Выбор оптимального вида мобильной связи с точки зрения экономических затрат для г. Капчагай

Аннотация

В данной выпускной работе осуществляется анализ возможностей двух сотовых систем связи на основе стандартов связи GSM и CDMA.

В проекте рассмотрены основные принципы работы и разработка сетей связи стандартов GSM и CDMA и основные характеристики и требования к ним.

Приведено технико-экономическое обоснование и представлен бизнес - план и отдельно рассматриваются вопросы безопасности жизнедеятельности

В проекте выполнены следующие расчеты: капитальные и эксплуатационные затраты, срок окупаемости проекта.

Содержание

Введение

1. Общие сведения о сетях мобильной связи

1.1 Сети сотовой мобильной связи

1.2Сети транкинговой связи

1.3 Сети персонального радиовызова

1.4 Сети мобильной спутниковой связи

1.5 Системы беспроводных телефонов

2. Сети сотовой мобильной связи

2.1 Элементы сетей сотовой связи

3. Цифровые сотовые системы подвижной радиосвязи стандартов GSM и CDMA

3.1Основные части системы GSM

3.2 Маршрутизация вызовов

3.3 Классы доступа

3.4 Общие характеристики стандарта CDMA

4. Сравнительный анализ параметров и характеристик сотовых систем связи стандарта GSM и CDMA

4.1 Принципиальные отличия реализации передачи данных в CDMA и GSM

4.2 Расчет радиуса соты

4.3 Расчет абонентской нагрузки в сотовой сети

5. Безопасность жизнедеятельности

5.1 Анализ условий труда

5.2 Расчет защитного заземления

5.3 Расчет молниезащиты антенн

6. Бизнес-план

6.1 Общая информация о проекте

6.2 Маркетинг и ценовая политика

6.3 Организационный план

6.4 Финансовый план

Заключение

Список литературы

ПРИЛОЖЕНИЕ А - Архитектура сети GSM

ПРИЛОЖЕНИЕ Б - Архитектура сети CDMA

Введение

В данной выпускной работе рассматривается вопрос о возможностях выбора оптимального вида мобильной связи с точки зрения экономических затрат.

В настоящее время в Казахстане, как и во всем мире, наблюдается информационный бум и объем информации, передаваемой по сотовым сетям, сильно возрастает. Поэтому возникает необходимость в расширении оборудования, которое обеспечивало бы быстрое и качественное соединение абонентов и соответствовало бы современным стандартам на коммутацию цифровых каналов передачи. Следует также учесть и стоимость данного оборудования, затраты, которая несет фирма, предоставляющая услугу.

В данной работе будут рассмотрены 2 стандарта сотовой связи: GSM и CDMA.

Использование различных стандартов сотовой связи и большая перегруженность выделенных частотных диапазонов стали препятствовать ее широкому применению. Ведь иногда по одному и тому же телефону из-за взаимных помех не могли разговаривать даже абоненты, находящиеся в двух соседних странах (особенно в Европе).

Увеличить количество абонентов можно было лишь двумя способами: расширив частотный диапазон (как это было сделано в Великобритании -- ETACS) или перейдя к рациональному частотному планированию, позволяющему гораздо чаще использовать одни и те же частоты.

Использование новейших технологий и научных открытий в области связи и обработки сигналов позволило к концу 1980-х годов подойти к новому этапу развития систем сотовой связи -- созданию систем второго поколения, основанных на цифровых методах обработки сигналов. С целью разработки единого европейского стандарта цифровой сотовой связи для выделенного в этих целях диапазона 900 МГц в 1982 г. Европейская конференция администраций почт и электросвязи (СЕРТ) -- организация, объединяющая администрации связи 26-ти стран, -- создала специальную группу Groupe Special Mobile. Аббревиатура GSM и дала название новому стандарту (позднее, в связи с широким распространением этого стандарта во всем мире, GSM стали расшифровывать как Global System for Mobile Communications). Результатом работы этой группы стали опубликованные в 1990 году требования к системе сотовой связи стандарта GSM, в котором используются самые современные разработки ведущих научно-технических центров. К ним, в частности, относятся: временное разделение каналов, шифрование сообщений и защита данных абонента, использование блочного и сверточного кодирования, новый вид модуляции -- OMSK (Gaussian Minimum Shift Keying).

В 1990 г. американская Промышленная ассоциация в области связи TIA (Telecommunications Industry Association) утвердила национальный стандарт IS-54 цифровой сотовой связи. Этот стандарт стал более известен под аббревиатурой D-AMPS или ADC. В отличие от Европы, в США не были выделены новые частотные диапазоны, поэтому система должна была работать в полосе частот, общей с аналоговым стандартом AMPS. Одновременно с этим американская компания Qimlcomm начала активную разработку нового стандарта сотовой связи, основанного на технологии шумоподобных сигналов и кодовом разделении каналов, -- CDMA (Code Division Multiple Access).

В 1993 г. в США после ряда успешных испытаний Промышленная ассоциация в области связи TIA приняла стандарт CDMA как внутренний стандарт цифровой сотовой связи, назвав его IS-95. В сентябре 1995 г. в Гонконге была начата коммерческая эксплуатация первой сети стандарта IS-95.

Сегодня для большинства операторов сетей подвижной связи переход на технологии 3-го поколения -- наиболее актуальная проблема. Динамичный рост абонентской базы этих сетей уже сегодня привел к такому объему трафика, с которым трудно справиться системам 2-го поколения.

Учитывая это, следует признать, что сети 3-го поколения, использующие дополнительные радиочастотные ресурсы и базирующиеся на эффективной технологии CDMA, представляют едва ли не единственную возможность поддержки трафика сегодня и в будущем.

