Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к выпускной квалификационной работе

на тему

Базовая станция системы сотовой связи



РЕФЕРАТ

Выпускная квалификационная работа (ВКР) содержит 91 лист, 37 рисунков, 4 таблицы, список источников информации включает 21 источник.

ВРЕМЕННОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ КАНАЛОВ, МОБИЛЬНАЯ СТАНЦИЯ, КОДЕР КАНАЛА, ПОЛОСОВАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ, БАЗОВАЯ СТАНЦИЯ

В данной бакалаврской работе исследована система связи с частотно-временным разделением каналов. Была рассмотрена структурная схема системы связи; разработана функциональная схема мобильной станции. Произведен энергетический расчет канала связи. Проведены экспериментальные исследования формирующей и полосовой фильтрации в многоканальных системах связи. Проведен технико-экономический анализ и рассмотрены вопросы экологичности и безопасности работы.



ВВЕДЕНИЕ

связь канал мобильный фильтрация

По набору выполняемых функций как и по вариантам конфигурации система сотовой связи является очень сложной и гибкой технической системой, допускающей большое разнообразие. Данная система может обеспечивает передачу как речи, так и других видов информации, в частности факсимильных сообщений и компьютерных данных. В части передачи речи, в свою очередь, может быть реализована обычная двусторонняя телефонная связь, многосторонняя телефонная связь (так называемая конференц-связь - с участием в разговоре более двух абонентов одновременно), голосовая почта. При организации обычного двустороннего телефонного разговора, начинающегося с вызова, возможны режимы автодозвона, ожидания вызова, переадресации вызова (условный и безусловный).

Изложенные выше функции могут предоставляться и другими системами связи (телефонные линии общего пользования, цифровые телефонные сети и т.д.). Но то обстоятельство, что абоненты сети могут при этом свободно передвигаться, ставит сотовую связь в разряд перспективных технологий. Поэтому работы в этой области актуальны в настоящее время.

Системы связи построены по единым принципам и отвечают требованиям современных информационных технологий. Они используют временное разделение каналов TDMA и отличаются по своим характеристикам. В течении длительного времени популярность стандарта GSM была настолько велика, что GSM понимается как глобальная система подвижной связи. GSM и его варианты DCS 1800 (DigitalCellularSystems 1800) и PCS.
1900 (PersonalCommunicationService 1900) приняты и развиваются в Европе, Азии, Африке. Австралии и Северной Америке. По сравнению с другими стандартами цифровой сотовой связи, системы связи с временным разделением каналов обеспечивает лучшие энергетические и качественные характеристики связи, самые высокие характеристики безопасности и конфиденциальности связи.



1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

1.1 Вводные замечания

В данном разделе необходимо рассмотреть систему связи с частотно- временным разделение каналов.

По результатам предварительного анализа литературы в данной тематике [1-4] был сделан вывод об эффективности стандартов сотовой связи -это понятие очень сложное и многогранное. Она подразумевает в себе зависимости технических параметров системы от условий эксплуатации, капитальных вложений и затрат, а так же зависимости удовлетворенности пользователей данного стандарта в зависимости от этих технических параметров. К наиболее важным техническим характеристикам, в целом, следует отнести: емкость системы; зону покрытия сети; качество передачи речи. Такое первоочередное выделение этих характеристик обусловлено тем, что в конечном счете они первые влияют на цифры в графе «доходы» оператора. Особое значение имеют емкость и зона покрытия, так как именно они главным образом определяют объемы капитальных затрат и эксплуатационные расходы. Степень удовлетворенности пользователя услугами связи является немаловажным параметром. Она зависит от качества передачи речи, незаметности и надежности передачи сигналов управления, времени работы абонентского аппарата без подзарядки аккумуляторов в режиме разговора и в режиме ожидания, а так же от количества успешных вызовов.

В данном проекте необходимо разработать структурная схему системы связи, функциональную схему мобильной станции, а так же исследовать фильтрацию в данной системе связи. Экспериментальные исследования проведены лаборатории компьютерного моделирования радиосистем кафедры радиотехнических и телекоммуникационных систем на современном программно-аппаратном комплексеNIPXI-1042 (см. приложение) компании NationalInstruments в программной средеLabVIEW-8.2. Разработанные, дляэкспериментальных исследований программы, могут бытьвнедрены в учебный процесс.

Согласно техническому заданию в бакалаврской работе надо произвести энергетический расчет радиолинии.

Анализируя содержание технического задания можно отметить, что:

- отсутствуют сведения об размере антенны базовой станции;

- не задан тип антенны мобильной станции;

- не заданы потери в атмосфере.

По недостающим исходным данным были приняты следующие решения:

- примем диаметр антенны базовой станции равный м;

- выберем волной вибратор в качестве антенны мобильной станции;

- примем потери в атмосфере дБ.

Теперь техническое задание обладает достаточной полнотой и можно провести энергетического расчета радиолинии.

Дополнительные величины необходимые для расчетов сформулируем по мере необходимости.

