европе за службами безопасности закреплены диапазоны 380 - 385/390 - 395 МГц, а для коммерческих организаций предусмотрены диапазоны 410 - 430/450 - 470 МГц и 870 - 876/915 - 921 МГц.

В системах стандарта TETRA используется метод временного разделения каналов. На одной частоте организовано 4 физических канала, т.е. 4 временных интервала (слота), которые составляют кадр длительностью 56,67 мс, соответственно 18 кадров - мультикадр. Слот содержит 510 бит информации, из которых 432 информационные.

В начале временного интервала передается пакет 36 бит, предназначенный для установки мощности излучения, далее следует первый информационный блок 216 бит, синхропоследовательность 36 бит, второй информационный блок 216 бит и, наконец, защитный блок 6 бит, исключающий перекрытие соседних каналов. В частотной области выделенный диапазон частот разделен на отдельные каналы с шириной полосы 25 или 12,5 кГц.

Структура сети

Благодаря модульному принципу изготовления оборудования, сети связи стандарта TETRA могут быть построены с различными иерархическими уровнями и различным географическим расположением (от локального до национального). Структура сети может быть построена на основе сравнительно небольших, но полных подсетей ТЕТRА (рис. 11), соединенных друг с другом с помощью межсистемного интерфейса для создания общей сети. Под подсетью обычно понимают автономную сеть, состоящую из следующих элементов:

Þ базовой приемопередающей станции (BTS - Base Transceiver Station), обеспечивающей связь в определенной зоне (ячейке), основные функции которой состоят в обеспечении связи с мобильными станциями пространственно разнесенного радиоприема, управлении выходной мощностью мобильных станций и радиоканалами, шифровании сигналов;

Þ устройства управления базовой станцией (BCF - Base Station Control Function) - представляет элемент сети с коммутационными возможностями, который управляет несколькими базовыми станциями и обеспечивает доступ к внешним сетям (например, ТфОП, ЦСИО и др.).

Рис. 11. Структура сети

Þ контроллера базовой станции (BSC- Base Station Controller), имеющего гибкую модульную структуру, обладающего большими по сравнению с BСF коммутационными возможностями, позволяющего обмениваться данными между несколькими BСF, так же как и BСF, обеспечивающий доступ к внешним сетям и дополнительно имеющий возможность выполнять функции сопряжения с другими подсетями TETRA и управления базами данных;

Þ диспетчерский пульт, подключенный к контроллеру базовой станции по проводной линии связи и обеспечивающий обмен информацией между оператором (диспетчером) и пользователями, в частности, для широковещательного и группового вызовов и др.

Þ мобильные и стационарные радиостанции (MS - Mobile Station, FRS - Fixed Radio Station) терминал технического обслуживания и эксплуатации, подключенный к BSF и предназначенный для контроля за состоянием системы, проведения диагностики неисправностей, учета тарификационной информации, внесения изменений в базу данных и т.п.

5. Контрольные вопросы

1. Дайте характеристику общих требований к транкинговым системам.

2. Каковы принципы построения и функционирования транкинговых систем?

3. Дайте характеристику режимов работы транкинговых систем.

4. Какова классификация транкинговых систем?

5. Каковы принципы построения системы ВОЛЕМОТ?

6. Дайте характеристику системы АЛТАЙ.

7. Поясните структуру сети АЛТАЙ.

8. Дайте характеристику системы стандарта SMARTRUNK.

9. Поясните структурную схему сети стандарта SMARTRUNK.

10. Каковы отличия системы SmarТrunk II от системы SMARTRUNK?

11. Дайте характеристику системы стандарта МРТ 1327.

12. Каковы конфигурация транкинговых систем протокола МРТ 1327?

13. Каковы разновидности транкинговых систем протокола МРТ 1327?

14. Поясните работу типовой структуры многосотовой сети стандарта МРТ 1327 на базе оборудования АССЕSSNЕТ.

15. Дайте характеристику абонентского оборудования АССЕSSNЕТ.

16. Поясните принцип передачи речи в стандарте TETRA.

17. Поясните принцип передачи данных в стандарте TETRA.

18. Какова структура сети стандарта TETRA?

Литература

1. Бабков В.Ю., Вознюк М.А., Дмитриев В.И. Системы мобильной связи. / СПб ГУТ, - СПб, 1999.

2. Бабков В.Ю., Воробьев О.В., Певцов Н.В., Петров Д.А., Сиверс М.А. Транкинговые системы связи. СПб.: Судостроение, 2000.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДОВ КОДИРОВАНИЯ РЕЧЕВЫХ

СИГНАЛОВ В СТАНДАРТЕ ТЕТRА

ТРАНКИНГОВЫХ СЕТЕЙ

1. Цель работы

Изучить структуру кодера ТЕТRА и канальное кодирование.

2. Задание

1. Ознакомиться с общим описанием алгоритма кодирования речевого сигнала.

2. Изучить блок-схему декодера речевого сигнала в стандарте ТЕТRА.

3. Ознакомиться с канальным кодированием.

4. Изучить особенности канального кодирования для различных логических каналов.

5. Составить отчет.

3. Содержание отчета

1. Название и цель работы.

2. Зарисовать блок-схему декодера речевого сигнала в стандарте ТЕТRА.

4. Краткая теория

Под термином "транкинг" понимается многостанционный доступ или полнодоступное подключение большого количества абонентов к ограниченному числу каналов связи. Термин происходит от английского Тгunk (пучок), т.е. "транкинг" - это процесс "пучкования", создания пучков. Термин "Тгunking Systems" является не совсем корректным. Более точным следует считать "Тгunking Systems", который переводится как "транковые системы" и обозначает специальную систему радиосвязи предназначенную для предоставления услуг радиосвязи подвижным абонентам на основе реализации динамического многостанционного доступа с ограниченным выходом или без выхода на телефонную сеть общего пользования.

В соответствии с "Концепцией использования в России транкинговых систем связи" (Вестник связи № 9, 1995г.) транкинговая сеть может считаться сетью связи общего пользования ТСС ОП, если она отвечает ряду требований.

Данные требования соответствуют рекомендациям МСЭ Q 11001, в которых указано, что сети радиотелефонной связи общего пользования и абоненты таких сетей должны являться продолжением телефонной сети общего пользования или иметь ее нумерацию.

Несмотря на разнообразие транкинговых систем, все они построены по одним и тем же принципам. Транкинговая система может быть многозоновой и однозоновой. В каждой зоне устанавливается БС (ретрансляторы), через которую обеспечивается радиосвязь с абонентами системы. В качестве абонентских устройств в транкинговых системах используют автомобильные или портативные радиостанции, работающие в симплексном, дуплексном или полудуплексном режиме.

В транкинговых системах, как и в сотовых, обеспечивается роуминг - возможность переключения абонента на свободный канал, доступный в данный момент в новой зоне связи, с автоматической сменой частоты. Однако смена частоты иногда сопровождается потерей связи, что приводит к необходимости повторного вызова.

Одним из главных признаков транкинговой системы является возможность группирования абонентов, объединенных общими интересами, По этой причине трафик в основном замыкается внутри транкинговых сетей (до 90%) и выход большинства абонентов на ТФ ОП предполагается в исключительных, случаях. Предоставление разного набора услуг пользователям находится в зависимости от приоритетов, установленных внутри системы.

Особенностью транкинговых систем является то, что в них предусмотрена возможность обеспечения связи между абонентами системы без выхода на ретрансляторы, что в системах, ориентированных на организацию сетей связи общего пользования, отсутствует.

Стандарт ТЕТRА является первым и единственным утвержденным стандартом на цифровой транкинг в Европе. Поэтому в настоящее время ТЕТRА расшифровывается как Наземное Транкинговое Радио (TErrestrial Trunked RAdio). Стандарт установлен ЕТSI (Европейским Институтом телекоммуникационных стандартов), который координирует деятельность производителей оборудования, операторов сетей, национальных администраций и пользователей. Стандарт прошел через тщательную процедуру утверждения, что гарантирует ТЕТRА высокое качество.

4.1. Oбщее описание алгоритма кодирования

речевого сигнала СЕLР

Для кодирования (информационного уплотнения) речевых сигналов в стандарте ТЕТRА используется кодер с линейным предсказанием и многоимпульсным возбуждением от кода - СЕLР (Соdе Ехсited Linear Ргеdiction). Данный метод кодирования основан на линейной авторегрессионной модели процесса формирования и восприятия речи и входит в группу т.н. методов анализа через синтез, реализующих современные и эффективные алгоритмы информационного уплотнения речевых сигналов. Алгоритмы данного класса занимают промежуточное положение между кодерами формы сигнала, в которых сохраняется форма колебания речевого сигнала в процессе его дискретизации и квантования, и параметрическими вокодерами, основанными на процедурах оценки и кодирования небольшого числа параметров речи, объединяя преимущества каждого из них.

Линейная авторегрессионная модель процесса формирования речевых сигналов с локально постоянными на интервалах 10-30 мс параметрами получила в настоящее время наибольшее распространение. Для этой модели:

(1),

где М - порядок модели, s(п) - последовательность отсчетов речевого сигнала, а(т) - коэффициенты линейного предсказания, характеризующие свойства голосового тракта, а х(п) - порождающая последовательность или сигнал возбуждения голосового тракта. Авторегрессионная модель речевого сигнала описывает его с достаточно высокой степенью точности и позволяет применять развитый математический аппарат линейного предсказания. При этом обеспечивается более высокое качество декодированной речи, устойчивость к входному акустическому шуму и ошибкам в канале связи, чем в системах с иными принципами кодирования.

В рамках данной модели наиболее перспективными методами кодирования считаются методы анализа через синтез с использованием многоимпульсного возбуждения от кода. Новизна многоимпульсного возбуждения заключается в том, что в сигнале остатка линейного предсказания выбираются такие его значения, которые наиболее важны для повышения качества синтезированной речи. При этом используемая в процедуре анализа через синтез схема кодирования, помимо учета ошибок квантования, включает критерии субъективной оценки качества речевого сигнала, что обеспечивает естественное звучание синтезированной речи.

При многоимпульсном возбуждении сигнал остатка линейного предсказания представляется в виде последовательности импульсов с неравномерно распределенными интервалами и с различными амплитудами (около 8-10 импульсов за 10 мс). Амплитуды и положения этих импульсов определяются на покадровой основе (кадр за кадром). Основным преимуществом многоимпульсного возбуждения является то, что оно определяется для любого речевого сегмента и при этом не требуется знаний ни о вокализованности данного сегмента, ни о периоде основного тона.

Методы анализа через синтез используют синтезатор (декодер) речевого сигнала как составную часть устройства кодирования. При этом задача анализа сводится к процедуре оценки передаваемых в канал связи параметров речи, проводимой в соответствии с некоторым критерием рассогласования между исходным и декодированным сигналами. Для учета специфики слухового восприятия в качестве критерия рассогласования обычно используется взвешенная по частоте квадратическая ошибка

(2),

где S(f) и S_q(f) - преобразование Фурье исходного и синтезированного речевых сигналов, a W(f) -весовая функция. Принимая во внимание важность для восприятия речи не только формант, но и межформантных областей, для алгоритмов анализа речи через синтез Этолом была предложена весовая функция следующего вида

(3),

где A^-1(z) - синтезирующий фильтр, а - параметр, регулирующий энергию ошибки или шум квантования. Фактически при таком взвешивании подчеркивается ошибка в межформантных областях и тем самым обеспечивается более равномерное по частоте распределение отношения мощности полезного сигнала к мощности ошибки кодирования.

В алгоритмах кодирования с анализом через синтез повышение эффективности информационного уплотнения речевых сигналов производится, преимущественно, за счет сокращения избыточности последовательности х(п), которая осуществляет возбуждение синтезирующего фильтра A^-1(z) линейного предсказания, формирующего огибающую сигнала, с коэффициентом передачи

(4).

Для этой цели применяется также дополнительный фильтр с характеристикой

(5),

с одним коэффициентом предсказания g_p и задержкой на период основного тона Т. Он выполняет функции генератора квазипериодических колебаний голосовых связок при произношении вокализованных звуков.

В зависимости от способа описания сигнала х(п), поступающего на вход фильтра (5), можно выделить алгоритмы кодирования с возбуждением прореженной последовательностью импульсов - MPLP (Multi Pulses Linear Prediction), с самовозбуждением - SELP (Self Excited Linear Prediction), и наконец, с возбуждением от кода - CELP. Экспериментально установлено, что кодовое возбуждение обеспечивает наиболее высокое качество декодированного речевого сигнала, в том числе и при наличии входных акустических помех.

Метод CELP был предложен Этолом и Шредером в 1984 г. Наиболее эффективно применение этого метода при передаче речевого сигнала в диапазоне скоростей от 4 до 16 Кбит/с.

Базовая структурная схема передающей (а) и приемной (б) частей CELP-кодера показана на рис. 1.

Рис. 7.1. Структурная схема передающей и приемной частей CELP-кодера

По существу, в алгоритме CELP производится векторное квантование последовательности х(п), т.е. позиции импульсов и их амплитуды в сигнале многоимпульсного возбуждения оптимизируются одновременно. При этом отрезок (сегмент) сигнала возбуждения выбирается из предварительно сформированной постоянной совокупности - кодовой книги, содержащей достаточно большое количество реализаций, например, некоррелированного гауссовского шума. Выбранная реализация усиливается и подается на вход цепочки фильтров (5) и (4).

Поиск оптимальных значений g_p и Т синтезатора основного тона, коэффициента усиления и номера элемента кодовой книги осуществляется посредством анализа через синтез. В целом, в канал связи передаются номер (индекс) элемента кодовой книги с соответствующим коэффициентом усиления, параметры синтезатора основного тона, а также коэффициенты линейного предсказания, характеризующие состояние голосового тракта.

4.2. Структура кодера TETRA

В стандарте TETRA используется CELP-кодер со скоростью преобразования 4,8 Кбит/с. На рис. 2 показана упрощенная блок-схема декодера (синтезатора), используемого в CELP-кодере TETRA.

Основными узлами схемы декодера являются 2 синтезирующих фильтра с большой и малой постоянной времени и алгебраическая кодовая книга.

Фильтр с большой постоянной времени выполняет функцию долговременного предиктора (Long Term Preductor), моделирует квазипериодичность (долговременные корреляции) речевого сигнала и имеет характеристику (5). Он выполнен на основе адаптивной кодовой книги, содержащей сигналы возбуждения и реализующей генерацию квазипериодических колебаний голосового тракта.

Фильтр с малой постоянной времени выполняет функцию кратковременного предиктора (Short Term Preductor), моделирует кратковременные корреляции, т.е. корреляции между отсчетами речевого сигнала, и имеет характеристику (4) с порядком предсказывающего устройства, соответствующим М=10. В синтезаторе TETRA используется весовая функция (3) со значением коэффициента =0,85.

Алгебраическая (постоянная) кодовая книга содержит совокупность векторов возбуждения, представляющих собой последовательности с белым гауссовским распределением с нулевым средним значением и единичной дисперсией. Она служит для реализации первого этапа генерации возбуждающего сигнала. На втором этапе производится коррекция возбуждающего сигнала путем добавления к нему данных из адаптивной кодовой книги. Сформированная в итоге возбуждающая последовательность поступает на вход синтезирующего фильтра A^-1(z), где вычисляются значения выходного речевого сигнала в соответствии с выражением (1).

Рис. 2. Блок-схема декодера речевого сигнала в стандарте TETRA

В кодере TETRA производится оценка М=10 коэффициентов линейного предсказания и анализ возможных значений параметра синтезатора (индекса k_c и коэффициента усиления g_c алгебраической кодовой книги и индекса k_p и коэффициента усиления g_p адаптивной кодовой книги), целью которого является минимизация взвешенной ошибки рассогласования между входным и синтезированным речевыми сигналами. Полученные при этом оптимальные параметры синтезатора квантуются и передаются в канал связи. Обработка сигналов в кодере и декодере производится по блокам. Длительность основного блока составляет 30 мс, что соответствует 240 отсчетам при частоте дискретизации 8 кГц. Для каждого такого блока формируется кадр передаваемой в канал связи информации объемом 137 бит, что обеспечивает скорость передачи информации 4567 бит/с. Оценка коэффициентов линейного предсказания выполняется один раз на всем блоке, а оптимизация остальных параметров синтезатора выполняется на сегментах длительностью 60 отсчетов, т.е. 4 раза на блок.

КАНАЛЬНОЕ КОДИРОВАНИЕ

Общая структура канального кодирования

Для защиты от ошибок в каналах радиосвязи систем стандарта TETRA используется помехоустойчивое канальное кодирование сигнала, которое осуществляется путем введения в состав передаваемого сигнала достаточно большого объема дополнительной (избыточной) информации.

В стандарте TETRA канальное кодирование реализуется в виде 4-х процедур:

Þ блочного кодирования (block-encoding);

Þ сверточного кодирования (convolutiona! encoding);

Þ перемежения (interleaving);

Þ скремблирования (scrambling).

При блочном кодировании входная информация разбивается на блоки по k символов, которые преобразуются по определенному закону в п-символьные блоки, где n>k. Блочное кодирование предназначено, в основном, для обнаружения одиночных и групповых ошибок в канале связи, и в определенных случаях их исправления.

Рис. 3. Общая схема канального кодирования в стандарте TETRA

При сверточном кодировании каждый символ входной информационной последовательности, состоящий из k бит, преобразуется в п-битовый символ выходной последовательности, причем n>k. Сверточное кодирование является мощным средством борьбы с одиночными ошибками, хотя и не обеспечивает их обнаружения.

При перемежении производится изменение порядка следования символов информационной последовательности таким образом, что стоявшие рядом символы, оказываются разделенными несколькими другими. Перемежение обеспечивает преобразование групповых ошибок в канале связи в одиночные.

Скремблирование состоит в преобразовании входной информационной последовательности в выходную путем ее побитного сложения по модулю 2 со специально формируемой шифровальной последовательностью. Скремблирование используется для определенной защиты передаваемой информации, а также для аутентификации абонентов.

Структура канального кодирования, представленная на рис. 3, является общей для всех типов логических каналов, хотя параметры каждой из процедур канального кодирования для различных логических каналов, как правило, отличаются. Поэтому в дальнейшем будут приведены общие алгоритмы преобразований по каждой из процедур, а затем указаны параметры этих преобразований для каждого типа логического канала.