1. Общие сведения о сетях мобильной связи

1.1 Сети сотовой мобильной связи

Появившись в 20-е годы 20-го века, радиотелефонная связь развивалась быстрыми темпами. С развитием техники системы радиотелефонной связи совершенствовались: уменьшались габариты устройств, осваивались новые частотные диапазоны, улучшалось базовое и коммутационное оборудование, в частности, появилась функция автоматического выбора свободного канала - транкинг. Но при огромной потребности в услугах радиотелефонной связи возникали и проблемы [1]

Главная из них - ограниченность частотного ресурса: количество фиксированных частот в определенном частотном диапазоне не может увеличиваться бесконечно, поэтому радиотелефоны с близкими по частоте рабочими каналами создают взаимные помехи.

Идея сотовой связи была предложена в ответ на необходимость развития широкой сети подвижной радиотелефонной системы связи в условиях ограничений на доступные полосы частот. Для оптимального (т. е. без перекрытия или пропусков) разделения территории на соты могут быть использованы только три геометрические фигуры треугольник, квадрат и шестиугольник. Наиболее подходящим является шестиугольник, так как если антенну с круговой диаграммой направленности установить в его центре, то будет обеспечен доступ почти ко всей соте.

Итак, для построения сотовой системы связи необходимо разделить обслуживаемую территорию на небольшие участки шестиугольной формы - соты, установить в центре каждой приемо-передающее оборудование, работающее в отведенной полосе частот и покрывающее данную территорию. Такая архитектура позволит использовать те же самые частоты повторно, без взаимных помех, так как соты, использующие одни и те же частоты, будут удалены друг от друга.

Системы сотовой связи отличаются гибкостью и разнообразием по вариантам конфигурации и набору выполняемых функций. Использование современных технологий и стандартов позволяет обеспечивать высокое качество связи, надежность и конфиденциальность.

1.2 Сети транкинговой связи

Сети транкинговой связи близки к сотовым (рисунок 1.1). Территория также делится на соты, осуществляется радиотелефонная связь с неограниченной мобильностью абонентов в пределах зоны обслуживания.

МС - мобильная станция; БПС - базовая приемопередающая станция; ТК - телефонный канал; ЦКС - центр коммутации связи; ТфОП - телефонная сеть общего пользования.

Рисунок 1.1 - Упрощенная структура транкинговой системы мобильной связи

Но имеются и отличия. Транкинговые системы - это профессиональные системы, предназначены для корпоративных групп абонентов - бригад скорой помощи, МЧС, пожарных, ФБС, милиции и т.д. [1]. Это системы подвижной связи со свободным и равным доступом мобильных станций к общему частотному диапазону и позволяют абонентам работать на любом переговорном канале сети.

В мировых стандартах профессиональных систем подвижной связи это называют «транкингом» (trunking - от англ. trunk - ствол, магистраль). Любой свободный переговорный канал временно закрепляется за мобильным абонентом для конкретного сеанса связи.

Транкинговые системы функционируют с ограниченной емкостью, поэтому стремятся предельно увеличить зону действия. Следовательно, мощность передатчика больше, чем у передатчика сотовой связи, больше расход энергии источника питания, больше габариты и масса мобильных станций (МС).

Отличаются транкинговые системы и набором предоставляемых услуг, например, возможно дистанционное включение абонентской радиостанции на передачу (дистанционное прослушивание "обстановки" у абонента).

Поиск свободного канала и вызывного сигнала может возлагаться на абонентскую станцию, осуществляющую последовательный (сканирующий) поиск незанятого канала во всем выделенном диапазоне частот, за счет использования устройств автоматического поиска вызывного канала (АПВК). В другом случае анализ занятости каналов связи возлагается на подсистему управления PMR (Professional Mobile Radio). При этом назначение свободного (вызывного) канала связи абонентской станции осуществляется по каналу управления.

К основным требованиям, предъявляемым к ПСПС, являются: обеспечение связи в заданной зоне, независимо от положения мобильных абонентов (МА); возможность взаимодействия отдельных групп абонентов; оперативность управления связью на различных уровнях; возможность приоритетного установления каналов связи; низкие энергетические затраты МС; конфиденциальность разговоров.

Специфика служебной связи обуславливает более высокие по сравнению с сотовой связью требования к оперативности и надежности установления связи.

Общей тенденцией развития ПСПС является от аналоговых стандартов к единым международным цифровым стандартам, обеспечивающим более высокое качество связи.

1.3 Сети персонального радиовызова

Пейджинговые системы связи обеспечивают одностороннюю передачу ограниченного по объему сообщения мобильному абоненту по радиоканалу в пределах определенной зоны. По принципу действия системы персонального радиовызова (СПРВ) - однонаправленная (симплексная) система связи, предназначенная для вызова подвижного абонента на двухстороннюю (отложенную на некоторое время) связь по принципу «в любое время, в любое место, любому человеку». «Любое место» ограничено зоной обслуживания сети подвижной связи и может составлять до 100 км [1].

Работу пейджинговой сети связи можно описать следующим образом. Мобильные абоненты системы связи всегда имеют при себе малогабаритный приемник персонального вызова (пейджер), находящийся в режиме дежурного приема. Вся обслуживаемая территория охватывается сетью малогабаритных передатчиков в соответствии с известной сотовой моделью их размещения, хотя возможна и радиальная модель. Эти передатчики с помощью проводной или радиоканальной связи подключены к выходу пейджингового терминала, который в свою очередь связан с телефонной сетью общего пользования. По сетям персонального радиовызова могут быть переданы различные виды информации: тональные (звуковые) сигналы, речевые цифровые, буквенные и буквенно-цифровые сообщения. Тональные сигналы используются, как правило, для привлечения внимания вызываемого абонента. Вызов может быть подан на пейджинговый терминал от телефонной сети либо через многоканальный телефон с многочастотным набором номера, либо (что пока чаще) через диспетчера центра обслуживания, который фиксирует передаваемое сообщение и вводит его в терминальный компьютер. Сообщение может также поступать непосредственно на пейджинговый терминал от сетевого компьютера, подключенного к телефонной сети через проводной модем.