1.2 Особенности систем с временным разделением каналов

Необходимо рассмотреть особенности организации эфирного интерфейса в системе с временным разделением каналов. В качестве примера выберем временную структуру эфирного интерфейса системы GSM [3], изображенного на рисунке 1.1. Передача информации организуется кадрами, которые имеют длительность 4,615 мс. Каждый кадр состоит из восьми слотов по 577 мкс, и каждый слот соответствует своему каналу речи, т.е. в каждом кадре передается информация восьми речевых каналов.

Первые 148 бит слота составляют информационный пакет, или информационную пачку (английский термин burst - вспышка); оставшиеся 8 - защитный интервал. Из 148 бит пачки на передачу информации речи отводится 116 бит (из них 114 бит - на передачу собственно речи и 2 бита - на скрытые флажки, определяющие тип передаваемой информации), 26 бит занимает обучающая последовательность, и оставшиеся 6 бит образуют два 3-битовых защитных бланка по краям пачки.

Из рисунка 1.1 видно, что информационные кадры объединяются в мультикадры. 26 кадров канала трафика образуют мультикадр канала трафика длительностью 120 мс. При этом в 24 кадрах передается информация речи - это кадры 1 ...12 и 14...25, в кадре 13 передается информация медленного присоединенного канала управления (канала SACCH), а кадр 26 остается
пустым (он зарезервирован для передачи второго сегмента ин-
формации канала SACCH при полускоростном кодировании). Мультикадр канала управления имеет длительность 235 мс и состоит из
51 кадра канала управления.

Мультикадры, в свою очередь, объединяются в суперкадры; один суперкадр состоит из 51 мультикадра канала трафика или 26 кадров канала управления. Длительность мультикадра в обоих случаях составляет 6,12 с, или 1326 кадров. Наконец, 2048 суперкадров образуют один гиперкадр (криптографический гиперкадр), имеющий длительность 3 ч 28 мин 53,760 с, или 2715648 кадров. Номер кадра в пределах гиперкадра используется в процессе шифрования передаваемой информации.



Рисунок 1.1- Структура эфирного интерфейса(канал трафика) системы

Используется пять видов временных интервалов для передачи информации по каналам связи и управления, подстройки несущих частот, обеспечения синхронизации и доступа к каналу связи (рисунок 1.1):

-NB(NormalBurst) - нормальный временной интервал;

- FB(FrequencycorrectionBurst) -временной интервал подстройки частоты;

- SB (SynchronizationBurst) -интервал временной синхронизации;

-DB (DummyBurst) - установочный интервал;

-AB (AccessBurst) -интервал доступа.

Рассмотрим частотный канал системы GSM[5].Частотный канал- это полоса частот, отводимая для передачи информации одного канала связи. Правда, как мы фактически уже отмечали ранее, при использовании метода TDMA в одном частотном канале передается информация нескольких каналов связи, Т.е. в одном частотном канале размещается несколько физических каналов, но это не противоречит приведенному определению частотного канала, а подробнее мы рассмотрим это ниже - при определении понятия физического канала.

В стандарте GSM 900 для передачи информации прямого канала отводится полоса 935...960 МГц, а обратного - 890...915 МГц, т.е. дуплексный разнос по частоте также составляет 45 МГц. Один частотный канал занимает полосу - 200 кГц, так что всего в полном диапазоне, с учетом защитных полос, размещается 124 частотных канала. Центральная частота канала (в МГц) связана с его номером соотношениями:

обратный канал:

,;

прямой канал:

,.

Заметим, что один частотный канал, строго говоря, занимает две полосы по200 кГц - одну под прямой, а другую под обратный канал связи.

Обработка речи осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи (DTX - Discontinuous Transmission), которая обеспечивает включение передатчика только при наличии речевого сигнала и отключение передатчика в паузах и в конце разговора. Система DTX управляет детектором активности речи VAD (VoiceActivityDetector), который обеспечивает обнаружение и выделение интервалов речи с шумом и шума без речи даже в тех случаях, когда уровень шума соизмерим с уровнем речи. В качестве речепреобразующего устройства выбран речевой кодек (устройство кодирования - декодирования) с регулярным возбуждением и линейным предикативным кодированием с предсказанием (PRE/LTP-кодек). Общая скорость преобразования речевого сигнала - 13 Кбит/с.

Для защиты от ошибок в радиоканалах при передаче сообщений принимается 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.

1.3 Основные характеристики и критерии эффективности

На рисунке 1.2 изображена зона обслуживания в виде круга радиусом , которая разбита на ячейки в виде правильных шестиугольников. Радиус окружности, описанной около шестиугольника, равен . В центре каждого шестиугольника расположена базовая станция. Площадь ячейки равна , зоны обслуживания. Поэтому число ячеек и число базовых станций

.

На рисунке 1.2 цифрами обозначены номера частотных каналов ячеек. Защитное расстояние между базовыми станциями, использующий один частотный канал,

,

где k - целое число.