Стандарт TETRA описывает процесс канального кодирования как последовательное преобразование данных на 4-х уровнях, при этом входные данные обозначаются, как биты типа 1 в блоках типа 1, данные после блочного кодирования - биты типа 2 в блоках типа 2 и т.д. После блочного кодирования к битам, закодированным блочным кодом, добавляются т.н. «хвостовые» биты.

Для дальнейшего описания процедур канального кодирования введем следующие обозначения:

Þ х - Порядковый номер типа бит и блоков, х = 1, 2, 3, 4, 5;

Þ Кх - число битов, переносимых одним блоком типа х;

Þ k - номер бита, k = 1, 2, ..., Кх;

Þ b_x(k) - бит типа х с номером k в блоке типа х.

Блочное кодирование

Блочный кодер обозначается (К2, К1), где К1 - число символов в блоке входной последовательности, а К2 - число символов в блоке выходной последовательности. Отношение R=K1/K2 носит наименование скорости кодирования (coding rate) и характеризует меру избыточности, вносимую кодером.

При блочном кодировании в стандарте TETRA используется двоичный систематический кодер, т.е. кодер, у которого каждый символ входной и выходной последовательности соответствует одному биту, а в состав блока выходной информации полностью включается блок входной информации, который дополняется р-битовым кодом циклического контроля избыточности (CRC - Cyclic Redundancy Check). Таким образом, К1 битов типа 1 преобразуются в К2 бит типа 2, где К2 = К1 + р.

Сверточное кодирование

Сверточное кодирование обеспечивает преобразование К2 входных бит типа 2, полученных в результате блочного кодирования, в КЗ бит выходной последовательности, причем КЗ > К2. Каждый бит выходной последовательности получается как результат суммирования по модулю 2 нескольких следующих друг за другом битов входной последовательности.

Сверточные кодеры обычно обозначаются как (n, k, K), где п - количество бит в одном символе выходной последовательности, которые формируются за один такт работы кодера (соответствует числу сумматоров по модулю 2 в схеме кодера); k - количество бит в одном символе входной последовательности, поступающих на вход кодера за один такт; К - длина ограничения (constraint length), т.е. числовое значение, соответствующее длине сдвигового регистра, который участвует в формировании одного выходного символа. (Символы могут состоять из одного или нескольких бит.) При этом отношение R = k/n, как и в блочном кодере, называется скоростью кодирования.

Однако, поскольку в стандарте TETRA непосредственно сверточное кодирование дополняется процедурой прореживания полученной информации, изменяющей количество бит выходной последовательности, под скоростью кодирования будем понимать отношение суммарного количества бит входной последовательности к суммарному количеству бит выходной последовательности (К2/КЗ).

В связи с тем, что объемы блоков, а также требования по помехоустойчивости и скорости передачи информации в разных логических каналах отличны друг от друга, сверточные коды для этих логических каналов также различаются. Сверточное кодирование в стандарте TETRA состоит из двух процедур:

Þ кодирования «материнским» кодом с фиксированной скоростью (для канала речевых сообщений TCH/S она соответствует 1/3, для всех остальных каналов - 1/4);

Þ перфорирования (прореживания, выкалывания) полученной последовательности, т.е. пропуска некоторых кодированных символов с целью приведения структуры размещения бите соответствие со структурой кадра. Изменение алгоритмов перфорирования позволяет обеспечить различную скорость сверточного кодирования для разных логических каналов.

Перемежение

При перемежении обеспечивается преобразование КЗ бит входной последовательности, полученной в результате сверточного кодирования, в К4 бит выходной последовательности, причем КЗ = К4, т.е. перемежение не вносит в сигнал избыточность, а только производит перестановку битов в информационном блоке.

Перемежение используется для преобразования групповых ошибок, возникающих в канале связи из-за наличия глубоких замираний сигнала в условиях многолучевого распространения, в одиночные, с которыми легче бороться с помощью блочного и сверточного кодирования.

В стандарте ТЕТRА применяется 2 вида перемежения: блочное и перемежение по N блокам.

Блочное перемежение

Блочный перемежитель обозначается (K, J), где К означает количество бит во входном информационном блоке, a J - количество бит, на которое разносятся соседние для входного блока биты. При блочном перемежении биты выходного блока соответствуют битам входной последовательности, т.е.

b₄(k) == b₃(i) (i = 1, 2,…, К-1)

производится по следующему правилу:

k = 1 + ((J*i) mod К).

Работу схемы блочного перемежителя можно представить как проведение последовательной построчной записи входной информационной последовательности в матрицу, в которой длина строки соответствует J (число столбцов (К div J + 1)), а затем считывания записанной информации по столбцам.

Блочное перемежение с различными параметрами преобразования используется в каналах связи

Скремблирование

Скремблирование обеспечивает преобразование К4 битов входного информационного блока, поступающего от перемежителя, в К5 бит выходного блока путем побитового сложения по модулю 2 с шифровальной последовательностью.

Порождающий полином шифровальной последовательности имеет вид

C(X)=1+X+X²+X⁴+X⁵+X⁷+X⁸+X¹⁰+X¹¹+X¹²+X¹⁶+X²²+X²³+X²⁶+X³², где сложение производится по модулю 2.

Инициализация 32-разрядного сдвигового регистра с обратными связями, используемого для формирования шифровальной последовательности, производится с помощью расширенной обучающей последовательности с1,с2,..,с30 и двух дополнительных бит, равных 1.

Особенности канального кодирования для различных логических каналов

Канальное кодирование каждого из логических каналов имеет свои отличия, касающиеся наличия или отсутствия отдельных процедур кодирования, видов блочного кодирования и перемежения, а также параметров всех процедур канального кодирования. На рис. 4 и 5 показана структура канального кодирования для всех логических каналов за исключением канала речевого графика TCH/S.

Особенность канального кодирования трафика речи заключается в разделении первичного информационного блока из 137 бит, поступающих с выхода речевого кодера, на 3 класса в соответствии с чувствительностью к ошибкам в канале связи. (Биты 1-го класса являются наименее чувствительными и кодируются достаточно слабо, биты класса 3 обладают высокой чувствительностью к помехам и поэтому подвергаются наиболее мощному помехоустойчивому кодированию).

Рис. 4. Структура канального кодирования логических

каналов ТСН 7,2; SCH/HD; SCH/HU; SCH/F; BNCH; STCH

Рис. 5. Структура канального кодирования логических

каналов AACH; BSCH; ТСН 4,8; ТСН 2,4

Временной кадр, как правило, включает в себя 2 речевых кадра, каждый из которых на выходе речевого кодека имеет размерность 137 бит. После канального кодирования информация с выхода речевого кодека (2*137 бит) преобразуется в информационный кадр длиной 432 бита.

1-й класс включает 51 из каждого речевого кадра (2*51), 2-й класс - 56 бит (2*56), 3-й класс - 30 бит (2*56). К наиболее чувствительному 3-му классу относятся:

Þ 12 бит, содержащие 4 старших разряда 3-х 8-разрядных коэффициентов линейного предсказания;

Þ 6 бит, содержащие 6 старших разрядов 8-разрядного значения периода основного тона первого (из 4-х) сегмента речевого кадра;

Þ 12 бит, содержащие 3 старших разряда 4-х 6-разрядных коэффициентов усиления для каждого из сегментов речевого кадра.

Кодирование производится раздельно для каждого из классов:

Þ -биты 1-го класса подвергаются только перемежению и скремблированию;

Þ над битами 2-го класса производится сверточное кодирование, перемежение и скремблирование;

Þ -биты 3-го класса подвергаются всем видам канального кодирования: блочному и сверточному кодированию, перемежению и скремблированию.

Следует отметить, что перемежение и скремблирование производятся над полным блоком из 432 бит, в который включаются биты всех классов чувствительности.

Структура кодирования для канала речевого трафика представлена на рис. 6.

Рис. 6. Структура канального кодирования речевого трафика

4. Контрольные вопросы

1. Дайте общую характеристику транкинговых систем.

2. Какой метод кодирования речевых сигналов используется в стандарте ТЕТRА?

3. Поясните принцип многоимпульсного возбуждения от кода.

4. Поясните структурную схему передающей и приемной частей СЕLР-кодера.

5. Поясните блок-схему декодера речевого сигнала в стандарте ТЕТRА.

6. Поясните структуру канального кодирования в стандарте ТЕТRА.

7. В чем заключается процедура блочного кодирования, сверточного кодирования?

8. Дайте понятие процедуры перемежения, скремблирования.

9. Поясните структуру канального кодирования речевого графика.

Литература

1. Бабков В.Ю., Вознюк М.А., Дмитриев В.И. Системы мобильной связи. СПб.: ВУС, 1999.

2. Бабков В.Ю., Воробьев О.В., Певцов Н.В., Петров Д.А., Сиверс М.А. Транкинговые системы связи. СПб.: Судостроение, 2000.

3. Овчинников А.М., Воробьев С.В., Сергеев С.И. Открытые стандарты цифровой транкинговой радиосвязи. Серия изданий «Связь и бизнес», 2000.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ И ЗАРЯДНЫЕ УСРОЙСТВА РАДИОСТАНЦИЙ ТРАНКИНГОВЫХ СИСТЕМ

1. Цель работы

Изучить источники питания и зарядные устройства используемые для работы мобильных радиостанций.

2. Задание

1. Изучить типы аккумуляторов применяемых в современных радиостанциях.

2. Изучить никель-металлогидридные аккумуляторы.

3. Изучить литий-ионные аккумуляторы.

4. Изучить литий-полимерные аккумуляторы.

5. Изучить общие принципы эксплуатации аккумуляторов.

6.Изучить типы зарядных устройств аккумуляторов мобильных радиостанций.

3. Содержание отсчета

1. Назначение и цель работы.

2. Привести особенности одного из типов аккумулятора (по заданию преподавателя).

4. Краткая теория

Большинство мобильных радиостанций используют для работы аккумуляторные батареи. Это один из самых скоропортящихся элементов радиостанции. Пожалуй каждому пользователю мобильной радиостанции знакома ситуация: нужно срочно связаться с другим абонентом, вы включаете радиостанцию и слышите звуковой сигнал, а на дисплее появляется сообщение «Батарея разряжена». Такая ситуация может и не возникнуть, если правильно выбрать и правильно использовать аккумулятор. Время работы радиостанции от заряженного аккумулятора зависит от нескольких факторов:

· Расстояние до базовой станции — при плохом сигнале радиостанция увеличивает мощность и, следовательно, тратит больше энергии (это верно как дл; режима ожидания, так и для разговора).

· Температура — батарея быстрее садится, если температура вышла из пределов разумного интервала.

· О Функции самого аппарата могут заметно влиять на время ожидания.

· Реальная емкость аккумуляторной батареи.

· В качестве примера приведем конкретные сравнения, чтобы показать, куда уходит энергия аккумуляторных батарей портативной радиостанции:

· Минута работы с включенной подсветкой равна 1 часу работы радиостанции в
режиме ожидания;

· 10 секунд работы с меню равносильны 15 минутам работы в режиме ожидания;

· 1 минута приема сетевой информации заменяет 30 минут функционирования
аппарата в режиме ожидания;

· 1 регистрация на следующей базовой станции уменьшает срок работы радио
станции на 1 час в режиме ожидания;

· Включение радиостанции с поиском и регистрацией в сети равны 2 часам работы в режиме ожидания.

Все приведенные выкладки верны для новой, правильно заряженной батареи. А если она уже не новая? Если она заряжена неправильно? Что делать? Постараемся разобраться, как устроена аккумуляторная батарея портативной радиостанции, каковы ее основные характеристики и правила использования.

Аккумуляторы, применяемые в современных радиостанциях в качестве элементов питания, можно разделить на следующие типы:

· никель-кадмиевые (NiCd, Nickel Cadmium);

· никель-металлгидридные (NiMH, Nickel Metal-Hydride);

· литий-ионные (Li-ion, Lithium Ion);

· литий-полимерные (Li-pol, Lithium Polymer).

Никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы самые распространенные и дешевые. Это настоящие ветераны на рынке мобильных средств связи. Отлаженная технология и надежная работа обеспечили им широкое распространение для питания портативной техники и оборудования. Они сохраняют свою работоспособность практически в любых погодных условиях, выдерживают свыше тысячи циклов зарядки разрядки, слабо чувствительны к неправильной эксплуатации, легко восстанавливаются при понижении емкости и после длительного хранения. К основным достоинствам никель-кадмиевых аккумуляторов относятся:

· превосходная работоспособность в широком диапазоне температур, в том числе возможность зарядки при отрицательных температурах;

· способность отдавать в нагрузку большой ток;

· длительный срок службы — свыше тысячи циклов зарядки/разрядки при правильной эксплуатации и обслуживании;

· слабая чувствительность к неправильной эксплуатации;

· легкое восстановление при понижении емкости и после длительного хранения;

· низкая цена.

В NiCd-аккумуляторах рабочее вещество присутствует в виде мелких кристаллов, обеспечивая максимальную площадь соприкосновения с электролитом. При неблагоприятных условиях эксплуатации кристаллы укрупняются до размеров, в 150 раз превосходящих первоначальные, вызывая резкое уменьшение площади активной поверхности. Как следствие, снижается напряжение и уменьшается емкость. В некоторых случаях острые грани кристаллов даже прокалывают сепаратор, вызывая высокий саморазряд или короткое замыкание.

Среди других недостатков этого аккумулятора можно отметить: необходимость периодической полной разрядки аккумулятора для сохранения эксплуатационных свойств (устранения эффекта памяти), высокий саморазряд (до 10% в течение первых 24 часов), относительно маленькая энергетическая плотность (отношение емкости к размеру и массе) и большие габариты (по сравнению с аккумуляторами других типов). К минусам этих батарей можно отнести и их «недружественность» к окружающей среде, т. к. они содержат кадмий и требуют специальной утилизации. Из-за больших габаритов и проблем с утилизацией NiCd-аккумулятор постепенно покидает рынок сотовых телефонов и радиостанций.

Никель-металлгидридные (NiMH). На смену NiCd-аккумуляторам первыми пришли никель-металлгидридные (NiMH) батареи но их шумно разрекламированные преимущества на деле не оправдали ожиданий потребителей из-за сокращенного срока службы. Эта ситуация сейчас начинает выправляться в связи с технологическим прогрессом в их производстве. Отличительные преимущества сегодняшних NiMH-аккумуляторов следующие:

· примерно на 30% большая емкость по сравнению со стандартными NiCd-аккумуляторами при тех же габаритах;

· меньшая склонность к эффекту памяти, чем у NiCd (периодические циклы восстановления нужно выполнять реже);

· меньшая токсичность (NiMH-технология считается экологически чистой).

К сожалению, NiMH-аккумуляторы имеют много недостатков, и по некоторым параметрам проигрывают NiCd. По сравнению с последними, у них меньшее число циклов зарядки/разрядки (около 500), более высокая саморазрядка (выше в 1,5—2,0 раза) и более высокая цена.

Правда, в них меньше кристаллических сгустков, вызывающих потерю емкости. Но это, главным образом, из-за более короткого срока их службы, по сравнению с NiCd-аккумуляторами. Потерю заряда вызывает и их старение. У изношенного аккумулятора пластины электродов разбухают и начинают слипаться друг с другом, что приводит к повышению тока саморазряда. Укрупнение кристаллических образований в аккумуляторах на основе никеля происходит в основном из-за слишком долгого нахождения аккумулятора в зарядном устройстве и многократной зарядки без периодического полного разряда. Разукрупнить кристаллические образования позволяет проведение такой процедуры, как тренировка, которую достаточно проводить один раз в 30—60 дней.

Литий-ионные (Li-ion). Аккумуляторы Li-ion постепенно завоевывают позиции на рынке устройств мобильной связи. Это обусловлено такими основными его преимуществами, как:

· высокая плотность электрической энергии, по крайней мере, вдвое большей,
чем у NiCd того же размера, а значит, и вдвое меньшими габаритами при той же
самой емкости;

· низкий саморазряд (примерно 2—5% в месяц плюс около 3% на питание встроенной электронной схемы защиты);

· отсутствие каких – либо требований к обслуживанию, за исключением необходимости длительного хранения в заряженном состоянии.

Но есть и отрицательные моменты: для аккумуляторов некоторых производителей работа только при положительных температурах, высокая цена и подверженность процессу старения, даже если аккумулятор не используется. Ухудшение емкости наблюдается примерно после одного года. После двух лет аккумулятор часто становится неисправным. Поэтому не рекомендуется хранить аккумуляторы Li-ion в течение длительного времени — нужно использовать их, пока они новые.

Аккумуляторы Li-ion повреждаются при зарядке в «чужих» зарядных устройствах, а также при хранении в глубоко разряженном состоянии. Уменьшение емкости аккумуляторов Li-ion необратимо, так как используемые в них токсичные материалы рассчитаны на работу только в течение определенного времени (к концу эксплуатации аккумулятора токсичность применяемых в них веществ снижается).

Литий-полимерные (Li-pol). Литий-полимерные аккумуляторы появились совсем недавно на рынке сотовых телефонов, портативных радиостанций и миниатюрных компьютеров, они немного дешевле, чем Li-ion, при одинаковой плотности энергии. Они выдерживают примерно 150 циклов зарядки/разрядки.

Литий-полимерные аккумуляторы допускают изготовление их в разнообразных пластичных геометрических формах, нетрадиционных для обычных аккумуляторов, в том числе достаточно тонких по толщине, и способных заполнять любое свободное место.

Результаты сравнения параметров аккумуляторов различных типов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Основными параметрами аккумулятора для портативной радиостанции являются:

· электрическая емкость;

· внутреннее сопротивление;

· напряжение;

· саморазряд;

· срок службы.

Электрическая емкость аккумуляторной батареи состоит из номинальной и реальной емкости.

Номинальная электрическая емкость — это то количество энергии, которым аккумулятор теоретически должен обладать в заряженном состоянии. Данный параметр аналогичен емкости, например, стакана. Так же как в стандартный граненый стакан можно налить 200 мл воды, так и в аккумулятор можно закачать лишь вполне определенное количество энергии. Но определяется это количество энергии не в момент зарядки, а при обратном процессе, т. е. при разряде аккумулятора постоянным током в течение измеряемого промежутка времени до момента достижения заданного порогового напряжения. Измеряется емкость соответственно в ампер-часах (Ач) или миллиамперчасах (мАч) и обозначается буквой «С». Значение номинальной емкости фирменного аккумулятора, как правило, зашифровано в его обозначении и указано на этикетке аккумулятора.