Пейджинговый терминал преобразует поступившее сообщение в формат соответствующего кода СПРВ, переводит его в буферную память компьютера и ставит в очередь к ранее поступившим сообщениям. Далее закодированное сообщение излучается (выстреливается) в эфир. Включенные на прием абонентские пейджеры непрерывно анализируют адреса поступающих вызовов. При совпадении поступившего адреса с собственным сообщение принимается, записывается в буфер памяти и высвечивается на дисплее пейджера. При этом о принятом сообщении абонент извещается или звуковым и световым сигналами или вибрацией корпуса приемника.

Наряду с традиционными пейджерами разработаны и начинают внедряться малогабаритные двухсторонние пейджеры - твейджеры, или трансиверы (приемопередатчики), передающие подтверждение приема сообщения и краткую ответную информацию на базовую станцию (БС), что позволяет снизить мощность сотовых передатчиков базовых станций. Владелец двухстороннего пейджера знакомится с сообщением и может послать краткий ответ типа «да», «нет», «позвоню позже», который выбирает из памяти пейджера. Для уверенного приема в двухсторонних пейджерах предусмотрены штекеры для подключения внешней антенны. В такие абонентские приемники вводится ярд дополнительных сервисных услуг.

Отличительной особенностью пейджинговой связи является работа вне реального времени (РВ). В сочетании с краткостью сообщений обеспечивается весьма эффективное использование канала связи. Пейджинг технически проще и экономичнее сотовой связи, но имеет по сравнению с сотовой связью существенные ограничения. Поэтому, в настоящее время, его можно считать дополнением к сетям сотовой связи.

1.4 Сети мобильной спутниковой связи

Они призваны развить и дополнить существующие системы сотовой связи там, где она невозможна или недостаточно эффективна, например:

- при передаче информации в глобальном масштабе;

- в акваториях Мирового океана;

- в районах с малой плотностью населения;

- в местах разрывов наземной инфраструктуры.

В основу организации сети мобильной спутниковой связи (СМСС) заложена достаточно простая идея. На спутнике (сателлите) располагается активный ретранслятор СМСС. По заданной орбите спутник движется длительное время, получая электропитание от солнечных батарей, установленных на его платформах, или от малогабаритных ядерных электростанций (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - Структура систем спутниковой связи

На спутнике-ретрансляторе расположены специальная антенная система и приемопередающая аппаратура, осуществляющая прием, преобразование, обработку (например, усиление, изменение частоты несущей и пр.) и передачу сигналов в направлении земных станций (ЗС) - станций радиосвязи, расположенных на земной поверхности и предназначенных для обеспечения собственной связи [2].

В зависимости от вида предоставляемых услуг системы спутниковой связи (ССС) можно разделить на три основных класса: речевой (радиотелефонной) связи; пакетной передачи данных (ППД); определение местоположения (координат) потребителей.

Системы мобильной спутниковой связи классифицируют по двум признакам: типу используемых орбит и различию в зонах обслуживания и размещения ЗС.

По типу используемых орбит различают СПСС со спутниками, расположенными на геостационарных, высокоэлептических промежуточных и низких земных орбитах (англ. - Low Earth Orbit - LEO). Последние находятся в системах связи на низкоорбитальных спутниках (высота орбит 200…700 км). Системы мобильной связи на низкоорбитальных спутниках позволяют создать на поверхности Земли плотность потока мощности, достаточную для работы с легкими абонентскими станциями размером с портативную телефонную трубку, и дополняют сотовые сети. Практически во всех СМСС предусматривается довольно высокая степень интеграции с сотовой связью. В абонентских терминалах (АТ), предназначенных для спутниковых систем, предполагается два режима работы; в спутниковой системе и в каком-либо сотовом стандарте.

Наиболее распространенной международной системой подвижной спутниковой связи является глобальная сеть связи Inmarsat. Среди ряда стандартов этой системы выделяют сеть Inmarsat-М, предназначенную для обслуживания подвижных абонентских станций.

Во многих регионах мира спрос на услуги мобильной связи может удовлетворяться только с помощью спутниковых систем. В новых проектах космических аппаратов (КА) предполагается использование передовых технологий, позволяющих повысить пропускную способность канала связи и улучшить энергетические характеристики технических средств.

1.5 Системы беспроводных телефонов

Системы беспроводных телефонов (СБТ) в последние годы составили конкуренцию сотовым телефонам, особенно при обслуживании абонентов на дальности 25…1000м. Принцип построения СБТ во многом аналогичен построению сотовых сетей [2]. Внедрение систем беспроводных телефонов позволяет реализовать концепцию персональной связи, обеспечивающую переговоры «всегда и в любом месте» при использовании малогабаритных абонентских станций (телефонных трубок в руке; англ. hand-held).

В первый период развития беспроводные телефоны использовались для персонального обслуживания на небольших территориях - в офисах фирм, квартирах, бассейнах и т.д. Связь осуществлялась в диапазоне 25…50 МГц с помощью частотной модуляции (как в системах радиовещания на метровых волнах). В системе связи применялось частотное разделение каналов, число которых не превышало десяти, а дальность обслуживания абонентов была менее 300 м. Современные цифровые стандарты систем беспроводных телефонов используют временное разделение каналов и пакетную передачу сообщений.

