Структурная схема цифровой сотовой системы подвижной радиосвязи(ССПР)

Структурная схема цифровой сотовой системы подвижной радиосвязи (ССПР)

Для обеспечения качественной и надежной передачи информации в современных цифровых ССПР используются разнообразные системные и технические решения. К таким решениям относятся:

ѕ построение ССПР на принципах интелектуальных сетей;

ѕ распространение модели открытых систем на ССПР;

ѕ внедрение новых, более эффективных, моделей повторного использования частот в сотах;

ѕ разделение во времени режимов передачи и приема пакетированных закодированных сообщений;

ѕ использование эффективных методов борьбы с замираниями сигналов, основанных на частотном разнесении путем применения медленных скачков по частоте и коррекции радиотракта путем установки адаптивного эквалайзера в приемнике;

ѕ применение блочного и сверточного кодирования в сочетании с прямоугольным и диагональным перемежением;

ѕ программное формирование логических каналов связи и управления;

ѕ использование совершенных методов модуляции, обладающих высокой спектральной эффективностью;

ѕ внедрение высококачественных низкоскоростных вокодеров;

ѕ шифрование передаваемых сообщений.

Реализация перечисленных решений в стандарте GSM, разработанном в Европе, была рассмотрена выше.

Американский стандарт ADC (D-AMPS) разрабатывался в условиях, отличающихся от европейских. Разработчики не получили разрешения на использование новых диапазонов частот, поэтому была организована работа в той же полосе частот, в которой уже работала аналоговая система AMPS, т. е. в диапазоне 800 МГц. В стандарте ADC был сохранен тот же частотный разнос каналов, равный 30 кГц. Удалось также обеспечить одновременную работу абонентских радиостанций как в аналоговом, так и в цифровом режимах.

Применение специально разработанного вокодера с технологией кодирования VSELP, имеющего скорость преобразования речевого сигнала 8 кбит/с, и модуляции р/4 DQPSK позволило в режиме TDMA организовать три речевых канала на одной несущей в полосе 30 кГц.

Японский стандарт JDC во многом совпадает с американским. Основные отличия заключаются в частотном диапазоне, дуплексном разносе и сетке частот. Стандарт JDC адаптирован также к диапазону 1500 МГц.

Принципиально новым шагом при создании ССПР второго поколения было принятие концепции интеллектуальной сети и модели открытых систем (OSI), одобренных Международной организацией стандартов (ISO).

Концепция построения интеллектуальной сети применяется в настоящее время при разработке всех перспективных цифровых ССПР с макро- и микросотовой структурой. Она предусматривает объединение ССПР, систем радиовызова и персональной связи при условии оперативного предоставления абонентам каналов связи.

Модель OSI интерпретирует процесс передачи сообщений как иерархию функциональных взаимозависимых уровней, каждый из которых имеет встроенный интерфейс на смежном уровне. Модель открытых систем OSI применительно к стандарту GSM показана на рис. 1.

Рис. 1.

Оборудование сетей радиосвязи с подвижными объектами включает в себя абонентские станции (радиотелефоны) и базовые станции, цифровые коммутаторы, центр управления и обслуживания, различные дополнительные системы и устройства.

Все сетевые функциональные компоненты взаимодействуют в соответствии с системой сигнализации № 7 (SS № 7), и их сопряжение осуществляется набором интерфейсов на базе операционной системы. Стационарной частью мобильной сети является телефонная сеть общего пользования.

Структурная схема построения сети и интерфейсы, принятые в стандарте GSM, представлены на рис. 2.

На схеме использованы следующие обозначения:

ѕ РИ - радиоинтерфейс;

ѕ БС - базовая станция (BTS);

ѕ КБС - контроллер базовых станций (BSC);

ѕ ТК - транскодер (ТСЕ);

ѕ ПБС -подсистема базовых станций (BSS);

ѕ ЦКПС - центр коммутации подвижной связи (MSC);

ѕ ЦУО - центр управления и обслуживания (ОМС);

ѕ ТОП - телефонная сеть общего пользования (PSTN);

ѕ ППД - сеть пакетной передачи данных (PDN);

ѕ ЦСИО - цифровая сеть с интеграцией обслуживания (ISDN);

ѕ РПер - регистр перемещения (VLR);

ѕ РП - регистр положения (HLR);

ѕ ЦА - центр аутентификации (AUC);

ѕ РИО - регистр идентификации оборудования (EIR);

ѕ ПК - подсистема коммутации (SSS).