Реальное значение емкости нового аккумулятора на момент ввода его в эксплуатацию колеблется от 80 до 110% от номинального значения и зависит: от фирмы-изготовителя, условий и срока хранения и технологии ввода в эксплуатацию. Нижний предел в 80% обычно рассматривается как минимальное допустимое значение для нового аккумулятора. Теоретически аккумулятор, например, номинальной емкостью 1000 мАч может отдавать ток 1000 мА в течение одного часа, 100 мА в течение 10 ч, или 10 мА в течение 100 ч. Практически же при высоком значении тока разряда номинальная емкость не достигается, а при низком токе — превышается.

В процессе эксплуатации емкость аккумулятора уменьшается. Скорость уменьшения зависит от типа электрохимической системы, технологии обслуживания в процессе работы, используемых зарядных устройств, условий и срока эксплуатации.

Внутреннее сопротивление аккумулятора (сопротивление источника тока) определяет его способность отдавать в нагрузку большой ток. Эта зависимость подчиняется закону Ома. При низком значении внутреннего сопротивления, аккумулятор способен отдать в нагрузку больший пиковый ток (без существенного уменьшения напряжения на его выводах), а значит, и большую пиковую мощность. Высокое значение сопротивления приводит к резкому уменьшению напряжения на выводах аккумулятора при резком увеличении тока нагрузки. Это приводит к тому, что внешне хороший аккумулятор не может полностью отдать запасенную энергию в нагрузку.

Внутреннее сопротивление аккумулятора зависит от типа его электрохимической системы, емкости, числа элементов в аккумуляторе, соединенных последовательно, и возрастает к концу срока эксплуатации.

Внутреннее сопротивление новых аккумуляторов для портативных радиостанций должно быть как можно меньше и находиться для никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных в пределах до 0,3 Ом, для литий-ионных чуть повыше. Но для всех типов аккумуляторов значение внутреннего сопротивления, приближающееся к 0,5 Ом, говорит о старости аккумулятора или его неправильной эксплуатации. Повышенное внутреннее сопротивление аккумулятора сокращает время работы радиостанции, а при очень больших значениях (более 0,8—1,0 Ом) при входящих и исходящих звонках радиостанция отключается, потому что напряжение на батарее падает ниже допустимого порога. Сокращается время работы и при окислении контактов аккумулятора. Поэтому необходимо регулярно проверять чистоту контактов.

Напряжение аккумулятора определяется тем устройством, для питания которого он предназначен. Если требуемое значение напряжения не обеспечивается одним элементом, то аккумулятор собирается из нескольких элементов, соединенных последовательно. Например, в портативных радиостанциях различных моделей используются аккумуляторы напряжением 3,6 В (1 элемент Li-ion или 3 элемента NiCd или NiMH), 4,8 В (только 3 элемента NiCd или NiMH), 6,0 В (только 5 элементов NiCd или NiMH), 7,2 В (2 элемента Li-ion). Таким образом, если в радиостанции используются 4 аккумулятора NiMH общим напряжением 4,8 В, то использование в нем аккумуляторов Li-ion невозможно.

Напряжение аккумулятора непостоянно. Оно максимально сразу после окончания зарядки, затем в процессе работы или хранения уменьшается. В конце концов, оно уменьшается до такой величины, что портативная радиостанция не включается или автоматически выключается. При оценке состояния аккумулятора измерение его напряжения необходимо производить под нагрузкой, на которую он рассчитан.

Явление саморазряда в большей или меньшей степени характерно для всех типов аккумуляторов и заключается в потере ими емкости после того, как они были полностью заряжены. Для количественной оценки саморазряда удобно использовать величину потерянной ими за определенное время емкости, выраженную в процентах от значения, полученного сразу после зарядки. За промежуток времени, как правило, принимается интервал времени, равный одним суткам или одному месяцу. Так, например, для исправных NiCd-аккумуляторов считается допустимым саморазряд до 10% в течение первых 24 часов после окончании зарядки, для NiMH — немного больше. Для Li-ion саморазряд пренебрежимо мал, поэтому он и оценивается за месяц. Следует отметить, что саморазряд аккумуляторов максимален именно в первые 24 часа после зарядки, а затем значительно уменьшается.

Саморазряд аккумуляторов зависит от качества использованных материалов, технологического процесса изготовления, типа и конструкции аккумулятора. Он резко возрастает при повышении окружающей температуры, повреждении внутреннего сепаратора аккумулятора из-за неправильного обслуживания или старения.

Срок службы аккумулятора принято оценивать по количеству циклов зарядки разрядки, которое аккумулятор выдерживает в процессе эксплуатации без значительного ухудшения своих основных параметров: емкости, саморазряда и внутреннего сопротивления. Срок службы зависит от многих факторов: методов зарядки, глубины разрядки, процедуры обслуживания или его отсутствия, температуры и электрохимической природы аккумулятора. Кроме того, он определяется временем, прошедшим со дня изготовления, особенно для аккумуляторов Li-ion. Аккумулятор, как правило, считается вышедшим из строя после уменьшения его емкости ниже 80% от номинального значения.

Зарядные устройства.

Как известно, любой аккумулятор требует периодической зарядки. Разряженный аккумулятор должен быть подключен к зарядному устройству и заряжен до готовности. Правильно выбранное зарядное устройство — залог успешной и длительной работы аккумулятора. А долговечность аккумулятора, в первую очередь, определяется режимом его зарядки. Основными причинами порчи могут быть перезарядка по времени и превышение допустимой величины заряда.

Наименее требовательны к режиму зарядки никель-кадмиевые аккумуляторы. Аккумуляторы NiMH и Li-ion требуют специальных режимов зарядки. Несмотря на то что современные никель-кадмиевые (NiCd) и никель-металлгидридные (NiMH) аккумуляторы могут выдерживать превышение допустимой величины заряда, возникающий при этом перегрев уменьшает срок службы аккумулятора. Литиевые аккумуляторы даже при небольшом превышении допустимой величины заряда могут разрушаться. Таким образом, для нормальной зарядки необходимо контролировать три фактора: время зарядки, величину заряда и температуру аккумулятора.

Сегодня существует достаточно много зарядных устройств, обеспечивающих хорошую сохранность аккумуляторов и контроль режима зарядки. Все существующие зарядные устройства можно подразделить на:

· мультизарядные (имеют два гнезда: в первом заряжается батарея, подключенная к портативной радиостанции, второе используется для зарядки и разрядки
отдельной батареи);

· настольные устройства (зарядка и разрядка батарей);

· переносные устройства (только зарядка);

· автомобильные устройства (обеспечивают питание портативной радиостанции в сети 12/24 В от автомобильного прикуривателя и заряжают запасную батарею).

Самые простые зарядные устройства обычно входят в комплект портативной радиостанции. Встроенные зарядные устройства доставляют пользователям минимум беспокойства: изготовители портативных радиостанций стараются согласовать технологию зарядки со всеми возможными типами аккумуляторов, предназначенных для работы с данной маркой радиостанции. Таким образом, если портативная радиостанция рассчитана на работу с аккумуляторами NiCd, NiMH и Li-ion, его встроенное зарядное устройство одинаково эффективно будет заряжать все вышеперечисленные аккумуляторы, даже если они будут разной емкости. Недостаток один: для аккумуляторов на основе никеля рекомендуется периодическая полная разрядка, на которую, однако, портативная радиостанция не способна. При достижении определенного порога напряжения портативная радиостанция выключается. Напряжение, при котором происходит выключение, превышает то значение напряжения, до которого необходимо разрядить аккумулятор, чтобы предотвратить уменьшение его емкости, возникающее в процессе эксплуатации. Поэтому для такого случая лучше использовать настольное зарядное устройство с функцией разрядки.

Как известно, по окончании зарядки аккумулятора в обычном зарядном устройстве на нем загорается индикатор зеленого света, указывая на то, что аккумулятор полностью заряжен и готов к работе. Или, если аккумулятор заряжается в портативной радиостанции, то она просигнализирует об окончании зарядки присущим ей способом. На основе этого вы полагаете, что аккумулятор обладает полной емкостью и ему можно доверять на все 100%.

Однако для обычного зарядного устройства это совершенно не гарантирует достаточную (номинальную) емкость и исправность аккумулятора. Дело в том, что зарядное устройство заряжает (наполняет) аккумулятор энергией только до тех пор, пока есть куда наполнять, а количество закачанной в аккумулятор энергии при этом никак не оценивается. В этом и состоит недостаток обычных зарядных устройств — они не определяют реальную емкость аккумулятора. Это входит в функцию настольного зарядного устройства.

К выбору настольного зарядного устройства необходимо подходить тщательно. Далеко не все устройства подобного типа способны эффективно зарядить Li-ion-аккумуляторы. Например, компания Motorola четко оговаривает в инструкции, что для заряда Li-Ion-аккумуляторов необходимо использовать только зарядные устройства с логотипом ЕР (Expert Performance). Использование зарядных устройств этой фирмы без такого логотипа может привести к неполной зарядке Li-ion-аккумуляторов и даже сокращению срока их службы (максимального числа циклов зарядки/разрядки). Кроме того, каждое зарядное устройство рассчитано на зарядку аккумуляторов определенной емкости. Следует иметь в виду, что «медленное» зарядное устройство, рассчитанное на зарядку аккумуляторов небольшой емкости, может не полностью заряжать аккумулятор большей емкости, даже если зарядка будет производиться дольше. И наоборот — «быстрое» зарядное устройство с большим током заряда может перезарядить аккумулятор с небольшой емкостью.

Несомненным достоинством настольных зарядных устройств является то, что они могут иметь два места для подключения: первое для портативной радиостанции вместе с аккумулятором и второе — только для аккумулятора. Причем часто во втором «посадочном» месте аккумулятор перед зарядкой можно полностью разрядить, что периодически рекомендуется делать для аккумуляторов на основе никеля (и только для них). Li-Ion-аккумуляторы разряжать перед зарядкой не требуется. «Медленные» и «быстрые» зарядные устройства различаются, как видно из их названий, по скорости зарядки аккумуляторов. Первые заряжают аккумулятор током, равным примерно 1/10 от величины номинальной емкости аккумулятора. Время зарядки составляет 10—12 ч, при этом, как правило, не контролируется состояние аккумулятора, что не очень хорошо: полностью и частично разряженные аккумуляторы должны заряжаться в разных режимах. Вторые заряжают аккумулятор большим током в диапазоне от 1/3 до полной величины его номинальной емкости. Время зарядки составляет 1—3 ч. Очень часто это двухрежимное устройство, реагирующее на изменение напряжения на клеммах аккумулятора в процессе зарядки. Сначала заряд накапливается в «скоростном» режиме. Когда напряжение достигает определенного уровня, скоростная зарядка прекращается, и аппарат переводится в медленный режим зарядки. Такие устройства идеальны для аккумуляторов NiCd и NiMH.

Нужно отметить, что не следует оставлять аккумуля торы NiCd и NiMH в зарядном устройстве после окончания зарядки надолго, так как зарядное устройство и после полной зарядки продолжает их заряжать, но только значительно меньшим током. Длительное нахождение аккумуляторов NiCd и NiMH в зарядном устройстве приводит к их перезаряду и ухудшению параметров. Это не относится к аккумуляторам Li-ion и зарядным устройствам для них Li-ion-аккумуляторам лучше находиться в заряженном состоянии, чем в разряженном. Зарядка Li-ion-аккумуляторов обычно проводится в два этапа (во многих зарядных устройствах). Пока на клеммах аккумулятора не возникло заданное напряжение, его заряжают при постоянном значении силы тока. В момент, когда аккумулятор заряжен примерно на 80% от номинала, режим изменяется: величина силы тока становится меньше, напряжение — постоянное. Процесс дозарядки может занять столько же, а иногда и больше времени, чем первый этап. Этот способ медленный, но он позволяет избежать превышения величины заряда и разрушения аккумулятора.

Сейчас наиболее распространены зарядные устройства, использующие технологию импульсной зарядки. Как правило, их можно использовать для всех типов аккумуляторов. Особенно хорошо они подходят для продления срока эксплуатации NiCd-аккумуляторов, т. к. при этом разрушаются кристаллические образования активного вещества, возникающие в процессе эксплуатации (уменьшается эффект памяти). Однако для аккумуляторов со значительным эффектом памяти применения только импульсного способа заряда не достаточно — им необходима глубокая разрядка (восстановление) по специальному алгоритму, чтобы разрушить крупные кристаллические образования.

При интенсивной эксплуатации профессиональных радиостанций, как правило, обязательна ежедневная зарядка аккумуляторов (обычно в ночное время). Если в течение дня емкость аккумулятора не израсходована полностью, то последующая зарядка не полностью разряженных никель-кадмиевых и никель-металлогидридных аккумуляторов как в «стандартных«, так и в «быстрых» зарядных устройствах из-за появления эффекта памяти ведет к частичной потере емкости, т. е. к сокращению времени работы радиостанции, и, в конечном счете, к преждевременному выходу аккумулятора из строя.

Существуют зарядные устройства, предназначенные как для ежедневной зарядки, так и для обслуживания аккумуляторов. Они обеспечивают предварительную разрядку аккумулятора до наименьшего допустимого напряжения. Затем аккумулятор заряжается по стандартному методу десятичасового заряда. При достижении полной зарядки аккумулятора происходит автоматическое отключение его от зарядного устройства.

Такой способ зарядки наиболее благоприятен для аккумулятора, поскольку позволяет получить максимальную емкость и гарантирует требуемую длительность работы аккумулятора, т. к. исключает вредные последствия эффекта памяти. Надежная защита от перезаряда позволяет существенно продлить время жизни аккумулятора.

Устройство можно использовать для проведения контрольно-тренировочных (восстановительных) циклов. При этом на устройство ставят полностью заряженный аккумулятор. Более удобен в этом случае вариант устройства с дисплеем, на котором индицируется емкость аккумулятора израсходованная в процессе разрядки. Это позволяет контролировать состояние и процесс восстановления аккумулятора.

Варианты устройства как с дисплеем, так и без дисплея могут быть выполнены со специальным импульсным методом заряда, в котором импульсы заряда чередуются с кратковременными разрядными импульсами. Это обеспечивает восстановление аккумулятора за меньшее число тренировочных циклов, а при ежедневной зарядке — повышенную емкость и увеличенный срок службы. Такой метод зарядки широко применяют во многих типаж кондиционирующих зарядных устройств и анализаторах-кондиционерах таких фирм, как Cadex, Advance Tec и др.

По сравнению с «быстрыми» зарядными устройствами, ежедневная зарядка на данном устройстве увеличивает срок службы аккумулятора. Это связано с тем, что момент окончания зарядки в «быстрых» зарядниках определяется по факту увеличения скорости нагрева аккумулятора. Этот лавинообразный нагрев обусловлен процессами, происходящими внутри аккумулятора, которые сокращают срок его жизни.

В некоторых случаях, например, после замены банок в аккумуляторе, штатное «быстрое» зарядное устройство использовать нельзя, это особо оговорено в инструкции по безопасности к «быстрому» зарядному устройству. Предлагаемые устройства выпускаются для работы с аккумуляторами радиостанций Motorola, Kenwood, Alinco, Icom и др.

Автомобильный вариант зарядного устройства создан для тех, кто проводит много времени за рулем. Самое простое выполнено в виде шнура, соединяющего радиостанцию с гнездом автомобильного прикуривателя (все «старые» варианты предназначены только для зарядки NiCd- и NiMH- аккумуляторов).

На срок службы аккумуляторов большое влияние оказывает их правильная эксплуатация. Чтобы продлить жизнь аккумулятору, необходимо соблюдать некоторые простые правила его использования:

· Для увеличения срока службы и сохранения электрической емкости аккумулятора не оставляйте его в слишком холодных или жарких местах, например, е летом автомобиле, а зимой — около радиаторов отопления. Всегда старайтесь хранить аккумулятор при температуре от 15°С до 25°С (предельное значение температуры, как правило, от —10°С до 45°С). Радиостанция с холодным аккумулятором временно может не работать, даже если он полностью заряжен.

· Не допускайте соприкосновения электрических контактов аккумулятора с металлическими предметами (замыкания). Это огнеопасно и приведет к его повреждению.

· Храните аккумулятор в защитной упаковке.

· Для надежной работы контакты аккумулятора и соответствующие контакты в радиостанции должны быть чистыми и не иметь следов окисления. При необходимости удалите следы окисления ластиком.

5. Контрольные вопросы

1. Какие факторы влияют на время работы радиостанции от заряженного аккумулятора?

2. Приведите типы аккумуляторов, применяемых в современных радиостанциях.

3. Достоинства и недостатки никель-кадмиевых аккумуляторов.

4. Достоинства и недостатки никель-металлогидридных аккумуляторов.

5. Достоинства и недостатки литий-ионных аккумуляторов.

6. Достоинства и недостатки литий-полимерных аккумуляторов.

7. Поясните термин «номинальная электрическая емкость».

8. Как влияет внутреннее сопротивление аккумулятора на его работу?

9. От чего зависит напряжение аккумулятора?

10. Поясните явление «саморазряда».

11. Как классифицируются зарядные устройства?

12. Поясните работу мультиразрядных устройств?

13. Особенности использования зарядных устройств.

14.Поясните работу переносных автомобильных зарядных устройств.

15.Перечислите меры увеличивающие срок службы аккумуляторов.

Литература

1. Ю.А.Громаков. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. – м.: Эко-Треидз, 2000.
2. А.В. Соколов, В.И. Андрианов. Альтернатива сотовой связи: транкоговые системы – СПБ.: БХВ – Петербург Артип, 2002.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

СИСТЕМА СОТОВОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM-900

1. Цель работы

Изучить основные технические характеристики, функциональное построение и интерфейсы принятые в цифровой сотовой системе подвижной радиосвязи стандарта GSM.

2. Задание

1. Ознакомиться с общими характеристиками стандарта GSM.

2. Изучить функциональную схему и состав оборудования.

3. Ознакомиться с составом долговременных данных, хранящихся в регистах HLR и VLR.

4. Ознакомиться с процедурой проверки сетью подлинности абонента.

5. Составить отчет.

3. Содержание отчета

1 .Название и цель работы.

2. 3apиcoвaть структурную схeмy цифpoвoй сотовой системы подвижной радиосвязи стандарта GSM.