2. Сети сотовой мобильной связи

2.1 Элементы сетей сотовой связи

2.1.1 Функциональная схема системы сотовой связи

Система мобильной связи строится в виде совокупности ячеек (сот), покрывающих обслуживаемую территорию. Ячейки обычно схематически изображают в виде правильных шестиугольников. В центре каждой ячейки находится базовая станция (БС), обслуживающая все мобильные станции (МС) в пределах своей ячейки. При перемещении абонента между ячейками системы происходит передача обслуживания от одной БС к другой - эстафетная передача (handover). Все БС соединены с центром коммутации (ЦК) мобильной связи по выделенным проводным или радиорелейным каналам связи [1]. При больших размерах ССМС в ней могут создаваться несколько центров коммутации. С центра коммутации имеется выход на телефонную сеть общего пользования (ТфОП), через которую осуществляется взаимодействие систем мобильной связи, также выход к сетям PDN и ISDN. При перемещении абонента на территорию другой системы мобильной связи осуществляется передача его обслуживания от одной CСMC к другой CСMC - роуминг (roaming). На рисунке 2.1 приведена упрощенная функциональная схема системы мобильной связи.

Принципы построения цифровых ССМС позволили применить при организации сотовых сетей новые более эффективные модели повторного использования частот в несмежных сотах, чем в аналоговых сетях. В результате без увеличения общей полосы частот системы связи значительно возросло число каналов на соту. Это, в первую очередь, относится к стандарту GSM. Вид модуляции, способы кодирования и формирования сигналов в каналах связи, принятые в GSM, обеспечивают прием сигналов с отношением сигнал/помеха C/I=9 дБ, в то время как в аналоговых системах тот же показатель равен 17-18 дБ. Поэтому передатчики базовых станций, работающие на совпадающих частотах, могут размещаться в более близко расположенных сотах без потери высокого качества приема сообщений[2]. Именно возможность повторного применения одних и тех же частот определяют высокую эффективность использования частотного спектра в сотовых системах связи.

Рисунок 2.1 - Функциональная схема системы мобильной связи

Следующий шаг развития сотовых систем подвижной связи после введения цифровой технологии - переход к микросотовой структуре сетей - (рисунок 2.2).

Рисунок 2.3 -Микросотовая структура внутри макросотовой системы

При радиусе сот несколько километров их емкость может быть увеличена в 5-10 раз по сравнению с макросотами. Кроме того, возможно применение абонентских радиостанций существующих стандартов цифровых ССМС наряду с портативными маломощными абонентскими радиостанциями, служащими основой для создания систем персональной связи (PCS).

Микросотовая структура СМС органически сочетается с макросотами. Микросоты строятся на основе БС небольшой мощности, Обслуживающих участки улиц, помещения в зданиях, микросотовая структура может рассматриваться как развитие оборудования макросотовой БС, с управлением одним контроллером и взаимным соединением при помощи линий со скоростью передачи 64 кбит/с. Микросоты берут на себя нагрузку от медленно перемещающихся абонентов, например, пешеходов и неподвижных автомобилей.

Принципы построения создаваемых микросотовых сетей подвижной связи отличаются от существующих для макросотовых сетей. К таким отличиям относится отсутствие частотного планирования и «эстафетная передача» (handover).

Первое отличие связано с тем, что в условиях микросот трудно спрогнозировать условия распространения радиоволн и дать оценку уровня соканальных помех. Поэтому практически невозможно применить принципы частотного планирования в микросотах. Фиксированное распределение каналов приводит к низкой эффективности использования спектра частот. По данным причинам в микросотовых сетях связи действует процедура автоматического адаптивного распределения каналов (АРК) связи. Аналогичным образом для увеличения емкости сети микросоты могут быть разбиты на пикосоты в местах, где скапливается население (абоненты). Это торговые центры, развлекательные учреждения и т. п.

2.1.2 Мобильная станция

МС (В GSM обозначается МS) используется абонентом сети мобильной связи для осуществления связи в пределах сети. Существует несколько типов МS, каждый из которых позволяет абоненту устанавливать входящие и исходящие соединения. Производители МS предлагают абонентам большое число разнообразных, отличающихся по дизайну и возможностям аппаратов, удовлетворяющих потребности различных рынков. Различные типы МS располагают разными выходными уровнями мощности и, соответственно, могут осуществлять уверенную работу в пределах зон разных размеров. Так, например, выходная мощность обычной трубки, которую абоненты носят с собой, меньше, чем мощность установленного в автомобиле аппарата с выносной антенной, следовательно, зона ее работы меньше [1].

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, указанные в таблице 2.1. При передаче сообщений предусматривается адаптивная регулировка мощности передатчика, обеспечивающая требуемое качество связи.

Таблица 2.1- Классы подвижных станций

Класс мощности	Максимальный уровень мощности передатчика	Допустимые отклонения
1	20 Вт	1,5 дБ
2	8 Вт	1,5 дБ
3	5 Вт	1,5 дБ
4	2 Вт	1,5 дБ
5	0,8 Вт	1,5 дБ

МS стандарта GSМ состоит из следующих элементов:

- мобильного терминала (трубки);

- модуля идентификации абонента (SIМ).

В стандарте GSМ, в отличие от других стандартов, информация об абоненте отделена от информации о мобильном терминале. Абонентская информация хранится на смарт-карте SIМ. SIМ может вставляться в любой аппарат, поддерживающий стандарт GSМ. Это является для абонентов преимуществом, потому что они могут легко менять аппараты по своему желанию, что никак не влияет на обслуживание абонента сетью. Кроме того, это обеспечивает повышенную безопасность для абонента.

Структурная схема цифрового мобильного терминала (МС) приведена на рисунке 2.3. В ее состав входят: блок управления; приемопередающий блок; антенный блок.

Блок управления включает в себя микротелефонную трубку (микрофон и динамик), клавиатуру и дисплей. Клавиатура предназначена для набора номера телефона вызываемого абонента, а также команд, определяющих режим работы станции. Дисплей предназначен для отображения информации, предусматриваемой устройством и режимом работы станции.