Минимальное число частотных каналов в системе

,

или. При расположении базовых станций в соответствии с рисунок 1.2 . Возможны и другие принципы распределения частот, при которых получается примерно тот же результат.

Рисунок 1.2 - Зона обслуживания ССС

Предположим, что в каждой ячейке для дуплексной связи с подвижным объектом используются два частотных канала: один - в полосе передачи, другой - в полосе приёма. Дальнейшее исследование будем проводить для одной полосы. Если в каждой полосе (передачи или приёма) ведётся связь с l подвижными объектами, то каждая базовая станция в этой полосе частот должна иметь l частотных каналов. Таким образом, ширина полосы частот ССС.

,

где - ширина частотного канала.

При такой организации связи в каждой ячейке только один абонент занимает определённый частотный канал. Помеха от некоторой ячейки создаётся также одним абонентом. Уровень взаимных помех определяется защитным расстоянием. Чем оно больше, тем меньше взаимные помехи, но тем больше требуется частотных каналов, а следовательно, и ширина полосы частот. Если каждая БС одновременно ведёт связь с l абонентами, которые равномерно распределены по зоне обслуживания, т.е. общее число активных каналов в системе связи

.

Из чего следует, что с уменьшением радиуса ячейки увеличивается число активных каналов, т.е. целесообразны малые ячейки. При этом можно резко уменьшить мощность передатчиков и высоту антенн базовых станций.

Эффективность использования радиоспектра характеризуется числом активных абонентов на 1 МГц полосы частот, т.е. согласно вышесказанного

Использование радиоспектра в ССС можно оценить отношением ширины полосы в централизованной системе связи (с одной базовой станцией) к ширине полосы в ССС -. Поскольку в эквивалентной централизованной системе число активных каналов должно равняется числу активных каналов в ССС, ширина полосы частот в централизованной системе т.е.

Следовательно, . Отметим, что в последние выражения не входит число каналов l каждой базовой станции. Изменение l приводит к пропорциональному изменению ширины полосы частот как в централизованной системе, так и в ССС. Целесообразно характеризовать обе системы минимальной полосой частот, ширина которой для ССС



,

а для централизованной системы

При постоянных и эффективность использования радиоспектра можно повысить, уменьшая абсолютное значение защитного расстояния. Но при этом необходимо уменьшать и , чтобы уменьшить уровень взаимных помех, поскольку именно помехи определяют число частотных каналов .

Радиочастотный спектр (РЧС) является важнейшим ограниченным национальным ресурсом России. В настоящее время в период интенсивного раз-вития систем подвижной радиосвязи вопрос эффектив-ного использования РЧС приобрел особое значение. Для количественной оценки эффективности примене-ния РЧС в литературе широко используется термин "спектральная эффективность" (СЭ), который рассматривается как комплексный показатель, учитывающий количество и качество обслуживания абонентов а пределах определенной территории.

В качестве показателей СЭ использованы широко применяемые понятия: удельное количество физических каналов (канал/МГц/км²) и удельная спектральная нагрузка (Эрл/МГц/км^а) в сети. Первый из показателей отражает количество кана-лов, организованных в единице полосы радиоспектра на единице обслуживаемой территории при заданном качестве обслуживания. Bторой показатель показывает обслуживаемую нагрузку (трафик) в единице полосы радиоспектра на единице обслуживаемой территории также при заданном качестве обслуживания. Качество обслуживания в обоих показателях включает вероятность отказа в предоставлении канала связи и качества передачи информации по каналу (качество передачи речи, вероятность ошибки передачи бита и т.д.).

Поскольку обслуживаемая нагрузка всегда жестко связана с количеством предоставляемых равнодоступных каналов соотношением Эрланга, то при одинаковом качестве обслуживания оба вышеприведенных показателя СЭ являются абсолютно равноценными.

С другой стороны, данные показатели СЭ отражают прежде всего потенциальные возможности определенных систем подвижной связи по обслуживанию территорий с высокими значениями абонентского трафика. Одновременно с этим показатель СЭ должен отражать реальную возможность системы обслуживать требуемую территорию с конкретной величиной абонентского трафика при заданном качестве обслуживания и минимальной стоимости инфраструктуры системы. Другими словами, показатель СЭ кроме чисто технической должен включать также экономическую составляющую.

Стоимость инфраструктуры в системах может быть снижена, прежде всего, уменьшением количества базовых станций. Таким образом, для систем связи в качестве показателя СЭ более целесообразно использовать удельную обслуживаемую спектральную нагрузку (удельную плотность организованных физических каналов) на одну базовую станцию с размерностью Эрл/МГц/БС (канал/МГц/БС).

В качестве исходных данных принимаем выделяемую для системы полосу частот требуемую величину обслуживаемого системой трафика А. СЭ системы Е определяем как

где - общее количество каналов трафика в зоне обслуживания системы;

- полоса радиочастот, выделенная на систему, МГц;

- количество БС в зоне обслуживания системы.