4. Краткая теория

Стандарт GSM (Global System for Mobile communications) тесно связан со всеми современными стандартами цифровых сетей, в первую очередь с ISDN и IN (Intelligent Network). Основные функциональные элементы GSM входят в разрабатываемый международный стандарт глобальной системы подвижной связи UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). В 1990г. были опубликованы спецификации первой фазы GSM. К середине 1991г. стали поддерживаться коммерческие услуги GSM, а к 1993г. функционировало уже 36 сетей GSM в 22 странах, и еще 25 стран выбрали направление GSM или поставили вопрос о его принятии. В июне 1992г. стандарт GSM принят в России в качестве федерального стандарта на цифровые сотовые системы подвижной связи (ССПС).

С января 1996г. в Москве и области началась коммерческая эксплуатация сети стандарта GSM (900 МГц). Оператором сети GSM в Москве является компания «Мобильные ТелеСистемы» (МТС). В первые дни коммерческой эксплуатации «МТС» впервые в России открыла автоматический роуминг абонементов своей сети с абонентами ССПС стандарта GSM в Германии, Швейцарии, Финляндии и Англии. Совместно с операторами сетей GSM в других регионах «МТС» организовала работу по созданию федеральной сети GSM России и ее интеграции с глобальной сетью сотовой связи, охватывающей Европу, Азию, Австралию и африканские страны.

В соответствии с определениями ITU - T (Intemational Telecommunication Union - Telecommunications Standardization Sector) сеть GSM может предоставлять следующие услуги: по переносу информации ( bearer services ); предоставления связи (teleservices); дополнительные ( supplementary services).

Система GSM является цифровой системой передачи данных, речь кодируется и передается в виде цифрового потока. Кроме того, предоставляются разнообразные услуги передачи данных. Абоненты GSM могут осуществлять обмен информацией с абонентами ISDN, обычных телефонных сетей, сетей с коммутацией пакетов и сетей связи с коммутацией каналов, используя различные методы и протоколы доступа, например, Х.25 или Х.32. Возможна передача факсимильных сообщений, реализуемых при использовании соответствующего адаптера для факс-аппарата. Уникальной возможностью GSM, которой не было в аналоговых системах, является двунаправленная передача коротких сообщений SMS (Short Message Service) (до 160 байт), передаваемых в режиме с промежуточным хранением данных. Адресату, являющимся абонентом SMS, может быть послано сообщение, после которого отправителю посылается подтверждение о получении. Короткие сообщения можно использовать в режиме широковещания, например, для того, чтобы извещать абонентов об изменении условий дорожного движения в регионе. Текущие спецификации в виде дополнительних возможностей описывают услуги по переносу информации и предоставлению связи (например, перенаправление вызова в случае недоступности подвижного абонента). Ожидается появление новых возможностей, таких, как идентификация вызова, постановка вызова в очередь, переговоры сразу нескольких абонентов и др.

В соответствии с рекомендацией СЕРТ 1980 г., касающейся использования спектра частот подвижной связи в диапазоне частот 862…960 МГц, стандарт GSM на цифровую общеевропейскую сотовую систему наземной подвижной связи предусматривает работу передатчиков в двух диапазонах частот: 890…915 МГц (для передатчиков подвижных станций –MS), 935…960 МГц (для передатчиков базовых станций –BTS).

В стандарте GSM используется узкополосный многостанционный доступ с временным разделением каналов (NB-TDMA). В структуре TDMA кадра содержится 8 временных позиций на каждой из 124 несущих.

Для защиты от ошибок в радиоканалах при передаче информационных сообщений применяется блочное и сверточное кодирование с перемежением. Повышение эффективности кодирования и перемежения при малой скорости перемещения подвижных станций достигается медленным переключением рабочих частот (SFH) в процессе сеанса связи со скоростью 217 скачков в секунду.

Для борьбы с интерференционными замираниями принимаемых сигналов, вызванными многолучевым распространением радиоволн в условиях города, в аппаратуре связи используются эквалайзеры, обеспечивающие выравнивание импульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс. Система синхронизации рассчитана на компенсацию абсолютного времени задержки сигналов до 233 мкс., что соответствует максимальной дальности связи или максимальному радиусу ячейки (соты) 35 км.

В стандарте GSM выбрана гауссовская манипуляция с минимальным сдвигам (GМSК); индекс манипуляции – 0.3. Обработка речи осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи (DТХ), которая обеспечивает включение передатчика только при наличии речевого сигнала и отключение передатчика в паузах и в конце разговора. В качестве речепреобразующего устройства выбран речевой кодек с регулярным импульсным возбуждением / долговременным предсказанием и линейным предикативным кодированием с предсказанием (RPE/LTP – LPC – кодек). Общая скорость преобразования речевого сигнала – 13 кбит/с.

В стандарте GSM достигается высокая степень безопасности передачи сообщений; осуществляется шифрование сообщений по алгоритму шифрования с открытым ключом (RSA).

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАНДАРТА GSM

Частоты передачи подвижной станции и приема базовой станции, МГц	890…915
Частоты приема подвижной станции и передачи базовой станции, МГц	935…960
Дуплексный разнос частот приема и передачи, МГц	45
Скорость передачи сообщений в радиоканале, кбит/с	270, 833
Скорость преобразования речевого кодекса, кбит/с	13
Ширина полосы канала связи, кГц	200
Максимальное количество каналов	124
Максимальное количество каналов связи, организуемых в базовой станции	16…20
Вид модуляции	МSК
Индекс модуляции ВТ	0,3
Ширина полосы предмодуляционного гауссовского фильтра, кГц	82,2
Количество скачков по частоте в секунду	217
Временное разнесение в интервалах	2
Кадра (передача / прием) для подвижной станции
Вид речевого кодекса	RPE LTP
Максимальный радиус соты, км	до 35
Схема организации каналов (комбинированная)	TDMA/FDMA

Функциональное построение и интерфейсы, принятые в стандарте GSM, иллюстрируются структурной схемой рис. 1, на которой MSC (Mobile Switching Centre) – центр коммутации подвижной связи; BSS (Base Station Sistem) – оборудование базовой станции; ОМС (Operations and Maintenance Cetre) – центр управления и обслуживания; МS (Mobile Stations) – подвижные станции.

Рис. 1. Структурная схема стандарта GSM

Функциональное сопряжение элементов системы осуществляется рядом интерфейсов. Все сетевые функциональные компоненты в стандарте GSM взаимодействуют в соответствии с системой сигнализации МККТТ N7 (ССIТ SS. N7). SS N7 стандартизована на международном уровне и предназначена для обмена сигнальной информацией в цифровых сетях связи с цифровыми программно-управляемыми станциями. Система оптимизирована для работы по цифровым каналам со скоростью 64 кбит/с и позволяет управлять процессом соединения, а также передавать информацию техобслуживания и эксплуатации. Кроме того, ее можно применять в качестве надежной транспортной системы для передачи других видов информации между станциями и специализированными центрами в сетях телекоммуникаций .SS N7 использует метод передачи сигнальной информации по специальному каналу, общему для одного или нескольких пучков информационных каналов. Сигнальная информация должна передаваться в правильной последовательности, без потерь, при этом могут быть задействованы и наземные и спутниковые каналы. Сеть SS N7 является обязательным условием создания сети стандарта GSM.

Центр коммутации подвижной связи обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы подвижная станция. MSC аналогичен ISDN коммутационной станции и представляет собой интерфейс между фиксированными сетями ( PSTN, PDN, ISDN и т.д.) и сетью подвижной связи. Он обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами. Кроме выполнения функций обычной ISDN коммутационной станции, на MSC возлагаются функции коммутации радиоканалов. К ним относятся эстафетная передача, в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении подвижной станции из соты в соту, и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностях.

Каждый MSC обеспечивает обслуживание подвижных абонентов, расположенных в пределах определенной географической зоны (например, Москва и область).MSC управляет процедурами установления вызова и маршрутизации. Для телефонной сети общего пользования (PSTN) MSC обеспечивает функции сигнализации по протоколу SS N7, передачи вызова или другие виды интерфейсов в соответствии с требованиями конкретного проекта.

MSC формирует данные, необходимые для выписки счетов за предоставленные сетью услуги связи, накапливает данные по состоявшимся разговорам и передает их в центр расчетов (биллинг-центр). MSC составляет также статистические данные, необходимые для контроля работы и оптимизации сети.

MSC поддерживает также процедуры безопасности, применяемые для управления доступами к радиоканалам.

MSC не только участвует в управлении вызовами, но также управляет процедурами регистрации местоположения и передачи управления, кроме передачи управления в подсистеме базовых станций (BSS). Регистрация местоположения подвижных станций необходима для обеспечении доставки вызова перемещающимся подвижным абонентам от абонентов телефонной сети общего пользования или других подвижных абонентов. Процедура передачи вызова позволяет сохранять соединения и обеспечивать ведение разговора, когда подвижная станция перемещается из одной зоны обслуживания в другую. Передача вызовов в сотах, управляемых одним контроллером базовых станций (BSC), осуществляется этим BSC. Когда передача вызовов осуществляется между двумя сетями, управляемыми разными BSC, то первичное управление осуществляется в MSC. В стандарте GSM также предусмотрены процедуры передачи вызова между сетями (контроллерами), относящимися к разным MSC. Центр коммутации осуществляет постоянное слежение за подвижными станциями, используя регистры положения (HLR) и перемещения (VLR). В HLR хранится та часть информации о местоположении какой-либо подвижной станции, которая позволяет центру коммутации доставить вызов станции. Регистр HLR содержит международный идентификационный номер подвижного абонента (IMSI).

Он используется для опознавания подвижной станции в центре аутентификации (AUC) (рис. 2, 3).

1	IMSI - международный идентификационный номер подвижного абонента
2	Номер подвижной станции в международной сети ISDN
3	Категория подвижной станции
4	Ключ аутентификации
5	Виды обеспечения вспомогательными службами
6	Индекс закрытой группы пользователей
7	Код блокировки закрытой группы пользователей
8	Состав основных вызовов, которые могут быть переданы
9	Оповещение вызывающего абонента
10	Идентификация номера вызываемого абонента
11	График работы
12	Оповещение вызываемого абонента
13	Контроль сигнализации при соединении абонентов
14	Свойства (средства) закрытой группы пользователей
15	Льготы закрытой группы пользователей
16	Запрещенные исходящие вызовы в закрытой группе пользователей
17	Максимальное количество абонентов
18	Используемые пароли
19	Класс приоритетного доступа

20	Запрещенные входящие вызовы в закрытой группе абонентов

Рис. 2. Состав долговременных данных хранящихся

в HLR и VLR.

Практически HLR представляет собой справочную базу данных о постоянно прописанных 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) и соответствующем VLR.

К данным, содержащимся в HLR, имеют дистанционный доступ все MSC и VLR сети и, если в сети имеются несколько 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 базе данных об абонентах осуществляется по номеру IMSI или MSISDN (номеру подвижного абонента в сети ISDN). К базе данных могут получить доступ MSC или VLR, относящиеся к другим сетям, в рамках обеспечения межсетевого роуминга абонентов.

Рис. 3. Состав временных данных хранящихся в HLR и VLR.

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

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

В сети подвижной связи GSM соты группируются в географические зоны (LA), которым присваивается свой идентификационный номер (LAC). 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 VLR. Если старая и новая LA находятся под управлением различных VLR, то данные на старом VLR стираются после их копирования в новый VLR. Текущий адрес VLR абонента, содержащийся в HLR, также обновляется.

VLR обеспечивает также присвоение номера «блуждающей» подвижной станции (MSRN). Когда подвижная станция принимает входящий вызов, VLR выбирает его MSRN и передает его на MSC, который осуществляет маршрутизацию этого вызова к базовым станциям, находящимся рядом с подвижным абонентом.

VLR также распределяет номера передачи управления при передаче соединений от одного MSC к другому. Кроме того, VLR управляет распределением новых TMSI и передает их в HLR. Он также управляет процедурами установления подлинности во время обработки вызова. По решению оператора TMSI может периодически изменяться для усложнения процедуры идентификации абонентов. Доступ к базе данных VLR может обеспечиваться через IMSI, TMSI или MSRN. В целом VLR представляет собой локальную базу данных о подвижном абоненте для той зоны, где находится абонент, что позволяет исключить постоянные запросы в HLR и сократить время на обслуживание вызовов.

Для исключения несанкционированного использования ресурсов системы связи вводятся механизмы аутентификации - удостоверения подлинности абонента. Центр аутентификации состоит из нескольких блоков и формирует ключи и алгоритмы аутентификации. С его помощью проверяются полномочия абонента и осуществляется его доступ к сети связи. АUС принимает решения о параметрах процесса аутентификации и определяет ключи шифрования абонентских станций на основе базы данных, сосредоточенной в регистре идентификации оборудования (EIR -Equipment Identification Register).

Каждый подвижный абонент на время пользования системой связи получает стандартный модуль подлинности абонента (SIM), который содержит, международный идентификационный номер (IMSI), свой индивидуальный ключ аутентификации (Ki), алгоритм аутентификации (А3).

С помощью заложенной в SIM информации в результате взаимного обмена данными между подвижной станцией и сетью осуществляется полный цикл аутентификации и разрешается доступ абонента к сети.

Процедура проверки сетью подлинности абонента реализуется следующим образом. Сеть передает случайный номер (RAND) на подвижную станцию. На ней с помощью Ki и алгоритма аутентификации A3 определяется значение отклика (SRES), т.е.

Подвижная станция посылает вычисленное значение SRES в сеть, которая сверяет значение принятого SRES со значением SRES, вычисленным сетью. Если оба значения совпадают, подвижная станции приступает к передаче сообщений. В противном случае связь прерывается, и индикатор подвижной станции показывает, что опознавание не состоялось. Для обеспечения секретности вычисление SRES происходит в рамках SIM. Несекретная информация (например, Ki) не подвергается обработке в модуле SIM.

Процедура аутентификации иллюстрируется схемой рис. 4.

Рис. 4. Принцип аутентификации

EIR - регистр идентификации оборудования,содержит централизованную базу данных для подтверждения подлинности международного идентификационного номера оборудования подвижной станции (IМЕI). Эта база данных относится исключительно к оборудованию подвижной станции. База данных EIR состоит из списков номеров IМЕI, организованных следующим образом:

БЕЛЫЙ СПИСОК - содержит номера IМЕI, о которых есть сведения, что они закреплены за санкционированными подвижными станциями.

ЧЕРНЫЙ СПИСОК - содержит номера IМЕI подвижных станций, которые украдены или которым отказано в обслуживании по другой причине.

СЕРЫЙ СПИСОК - содержит номера IМЕI подвижных станций, у которых существуют проблемы, выявленные по данным программного обеспечения, что не является основанием для внесения в «черный список».

К базе данных EIR получают дистанционный доступ MSC данной сети, а также MSC других подвижных сетей.

Как и в случае с HLR, сеть может иметь более одного EIR, при этом каждый EIR управляет определенными группами IМЕI. В состав MSC входит транслятор, который при получении номера IМЕI возвращает адрес EIR, управляющий соответствующей частью базы данных об оборудовании.

IWF - межсетевой функциональный стык, является одной из составных частей MSC. Он обеспечивает абонентам доступ к средствам преобразования протокола и скорости передачи данных так, чтобы можно было передавать их между его терминальным оборудованием (DIE) сети GSM и обычным терминальным оборудованием фиксированной сети. Межсетевой функциональный стык также «выделяет» модем из своего банка оборудования для сопряжения с соответствующим модемом фиксированной сети. IWF также обеспечивает интерфейсы типа прямого соединения для оборудования, поставляемого клиентам, например, для пакетной передачи данных PAD по протоколу Х.25.

ЕС - эхоподавитель, используется в MSC со стороны PSTN для всех телефонных каналов (независимо от их протяженности) из-за физических задержек в трактах распространения, включая радиоканал, сетей GSM. Типовой эхоподавитель может обеспечивать подавление в интервале 68 миллисекунд на участке между выходом ЕС и телефоном фиксированной телефонной сети. Общая задержка в канале GSM при распространении в прямом и обратном направлениях, вызванная обработкой сигнала, кодированием/декодированием речи, канальным кодированием и т.д., составляет около 180 мс. Эта задержка была бы незаметна подвижному абоненту, если бы в телефонный канал не был включен гибридный трансформатор с преобразованием тракта с двухпроводного на четырехпроаодный режим, установка которого необходима в MSC. так как стандартное соединение с PSTN является двухпроводным. При соединении двух абонентов фиксированной сети эхо-сигналы отсутствуют. Без включения ЕС задержка от распространения сигналов в тракте GSM будет вызывать раздражение у абонентов, прерывать речь и отвлекать внимание.

ОМС - центр эксплуатации и технического обслуживания, является центральным элементом сети GSM, который обеспечивает контроль и управление другими компонентами сети и контроль качества ее работы. ОМС соединяется с другими компонентами сети GSM по каналам пакетной передачи протокола Х.25. OМС обеспечивает функции обработки аварийных сигналов, предназначенных для оповещения обслуживающего персонала, и регистрирует сведения об аварийных ситуациях в других компонентах сети В зависимости от характера неисправности ОМС позволяет обеспечить ее устранение автоматически или при активном вмешательстве персонала. ОМС может обеспечить проверку состояния оборудования сети и прохождения вызова подвижной станции. ОМС позволяет производить управление нагрузкой в сети. Функция эффективного управления включает сбор статистических данных о нагрузке от компонентов сети GSM, записи их в дисковые файлы и вывод на дисплей для визуального анализа. ОМС обеспечивает управление изменениями программного обеспечения и базами данных о конфигурации элементов сети. Загрузка программного обеспечения в память может производиться из ОМС в другие элементы сети или из них в ОМС.

NMC - центр управления сетью, позволяет обеспечивать рациональное иерархическое управление сетью GSM. Он обеспечивает эксплуатацию и техническое обслуживание на уровне всей сети, поддерживаемой центрами ОМС, которые отвечают за управление региональными сетями. NMC обеспечивает управление графиком во всей сети и обеспечивает диспетчерское управление сетью при сложных аварийных ситуациях, как например, выход из строя или перегрузка узлов. Кроме того, он контролирует состояние устройств автоматического управления, задействованных в оборудовании сети, и отражает на дисплее состояние сети для операторов NMC. Это позволяет операторам контролировать региональные проблемы и, при необходимости, оказывать помощь ОМС, ответственному за конкретный регион. Таким образом, персонал NMC знает состояние всей сети и может дать указание персоналу ОМС изменить стратегию решения региональной проблемы.