Приемопередающий блок состоит из передатчика, приемника, синтезатора частот и логического блока.

В состав передатчика входят:

- аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - преобразует в цифровую форму сигнал с выхода микрофона (вся последующая обработка и передача сигнала речи производится в цифровой форме);

- кодер речи - осуществляет кодирование сигнала речи, т. е. преобразование цифрового сигнала с целью сокращения его избыточности;

- кодер канала - осуществляет кодирование и перемежение передаваемого сигнала с целью защиты от ошибок при передаче по радиоканалу, кроме того, кодер канала вводит в состав передаваемого сигнала информацию управления, поступающую от логического блока;

- модулятор - осуществляет перенос информации кодированного видеосигнала на несущую частоту.



Рисунок 2.3 - Структурная схема цифрового мобильного терминала

Приемник по составу соответствует передатчику, но с обратными функциями входящих в него блоков [2]:

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

- эквалайзер предназначен для частичной компенсации искажений сигнала из-за многолучевого распространения (фактически это адаптивный фильтр, настраиваемый по входящей в состав передаваемой информации обучающей последовательности символов). Блок эквалайзера не является функционально необходимым и в некоторых случаях может отсутствовать;

- декодер канала - обнаруживает и исправляет ошибки в принятом сигнале, осуществляет его деперемежение, а также выделяет из входного потока и направляет в логический блок управляющую информацию;

- декодер речи - восстанавливает сигнал речи в цифровом виде со свойственной ему избыточностью;

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

Логический блок - это микрокомпьютер, осуществляющий управление работой МС.

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 диапазона частот.

Антенный блок включает в себя антенну, в простейшем случае четвертьволновой штырь, и коммутатор приема-передачи. Последний для цифровой станции может представлять собой электронный коммутатор, подключающий антенну либо на выход передатчика, либо на вход приемника, так как МС цифровой системы никогда не работает на прием и передачу одновременно.

Представленная на рисунке 2.4 структурная схема мобильной станции является упрощенной. На ней не показаны усилители, селлектирующие цепи, генераторы сигналов синхрочастот и цепи их разводки, схемы контроля мощности на передачу и прием и управления мощномтью, схема управления частотой генератора для работы на определенном частотном канале и т. п. Для обеспечения конфиденциальности передачи информации в некоторых системах используется режим шифрования. В этих случаях передатчик и приемник МС включают, соответственно, блоки шифратора и дешифратора сообщений. Мобильная станция системы GSM включает также детектор речевой активности (Voice Activity Detector), который с целью экономного расходования энергии источника питания (уменьшения средней мощности излучения), а также снижения уровня помех, создаваемых для других станций при работающем передатчике, включает передатчик на излучение только на те интервалы времени, когда абонент говорит. На время паузы в работе передатчика в приемный тракт дополнительно вводится комфортный шум. В некоторых случаях в МС могут входить отдельные терминальные устройства (например, факсимильный аппарат), подключаемые через специальные адаптеры с использованием соответствующих интерфейсов.

2.1.3 Базовая станция

Блок-схема базовой станции показана на рисунке 2.4. Особенностью базовой станции является использование разнесенного приема, для чего станция должна иметь две приемные антенны. Кроме того, базовая станция может иметь раздельные антенны на передачу и прием (рисунок 2.4 соответствует этому случаю). Другая 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, обеспечивающие их согласованную перестройку при переходе с одного канала на другой; конкретное число N приемопередатчиков зависит от конструкции и комплектации БС. Для обеспечения одновременной работы N приемников на одну приемную и N передатчиков на одну передающую антенну между приемной антенной и приемниками устанавливают делитель мощности на N выходов, а между передатчиками и передающей антенной - сумматор мощности на N входов.

Приемник и передатчик имеют ту же структуру, что и в МС, за исключением того, что в них отсутствуют 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 ЦК, а не в

составе приемопередатчиков БС, хотя функционально они остаются элементами приемопередатчиков.



Рисунок 2.4 - Блок-схема базовой станции

Блок сопряжения с линией связи осуществляет упаковку информации, передаваемой по линии связи на ЦК, и распаковку принимаемой от него информации. Для связи БС с ЦК обычно используется радиорелейная или волоконно-оптическая линия, если они не располагаются территориально на одном месте.

Контроллер БС (компьютер) обеспечивает управление работой станции, а также контроль работоспособности всех входящих в нее блоков и узлов.

Для обеспечения надежности многие узлы и блоки БС резервируются (дублируются), в состав станции включаются автономные источники бесперебойного питания (аккумуляторы) [2].

В стандарте GSM используется понятие системы базовой станции (СБС), в которую входят контроллер базовой станции (КБС) и несколько (например, до шестнадцати) базовых приемопередающих станций (БППС) - рисунок 2.5. В частности, три БППС, расположенные в одном месте и замыкающиеся на общий КБС, могут обслуживать каждая свой 120-градусный азимутальный сектор в пределах ячейки или шесть БППС с одним КБС - шесть 60-градусных секторов. В стандарте D-AMPS в аналогичном случае могут использоваться соответственно три или шесть независимых БС, каждая со своим контроллером, расположенных в одном месте и работающих каждая на свою секторную антенну.

Рисунок 2.5 - Система базовой станции стандарта GSM

2.1.4 Центр коммутации

Центр коммутации - это автоматическая телефонная станция ССС, обеспечивающая все функции управления сетью. ЦК осуществляет постоянное слежение за МС, организует их эстафетную передачу, в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении ПС из соты в соту и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностей.

На ЦК замыкаются потоки информации со всех БС, и через него осуществляется выход на другие сети связи - станционную телефонную сеть, сети междугородной связи, спутниковой связи, другие сотовые сети. В состав ЦК входит несколько процессоров (контроллеров).

Блок-схема центра коммутации представлена на рисунке 2.6.