При этом общее количество каналов трафика в зоне обслуживания системы определяется по формуле:

,

где- количество каналов трафика на одной БС, которые рассчитывается из условия

при ;

при .

Здесь N - количество частотных каналов в полосе ;

- количество каналов трафика в полосе одного частотного канала системы;

- минимальный размер кластера в системе.

Количество частотных каналов можно вычислить:

где -полоса одного радиочастотного канала в системе, МГц.

Итак

при ;

при .



Тогда значение СЭ определяется из следующих формул:

при ;

при .

Известно, что для БС, имеющей равнодоступных каналов, вероятность отказа в предоставлении связи р определяется по формуле Эрланга

где - обслуживаемая нагрузка.

В [6] приведена таблица значений , , из которой можно, задавая как параметр, построить зависи-мость нагрузки, обслуживаемой одной БС, от количества каналов трафика на ней

.

Тогда абонентская нагрузка, обслуживаемая системой, состоящей из qячеек вычисляется по формуле:

.



Итак

при ;

при .

Результаты[5,6] показывают, что в соответствии с предложенным показателем СЭ системы стандартов NMT и GSM в общем случае уступают системам IMT-MC 1X. При этом в радиальных системах (q = 1) спектральная эффективность систем NMT и GSM равны: канал/МГц/БС, Эрл, а для систем IMT-MC 1Х = канал/МГц/БС, Эрл. Это объясняется тем, что стан-дарты NMT и GSM позволяют создать в полосе 1,23 МГц по 48 каналов трафика, а стандарт IMT-MC 1X за счет возможности применения когерентного при-ема и использования статистических свойств речи -- 55 каналов.

Значение показателя СЭ для систем стандартов NMT и GSM с увеличением количества ячеек до значений минимального размера кластера , равного соответственно 7 и 3, монотонно уменьшается от 40 до 5,7 и 13,3, оставаясь при дальнейшем увеличении постоянным. Уменьшение СЭ обусловлено тем, что приувеличениене сопровождается увеличением количества каналов трафика в системе п. При этом из-за уменьшения количества равнодоступных каналов в каждой ячейке обслуживаемая системой абонентская нагрузка также уменьшается. Приуменьшение СЭ компенсируется увеличением количества каналов трафика в системе , и обслуживаемая системой абонентская нагрузка начинает увеличиваться.

Значение показателя СЭ систем стандарта IMT-MC 1X с увеличением количества ячеек q уменьшается от 45 и асимптотически приближается к значению 27,6, соответствующему гипотетической системе с неограниченным количеством ячеек. Такое уменьшение СЭ обусловлено тем, что с ростом количества ячеек в системе количество каналов трафика в каждой ячейке уменьшается из-за увеличения помех, вносимых соседними ячейками. При этом обслуживаемая системой абонентская нагрузка монотонно увеличивается.



2. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СИСТЕМЫ СОТОВОЙ СВЯЗИ

2.1 Характеристика 2G

Второе поколение мобильной связи наиболее распространено в России. Оно занимает первое место не только по площади покрытия, но и по количеству абонентов. Второе поколение работает на двух стандартах: GSM и CDMA. Начнем мы со стандарта CDMA, он похож на GSM, но использует цифровое разделение каналов. Этот стандарт не так популярен в России, он работает на частотах 450/850 МГц, одним из основных провайдеров CDMA является компания СКАРТЕЛ.

Более популярный GSM работает на частотах 900 и 1800 МГц, это, так называемый, Европейский стандарт. Помимо него существуют также 850/1900 МГц GSM сети, однако они распространены только в США, Канаде и некоторых странах Латинской Америки. Оба стандарта 2G используются для обмена SMS сообщениями, для голосовых звонков, а также для мобильного доступа в интернет по технологии GPRS или EDGE. Самыми крупными GSM провайдерами на территории РФ являются МегаФон, МТС, Beeline, ВымпелКом и Теле2. Как мы уже говорили, покрытие GSM присутствует почти во всех уголках Российской Федерации, однако найти места где связи вовсе нет вполне возможно. В среднем, покрытие РФ стандартом GSM составляет 85%, однако некоторые операторы заявляют о работе своей сети на всей территории страны. Огромное покрытие и, сравнительно, недорогие тарифы способствовали тому, что в РФ появились 

Очень распространен вопрос о том, для чего стандарт GSM использует 2 частоты. Все мобильные телефоны -- дуплексные устройства, при обычном телефонном разговоре Вы задействуете обе эти частоты. С некоторыми допущениями можно говорить о том, что одна частота передает данные от мобильного устройства к базовой станции сети, а вторая работает в обратную сторону. Одновременное использование этих двух каналов позволяет вам говорить и слышать собеседника одновременно, если бы использовалась одна частота, то принцип работы был бы похож на рацию, где есть 2 режима: «говорить» или «слушать». К слову, построение GSM сети очень похоже на строительство улья, сеть состоит из сот, с вышками связи на углах. В стандарте GSM используются вышки с направленными антеннами, которые «смотрят» внутрь соты. Ваш мобильный поддерживает соединение, как минимум, с тремя ближайшими вышками. Это позволяет определять примерное местоположение абонента в GSM сети, на основе мощности сигнала от каждой из сотовых вышек.