NMC концентрирует внимание на маршрутах сигнализации и соединениях между узлами с тем, чтобы не допускать условий для возникновения перегрузки в сети. Контролируются также маршруты соединений между сетью GSM и PSTN во избежание распространении условий перегрузки между сетями. При этом персонал NMC координирует вопросы управления сетью с персоналом других NMC. NMC обеспечивает также возможность управления графиком для сетевого оборудования подсистемы базовых станций (BSS). Операторы NMC в экстремальных ситуациях могут задействовать такие процедуры управления, как «приоритетный доступ», когда только абоненты с высоким приоритетом (экстренные службы) могут получить доступ к системе.

NMC может брать на себя ответственность в каком-либо регионе, когда местный ОМС является необслуживаемым, при этом ОМС действует в качестве транзитного пункта между NMC и оборудованием сети. NMC обеспечивает операторов функциями, аналогичными функциям ОМС.

NMC является также важным инструментом планирования сети, так как NMC контролирует сеть и ее работу на сетевом уровне, а следовательно, обеспечивает планировщиков сети данными, определяющими ее оптимальное развитие.

BSS - оборудование базовой станции, состоит из контроллера базовой станции (BSC) и приемо-передающих базовых станций (BTS) Контроллер базовой станции может управлять несколькими приемо-передающими блоками. BSS управляет распределением радиоканалов, контролирует соединения, регулирует их очередность, обеспечивает режим работы с прыгающей частотой, модуляцию и демодуляцию сигналов, кодирование и декодирование сообщений, кодирование речи, адаптацию скорости передачи для речи, данных и вызова, определяет очередность передачи сообщений персонального вызова.

BSS совместно с MSC, HLR, VLR выполняет некоторые функции, например: освобождение канала, главным образом, под контролем MSC, но MSC может запросить базовую станцию обеспечить освобождение канала, если вызов не проходит из-за радиопомех. BSS и MSC совместно осуществляют приоритетную передачу информации для некоторых категорий подвижных станций.

ТСЕ - транскодер, обеспечивает преобразование выходных сигналов канала передачи речи и данных MSC (64 кбит/с ИКМ) к виду, соответствующему рекомендациям GSM по радиоинтерфейсу (Рек. GSM 04.08). В соответствии с этими требованиями скорость передачи речи, представленной в цифровой форме, составляет 13 кбит/с. Этот канал передачи цифровых речевых сигналов называется «полноскоростным». Стандартом предусматривается в перспективе использование полускоростного речевого канала (скорость передачи 6,5 кбит/с).

Снижение скорости передачи обеспечивается применением специального речепреобразующего устройства, использующего линейное предикативное кодирование (LPC), долговременное предсказание (LTP), остаточное импульсное возбуждение (RPE - иногда называется RELP).

Транскодер обычно располагается вместе с MSС, тогда передача цифровых сообщений в направлении к контроллеру базовых станций - BSC ведется с добавлением к потоку со скоростью передачи 13 кбит/с, дополнительных битов (стафингование) до скорости передачи данных 16 кбит/с. Затем осуществляется уплотнение с кратностью 4 в стандартный канал 64 кбит/с. Так формируется определенная Рекомендациями GSM 30-канальная ИКМ линия, обеспечивающая передачу 120 речевых каналов. Шестнадцатый канал (64 кбит/с), «временное окно», выделяется отдельно для передачи информации сигнализации и часто содержит график SS N7 или LAPD. В другом канале (64 кбит/с) могут передаваться также пакеты данных, согласующиеся с протоколом Х.25 МККТТ.

Таким образом, результирующая скорость передачи по указанному интерфейсу составляет 30х64 кбит/с + 64 кбит/с + 64 кбит/с = 2048 кбит/с.

MS - подвижная станция, состоит из оборудования, которое служит для организации доступа абонентов сетей GSM к существующим фиксированным сетям электросвязи. В рамках стандарта GSM приняты пять классов подвижных станций от модели 1-го класса с выходной мощностью 20 Вт, устанавливаемой на транспортном средстве, до портативной модели 5-го класса, максимальной мощностью 0,8 Вт. При передаче сообщений предусматривается адаптивная регулировка мощности передатчика, обеспечивающая требуемое качество связи.

Подвижный абонент и станция независимы друг от друга. Как уже отмечалось, каждый абонент имеет свой международный идентификационный номер (IMSI), записанный на его интеллектуальную карточку. Такой подход позволяет устанавливать радиотелефоны, например, в такси и автомобилях, сдаваемых на прокат. Каждой подвижной станции также присваивается свой международный идентификационный номер (IMEI). Этот номер используется для предотвращения доступа к сетям GSM похищенной станции или станции без полномочий.

5. Контрольные вопросы

1. Основные технические характеристики стандарта GSM.

2. Структурная схема стандарта GSM.

3. Назначение и функции, выполняемые центром коммутации подвижной связи MSC.

4. Перечислить состав долговременных данных, хранящихся в регистрах HLR и VLR.

5. Каким образом реализуется процедура проверки сетью подлинности абонента.

6. Назначение межсетевого функционального стыка IWF, эхоподавителя ЕС.

7. Функции, выполняемые центром эксплуатации и технического обслуживания ОМС.

8. Пояснить термин «приоритетный доступ». Какой блок реализует эту процедуру?

9. Состав оборудования базовой станции BSS. Ее назначение.

10. Назначение транскодера ТСЕ.

Литература

1. Техническая документация цифровой сотовой системы подвижной радиосвязи стандарта GSM.

2. Бабков В.Ю., Вознюк М.А., Дмитриев В.И. Системы мобильной связи / СПб ГУТ, - СПб. 1999.

3. Громаков Ю.Я. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. ЭКО – ТРЕИДЗ. М. 2000.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ОБОРУДОВАНИЕ ПОДВИЖНЫХ И БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ, ЦЕНТРА КОММУТАЦИИ

1.Цель работы

Изучить блок-схемы подвижной станции (абонентского радиотелефонного аппарата), базовой станции и центра коммутации.

2. Задание

1. Изучить блок-схему подвижной станции (ПС).

2. Ознакомиться с оборудованием отдельных узлов ПС.

3. Изучить блок-схему базовой станции (БС).

4. Изучить блок-схему центра коммутации.

5. Составить отчет.

3. Содержание отчета

1. Название и цель работы.

2. Структурные схемы ПС, БС и центра коммутации.

4. Краткая теория вопроса

Рассмотрение элементов системы сотовой связи начнем с подвижной станции - наиболее простого по функциональному назначению устройства, и к тому же единственного элемента системы, который не только реально доступен пользователю, но и находится у него в руках в буквальном смысле этого слово.

Блок-схема подвижной станции приведена на рис. 1.

Рис. 1.Блок-схема подвижной станции.

В состав ПС входят:

Þ блок управления;

Þ примопередающий блок;

Þ антенный блок.

Примопередающий блок, в свою очередь, включает передатчик, приемник, синтезатор частот и логический блок.

Наиболее прост по составу антенный блок: он включает собственно антенну – в простейшем случае четвертьволновый штырь – и коммутатор прием-передача. Последний для цифровой станции может представлять собой электронный коммутатор, подключающий антенну либо на выход передатчика, либо на вход приемника, поскольку, подвижная станция цифровой системы никогда не работает на прием и передачу одновременно.

Функционально несложен и блок управления. Он включает микротелефонную трубку – микрофон и динамик, клавиатуру и дисплей. На лицевой стороне аппарата имеется небольшой дисплей, обычно жидкокристаллический, на котором отображаются набираемый номер телефона, пункты меню и другая информация. Из верхней части аппарата выступает антенна длиной 20 … 60 мм; в некоторых типах аппаратов она дополнительно выдвигается на 50 … 150 мм. Все управление производится при помощи клавиш (кнопок) наборного поля: с их помощью можно включить и выключить аппарат, набрать нужный номер, записать информацию в память и прочесть записанное ранее, изменить режим работы аппарата и т.п. На лицевую сторону аппарата выводится динамик (в верхней части) и микрофон (в нижней части), так что аппарат прикладывается к уху, как трубка обычного телефона. В верхней части аппарата обычно располагается световой индикатор (светодиод), отображающий режим работы (режим ожидания, вызов, включено), и источник звукового сигнала (звонок). Некоторые типы аппаратов имеют отдельные кнопки включения/выключения и регулировки громкости звука. На тыльной стороне при помощи защелки крепится источник питания – аккумуляторная батарея. Типовое время работы полностью заряженной батареи составляет: в режиме разговора до 2 … 5 ч; в режиме ожидания вызова до 20 … 50 ч; типовое время заряда батареи 1 … 3 ч. В нижней части аппарата обычно имеются гнезда для подключения портативного зарядного устройства, позволяющего заряжать батарею, не отключая ее от аппарата и не выключая последнего.

Чтобы позвонить с предварительно включенного аппарата, в простейшем случае абонент набирает с помощью клавиш нужный номер, проверяет правильность набора по отображению номера на дисплее и нажимает клавишу вызова («Send» или «Yes»). После соединения и ответа вызываемого абонента он обычным образом ведет разговор, а по окончании его нажимает клавишу отбоя («End» или «No»). При получении вызова, о чем абонент оповещается звуковым сигналом (звонком), он манипулирует теми же клавишами.

Абонентский аппарат, предоставляет также и много дополнительных возможностей, отметим некоторые из них.

Аппарат в большинстве случаев может быть использован в качестве электронной записной книжки, часов, календаря, калькулятора – электронная записная книжка вмещает обычно около 100 телефонных номеров с комментариями (именами владельцев номеров) в нее может быть внесена и любая другая информация, например адрес или номер паспорта. Информация из электронной записной книжки может быть высвечена на дисплее. По номеру телефона, внесенному в электронную записную книжку, можно позвонить, не набирая его по цифрам, а вызвав из памяти по номеру записи или по имени владельца. На дисплее могут отображаться время суток и текущая дата, причем счет времени не сбивается при выключении аппарата или при снятии батареи, а формат предоставления времени и даты выбирается абонентом. В некоторых аппаратах часы могут выполнять функцию будильника, и последний также срабатывает при выключенном аппарате. Практически все современные аппараты имеют систему меню, с помощью которой производится выбор параметров и вариантов работы аппарата. Во всех аппаратах на дисплее отображаются уровень принимаемого сигнала и степень разряда аккумуляторной батареи, в большинстве из них имеется подсветка дисплея и клавиатуры. Абонент имеет возможность по своему усмотрению регулировать громкость звука в телефоне и громкость звонка, выбирать тип звонка и т.п.

Предусмотрены меры, направленные на предотвращение несанкционированного пользования аппаратом. Процедура аутентификации, выполняемая при установлении связи практически исключает возможность появления «двойников», по крайней мере, в цифровых стандартах, за счет использования достаточно совершенных алгоритмов аутентификации. Кроме того, в абонентских аппаратах обычно предусматривается возможность блокировки: в этом случае для того, чтобы пользоваться аппаратом, абонент после его включения должен, прежде всего, ввести код, значение которого он может установить по своему усмотрению. Имеется также возможность блокировки клавиатуры, чтобы избежать непреднамеренной выдачи команд при случайном нажатии клавиш, а также установки назначенного абонентом пароля для ввода и отмены запретов на определенные категории вызовов.

Приемопередающий блок значительно сложнее.

В состав передатчика входят:

Þ аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – преобразует в цифровую форму сигнал с выхода микрофона и вся последующая обработка и передача сигнала речи производится в цифровой форме, вплоть до обратного цифро-аналогового преобразования;

Þ кодер речи осуществляет кодирование сигнала речи – преобразование сигнала, имеющего цифровую форму, по определенным законам с целью сокращения его избыточности, т.е. с целью сокращения объема информации, передаваемой по каналу связи;

Þ кодер канала – добавляет в цифровой сигнал, получаемый с выхода кодера речи, дополнительную (избыточную) информацию, предназначенную для защиты от ошибок при передаче речи по линии связи; с той же целью информация подвергается определенной переупаковке (перемежению); кроме того, кодер канала вводит в состав передаваемого сигнала информацию управления, поступающую от логического блока;

Þ модулятор – осуществляет перенос информации кодированного сигнала на несущую частоту.

Приемник по составу в основном соответствует передатчику, но с обратными функциями входящих в него блоков:

Þ демодулятор выделяет из модулированного радиосигнала кодированный видеосигнал, несущий информацию;

Þ декодер канала выделяет из входного потока управляющую информацию и направляет ее на логический блок, принятая информация проверяется на наличие ошибок и выявленные ошибки по возможности исправляются; до последующей обработки принятая информация подвергается обратной (по отношению к кодеру) переупаковке;

Þ декодер речи восстанавливает поступающий на него с кодера канала сигнал речи, переводя его в естественную форму со свойственной ему избыточностью, но в цифровом виде;

Þ цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует принятый сигнал речи в аналоговую форму и подает его на вход динамика;

Þ эквалайзер служит для частичной компенсации искажений сигнала вследствие многолучевого распространения; по существу он является адаптивным фильтром, настраиваемым по обучающей последовательности символов, входящей в состав передаваемой информации; блок эквалайзера не является, вообще говоря, функционально необходимым и в некоторых случаях может отсутствовать.

Иногда, для сочетания кодера и декодера употребляют наименование кодек (например, канальный кодек, речевой кодек).

Помимо собственно передатчика и приемника, в приемопередающий блок входит логический блок и синтезатор частот. Логический блок – это по сути микрокомпьютер со своей оперативной и постоянной памятью, осуществляющий управление работой подвижной станции. Синтезатор является источником колебаний несущей частоты, используемой для передачи информации по радиоканалу. Наличие гетеродина и преобразователя частоты обусловлено тем, что для передачи и приема используются различные участки спектра (так называемое дуплексное разделение по частоте).

В заключение можно отметить еще несколько моментов. Блок-схема рис. 1 является существенно упрощенной. На ней не показаны усилители, селектирующие цепи, генераторы сигналов синхрочастот и цепи их разводки, схемы контроля мощности на передачу и прием, и управления ею, схема управления частотой генератора для работы на определенном частотном канале и т.п. Для обеспечения конфиденциальности передачи информации в некоторых системах возможно использование режима шифрования; в этих случаях передатчик и приемник подвижной станции включают соответственно блоки шифрования и дешифровки сообщений. В подвижной станции системы GSM предусмотрен специальный съемный модуль идентификации абонента (Subscriber Identity Module - SIM).

Подвижная станция системы GSM включает также так называемый детектор речевой активности (Voice Activity Detektor), который в интересах экономного расходования энергии источника питания (уменьшения средней мощности излучения), а также снижения уровня помех, неизбежно создаваемых для других станций при работающем передатчике, включает работу передатчика на излучение только на те интервалы времени, когда абонент говорит. На время паузы в работе передатчика в приемный тракт дополнительно вводится так называемый комфортный шум. В необходимых случаях в подвижную станцию могут входить отдельные терминальные устройства, например факсимальный аппарат, в том числе подключаемые через специальные адаптеры с использованием соответствующих интерфейсов.

Если представить блок-схему аналоговой подвижной станции, то она будет проще рассмотренной цифровой за счет отсутствия блоков АЦП/ЦАП и кодеков, но сложнее за счет более громоздкого дуплексного антенного переключателя, поскольку аналоговой станции приходится одновременно работать на передачу и на прием.

Базовая станция

Многие элементы, входящие в состав базовой станции (БС), по функциональному назначению не отличаются от аналогичных элементов подвижной станции, но в целом базовая станция существенно больше и сложнее подвижной, что соответствует ее месту в системе сотовой связи.

Рис. 2. Блок-схема базовой станции

Блок-схема базовой станции приведена на рис. 2. Первая особенность базовой станции, которую следует отметить – это использование разнесенного приема, для чего станция должна иметь две приемные антенны (на схеме рис. 2 эта особенность не отражена). Кроме того, базовая станция может иметь раздельные антенны на передачу и на прием (схема рис. 2 соответствует этому случаю). Используемые в сотовой связи полосы частот относятся к дециметровому диапазону. Как известно, дециметровые радиоволны распространяются в основном в пределах прямой видимости; дифракция на этих частотах выражена слабо, а молекулярного поглощения и поглощения в гидрометеорах (снег, дождь) практически нет. Однако близость подстилающей поверхности и наличие препятствий (зданий), особенно в условиях города, типичных для применения сотовой связи, приводят к появлению отраженных сигналов, интерферирующих между собой и с сигналом, прошедшим по прямому пути. Это явление называют многолучевым (или многопутевым) распространением сигналов. Одним из следствий такого многолучевого распространения является более быстрое, чем в свободном пространстве, убывание интенсовности принимаемого сигнала с расстоянием. Другое следствие – замирания и искажения результирующего сигнала.

Картина многолучевого распространения схематически иллюстрируется рис. 3. Фактически область существенных отражений ограничивается обычно сравнительно небольшим участком в окрестности подвижной станции – порядка нескольких сотен длин волн, т.е. порядка нескольких десятков или сотен метров. При движении подвижной станции эта область перемещается вместе с ней таким образом, что подвижная станция все время остается вблизи центра области.

Рис. 3. Схема многолучевого распространения

в условиях плотной городской застройки.

При сложении нескольких сигналов, прошедших по разным путям и имеющих в точке приема в общем случае различные фазы, результирующий сигнал может быть как несколько выше среднего уровня, так и заметно ниже, причем провалы, или замирания сигнала, образующиеся при взаимной компенсации сигналов вследствие неблагоприятного сочетания их фаз и амплитуд, могут быть достаточно глубокими. Искажения результирующего сигнала, или межсимвольная интерференция, имеет место в том случае, когда более или менее синфазные составляющие сигналов с соизмеримыми амплитудами настольно отличаются по разности хода, что символы одного сигнала «налезают» на соседние символы другого.

Колебания уровня (замирания) принимаемого сигнала практически всегда имеют две составляющие – быструю и медленную. Быстрые замирания, являющиеся прямым следствием многолучевого распространения, описываются релеевскими замираниями. Диапазон изменений уровня сигнала при быстрых замираниях может достигать 40 дБ, из которых примерно 10 дБ – превышения над средним уровнем и 30 дБ – провалы ниже среднего уровня, причем более глубокие провалы встречаются реже, чем менее глубокие. При неподвижном абонентском аппарате интенсивность принимаемого сигнала, естественно, не меняется. При перемещении подвижной станции переодичность флуктуаций в пространстве составляет около полуволны, т.е. порядка 10 … 15 см в линейной мере. Период флуктуаций во времени зависит от скорости перемещения подвижной станции: например, при скорости 50 км/ч период флуктуаций составляет около 10 мс, а при 100 км/ч – около 5 мс. Частота замираний глубиной 30 … 10 дБ при скорости порядка 50 км/ч составляет 5 … 50 провалов в секунду соответственно, а средняя длительность замираний ниже уровня 30 … 10 дБ при той же скорости – порядка 0,2 … 2 мс.