Рис. 2

Перечислим основные интерфейсы ССПР стандарта GSM.

1. Интерфейс между MS и BSS (Um-радиоинтерфейс) служит для связи абонентских станций с базовыми станциями.

2. Интерфейс между BSC и BTS (A-bis-интерфейс) служит для связи контроллера с базовыми станциями и определен Рекомендациями ETSI/GSM для процессов установления соединений и управления оборудованием. Передача сигналов осуществляется цифровыми потоками со скоростью 2,048 Мбит/с.

3. Внутренний A-sub-интерфейс обеспечивает сопряжение оборудования BSC с оборудованием транскодера ТСЕ.

4. Интерфейс между подсистемой базовых станций BSS и центром коммутации MSC (А-интерфейс) обеспечивает выполнение следующих процедур: передачи сообщений для управления подсистемой БС; передачи вызова; передачи сообщений о перемещении абонентских станций. А-интерфейс объединяет каналы связи и линии сигнализации, использующие протоколы SS № 7.

5. Интерфейс между ЦКПС и телефонной сетью общего пользования (Е-интерфейс) обеспечивает сопряжение мобильных и фиксированных сетей связи.

Для управления различными процессами в ССПР разработан ряд дополнительных интерфейсов (В-интерфейс, С-интерфейс, D-интерфейс и др.)

Каждая БС содержит оборудование для операций внутри одной соты. Это в основном приемо-передающая аппаратура, обеспечивающая связь с МС, кодирование и защиту символов передаваемой информации.

КБС управляет несколькими БС, побуждая их контролировать излучаемую мощность и осуществлять эстафетную передачу МС от одной соты к другой в пределах своей области действия. КБС содержит в основном программное обеспечение и является как бы мозговым центром для нескольких БС.

Транскодер (ТК) позволяет наиболее эффективно использовать выделенную полосу радиочастот. Он осуществляет кодирование и декодирование информации при взаимодействии группы КБС с ЦКПС; передачу управляющей информации; согласование скоростей в сети GSM и в стационарных сетях.

БС, КБС и ТК образуют подсистему базовых станций, которая совместно со всеми МС образует, в свою очередь, радиоподсистему.

Центр коммутации подвижной связи обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается МС для проведения сеанса связи. Он представляет собой интерфейс между сетью подвижной связи и фиксированными сетями (рис. 2) и обеспечивает маршрутизацию вызовов. Кроме того, на ЦКПС возлагаются функции коммутации радиоканалов, к которым относятся эстафетная передача и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностей.

Центр коммутации формирует данные, необходимые для выписки счетов за предоставляемые сетью услуги, поддерживает процедуры безопасности, формирует и обрабатывает статистические данные, необходимые для контроля работы сети.

В стандарте GSM для постоянного отслеживания расположения и перемещения МС используется двухуровневая база данных, состоящая из регистров положения (РП) и регистров перемещения (РПер).

РП является банком данных для администрации мобильной сети. Количество регистров положения мобильной станции зависит от числа абонентов и свойств сети. В РП хранится та часть информации о местоположении какой-либо МС, которая позволяет ЦКПС вызвать эту станцию.

Регистр перемещения является устройством, которое контролирует передвижение МС из соты в соту. Когда в процессе передвижения МС переходит из зоны действия одного КБС в зону действия другого КБС, она регистрируется новым КБС и в регистр перемещения заносится новая информация.

Для исключения несанкционированного использования ресурсов системы сотовой связи применяются механизмы аутентификации, т. е. проверки подлинности абонента и оборудования.

Идеология стандарта GSM построена так, что подвижный абонент и терминал (радиотелефон) независимы друг от друга.

Каждый абонент получает свой международный идентификационный номер (IMSI), который записан в модуль подлинности абонента (SI М-карту) и хранится в регистре положения (РП).

Этот номер используется для опознания абонента в центре аутентификации (ЦА). Такой подход дает возможность пользоваться радиотелефонами, установленными в такси и автомобилях, сдаваемых на прокат.

С другой стороны, каждой мобильной станции (радиотелефону) также присваивается свой международный идентификационный номер (IMEI). В регистре идентификации оборудования (РИО) хранятся номера IMEI, обладатели которых имеют право доступа к сети, а также те номера, которым по разным причинам отказано в обслуживании. Это предотвращает доступ к сети таких терминалов, которые были похищены или не имеют необходимых полномочий.