2.2 Характеристика 3G

3G -- следующее, третье, поколение сотовой связи. Существует несколько стандартов, в которых работают сети третьего поколения, однако мы рассмотрим тот стандарт, который работает в России -- WCDMA. Этот стандарт имеет очень много общего со стандартом CDMA, в частности, используется такой же цифровой принцип разделения каналов. В РФ, распределением частот и вопросами занимается Государственная Комиссия по Радиочастотам и Связи. Согласно решению ГКЧР, третье поколения мобильной связи работает на частотах 2000-2100 МГц. В России третье поколение работает с различными надстройками, такими как HSUPA, HSPDA, HSPA+. Часто эти настройки называют ошибочно 3,5 G , хотя такого поколения связи просто не существует.

Главное отличие сетей 3G, от сетей прошлого поколения в том, что они позволяю совершать видео звонки и пользоваться довольно быстрым мобильным интернетом, скорость передачи данных здесь составляет 2-14 Мбит/сек. Однако, стоит учитывать то, что при движении скорость передачи данных может быть несколько ниже, из-за хэндоверов. Хэндовер -- это, по сути, переключение мобильного устройства одной вышки на другую по мере движения. Именно они могут значительно ухудшать качество связи, при движении с большой скоростью.

Это поколение связи также неплохо распространено, покрытие работает более чем в 120 крупных городах России, работа крупнейших операторов сосредоточена в плотно населенных районах. Крупные мобильные операторы, такие как МТС, ВымпелКом, Beeline, МегаФон, и СКАЙЛИНК предоставляют услуги связи третьего поколения.

2.3 Характеристика LTE

Развитие технологии LTE как эталона официально стартовала в окончании 2004 года. Перед учеными возникла проблема о подборе технологии, которая бы гарантировала высокую передачу информации. Были предложены два вида: W-CDMA, ранее применяемые в сетях HSPA, и OFDM - новейшая методика радио интерфейса. Уже после проделанных изучений было принято решение применять технологию OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing) - мультиплексирование с ортогональным частотным распределением каналов. В мае 2006 года в рамках плана 3GPP была сформирована первая спецификация на радио интерфейс E-UTRA (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access). Данная спецификация вступила в базу 3GPP Release 7. В конце 2008 года была подтверждена вариант стандартов 3GPP Release 8, что отмечала архитектурные и многофункциональные требования к концепциям LTE. В начале 2009 года возникли первоначальные опытные концепции на базе LTE. В окончании 2009 года фирма TeliaSonera, вместе с Ericsson провозгласила о запуске первой в мире торговой сети в Стокгольме и Осло. На настоящий период сети с использованием технологии LTE работают свыше, чем в 80 государствах мира и их количество стремительно возрастает. Формирование беспроводной связи сопутствуется постоянной сменой технологий, на базе которых лежат эталоны мобильной связи GSM и CDMA. Исторически технологические процессы беспроводной связи формировались согласно двум самостоятельным тенденциям - системы телефонной связи «сотовая связь» и концепции передачи данных (Wi-Fi, WiMAX). Однако в последнее время прослеживается очевидная склонность к слиянию данных функций. Наиболее того, размер пакетных сведений в сетях сотовой связи 3-го поколения (3G) уже превосходит размер голосового трафика, что сопряжено с введением технологий HSPA. В собственную очередность, инновационные сети передачи данных непременно гарантируют установленный уровень качества услуг для разных типов трафика. Реализуется помощь приоритезации раздельных потоков данных, при этом как на сетевом/транспортном уровнях (на уровне TCP/IP), таким образом и в МАС- уровне (стандарты IEEE 802.16). Данное дает возможность применять их с целью предложения услуг голосовой связи, передачи мультимедийных данных и т.п. В связи с этим само концепция сетей 4-ого, поколения (4G) неразделимо сопряжено с формированием многоцелевых подвижных мультимедийных сетей передачи данных. На сегодняшний день две категории технологий очевидно наставлены в предоставление многоцелевых услуг взаимосвязи. Это Wi-MAX (как развитие направления IEEE 802) и технологические процессы сотовой связи поколений "cупер 3G". К тому же любая из них захватывает собственную нишу в пространном рынке беспроводной связи.



3. СТРУКТУРНО-ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ СОТОВОЙ СВЯЗИ

3.1 Формирование канальных сигналов

В связи с ограниченным частотным ресурсом и огромным числом пользователей приходится применять различные методы уплотнения(разделения) каналов связи, которые используют радиочастоты. Уплотнение линий связи экономически целесообразно осуществлять, что позволяет сократить затраты на организацию новых линий связи в случае отсутствия уплотнения и сократить расходы на оборудование и эксплуатацию.