Рисунок 2.6 - Блок-схема центра коммутации

Коммутатор подключается к линиям связи через соответствующие контроллеры связи, осуществляющие промежуточную обработку (упаковку/распаковку, буферное хранение) потоков информации. Управление работой ЦК и системы в целом производится от центрального контроллера. Работа ЦК предполагает 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.

Важными элементами системы являются база данных (БД) - домашний регистр, гостевой регистр, центр аутентификации, регистр аппаратуры. 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. В нем фиксируется местоположение абонента для организации его вызова, и регистрируются фактически оказанные услуги. Гостевой регистр (местоположения - Visitor Location Register, VLR) содержит сведения об абонентах-гостях (роумерах), т. е. об 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 шифрования сообщений. Регистр аппаратуры (идентификации - Equipment Identity Register), если он существует, содержит сведения об эксплуатируемых ПС на предмет их исправности и санкционированного использования. В частности, в нем могут отмечаться украденные абонентские аппараты, а также аппараты, имеющие технические дефекты, например являющиеся источниками помех недопустимо высокого уровня.

Как и в БС, в ЦК предусматривается резервирование основных элементов аппаратуры, включая источник питания, процессоры и базы данных. ББД часто не входят в состав ЦК, а реализуются в виде отдельных элементов. Устройство ЦК может быть различным в исполнении разных компаний-изготовителей.

2.1.5 Интерфейсы сотовой связи

В каждом стандарте сотовой связи используется несколько интерфейсов, в общем случае различных в разных стандартах [3].

Предусмотрены свои интерфейсы для связи МС с БС, БС - с ЦК (в GSM отдельный интерфейс для связи приемопередатчика БС с КБС), ЦК - с домашним регистром, с гостевым регистром, с регистром аппаратуры, с ТфОП, с ISDN, с PDN и другие.

Все интерфейсы подлежат стандартизации для обеспечения совместимости аппаратуры разных фирм-изготовителей. Однако возможно использование различных интерфейсов, определяемых разными стандартами для одного и того же информационного стыка. В некоторых случаях используют уже существующие стандартные интерфейсы, например, соответствующие протоколам обмена в цифровых информационных сетях.

Интерфейс обмена между МС и БС называется эфирным интерфейсом, или радиоинтерфейсом. Радиоинтерфейс обязательно используется в любой ССС при любой ее конфигурации и в единственно возможном для своего стандарта сотовой связи варианте. Это позволяет МС любой фирмы-изготовителя успешно работать совместно с БС той же самой или любой другой фирмы, что удобно для компаний-операторов и необходимо для организации роуминга.

Тщательность проработки стандартов радиоинтерфейса обеспечивают эффективное использование полосы частот, выделенной для канала связи.

3. Цифровые сотовые системы подвижной радиосвязи стандартов GSM и CDMA.

3.1 Основные части системы GSM

Структурная схема системы мобильной связи стандарта GSM представлена в приложении А. Сеть GSM делится на две системы: система коммутации (SSS) и система базовых станций (BSS). В стандарте GSM функциональное сопряжение элементов системы осуществляется посредством интерфейсов, а все сетевые компоненты взаимодействуют в соответствии с системой сигнализации МККТТ SS № 7 (CCITT SS № 7) [3].

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

MSC обеспечивает обслуживание мобильных абонентов, расположенных в пределах определенной географической зоны.

MSC управляет процедурами установления вызова и маршрутизации, накапливает данные о состоявшихся разговорах, необходимые для выписки счетов за предоставленные сетью услуги.

MSC поддерживает процедуры безопасности, применяемые для управления доступом к радиоканалам. MSC управляет процедурами регистрации местоположения для обеспечения доставки вызова перемещающимся мобильным абонентам от абонентов телефонной сети общего пользования и обеспечения ведения разговора при перемещении мобильной станции из одной зоны обслуживания в другую. В стандарте GSM также предусмотрены процедуры передачи вызова между сетями (контроллерами), относящимися к разным MCS.

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

MSC не только участвует в управлении вызовами, но также управляет процедурами регистрации местоположения и передачи управления.

Центр коммутации осуществляет постоянное слежение за мобильными станциями, используя регистры положения (HLR) и перемещения (VLR).

Регистр положения HLR представляет собой базу данных о постоянно прописанных в сети абонентах. Информация об абоненте заносится в HLR в момент регистрации абонента и хранится до тех пор, пока абонент не прекратит пользоваться данной системой связи и не будет удалён из регистра HLR.

Регистр перемещения VLR также предназначен для контроля передвижения мобильной станции из одной зоны в другую. База данных VLR содержит информацию обо всех абонентах мобильной связи, расположенных в данный момент в зоне обслуживания MSC. Он обеспечивает функционирование мобильной станции за пределами зоны, контролируемой HLR.

Центр аутентификации AUC предназначен для удостоверения подлинности абонентов с целью исключения несанкционированного использования ресурсов системы связи. AUC принимает решения о параметрах процесса аутентификации и определяет ключи шифрования абонентских станций на основе базы данных, сосредоточенной в регистре идентификации оборудования (Equipment Identification Register - EIR). Каждый мобильный абонент на время пользования системой связи получает стандартный модуль подлинности абонента (SIM), который содержит: международный идентификационный номер (IMSI), свой индивидуальный ключ аутентификации Ki и алгоритм аутентификации А3. С помощью записанной в SIM информации в результате взаимного обмена данными между мобильной станцией и сетью осуществляется полный цикл аутентификации и разрешается доступ абонента к сети. Процедура проверки подлинности абонента следующая показана на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Схема процедуры аутентификации

Сеть передает случайный номер (RAND) на мобильную станцию. На ней с помощью Ki и алгоритма аутентификации А3 определяется значение отклика (SRES), т. е. SRES = Кi*[RAND]. Мобильная станция посылает вычисленное значение SRES в сеть. Сеть сверяет принятое значение SRES со значением SRES, вычисленным сетью. Если значения совпадают, мобильная станция допускается к передаче сообщений. В противном случае связь прерывается и индикатор мобильной станции показывает, что опознавание не состоялось. Для обеспечения секретности вычисление SRES происходит в рамках SIM. Несекретная информация не подвергается обработке в модуле SIM.