Все эти механизмы полностью исключают несанкционированный доступ к ресурсам сети.

Приемо-передающее оборудование ССПР выполнено на базе последних достижений микросхемотехники. Технические характеристики удовлетворяют Рекомендациям ITU-R.

Рассмотрим в качестве примера структурную схему радиотелефона стандарта GSM, представленную на рис. 3.

Обычно в радиотелефонах цифровых стандартов имеются аналоговая и цифровая части, которые могут выполняться на отдельных платах.

Приемник и передатчик подключены к одной антенне, представляющей собой спиральную укороченную антенну, по характеристикам аналогичную полуволновому вибратору.

Рис. 3

Принимаемый от БС сигнал после входного фильтра усиливается малошумящим усилителем СВЧ (МШУ) и поступает на вход первого смесителя. На второй вход смесителя поступает сигнал гетеродина /гет от синтезатора частоты. Цифровой синтезатор частот обеспечивает приемопередатчик всеми опорными частотами, которые необходимы для работы в выделенной для данного стандарта полосе частот.

Сигнал первой промежуточной частоты /пч1 проходит через полосовой фильтр на ПАВ и усиливается усилителем первой промежуточной частоты У ПЧ1, после чего поступает на второй смеситель, куда также подается колебание с частотой fy.

Полученный после преобразования сигнал второй промежуточной частоты/пчз отфильтровывается полосовым фильтром на ПАВ, усиливается усилителем УПЧ2 и поступает на аналого-цифровой преобразователь АЦП. Все дальнейшие преобразования принимаемого сигнала (фильтрация, демодуляция, деперемежение, декодирование и др.) осуществляются в цифровых устройствах, организованных с помощью сигнального процессора CPU. Схема с двойным преобразованием частоты выбрана для повышения избирательности по зеркальному и соседнему каналам, а также для снижения требований к характеристикам АЦП.

При изменении /пр в процессе медленных скачков по частоте (SFH) изменяется и частота/гет на выходе синтезатора, что обеспечивает постоянство /пчь

Полоса пропускания преселектора и МШУ должна быть порядка 25 МГц, чтобы обеспечить организацию любого из 124 радиоканалов.

В режиме передачи оцифрованный речевой сигнал поступает на ФНЧ с гауссовской АЧХ, в результате чего прямоугольные импульсы принимают форму, аналитическая запись которой представлена выражением.

Дальнейшее формирование GMSK-сигнала осуществляется согласно выражению, т. е.

Составляющие cos[(и(t)] и sin[и(t)] называются синфазной и квадратурной функциями (In-phase and Quadrature components). Они формируются цифровым методом. Поскольку для получения и{t} модулирующий сигнал согласно интегрируется, то для получения ЧМ-сигнала можно использовать фазовый модулятор.

Промодулированный сигнал поступает на смеситель. Величина частоты сигнала задающего генератора fЗГ, который поступает от синтезатора, определяет номер радиоканала на участке МС - БС.

Высокочастотный сигнал усиливается в усилителе мощности УМ, управляемом с помощью CPU, через полосовой керамический фильтр подводится к антенне А и излучается в окружающее пространство.

Цифровая логическая часть радиотелефона обеспечивает формирование и обработку всех необходимых сигналов. Она состоит из цифрового сигнального процессора CPU, памяти MEM, канального эквалайзера, канального кодера-декодера, SIM-карты, преобразователей АЦП и ЦАП, клавиатуры и дисплея.

Следует отметить, что передатчик работает только в течение 1/8 длительности полного TDMA-кадра, т. е. в течение выделенного радиотелефону для сеанса связи временного окна. При этом приемник и передатчик работают не одновременно. Базовая станция всегда передает свой информационный пакет на три канальных интервала раньше мобильной станции (рис. 4).

Рис. 4

Частотная зависимость огибающей энергетического спектра GSMK сигнала показана на рис. 4. Она позволяет оценить уровень помех. В частности, согласно стандарту GSM соседний канал отстоит на Д/= 200 кГц, а длительность одного бита Т = 3,69 мкс. Тогда 2ДfТ 1,5 и при ВТ = 0,3 уровень излучения в соседнем канале не хуже -60 дБ, что соответствует требованиям.