В многоканальных системах с временным разделением каналов (ВРК) канальные сигналы не перекрываются во времени, что обеспечивает их ортогональность[7].

Рассмотрим один из способов формирования канальных сигналов в системе с ВРК. Сообщения л_k, поступающие от источников, подвергаются дискретизации по времени так, чтобы отсчеты одного сообщения не совпадали с отсчетами другого (рисунок 2.1). В соответствии с моментами отсчетов вырабатываются импульсы, параметры которых меняются в зависимости от значений сообщений сообщения в каждом отсчете. Рисунок 2.1, иллюстрирует систему, в которой пропорционально сообщению изменяется амплитуда импульсов. Канальные сигналы, образованные из сообщения л₁, не совпадают по времени с канальными сигналами, образованными из сообщения л₂.



Рисунок 2.1- Формирование канальных сигналов в системе с ВРК

Следовательно, в системе с ВРК происходит периодическое подключение каждого источника к линии связи. Частота подключения выбирается из условия восстановления непрерывного сообщения по его дискретным выборкам, т.е. в соответствии с теоремой Котельникова. Последовательность импульсов является в каждом канале переносчиком сообщений. В зависимости от того, какие параметры импульсной последовательности являются информативными, получают те или иные системы с ВРК.

3.2 Структурная схема

Основной задачей любой системы связи, как известно, является передача различных видов информации (например: речевой, факсимильной, компьютерных данных) в любое место в реальном масштабе времени (или в требуемый абонентом момент времени).

Основные характеристики стандарта GSМ:

- Частоты передачи подвижной станции: 890-915 МГц.

- Частоты передачи базовой станции: 935-960 МГц.

- Дуплексный разнос частот базовой станции: 45 МГц.

- Ширина полосы частот канала связи: 200 кГц.

Система связи в общем случае является сложной и гибкой радиотехнической системой. Допускается большое разнообразие по вариантам конфигурации и набору выполняемых функций. Она обеспечивает передачу речи и других видов информации (в частности, факсимильных сообщений и компьютерных данных). При этом может быть реализована дуплексная телефонная связь, многосторонняя телефонная связь (называемая конференцсвязью) голосовая почта и пр.

- Скорость передачи сообщения в радиоканале: 270 кбит/сек.

- Скорость преобразования речевого кодека: 13 кбит/сек.

- Коэффициент временного уплотнения: 8.

- Максимальное количество каналов связи: 124.

- Максимальное количество каналов, организованных в базовой станции: 16-20.

- Вид модуляции: GMSK (гауссовская модуляция).

- Ширина полосы частот предмодуляционного гауссовского фильтра: 81,2 кГц.

- Вид речевого кодека: RPE LTP.

- Максимальный радиус соты: 35 км.

- Схема организации каналов: комбинированная (TDMA + FDMA)

Структурная схема и состав оборудования сетей связи стандарта GSМ



Рис.3.1 Структурная схема

MS - Подвижная станция, состоит из оборудования, которое служит для организации доступа абонентов сетей GSМ к существующим фиксированным сетям электросвязи.

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

ТСЕ - Транскодер, обеспечивает преобразование выходных сигналов канала передачи речи и данных центра коммутации подвижной связи.

МSС- Центр коммутации подвижной связи (ЦКПС) обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы ПС. На ЦКПС возлагаются функции коммутации радиоканалов, в котором достигается непрерывность связи при перемещении ПС изсоты в соту, и переключения рабочих частот в соте, при появлении помех или неисправностях. Также формирует данные, необходимые для выписки счетов за предоставленные услуги связи, поддерживает процедуры безопасности, применяемые для управления доступами к радиоканалам.

VLR - Регистр положения, 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 абонента, включая данные о временном идентификационном номере подвижного абонента и соответствующем регистре перемещения.

HLR - Регистр перемещения, обеспечивает контроль за передвижением ПС из зоны в зону. В этом регистре содержаться такие же данные, как и VLR, однако эти данные содержатся только до тех пор, пока абонент находится в зоне, контролируемой VLR

АUС - Центр аутентификации, предназначен для исключения несанкционированного использования ресурсов системы связи (удостоверение подлинности абонента). С его помощью проверяются полномочия абонента и осуществляется его доступ к сети связи.

EIR - Регистр идентификации оборудования, содержит централизованную базу данных для подтверждения подлинности международного идентификационного номера оборудования МС. Эта база данных относится исключительно к оборудованию МС.

ОМС- Центр управления и обслуживания, обеспечивает контроль и управление другими компонентами сети и контроль качества её работы. Также обеспечивает функции обработки аварийных сигналов, предназначенных для оповещения обслуживающего персонала, и регистрирует об аварийных ситуациях в других компонентах сети. Позволяет производить управление нагрузкой в сети.