Регистр идентификации оборудования EIR содержит базу данных для подтверждения подлинности международного идентификационного номера оборудования мобильной станции (IMEI). База данных EIR состоит из списков номеров IMEI, организованных следующим образом [3]:

- белый список - содержит номера IMEI, о которых есть сведения, что они закреплены за санкционированными мобильными станциями;

- черный список - содержит номера IMEI мобильных станций, которые украдены или которым отказано в обслуживании по какой-либо причине;

- серый список - содержит номера IMEI мобильных станций, у которых выявлены проблемы, не являющиеся основанием для внесения в «черный список».

К базе данных EIR имеют доступ MSC данной сети, а также могут получать доступ MSC других мобильных сетей.

Центр эксплуатации и технического обслуживания ОМС является центральным элементом сети GSM. Он обеспечивает управление элементами сети и контроль качества ее работы. ОМС соединяется с другими элементами сети по каналам пакетной передачи протокола Х.25. ОМС обеспечивает обработку аварийных сигналов, предназначенных для оповещения обслуживающего персонала, и регистрирует сведения об аварийных ситуациях в элементах сети. В зависимости от характера неисправности ОМС обеспечивает ее устранение автоматически или при активном вмешательстве персонала. ОМС может осуществить проверку состояния оборудования сети и прохождения вызова мобильной станции. ОМС позволяет регулировать нагрузку в сети.

Центр управления сетью NMC позволяет обеспечивать рациональное иерархическое управление сетью GSM. NMC обеспечивает управление трафиком сети и диспетчерское управление сетью в сложных аварийных ситуациях. Кроме того, NMC контролирует и отражает на дисплее состояние устройств автоматического управления сетью. Это позволяет операторам NMC контролировать региональные проблемы и оказывать помощь при их решении. В экстремальных ситуациях операторы NMC могут задействовать такие процедуры управления, как «приоритетный доступ», когда только абоненты с высоким приоритетом (экстренные службы) могут получить доступ к системе. NMC контролирует сеть и ее работу на сетевом уровне и, следовательно, обеспечивает сеть данными, необходимыми для ее оптимального развития.

Итак, персонал NMT может сосредоточиться на решении долгосрочных стратегических проблем, связанных со всей сетью в целом, а локальный персонал каждого OMC/OSS может сосредоточиться на решении краткосрочных региональных или тактических проблем.

Оборудование базовой станции BSS состоит из контроллера базовой станции (BSC) и приемопередающих базовых станций (BTS). Контроллер базовой станции может управлять несколькими BTS. BSC управляет распределением радиоканалов, контролирует соединения, регулирует их очередность, обеспечивает режим работы со скачками частоты, модуляцию и демодуляцию сигналов, кодирование и декодирование сообщений, кодирование речи, адаптацию скорости передачи речи, данных и вызова. BSS совместно с MSC выполняет функции освобождения канала, если из-за радиопомех не проходит вызов, а также осуществляет приоритетную передачу информации для некоторых категорий мобильных станций.

Транскодер ТСЕ обеспечивает приведение выходных сигналов канала передачи речи и данных MSC (64 кбит/с ИКМ) к виду, соответствующему рекомендациям GSM по радиоинтерфейсу (Рек. GSM 04.08), со скоростью передачи речи 13 кбит/с - полноскоростной канал. Стандартом предусмотрено использование в перспективе полускоростного речевого канала 6,5 кбит/с. Снижение скорости передачи обеспечивается применением специального речепреобразующего устройства, применяющего линейное предикативное кодирование (LPC), долговременное предсказание (LTP), остаточное импульсное возбуждение (RPE или RELP). Транскодер, как правило, размещается вместе с MSC. При передаче цифровых сообщений к контроллеру базовых станций BSC осуществляется стафингование (добавление дополнительных битов) информационного потока 13 кбит/с до скорости передачи 16 кбит/с. Затем осуществляется уплотнение полученных каналов с кратностью 4 в стандартный канал 64 кбит/с. Так формируется определенная Рекомендациями GSM 30-канальная ИКМ-линия, обеспечивающая передачу 120 речевых каналов. Дополнительно один канал (64 кбит/с) выделяется для передачи информации сигнализации, второй канал (64 кбит/с) может использоваться для передачи пакетов данных, согласующихся с протоколом Х.25 МККТТ. Таким образом, результирующая скорость передачи по указанному интерфейсу составляет 30x64 + 64 + 64 = 2048 кбит/с.

3.2 Маршрутизация вызовов

Поговорим теперь, каким образом происходит маршрутизация входящих вызовов мобильного телефона [3]. Как и раньше, будем рассматривать наиболее общий случай, когда абонент находится в зоне действия гостевой сети, регистрация прошла успешно, а телефон находится в режиме ожидания.

При поступлении запроса (рисунок 3.2) на соединение от проводной телефонной (или другой сотовой) системы на MSC домашней сети (вызов "находит" нужный коммутатор по набранному номеру мобильного абонента MSISDN, который содержит код страны и сети).