Медленные замирания обусловлены изменением условий затенения при перемещении подвижной станции и подчиняются логарифмически нормальному закону распределения. Интенсивность медленных флуктуаций не превышает 5 … 10 дБ, а их периодичность соответствует перемещению подвижной станции на десятки метров. Фактические медленные замирания представляют собой изменение среднего уровня сигнала при перемещении подвижной станции, на которые накладываются быстрые замирания вследствие многолучевого распределения.

Основную неприятность при сотовой связи составляют быстрые замирания, поскольку они бывают достаточно глубокими, и при этом отношение сигнал/шум падает настолько сильно, что полезная информация может существенно искажаться шумами, вплоть до полной ее потери. Для борьбы с быстрыми замираниями используются два основных метода:

Þ разнесенный прием, т.е. одновременное использование двух или более приемных антенн;

Þ работа с расширением спектра – использование скачков по частоте, а также метода СDМА.

Разнесенный прием

Идея разнесенного приема (английский термин diversity reception, или просто diversity – разнесение) как меры борьбы с быстрыми замираниями заключается в совместном использовании нескольких сигналов, различающихся (разнесенных) по какому-либо параметру или координате, причем разнесение должно выбираться таким образом, чтобы вероятность одновременных замираний всех используемых сигналов была много меньше, чем какого-либо одного из них. Иными словами, эффективность разнесенного приема тем выше, чем менее коррелированны замирания в составляющих сигналах. Кроме того, важны техническая реализуемость и простота используемого метода.

В принципе возможны как минимум пять вариантов разнесенного приема:

Þ с разнесением во времени (time diversity); при этом используются сигналы, сдвинутые во времени один относительно другого; этот метод сравнительно легко реализуем лишь в цифровой форме, и улучшение качества приема разменивается на пропускную способность канала связи;

Þ с разнесением по частоте (trequency diversity); при этом используются сигналы, передаваемые на нескольких частотах, т.е. платой является расширение используемой полосы частот;

Þ с разнесением по углу или по направлению (angle diversity; или direction diversity); при этом прием производится на несколько антенн с рассогласованными (не полностью перекрывающимися) диаграммами направленности; в этом случае сигналы с выходов разных антенн коррелированны тем слабее, чем меньше перекрытие диаграмм направленности, но при этом одновременно падает и эффективность приема (интенсивность принимаемого сигнала), по крайней мере для всех антенн, кроме одной;

Þ с разнесением по поляризации (polarization diversity), когда, например, две антенны принимают сигналы двух взаимно ортогональных поляризаций; практического значения этот вариант не имеет, поскольку в диапазоне СВЧ замирания на разных поляризациях сильно коррелированны;

Þ с разносом в пространстве (space diversity), т.е. с приемом сигналов на несколько пространственно разнесенных антенн; это единственный метод, находящий практическое применение, и именно он обычно имеется в виду, когда говорят о разнесенном приеме.

Для метода пространственного разнесения, или с учетом сказанного выше, для разнесенного приема, необходимы как минимум две приемные антенны, установленные с некоторым смещением одна относительно другой. Из общих соображений, очевидно, что выигрыш от разнесенного приема тем больше, чем больше число используемых антенн, однако при этом возрастает и сложность технического решения. Поэтому практическое применение находит простейшая система с двумя приемными антеннами, и в основном в базовых станциях. В подвижных станциях сколько-нибудь широкого распространения разнесенный прием не получил. Существенными характеристиками системы разнесенного приема являются расстояние между антеннами и способ совместного использования сигналов с выхода двух антенн. С ростом расстояния между антеннами корреляция между флюктуациями уровня принимаемых ими сигналов падает, и в этом смысле, чем больше разнос антенн, тем выше эффективность разнесенного приема. Но при этом возрастает и сложность технической реализации, так что практически разнос берется минимально возможным, при котором разнесенный прием уже достаточно эффективен. Реально с учетом как аналитических оценок, так и эмпирических данных разнос обычно составляет около десятка длин волн, т.е. порядка нескольких метров.

Что касается способов объединения сигналов с выходов двух антенн, то в принципе возможно как использование одного (более сильного) из двух сигналов, так и суммирование обоих сигналов – додетекторное (когерентное) или последетекторное, - с равными весами или со взвешиванием, обеспечивающим получение максимума отношения сигнал/шум. В случае двух приемных антенн различие в эффективности этих способов относительно невелико, и на практике обычно применяется наиболее простой из них – выбор максимального из двух сигналов с коммутацией выхода соответствующего приемника на вход тракта последующей обработки.

Вторая особенность – наличие нескольких приемников и такого же числа передатчиков, позволяющих вести одновременную работу на нескольких каналах с различными частотами.

Одноименные приемники и передатчики имеют общие перестраиваемые опорные генераторы (не показанные на рис. 2), обеспечивающие их согласованную перестройку при переходе с одного канала на другой; конкретное число N приемопередатчиков зависит от конструкции и комплектации базовой станции. Для обеспечения одновременной работы N приемников на одну приемную и N передатчиков на одну передающую антенну между приемной антенной и приемниками устанавливается делитель мощности на N выходов, а между передатчиками и передающей антенной – сумматор мощности на N входов.

Приемник и передатчик имеют в общем ту же структуру, что и в подвижной станции (рис. 1), за исключением того, что здесь в них отсутствуют соответственно ЦАП и АЦП, поскольку и входной сигнал передатчика, и выходной сигнал приемника имеют цифровую форму. Возможны варианты, когда кодеки – либо только кодек речи, либо и кодек речи, и канальный кодек – конструктивно реализуются в составе центра коммутации, а не в составе приемопередатчиков базовой станции, хотя функционально они остаются элементами приемопередатчиков.

Блок сопряжения с линией связи осуществляет упаковку информации, передаваемой по линии связи на центр коммутации, и распаковку принимаемой от него информации. В качестве линий связи базовой станции с центром коммутации обычно используется радиорелейная или волоконно-оптическая линия, если базовая станция и центр коммутации не располагаются территориально в одном месте.

Контроллер базовой станции, представляющий собой достаточно мощный и совершенный компьютер, обеспечивает управление работой станции, а также контроль работоспособности всех входящих в нее блоков и узлов.

Для обеспечения достаточной степени надежности многие блоки и узлы базовой станции резервируются (дублируются), в состав станции включаются автономные источники бесперебойного питания (аккумуляторы). Поскольку аппаратура базовой станции потребляет значительную мощность, и соответственно выделяет заметное количество тепла, в ней предусматриваются специальные устройства охлаждения. Все эти элементы, как и ряд других, не являющихся в известном смысле существенными для пояснения принципов работы станции, на схеме рис. 2 не показаны.

Центр коммутации

Центр коммутации является мозговым центром и одновременно диспетчерским пунктом системы сотовой связи, на которой замыкаются потоки информации со всех базовых станций и через который осуществляется выход на другие сети связи – стационарную телефонную сеть, сети междугородной связи, спутниковой связи, другие сотовые сети. В состав центра коммутации входит несколько процессоров (контроллеров), и он является типичным примером многопроцессорной системы.

Блок-схема центра коммутации представлена на рис. 4. Собственно коммутатор осуществляет переключение потоков информации между соответствующими линиями связи. Он может, в частности, направить поток информации от одной базовой станции к другой, или от базовой станции к стационарной сети связи, или наоборот – от стационарной сети связи к нужной базовой станции. Коммутатор подключается к линиям связи через соответствующие контроллеры связи, осуществляющие промежуточную обработку (упаковку/распаковку, буферное хранение) потоков информации. Общее управление работой центра коммутации и системы в целом производится от центрального контроллера, который имеет мощное математическое обеспечение, включающее перепрограммируемую часть (software). Работа центра коммутации предполагает активное участие операторов, поэтому в состав центра входят соответствующие терминалы, а также средства отображения и регистрации (документирования) информации. В частности, оператором вводятся данные об абонентах и условиях их обслуживания, исходные данные по режимам работы системы, в необходимых случаях оператор выдает требующиеся по ходу работы команды.

Рис. 4. Блок-схема центра коммутации

Важными элементами схемы являются базы данных – домашний регистр, гостевой регистр, центр аутентификации, регистр аппаратуры (последний имеется не во всех системах). Домашний регистр (домашний регистр местоположения – Home Location Register, HLR) содержит сведения обо всех абонентах, зарегистрированных в данной системе, и о видах услуг, которые могут быть им оказаны (при заключении договора на обслуживание для разных абонентов может быть предусмотрено, вообще говоря, оказание различных наборов услуг). Здесь же фиксируется местоположение абонента для организации его вызова, и регистрируются фактически оказанные услуги. Гостевой регистр (гостевой регистр местоположения – Visitor Location Register, VLR) содержит примерно такие же сведения об абонентах гостях (ромерах), т.е. абонентах, зарегистрированных в другой системе, но пользующихся в настоящее время услугами сотовой связи в данной системе. Центр аутентификации (Authentication Center) обеспечивает процедуры аутентификации абонентов и шифрование сообщений. Регистр аппаратуры (регистр идентификации аппаратуры – Equipment Identity Register), если он существует, содержит сведения об эксплуатируемых подвижных станциях на предмет их исправности и санкционированного использования. В частности, в нем могут отмечаться украденные (или утерянные) абонентские аппараты, а также аппараты, имеющие технические дефекты, например, являющиеся источниками помех недопустимо высокого уровня. Как и в базовой станции, в центре коммутации предусматривается резервирование основных элементов аппаратуры, включая источник питания, процессоры и базы данных.

Структура, показанная на рис. 4, весьма схематична. В частности, базы данных часто не входят в состав центра коммутации, а реализуются в виде отдельных элементов. Кроме того, устройство центров коммутации может быть существенно различным в исполнении разных компаний – изготовителей. Если интерфейс между центром коммутации и базовыми станциями не соответствует общепринятому стандарту, или такой общепринятый стандарт вообще отсутствует, возникает необходимость использовать базовые станции и центр коммутации одной и той же компании – изготовителя.

5. Контрольные вопросы

1. Поясните состав ПС по блок-схеме.

2. Что входит в состав антенного блока?

3. Назначение и состав блока управления.

4. Поясните функции, выполняемые аппаратом ПС.

5. Назначение и состав приемника и передатчика ПС.

6. Какие еще блоки входят в состав приемопередающего блока?

7. Поясните состав базовой станции по блок-схеме.

8. Какова особенность базовой станции?

9. Поясните механизм образования многолучевого распространения сигналов.

10. Какие составляющие обуславливают колебания уровня принимаемого сигнала?

11. Дайте характеристику возможных вариантов разнесенного приема.

12. Какой вариант разнесенного приема находит практическое применение?

13. Поясните состав центра коммутации по блок-схеме.

14. Назначение и состав центра коммутации.

Литература

1. Бабков В.Ю., Вознюк М.А., Дмитриев В.И. Системы мобильной связи. / СПб ГУТ, - СПб, 1999.

2. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. - М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2000.

3. Ратынский М.В. Основы сотовой связи. - М.: Радио и связь, 2000.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7

ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПОВ РАБОТЫ СИСТЕМ МНОЖЕСТВЕННОГО ДОСТУПА С КОДОВЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ

1. Цель работы

Изучение принципов построения систем множественного доступа с кодовым разделением каналов.

2. Задание

1. Ознакомиться с вариантами реализации кодового разделения.

2. Ознакомиться с оценкой числа пользователей на соту.

3. Ознакомиться с принципом выбора семейства адресных последовательностей (сигнатур).

4. Составить отчёт.

3. Содержание отчёта

1. Назначение и цель работы.

2. Рисунок, поясняющий процедуру прямого расширения спектра.

4. Краткая теория

4.1 Варианты реализации кодового разделения

В основе множественного доступа с кодовым разделением (МДКР или CDMA) лежит ориентация на широкополосную (spread spectrum) идеологию построения систем передачи информации, предусматривающую сознательное и многократное расширение полосы передаваемого сообщения по сравнению с той, которая характерна для традиционных узкополосных систем. Искусственное расширение спектра в подобных системах, как правило, реализуется одним из двух основных способов:

§ прямое расширение - direct sequence spread spectrum (DSSS);

§ скачкообразное изменение несущей частоты - frequency hop spread spectrum (FHSS).

В первом варианте информационное сообщение манипулирует псевдослучайную последовательность (ПСП), состоящую из элементов (чипов) длительности Т_с, причем длительность чипа многократно (в N раз) меньше длительности T_б передаваемого информационного бита или символа:

Величина N непосредственно характеризует степень расширения полосы по сравнению с полосой первичного сообщения и потому называется коэффициентом расширения спектра (в англоязычных текстах spreading factor или processing gain).

Упомянутая манипуляция ПСП c(t) передаваемым потоком данных D(t) обычно реализуется их простым перемножением (см. рис. 1, а). Диаграммы рис. 1, б-г иллюстрируют содержание процедуры прямого расширения для примера двоичной передачи и бинарной ПСП. На рис. 1, в показана периодическая бинарная ПСП, чей период, содержащий N = 8 чипов, совпадает с длительностью одной посылки сообщения (в общем случае период ПСП может быть произвольным, в частности, значительно большим длительности информационной посылки; более того, ПСП вообще может быть апериодической). Результат прямого расширения очевиден (рис.1, г): если информационная посылка несет нулевой бит (положительная полярность D(t), рис. 1, б), на выходе перемножителя присутствует первоначальная версия ПСП. При передаче посылкой значения 1 текущего бита полярность ПСП меняется на противоположную. Сигнал после перемножителя подается на стандартный модулятор несущей (БФМ, КФМ и т.д.).

Как можно видеть, процедура прямого расширения спектра не ухудшает помехоустойчивости двоичной передачи в гауссовском канале, оставляя противоположными сигналы, отвечающие значениям 0 и 1 передаваемого бита.

При использовании второго способа расширения спектра каждый символ информационного сообщения должен передаваться с помощью набора дискретных частот, задаваемого определенной последовательностью. Подробное описание FHSS технологии расширения спектра можно найти в соответствующих источниках.

В существующих и разрабатываемых на перспективу системах сотовой связи преимущественно применяется прямое расширение спектра, реализуемое либо в синхронном, либо в асинхронном варианте. Различия этих двух модификаций DSSS весьма значительны. Первая может быть применена тогда, когда есть возможность синхронизировать между собой все индивидуальные адресные последовательности (сигнатуры), присвоенные отдельным абонентам так, чтобы на приемной стороне сигналы разных абонентов не имели взаимных временных сдвигов. Подобная ситуация характерна для линии "вниз" ССМС (от БС к МС), поскольку сигналы БС, посланные разным МС строго одновременно, приходят на отдельную МС по одной и той же трассе, т.е. без взаимных задержек.

В линии "вверх" обеспечение синхронизма сигналов разных МС, принимаемых БС, хотя и не отрицается теоретически, довольно затруднительно и не всегда технологически оправданно из-за случайного расположения МС относительно БС в пределах соты и, следовательно, случайных взаимных задержек сигналов. Для подобных ситуаций характерно применение асинхронной версии DSSS, не предполагающей взаимной временной привязки сигнатур индивидуальных абонентов.

Рис. 1. Процедура прямого расширения спектра для двоичной передачи и бинарной ПСП.

Преимущества CDMA по отношению к FDMA и ТDМА можно условно разбить на две группы. Первую из них составляют те, которые отличают любые широкополосные (spread spectrum) системы: высокая помехоустойчивость к сосредоточенным и широкополосным помехам (в том числе преднамеренным), возможность эффективной работы в условиях многолучевого распространения, широкий диапазон доступных мер криптозащиты, высокая точность измерения частотно-временных параметров, хорошая электромагнитная совместимость с системами радиосвязи и вещания и др. Вторая группа непосредственно связана с аспектами множественного доступа: большая абонентская емкость на соту (сектор), "мягкий" характер снижения качества связи при возрастании интенсивности трафика, простота реализации режима "мягкой" эстафетной передачи.

Рассмотрим подробнее вопрос об оценке возможного числа пользователей в системах с кодовым разделением.

4.2. Оценка числа пользователей на соту

Синхронный вариант CDMA с использованием ортогональных сигналов, разумеется, не может иметь каких-либо принципиальных преимуществ по сравнению с FDMA и ТDМА в максимальном числе пользователей, поскольку последнее есть попросту число ортогональных сигналов, лимитируемое только размерностью сигнального пространства, т.е. частотно-временным ресурсом (). Способ построения ортогонального семейства (разнесение по частоте, времени или соответствующее кодирование) не влияет на количество сигналов в семействе.

Асинхронный же вариант CDMA (как и синхронный при числе абонентов, превышающем возможное число ортогональных сигналов) позволяет более гибко, чем FDMA и ТDМА, эксплуатировать эффекты пространственного затухания радиоволн для повторного использования ресурса в системах с сотовой топологией.

При корреляционной обработке отношение "сигнал - совокупная помеха" на выходе приемника системы с кодовым разделением может быть записано в виде

(1)

где и - соответственно спектральные плотности мощности внутрисистемных помех и белого шума; Е_б = P_R Т_б - энергия, приходящаяся на один бит информационного сообщения; P_R - мощность абонентского сигнала на приемной стороне.