NМС - Центр управления сетью, позволяет обеспечивать иерархическое управление сетью GSМ. Также обеспечивает управления трафиком во всей сети и обеспечивает диспетчерское управление сетью при сложных аварийных ситуациях. Контролирует маршруты соединений между сетью GSМ и телефонной сетью общего пользования.

Импульсные воздействия (переходные процессы) в линейных электрических цепях, основные определения, терминология. Классический метод анализа переходных процессов в линейных электрических цепях. Переходные и импульсные характеристики(Никонов)

В реальных электрических цепях сигналы длятся не бесконечно, так как происходят их включения или выключения, а также могут осуществляться переключения пассивных элементов. При переключениях (коммутациях) происходит переход цепи от одного установившегося состояния к другому и необходимо знать:

- вид переходных процессов на разных участках цепи;

- время завершения переходного процесса (время установления);

- максимальные значения токов и напряжений при переходных процессах.

Основные определения:

- время, соответственно, непосредственно до и после переключения;

- независимые начальные условия - начальные условия для момента времени;

- зависимые начальные условия - начальные условия для момента времени;

- электрическая цепь с нулевыми начальными условиями - в момент времени реактивные элементы не имели энергии;

- электрическая цепь с ненулевыми начальными условиями - в момент времени некоторые реактивные элементы имели запас энергии;

- корректные переключения (коммутации) - законы коммутации не противоречат основным законам цепей и их можно применять для анализа;

- некорректные коммутации - законы коммутации противоречат ТЭЦ и для анализа необходимо вначале применить более общие принципы непрерывности потокосцепления и заряда.

Анализ переходных процессов чрезвычайно важен, так как длительность переходных процессов определяет готовность радиоаппаратуры к работе, а «броски» токов и напряжений могут вывести радиоэлементы из строя.

Так же нашли применения четыре метода анализа переходных процессов: классический, частный, операторный, временной. Выбор метода анализа зависит от его трудоемкости при решении конкретной задачи.

При анализе достаточно любым методом найти переходной процесс для одного из токов (напряжений) электрической цепи, остальные величины определяются затем по законам теории цепей.

Классический метод анализа переходных процессов в линейных электрических цепях.

Метод основан на классическом способе решения линейных дифференциальных уравнений, при котором:

- составляется дифференциальное уравнение с одной переменной;

- записывается однородное дифференциальное уравнение. Оно преобразуется в характеристическое, где производные заменяются произвольной переменной, степени которой зависят от порядков производных;

- определяются корни характеристического уравнения;

- записывается ответ в виде суммы общего решения (экспонент) с неизвестными постоянными и частного решения уравнения;

- по зависимым начальным условиям определяются неизвестные постоянные.

В теории цепей данный метод применяется нулевых и ненулевых начальных условий при включениях (выключениях) постоянного напряжения, гармонического напряжения, импульсов прямоугольной формы, а так же при переключениях элементов при перечисленных сигналах.



3.3 Энергетический расчет радиолинии

Система связи содержит множество радиолиний, осуществляющих передачу различных видов данных, управляющей информации, информации о состоянии оборудования и т.д. [3].

Произведем энергетический расчет радиолинии, осуществляющей передачу данных от мобильной станции к базовой станции. При расчетах основных технических характеристик будем пользоваться методикой, приведенной в литературе [8].

Найдем скорость модуляции, зная что

,

отсюда получим

Бод,

где- полоса пропускания сигнала.

Полоса пропускания приемника определяется формулой

,

где - эффективная ширина спектра сигнала;

- доплеровский сдвиг частоты;

- совокупное среднеквадратическое отклонение частоты;



,

где - неточность настройки частоты передатчика;

- нестабильность настройки частоты передатчика;

- неточность настройки частоты передатчика;

- неточность настройки частоты гетеродина;

-нестабильность частоты гетеродина

-неточность настройки усилителя промежуточной частоты;

В качестве задающего генератора передатчика был выбран транзисторный генератор на отражательном клистроне (). В качестве гетеродина принят такой же тип генератора, как и в передатчике().

Относительные неточности настроек частот гетеродина и передатчика примем также одинаковыми и равными,а неточность настройки УПЧ

Вычислим значение промежуточной частоты

Выбираем значение

При этом



Гц.

Гц.

Гц.

Гц.

Теперь

Гц.

Рассчитаем доплеровский сдвиг частоты

Гц.

Получаем

Гц.

Коэффициент шума обусловлен не только собственными шумами приемника, определяемыми главным образом первыми каскадами радиочастотного тракта, но внешними шумами, характеризуемыми шумовой температурой антенны

,



где -суммарная эквивалентная эффективная шумовая температура дддприёмной части радиоканала, пересчитанная к облучателю антенны;

- стандартная шумовая температура, принимаемая в расчетах 290 К.

,

где -шумовая температура антенны, порожденная внешними

источниками теплового шума-космоса, атмосферы;

-шумовая температура фидера, соединяющего антенну со входом ввприемника, пересчитанная к антенне;

- шумовая температура собственно приемника, пересчитанная к ввантенне

,

где - эквивалентная шумовая температура космических шумов;

- температура Земли, равная 290 К;

- коэффициент поглощения на трассе распространения.