Рисунок 3.2 - Взаимодействие основных блоков сети при поступлении входящего вызова

MSC пересылает в HLR номер (MSISDN) абонента. HLR, в свою очередь, обращается с запросом к VLR гостевой сети, в которой находится абонент. VLR выделяет один из имеющихся в ее распоряжении MSRN (Mobile Station Roaming Number - номер "блуждающей" мобильной станции). Идеология назначения MSRN очень напоминает динамическое присвоение адресов IP при коммутируемом доступе в Интернет через модем. HLR домашней сети получает от VLR присвоенный абоненту MSRN и, сопроводив его IMSI пользователя, передает коммутатору домашней сети. Заключительной стадией установления соединения является направление вызова, сопровождаемого IMSI и MSRN, коммутатору гостевой сети, который формирует специальный сигнал, передаваемый по PAGCH (PAGer Channel - канал вызова) по всей LA, где находится абонент.

Маршрутизация исходящих вызовов не представляет с идеологической точки зрения ничего нового и интересного. Приведу лишь некоторые из диагностических сигналов (таблица 3.1), свидетельствующие о невозможности установить соединение и которые пользователь может получить в ответ на попытку установления соединения.

Таблица 3.1 - Основные диагностические сигналы об ошибке при установлении соединения.

Тип ошибки	Номер абонента занят	Перегрузка сети	Общая ошибка
Частота	425±15 Гц	425±15 Гц	950±50Гц 1400±50Гц 1800±50Гц
Тип сигнала	500мс гудок, 500 мс пауза	425±15 Гц 200мс гудок, 200 мс пауза	Тройной гудок (длительность каждой части 330 мс), 1 с пауза

3.3 Классы доступа

Все мобильные станции случайным образом разделены на десять равноправных классов доступа, с номерами от 0 то 9. В случае перегрузки сети или других чрезвычайных ситуаций станциям одного или нескольких классов может быть запрещен доступ в сеть, в том числе и для чрезвычайных звонков. Кроме того, станция может быть членом одного или нескольких из пяти специальных классов доступа, с номерами от 11 до 15 [4]:

Класс 15 - Руководство PLMN;

Класс 14 - Аварийные службы;

Класс 13 - Общественные службы;

Класс 12 - Служба безопасности;

Класс 11 - Для использования PLMN.

Мобильной станции разрешен доступ к сети, если станция принадлежит хотя бы к одному из классов, применимому в данной PLMN, доступ членам которого к сети разрешен. Применимость классов определяется следующим образом:

Классы 0 - 9 применимы ко всем PLMN.

Классы 11 и 15 применимы только к HPLMN.

Классы 12 - 14 применимы ко всем PLMN своей страны.

Кроме того, существует еще один специальный класс доступа - класс 10, принадлежность к которому дает возможность осуществлять чрезвычайные звонки, если станция не принадлежит к одному из разрешенных классов или не имеет идентификатора пользователя (IMSI). Принадлежность к одному из специальных классов доступа также означает предоставление такого права. Информация о принадлежности станции тем или иным классам хранится в SIM-карте.

3.4 Общие характеристики стандарта CDMA

3.4.1 Система CDMA в развитии телекоммуникаций области

Состав оборудования сетей стандарта CDMA во многом сходен с составом оборудования сетей стандарта GSM и включает в себя ПС и БС, цифровые коммутаторы, центр управления и обслуживания, различные дополнительные системы и устройства, функциональное сопряжение элементов системы осуществляется с помощью ряда интерфейсов [5]. Архитектура сотовой сети и системы стандарта CDMA представлена в приложении Б.

Приведу основные характеристики CDMA и их краткое описание, определяющее достоинства и перспективность систем сотовой связи с кодовым разделением каналов.

Характеристики и их описание.

Высокая пропускная способность.

Полевые испытания, проводившиеся в различных условиях, подтвердили, что при высокой нагрузке пропускная способность систем CDMA в среднем в 15 раз превышает пропускную способность аналоговых систем. Наконец, при использовании существующих вокодеров, которые работают на половиной скорости передачи, пропускная способность увеличивается еще в 1,7 раза. Дополнительная секторизация (свыше 3) также увеличивает пропускную способность.

Высококачественная связь.

Вокодер, работающий на переменной скорости передачи, обеспечивает преобразование речевых сигналов в цифровую форму и высококачественное воспроизведение речи. Фоновые сигналы заглушаются даже при большой нагрузке. Метод мягкой передачи абонента (переключения абонента с одного радиоканала на другой), применяемой в системах CDMA, обеспечивает почти прозрачную передачу вызовов между сотами. Такой надежный метод передачи практически исключает потерю вызовов и снижает нагрузку на коммутационное оборудование.

Возможность введения новых функций.

При желании с одного и того же аппарата можно получить выход к беспроводной УАТС, домашнему беспроводному телефону, общественным беспроводным цифровым телефонным аппаратам, к сети персональный связи и к сотовым сетям. Обеспечиваются интерфейсы с УАТС, сетью ISDN и коммутируемой телефонной сетью общего пользования. Цифровые сигналы управления позволяют организовать целый ряд служб передачи данных, которые можно добавлять по мере того, как компания-оператор будет вводить новый услуги. Вокодер с переменной скоростью передачи и предусмотренная возможность передачи данных позволяют вводить различные уровни обслуживания. Предусмотренные в системе измерения уровня сигнала и его задержки позволяют определять положение подвижной станции.

Секретность связи.

Цифровая форма сигналов, передача в широкой полосе частот, защита информации для каждого адресата - все это обеспечивает значительно более высокую, чем в других системах, секретность связи. Простота перехода (и совместимость с аналоговыми системами) CDMA позволяет почти утроить существующую в аналоговых сетях пропускную способность и обеспечивает более высокое качество обслуживания. Пропускная способность и радиопокрытие позволяют вводить CDMA при значительно меньшем числе сот, чем на существующих сетях. Зона радиоохвата антенны и секторизация не зависят от соты и не так тесно связаны, как в узкополосных система. Последующее расширение может быть поэтапным и может быть местным (чтобы быстро обеспечить радиопокрытие в каком-то одном месте) или глобальным.