С учетом обязательного в асинхронных системах с CDMA выравнивания мощностей абонентских сигналов на входе приемника спектральная плотность внутрисистемных помех, создаваемых К -1 посторонними пользователями, может быть оценена как

Данная оценка опирается на аппроксимацию взаимной помехи случайным шумом со средней мощностью (К-1)P_R, равной сумме мощностей всех сторонних сигналов. Полагая внутрисистемную помеху преобладающей над тепловым шумом (>>), из (5.2) получаем , откуда оценка предельного числа пользователей

. (2)

Как можно видеть, при q не ниже 5...8 дБ (уровень превышения полезным сигналом помехи, достаточный для достижения вероятности ошибки на символ в пределах тысячных долей) максимальное число абонентов, обеспечиваемое рамками CDMA, заметно меньше, чем при использовании FDMA и ТОМА. Учтем теперь, что в форматах FDMA и ТDМА запрет на повторное использование каналов в примыкающих сотах вынуждает дробить ресурс между ячейками одного и того же кластера. Следствием этого является уменьшение числа абонентов на соту в п_с раз, где п_с - количество ячеек в кластере. Так, при весьма типичном 7-элементном кластере удельное число абонентов на соту составит

(3)

В то же время при технологии СDМА можно пойти на повторное использование всего доступного ресурса в соседних сотах, платой за что окажется увеличение уровня внутрисистемных помех, создаваемых теперь не только сигналами своих (обслуживаемых данной ячейкой) абонентов, но и сигналами абонентов "чужих" БС. При этом вклад "просачивания" из соседних ячеек в суммарную взаимную помеху может оказаться заметно слабее составляющей, обусловленной "своими" (а значит, более близкими к БС) абонентами, за счет крутого спада принимаемой мощности в зависимости от расстояния (обратно пропорционально примерно четвертой степени расстояния для зон плотной городской застройки или густой растительности). По оценкам многих источников "соседние" ячейки увеличивают общий уровень взаимной помехи примерно в 1,5 раза. Отсюда сотовая емкость CDMA системы может быть оценена как , что при (8 дБ) дает

(4)

Из (3) и (4) следует, что CDMA обладает почти двукратным выигрышем по этому показателю по отношению к FDMA и TDMA.

В том же направлении действует и учет фактора речевой активности пользователя. Дело в том, что в обычном телефонном разговоре каждый из участников тратит определенную часть времени на паузы, выслушивая собеседника и осмысливая содержание диалога. Фактор речевой активности a_р численно задает долю именно речевой фазы одного участника в общей продолжительности соединения. Стандарт GSM уже определенным образом эксплуатирует рассматриваемый фактор, однако исключительно в целях энергосбережения, но не увеличения абонентской емкости. Хотя теоретически такая возможность не исключается, на деле мгновенная передача освобождающегося в паузе физического частотного или временного канала другому абоненту с последующим возвратом вряд ли заслуживает реализации в силу резкого усложнения протоколов и невозможности согласования пауз в разговорах индивидуальных абонентов. В рамках же CDMA высвобождение ресурса в паузах разговора автоматически снижает уровень взаимной помехи и тем самым способствует увеличению емкости системы.

В первом приближении можно учесть фактор a_р, заменив спектральную плотность мощности внутрисистемной помехи значением, усредненным по всей продолжительности разговора . Тогда с учетом (4) оценка числа абонентов на соту примет вид

При типичном значении фактора речевой активности =3/8

что в сравнении с (3) означает более чем четырехкратный выигрыш в абонентской емкости по сравнению с FDMA и ТОМА технологиями.

В некоторых источниках приводятся еще более впечатляющие цифры, подтверждающие достоинства CDMA. Обычно они базируются на предположении о секторизации соты, естественно увеличивающей сотовую емкость в число раз, соответствующее количеству секторов. Не следует забывать, однако, что выигрыш за счет секторизации реализуем в рамках всех технологий множественного доступа и поэтому должен исключаться при корректном их сопоставлении.

Отметим, что полученные выше оценки являются всего лишь первичными ориентирами, поскольку опираются на многочисленные приближения и допущения. Реальное проектирование CDMA-систем должно опираться на более глубокий анализ, с необходимостью сопровождаемый всесторонним моделированием и полевыми испытаниями.

4.3. Оптимизация сигнатур при кодовом разделении с прямым расширением спектра

Обратимся теперь к вопросу о выборе семейства адресных последовательностей, приписываемых абонентам ССМС и задающих физические каналы CDMA-системы. Очевидно, что наилучшим семейством адресных последовательностей (сигнатур) будет то, в котором обеспечивается наименьший уровень взаимных помех. Предположим вначале, что все сигнатуры периодичны с одинаковым периодом в числе чипов N. Поскольку отклик коррелятора на входное воздействие представляет собой отсчет корреляционной функции, то требование малого уровня взаимной помехи трансформируется в ограничение на выбросы нормированной взаимной корреляционной функции (ВКФ) R_kl(m) k-й и I-й сигнатур:

В этом выражении – i-й символ кодовой последовательности комплексных амплитуд, определяющей закон манипуляции чипов k-й сигнатуры. Наиболее интересен случай фазовой манипуляции и потому действительные амплитуды всех чипов приняты одинаковыми: (избранная нормировка, разумеется, не ограничивает общности). Аргументом т взаимной корреляционной функции является относительный временной сдвиг сигнатур, полагаемый равным целому числу длительностей одного чипа. Если говорить об асинхронном варианте CDMA, характерном, например, для обратного канала (от МС к БС), то возможным диапазоном сдвигов т можно считать 0, 1, ..., N-1.

Теперь требование малого уровня взаимной помехи можно формализовать как минимизацию наибольшего выброса взаимных корреляций всех пар сигнатур при любых относительных сдвигах:

Наряду с этим традиционно желателен и малый уровень боковых лепестков периодической автокорреляционной функции (ПАКФ) всех последовательностей в ансамбле, т.е.

Выполнение последнего условия необходимо для осуществления многолучевого разнесения, а также устранения грубых промахов на этапе синхронизации опорного колебания коррелятора с принимаемым сигналом.

Предъявленные требования естественным образом объединяются в виде следующего минимаксного критерия качества ансамбля сигнатур

(5)

В общем случае, т.е. при ориентации на асинхронно-адресный принцип функционирования системы, потенциал минимизации уровня R_M не беспределен и ограничен соотношениями, связывающими минимально достижимое значение R_M с объемом ансамбля К, длиной кодовых последовательностей N и типом алфавита, которому принадлежат символы последовательности {a_i}. Известен целый ряд соотношений, определяющих нижнюю границу R_M при ограничениях на алфавит и длину N. Простейшим из них и в ряде случаев точным является граница Велча

(6)

Ансамбли последовательностей, удовлетворяющие упомянутым границам, получили название оптимальных.

В классе бинарных последовательностей, алфавит символов которых ограничен множеством {±1}, известно несколько представителей оптимальных ансамблей: Голда, Касами, бентфункций и др.

Подчеркнем, что выбор ансамбля, оптимального в вышеупомянутом смысле, гарантирует малый уровень внутрисистемных помех при CDMA с прямым расширением далеко не во всех случаях. Причиной этого служит предположение о периодичности сигнатур: в упомянутых системах периодичность нарушается за счет манипуляции сигнатурной ПСП случайным потоком данных (см. рис. 1). Тем самым условие (5) оказывается лишь необходимым, но не достаточным. В ситуациях, когда на длине информационной посылки укладывается относительно большое число периодов сигнатуры, нарушения периодичности не приведут к заметному росту выброса взаимной помехи по сравнению с (6). Когда же период сигнатуры близок к длине посылки или превышает ее, критерий (5) перестает быть достаточным. Поэтому во многих современных CDMA-системах выбор сигнатурных ансамблей осуществляется не с использованием обсужденного выше детерминистического подхода, а на основе трактовки сигнатур как случайных последовательностей. При этом уровень взаимной помехи оценивается статистически. Многочисленными исследованиями установлено, что при подобном статистическом подходе любые ансамбли, отвечающие простейшим тестам на псевдослучайность, оказываются практически равноценными, что означает широкую свободу выбора конкретного ансамбля сигнатур для проектируемой системы.

Значительно более прозрачными и понятными являются подходы к оптимизации ансамбля адресных сигналов в синхронных CDMA-системах, если допустимо применение сигнатур длины, не меньшей требуемого числа пользователей. При этом синтез сигнатурного ансамбля сведется попросту к построению ортогональных последовательностей, что осуществимо множеством способов. К примеру, в стандарте IS-95 в качестве сигнатур линии «вниз» использованы обычные функции Уолша.

5. Контрольные вопросы

1. Какие способы используются для расширения спектра?

2. Какие сигналы называются сложными (шумоподобными ШПС) сигналами?

3. Поясните процедуру прямого расширения спектра для двоичной передачи и бинарной ПСП.

4. Каковы преимущества CDMA по отношению к FDMA и TDMA.

5. Чему равно удельное число абонентов на соту в системах CDMA, FDMA и TDMA.

6. Поясните термин «фактор речевой активности».

7. Как влияет фактор речевой активности на величину удельного числа абонентов на соту.

8. Какие ансамбли последовательностей получили название оптимальных.

9. В каких случаях выбор оптимального ансамбля последовательностей оказывается лишь необходимым, но не достаточным.

Литература

1. В.Г. Карташевский, С.Н. Семенов, Т.В. Фирстова. Сети подвижной связи.- М.:
Эко-Трендз, 2001.

2. Бабков В.Ю., Вознюк М.А., Никитин А.Н., Сиверс М.А. Системы связи с кодовым разделением каналов / СПб ГУТ, - СПб. 1999.

3. Громаков Ю.Я. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. ЭКО – ТРЕИДЗ. М. 2000.

4. Системы мобильной связи: Учебное пособие для вузов /В.П. Ипатов, В.К. Орлов,И. М. Самойлов, В.Н Смирнов; Под ред. В.П. Ипатова. - М.: Горячая линия -Телеком, 2003.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

АРХИТЕКТУРА ТРАКТА ПРИЕМА В СТАНДАРТЕ DECT

1. Цель работы

Изучить принципы построения приемников использованных

в стандарте DECT.

2. Задание

1. Изучить основные разновидностей тракта приема.

2. Тракт приема с двойным преобразованием частот.

3. Тракт приема с одним преобразованием частот.

4. Приемники с прямым преобразованием.

5. Изучить явление утечки сигнала гетеродина и просачивания сигнала помехи

6. Изучить смещение постоянной составляющей и проявления низкочастотных шумов.

7. Изучить другие приемники с другими типами преобразования частот.

3. Содержание отсчета

1. Назначение и цель работы.

2. Зарисовать структурную схему приемника (по заданию преподавателя).

4. Краткая теория

4.1. Архитектура тракта приема

Применение интегральных схем существенно уменьшило размер, стоимость и потребляемую мощность приемников. В последнее время в РЧ блоках начали использовать приемники с различной архитектурой, имеющие как достоинства, так и недостатки.

Различными производителями предлагается достаточно большое количество наборов ИС c различной степенью интеграции для РЧ блока, но производимый выбор влияет на конфигурацию приемопередатчика и стоимость изделия. Если выбираются РЧ микросхемы с высокой степенью интеграции, то, как правило, приходится обязательно использовать только те ИС, которые предназначены для работы с этими РЧ ИС.

Супергетеродинные приемники

В приемном тракте устройств DECT достаточно часто используется архитектура с одним (Single-Conversion) или двойным преобразованием (Double-Conversion) частоты. В обеих схемах изменение используемого частотного канала производится с помощью перестраиваемого по частоте гетеродина ГУН, сигнал которого подается на первый смеситель, чтобы трансформировать полезный сигнал вниз по частоте. Сигнал гетеродина вырабатывается генератором, управляемым напряжением (ГУН), ГУН частота которого стабилизируется с помощью синтезатора частоты СЧ.

Тракт приема с двойным преобразованием частоты

На рис. 1 показана классическая архитектура супергетеродинного приемника с двойным преобразованием частоты.

Полосовой ВЧ фильтр (Band Select Filter) ПФ1, предшествующий малошумящему усилителю (МШУ) (low noise amplifier) уменьшает внеполосные сигналы, а также уровень помех по зеркальному каналу совместно с фильтром ПФ2 (image reject filter). Затем весь спектр преобразуется вниз по частоте на фиксированную промежуточную частоту (Intermediate Frequency, IF) с использованием перестраиваемого гетеродина РЧ ГУН. Зеркальный сигнал и другие нежелательные продукты преобразования уменьшаются далее до приемлемого уровня, с помощью внешнего фильтра ФПЧ1 перед еще одним преобразованием вниз по частоте. Выбор рабочего канала обычно осуществляется, фильтром ПЧ2 (Channel Select Filter) после окончательного преобразования вниз. Это ослабляет требования к динамическому диапазону следующих блоков. От правильного выбора значения промежуточных частот зависят получаемые величины селективности и чувствительности приемника. Второе преобразование вниз по частоте в современных трактах приема обычно происходит в квадратурных схемах, чтобы облегчить цифровую обработку синфазных и квадратурного сигналов I и Q.

Рис.1. Архитектура тракта приема с двойным

преобразованием частоты

В приемнике с двойным преобразованием частоты существенно снижаются требования к элементам фильтрации. Супергетеродинная архитектура приемного тракта считается наиболее надежной, так как в ней высокие значения селективности и чувствительности могут быть достигнуты надлежащим выбором значений ПЧ и параметров фильтров. Эффекты смещения постоянной составляющей (DC offset) и утечки (leakage), более подробно рассмотренные далее, не влияют на характеристики приемника из-за использования нескольких шагов преобразования.

Однако, достижение высоких значений параметров и характеристик приемника приводит к увеличению стоимости устройства и его размеров. Это происходит за счет применения внешних высокодобротных полосовых фильтров, необходимых для подавления зеркального канала и выбора рабочего канала. Так как выбор рабочего канала происходит в первом каскаде ПЧ, перестраиваемый гетеродин требует качественного выполнения и использования внешнего колебательного контура для достижения хорошей характеристики по шумам. Указанные факторы затрудняют полную интеграцию приемопередатчика в единственной микросхеме. Ниже приведены особенности супергетеродинных структур.

Особенности супергетеродинных структур:

достоинства:

· использование пассивной фильтрации позволяет реализовать устройства с большим динамическим диапазоном.

· номиналы ПЧ и РЧ частот значительно отличаются, фильтрация и усиление производится в нескольких каскадах последовательно. Это позволяет реализовать в тракте приема устойчивые высокие коэффициенты усиления, минимизировать паразитные обратные связи, уменьшить утечки сигналов гетеродинов.

недостатки:

· необходимость использования внешних элементов фильтрации препятствует комплексной интеграции всего РЧ блока и выполнение его в виде одной ИС.

· наличие на выходе смесителей нежелательных комбинационных составляющих. Появление паразитных каналов приема.

· устройство получается относительно дорогим.

Для работы в приемных устройствах с двойным преобразованием частоты рядом фирм, среди которых следует в первую очередь упомянуть фирму Motorola, выпускаются ИС малой степени интеграции.

Осуществление преобразования частоты в двух ступенях позволяет распределить коэффициент усиления между каскадами ПЧ, что уменьшает вероятность ограничения сигнала и улучшает стабильность работы приемопередатчика. На рис. 2 показана типовая структура приемопередатчика с двойным преобразованием частоты в приемнике, используемая в РЧ блоках DECT.

Рис.2. Архитектура приемопередатчика с двойным преобразованием частоты в приемнике

Тракт приема с одним преобразованием частоты

На рис. 3 показана доминирующая архитектура радиоблока DECT — приемник с одним преобразованием, в котором принимаемый сигнал переносится в первом смесителе на частоту ПЧ, имеющую для DECT типовое значение около 110 МГц.

Рис. 3 Архитектура приемопередатчика с одним преобразованием частоты в приемнике

Приемники с прямым преобразованием

Стремление разработчиков уменьшить количество используемых в РЧ блоке навесных компонентов привело к использованию архитектуры приемника с прямым преобразованием (АПП) сигнала (Direct Conversion Receiver, DCR, Dicon ). Достаточно часто эту архитектуру называют приемником с нулевой ПЧ (Zero-IF receivers). На рис. 4 показана блок-схема такого устройства. Как и в классической супергетеродинной архитектуре, в данной используется перестраиваемый высокочастотной гетеродин, с помощью которого и производится выбор рабочего канала. Для достижения высоких качественных характеристик РЧ блока в нем необходимо использовать высоколинейный смеситель.

В приемнике прямого преобразования происходит перенос спектра принимаемого сигнала непосредственно в область низких частот, где и осуществляется его обработка в процессорном устройстве. Тракт усиления после смесителя должен производить усиление в том числе и постоянной составляющей сигнала, чтобы не потерять важные компоненты принимаемой информации.

На рис. 4 показан соответствующий процесс преобразования сигнала рабочего канала в области частот.

Рис. 4. Обобщенная структура РЧ блока с прямым преобразованием частоты

В структуре используется фильтр низких частот с крутыми фронтами (high roll-off low-pass filter), осуществляющий выбор рабочего канала (Channel Select Filter). В такой структуре отсутствует зеркальный канал приема и поэтому нет необходимости в использовании внешнего высокодобротного фильтра подавления зеркального сигнала. Так как уровень зеркального сигнала равен или меньше полезного сигнала, в архитектуре требуется незначительные подавления зеркального канала, и, соответственно, фильтр может быть выполнен внутрикорпусным. Процесс обратного преобразования шумов гетеродина уменьшен, так как для полного преобразования сигнала используется только один гетеродин. В целом, эта архитектура является весьма привлекательной в силу меньших стоимости, потребляемой мощности и массогабаритных показателей. Отсутствие навесных компонентов делает эту архитектуру очень перспективной для интеграции.

Однако, несмотря на простоту и ряд других достоинств этой архитектуры, она не стала достаточно распространенной в РЧ блоках. Прямое преобразование сигнала влечет за собой возникновение ряда проблем, не существующих или не настолько серьезно проявляющихся в гетеродинном приемнике. Обнаружению и обработке сигнала могут препятствовать проблемы, вызванные утечкой сигнала гетеродина (LO leakage), изменяющимся по времени смещением постоянной составляющей (DC offset) и фликкер-шум (Flicker noise). Эта архитектура также весьма склонна к созданию интермодуляционных искажений второго порядка IM2 (second-order intermodulation distortion product).

Утечка сигнала гетеродина и его самосмешение

Изоляция между сигнальным и гетеродинным входами смесителя и МШУ не идеальна. Возникают паразитные пути проникания сигнала с выхода гетеродина на вход МШУ и сигнальный вход гетеродина (рис. 5, а), т. е. создаются наводки напряжения гетеродина. Этот эффект, называемый «утечка сигнала гетеродина» (LO Leakage), является результатом емкостных связей, связи по подложке и печатной плате. Если сигнал гетеродина подается на ИС от внешнего внекорпусного источника, возникают паразитные связи по соединительным проводникам и кабелям. Сигнал утечки, появляющийся на входах МШУ и смесителя смешивается с сигналом гетеродина, таким образом, создавая постоянную составляющую сигнала на выходе ФНЧ. Это явление называется иногда самосмешение (self-mixing).

4.2. Просачивание сигнала помехи

Подобный эффект наблюдается, если на гетеродинный вход смесителя со входа или выхода МШУ попадает сигнал сильной входной помехи и перемножается сам с собой (рис. 5, б). Данное явление называют «просачивание сигнала помехи» (Interferer Leakage). Зачастую этим мешающим сигналом может оказаться даже внеполосный сигнал мощных телевизионных передатчиков.

Рис. 5. Явление утечки сигнала гетеродина (а) и

просачивание сигнала мощной помехи (б)

Утечка сигнала гетеродина на антенный вход и его излучение Утечка сигнала гетеродина через смеситель и МШУ на антенный вход и излучение его оттуда создает в рабочем диапазоне помеху для других приемников. Каждый беспроводной стандарт, международные и национальные нормативные документы налагают ограничения на максимальную величину внутриполосного излучения гетеродина. Важно заметить, что частота гетеродина в приемниках с прямым преобразованием располагается внутри диапазона приема, и фильтры предварительной фильтрации не могут подавить излучения гетеродина. Проблема утечки меньше сказывается в супергетеродинных приемниках и смесителях с подавлением зеркального канала, потому что частоты их гетеродинов обычно находятся вне диапазона приема.

Кроме этого, излучаемый сигнал гетеродина может быть отражен различными стационарными или движущимися объектами и возвращен в антенну, как показано на рис. 6. При этом амплитуда и фаза отраженного сигнала имеют случайные, постоянно меняющиеся значения, что приводит в конечном счете к случайным неустранимым флуктуациям величины постоянной составляющей сигнала на выходе тракта приема.

Рис. 6. Утечка сигнала гетеродина на антенный вход и его излучение

Проблема утечки становится постепенно менее серьезной, так как все больше узлов РЧ приемопередатчиков размещается в одном корпусе микросхемы при тщательной конструктивной и технологической проработке, уменьшающей рассмотренные явления. Использование дифференциальных схем гетеродинов и смесителей также снижают остроту проблемы.

Паразитные явления, возникающие в смесителе ППС:

· Сигнал гетеродина просачивается на вход смесителя, смешиваясь сам с собой.

· Сигнал гетеродина попадает на вход МШУ или антенну, излучается, создавая помехи соседним приемным устройствам.

· Сигналы большого уровня проникает с РЧ входа смесителя на гетеродинный вход смесителя.

Смещение постоянной составляющей

Так как в приемнике с прямым преобразованием сигнала происходит перенос сигнала на нулевую частоту, в тракте приема необходимо производить усиление в том числе и постоянной составляющей сигнала, содержащей важные информационные компоненты. Дрейф «нуля», возникающий в операционных усилителях, паразитное напряжение смещения уровня нуля (DC offsets) или смещение постоянной составляющей могут исказить сигнал и, что даже более важно, перевести последующие каскады в состояние насыщения. Это явление может возникать из-за целого ряда факторов, например влияния на характеристики компонентов тракта усиления окружающей среды и, прежде всего, температуры. Смещение постоянной составляющей возникает в результате разбаланса дифференциальных (квадратурных) каналов тракта приема, а также нестабильности амплитуды сигнала гетеродина.

Проблема смещения постоянной составляющей из-за самосмешения является особенно сильным, так как при этом на выходе тракта возникают паразитное смещение постоянная составляющей, величина которой зависит от фазовых соотношений напряжений наводок. Особенно тяжелым является возникновение изменяющейся во времени паразитной постоянной составляющей. Это происходит, например, когда протекающий на антенну сигнал гетеродина излучаются, а затем, отражаясь от объектов, в особенности перемещающихся, поступает опять на вход приемника.

Для достижения требуемых характеристик приемника, например его высокой чувствительности, тракт приема должен обеспечивать значительное усиление принятого сигнала. При этом уровень принятого сигнала должен быть больше, чем напряжение смещения. Таким образом, зачастую достижимые характеристики приемника с прямым преобразованием сигнала ограничиваются именно процессом паразитного смещения постоянной составляющей.

Эффект смещения постоянной составляющей может быть компенсирован при использовании различных мер, например, использования соответствующего цифрового сигнального процессора (ЦСП) или функции автоматической установки в ноль (auto-zeroing function). Компенсация смещения постоянной составляющей должна будет более тщательно производиться в изделиях, предназначенных для работы с более высокими скоростями передачи данных. Эффективными и простыми мерами борьбы с рассмотренными явлениями могут быть и правильное размещение компонентов РЧ блока, тщательная экранировка узлов.

Фликкер-шум

Еще одной проблемой, связанной с применением архитектуры прямого преобразования, является проявление низкочастотных шумов, известных под названием фликкер-шума (Flicker Noise) или шумов типа 1/f. При типовом значении коэффициента усиления узла МШУ/смеситель равном 30 дБ, величина преобразованного вниз сигнала составляет обычно десятки микровольт. Так как дальнейшее усиление сигнала происходит низкочастотным усилителем, НЧ шумы следующих каскадов — усилителей и фильтров, использующих обычно КМОП технологию — являются все еще заметными.

Эффект влияния фликкер-шума может быть уменьшен при использовании ряда методов и, частности, совершенствования технологии ИС. Кроме того, низкочастотные шумовые компоненты удается уменьшать с помощью тех же мер, что используются для уменьшения смещения постоянной составляющей.

Особенности архитектуры прямого преобразования АПП:

достоинства:

· нет необходимости использовать дискретные РЧ и ПЧ фильтрующие компоненты.

· в принципе, полностью интегрируемая в одну РЧ ИС устройство.

· необходимо использовать только один СЧ, что приводит к отсутствию каналов побочного приема и комбинационных помех в РЧ блоке.

· осуществляемая в информационном тракте канальная фильтрация позволяет разрабатывать многостандартные приемопередатчики.

недостатки:

· в высокочастотном синтезаторе необходимо использовать дорогой высококачественный ГУН.

· наличие утечек сигнала гетеродина.

· восприимчивость к смещению постоянной составляющей и низкочастотным помехам.

· необходимость согласования квадратурных I/Q каналов в широком диапазоне уровней сигнала и коэффициентов усиления.

4.3. Приемники с низкой ПЧ

Стремление разработчиков к созданию полностью интегрированного высококачественного РЧ блока с элементами внутрикорпусной полосовой фильтрации привела к появлению архитектуры приемника с низкой ПЧ (Low-IF receivers) (рис. 7.). Основная цель ее использования состоит в том, чтобы защитить приемник от смещения постоянной составляющей, являющегося главным недостатком приемников прямого преобразования, при сохранении основного достоинства таких приемников — устранения высокодобротных фильтров ПЧ. В этой архитектуре величина низкочастотной ПЧ составляет обычно сотни кГц, так что в ней может быть применен низко добротный ФНЧ выбора рабочего канала.

Как следует из названия, вместо непосредственного преобразования сигнала на нулевую частоту и подачи этого сигнала на информационный блок, частота гетеродина слегка сдвинута от несущей РЧ, обычно на один-два канала. Такая архитектура приемника с низкой ПЧ весьма удобна для реализации в виде ИС, так как подавление зеркального и выбор рабочего канала могут быть произведены с помощью низкодобротного полосового фильтра, устанавливаемого после 1 смесителя. Низкая ПЧ означает, что относительная ширина полосы пропускания фильтра ПЧ большая, и это дает возможность сделать его низкодобротным. При этом ПЧ ПАВ или кварцевый фильтр, необходимые при высокой ПЧ, может быть заменен активным RC-фильтром или другим фильтром, подходящим для интегрального выполнения.

В отличие от архитектуры с нулевой ПЧ, приемник с низкой ПЧ не чувствителен к паразитному смещению постоянной составляющей, утечке гетеродина, имеет меньшие интермодуляционные искажения. Низкое значение ПЧ также дает возможность производить последующую обработку сигнала различными способами. Сигнал ПЧ может быть передан к информационному блоку ВВ через еще один смеситель, или, что более предпочтительно, в цифровой форме после аналого-цифрового преобразования. Конечно, это становится возможным благодаря применению более быстродействующих аналого-цифровым преобразователей с высоким разрешением. Если номинал ПЧ равен только одному или двум частотным каналам, то невозможно обеспечить необходимую избирательность на радиочастоте, так как полоса пропускания РЧ фильтра должна быть достаточно широкой, чтобы передать все каналы системы. В этом случае основное подавление зеркального канала должно происходить в квадра турном преобразователе на низкую ПЧ, в качестве которого целесообразно использовать СПЗК.

Рис.7. Приемник однократного преобразования с низкой ПЧ

Одним из недостатков этой архитектуры является ограниченное подавление зеркального канала, составляющее около 40 дБ из-за внутрикорпусного согласования I и Q каналов. В РЧ блоке необходимо использовать перестраиваемый высокочастотный гетеродин с хорошими характеристиками, что затрудняет и удорожает разработку СЧ. Введение обычно используемого асимметричного многофазного фильтра для улучшения подавления зеркального канала вносит дополнительные потери и ухудшает шумовые характеристики РЧ блока. Без надлежащей предварительной фильтрации могут существенно увеличиваться требования к динамическому диапазону и разрешению АЦП. При использовании этой архитектуры в широкополосных системах значительно возрастает энергопотребление устройства.

Особенности приёмника с низкой ПЧ:

достоинства:

· Принципиальная возможность полной интеграции РЧ блока и создания многостандартного устройства.

· Возможность отказа от РЧ фильтров.

· Отсутствие паразитного смещения постоянной составляющей.

недостатки:

· Невозможность обрабатывать большие зеркальные компоненты.

· Необходимо использовать перестраиваемый высококачественный РЧ ГУН.

· Утечка сигнала ГУН в антенну.

· Квадратурные каналы должны быть идентичными.

· Взаимное смешивание (Reciprocal mixing) блокирующих сигналов и гармоник ГУН.

Широкополосные приемники с двойным преобразованием частоты

В последнее время разработчики стали проявлять интерес к архитектуре широкополосного приемника с двойным преобразованием частоты (Wideband double-IF receiver), в котором объединена архитектура приемника с нулевой ПЧ и традиционного супергетеродина, позволяющая по мнению ряда разработчиков оптимизировать потребление мощности и характеристики устройства. Блок-схема широкополосного приемника с двойным преобразованием частоты показана на рис. 8. Эта структура похожа на супергетеродин, в котором используется несколько каскадов ПЧ, а первая ПЧ находится в области сотен МГц.

Если в качестве элементов фильтрации по ПЧ использовать ФНЧ, то такая архитектура может быть использована при разработке РЧ блока в виде одной ИС. На рис. 9 показан и соответствующий процесс преобразования сигнала.

Рис. 8. Архитектура широкополосного приемника с двойным преобразованием частоты

Рис. 9. Архитектура широкополосного приемника с двойным преобразованием частот

Используемый в системе полный РЧ спектр полностью преобразуется вниз на ПЧ, имеющую достаточно высокое значение, с использованием неперестраиваемого гетеродина. Так как частота этого гетеродина выбирается вне используемого диапазона, единственный необходимый внешний РЧ фильтр после антенны действует также как фильтр подавления зеркального сигнала. После прохождения преобразованного вниз сигнала через фильтр низких частот, сигнал переносится на частоты информационного тракта с помощью второго сложного смесителя, в котором производится активное подавление зеркального канала. Настройка на желаемый канал производится с помощью второго перестраиваемого гетеродина.

Приемник, выполненный с применением данного подхода, может быть выполнен на основе одной ИС высокой степени интеграции, имеет малую стоимость. Кроме того, неперестраиваемый первый гетеродин облегчает разработку высокочастотного синтезатора частоты с низкими фазовыми шумами, что ведет к сокращению потребления мощности. Так как первая ПЧ выбирается в высокочастотном диапазоне, делитель в цепи обратной связи имеет малые значения коэффициента деления. Следовательно, может быть улучшена общая характеристика фазового шума синтезатора.

Хотя в этой структуре проблема утечки сигнала гетеродина не существует, наблюдается эффекты смещения постоянной составляющей и искажения IM2. В данной архитектуре может наблюдаться также взаимное влияние каналов ПЧ и РЧ. Фильтр низких частот осуществляет выбор канала лучше, чем более энергопотребляющий полосовой фильтр. Разработчики продемонстрировали достаточно высокое подавление зеркального канала 55 дБ.

Приемник с субдискретизацией (подвыборками)

С появлением быстродействующих КМОП-структур ряд разработчиков начали исследование возможности использования в РЧ блоках ССПО архитектуры тракта приема с подвыборками (субвыборками) (Sub-sampling receivers), как это показано на рис. 10.

Рис.10. Приёмный тракт с подвыборками

Схема выборки (Sampling circuit) заменяет смеситель в архитектуре с нулевой ПЧ. При этом РЧ сигнал дискретизируется с Найквистовской скоростью, преобразуясь непосредственно в сигнал информационного тракта.

Приемники с цифровой ПЧ

Развитие техники и технологии цифровых ИС привело к тому, что заключительное смешивание и фильтрация, осуществляемые в каскадах ПЧ, могут производиться уже в цифровой области. В приемниках с цифровой ПЧ (Digital IF receiver) происходит оцифровывание непосредственно сигнала ПЧ. В качестве ПЧ гетеродина используется прямой цифровой синтезатор частот DDS (Direct Digital frequency Synthesizer) называемый иногда генератором с цифровым (программным) управлением NCO (Numerically Controlled Oscillator). Это устройство реализовано полностью с использованием цифровой техники и рядом фирм выполняется в виде специализированной ИС. Генератор формирует цифровые выборки двух синусоид с точным сдвигом по фазе на 90 градусов (рис.11).

Важным является то, что интенсивность формирования выходных выборок синусоиды всегда определяется опорной частотой/у, независимо от номинала генерируемой частоты. Номинал выходной частоты устанавливается путем изменения величины приращения фазы на выборку (phase advance per sample). Малое приращение фазы на выборку соответствует низким частотам, большое приращение — высоким частотам. Величина приращения фазы на выборку прямо пропорциональна выходной частоте и программируется в диапазоне от 0 до fs/2. Более подробно такие устройства будут рассмотрены далее.

Рис.11. Обобщенная структура приемника с цифровой ПЧ

Важным компонентом такого приемника является цифровой смеситель, фактически состоящий из двух цифровых перемножителей (Digital Multipliers). Цифровые выборки входного сигнала от АЦП математически перемножаются с цифровыми выборками синуса и косинуса, поступающими с выхода цифрового гетеродина. В отличие от аналоговых смесителей, которые создают также много нежелательных компонент на выходе, цифровые смесители являются практически идеальными устройствами и производят только два выходных сигнала суммарной и разностной частот.

Опорный сигнал АЦП fs подается на гетеродин ПЦС. Цифровые выборки синусоиды с выхода гетеродина определяются опорной частотой fs, и генерируются со скоростью, равной частоте выборки АЦП, будучи синхронизированными одним опорным сигналом fs. Использование цифровой ПЧ кроме всего прочего позволяет избежать проявления разбаланса каналов I и Q, что приводит к хорошему подавлению зеркального канала. Эта архитектура, однако, требует применения быстродействующего АЦП, а это влечет за собой увеличение тока потребления всего тракта приема.

5. Контрольные вопросы

1. Поясните структурную схему супергетеродинного приемника с двойным преобразованием частоты.

2. Достоинства и недостатки супергетеродинных структур.

3. Поясните архитектуру приемопередатчика с двойным преобразованием частоты в приемнике.

4. Поясните архитектуру приемопередатчика с одним преобразованием частоты в приемнике.

5. Поясните принцип приемника с прямым преобразованием сигнала.

6. Поясните явление утечки сигнала гетеродина на антенный вход и его излучение.

7. Смещение постоянной составляющей и проявление низкочастотных шумов.

8. Перечислите паразитные явления, возникающие в смесителе ППС.

9. Поясните принцип построения приемника с низкой ПЧ.

10. Особенности архитектуры приемников прямого преобразования (АПП).

11. Особенности приемника с низкой ПЧ.

12. Поясните архитектуру широкополосного приемника с двойным преобразованием частоты.

13. Поясните архитектуру широкополосного приемника с двойным преобразованием частоты при использовании ФНК в качестве элементов фильтрации по ПЧ.

14. Поясните принцип построения приемника с субдискретизацией.

15. Поясните обобщенную структуру приемника с цифровой ПЧ.

Литература

1. Ю.А.Громкова. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. – м.: Эко-Треидз, 2000.

2. Мобильная связь: технология DECT/ С.И.Дингес – М.: Солон-Пресс, 2003.
3. Системы мобильной связи: Учебное пособие для вузов /В.П. Ипатов, В.К. Орлов,И. М. Самойлов, В.Н Смирнов; Под ред. В.П. Ипатова. - М.: Горячая линия -Телеком, 2003.

4. Маковеева М.М., Шинаков Ю.С. Системы связи с подвижными объектами: Учеб.
пособие для вузов. - М: Радио и связь, 2002.

Сборник лабораторных работ

по дисциплине

«Мобильные системы связи»

Работа рассмотрена и одобрена на заседании

кафедры РТС (протокол № ___ от________).

Составители: К.т.н. доц. Ибраимов Р.Р.

ст.преп. Хатамов А.П.

ст. пр. Рахмиддинов Э.С.

асс. Мадаминов Х.Х.

Ответственный редактор к.т.н., доц.

Ибраимов Р.Р.

Редактор к.т.н. Гаврилов И.А.

Корректор ст. преп. Хамдам-Зода Л.Х.

Бумага офсетная. Заказ № .

Тираж .

Отпечатано в типографии ТУИТ

Ташкент 700084, ул.А.Тимура - 108

---

[1] Эрланг- величина, характеризующая интенсивность трафика (загрузки канала). Определяется произведением среднего числа вызовов в единицу времени (например, в час) на среднюю продолжительность одного разговора.

[2] Дуплексная связь организована таким образом, что передача и прием могут вестись одновременно (на 2-х частотах). Симплексная связь организована таким образом, что передача и прием осуществляются по очереди (на одной частоте). Полудуплексная связь позволяет осуществлять «квазиодновременный» разговор (канал перехватывается говорящим в данный момент в автоматическом режиме - без нажатия на тангенту).

[3] DTMF - передачи абонентского номера с использованием многочастотного кода.

[4] BPSK - передача абонентского номера с помощью последовательности батарейных импульсов (переполюсовка).