Величина не зависит от решений разработчика приемной аппаратуры, а

,

где - собственный коэффициент шума приемника.

В источнике [8] приведены значения шумовой температуры различных усилителей радиочастоты в зависимости от частоты. Примем в качестве усилителя радиочастоты транзисторный усилитель с коэффициентом шума дБ, что в относительных единицах соответствует значению 4.

Найдем- коэффициент передачи антенного фидера, равный

,

где - погонное затухание;

- длина фидера.

Из таблицы, в источнике [8], выбираем в качестве фидера коаксиальный кабель РК-103 , имеющий на частоте 950 МГц дБ/м. Коэффициент передачи такого фидера длиной м :

.

Из источника[8] определяем значение.

Подставляя значения, получим

К.

Столь большое значение обусловлено затуханием дБ, выбранным при анализе технического задания. На заданной частоте несущего колебания это затухание менее значительное.

К.

Тогда



Коэффициент различимости k_р зависит от качества обработки сигнала в приемном тракте, характеризуемого коэффициентом потерь б_пот :

где - пороговое ОСШ;

-коэффициент потерь.

Коэффициент потерь равен:

где - коэффициент потерь в -м функциональном узле приемного тракта.

Наиболее часто встречающиеся коэффициенты потерь , которыми могут характеризоваться узлы в приемнике, следующие:

-- потери в высокочастотном тракте, вызываемые затуханием энергии сигналов в фидерах и антенных коммутаторах;

-- потери из-за расстройки частоты принимаемого сигнала относительно резонансной частоты приемника. Предполагая, что эта расстройка не превышает половины полосы пропускания приемника.

-- потери, вызванные заменой оптимального фильтра в приемнике фильтром, согласованным только по полосе пропускания, значение этого коэффициента приведены в источнике[8].

-- потери, связанные с расширением полосы пропускания приемника по сравнению с согласованной величиной этих потерь может быть оценена приближенным равенством

,

-- потери, связанные с детектированием радиосигнала.

Отсюда коэффициент различимости:

Реальной чувствительностью , входящей в уравнение дальности, называется минимальная мощность сигнала на входе приемника, при которой на выходе его линейной части обеспечивается необходимое отношение сигнал/шум по мощности :

где Дж/К- постоянная Больцмана;

-шумовая полоса пропускания приемной части;

Вт.

Для полного эскизного энергетического расчета радиолинии необходимо рассчитать характеристики (коэффициент направленного действия, коэффициент усиления и основные геометрические размеры) передающей и приемной антенн.

Будем считать, что антенна мобильной станции волновой вибратор, тогда её коэффициент усиления возьмем из источника [8].

Итак коэффициент усиления мобильной станции

Найдем эффективную площадь антенны базовой станции.

Примем диаметр антенны базовой станции м.

м,

где - геометрическая площадь раскрыва;

- коэффициент использования площади раскрыва[8].

Рассчитаем требуемый коэффициент направленного действия антенны базовой станции

Задавшись коэффициентом полезного действия антенной системы , рассчитаем коэффициент усиления антенны базовой станции

Мощность передатчика должна быть достаточной, чтобы во всех возможных условиях эксплуатации системы, на выходе приемной антенны создавалась мощность радиосигнала не меньшая, чем чувствительность приемной части радиоканала

.

Найдем мощность передатчика



Рассчитанные технические характеристики радиолинии, в полной мере обеспечивают заданные в ТЗ тактические характеристики и очень близки к реальным характеристикам современных систем связи с временным разделением каналов [9].



4 ФУНКЦИОНАЛЬНО-ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА БАЗОВОЙ СТАНЦИИ

4.1 Функциональная схема мобильной связи

Система мобильной связи строится в виде совокупности ячеек (сот), покрывающих обслуживаемую территорию. Ячейки обычно схематиче-ски изображают в виде правильных шестиугольников. В центре каждой ячейки находится базовая станция (БС), которая обслуживает все мобильные станции (МС) в пределах своей ячейки. При перемещении абонента меж-ду 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 ра-диорелейным каналам связи. При больших размерах ССМС в ней могут создаваться несколько центров коммута-ции. 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 дру-гой системы мобильной связи осуществляется передача его обслужива-ния от одной CСMC к другой CСMC - роуминг (roaming).

На рисунке 4.1 приведена упрощенная функциональная схема системы мобильной связи.



Рис.4.1 Функциональная схема сотовой связи

Более эффективные модели повторного использования частот в несмежных сотах, а также принципы построения цифровых ССМС позволили применить при организации сотовых сетей. 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. Именно возможность повторного применения одних и тех же частот определяют высокую эффективность использования частотного спектра в сотовых системах связи.

Группа сот с различным набором частот называется кластером. Главным его параметром является размерность - количество используемых в соседних сотах частот. Базовые станции, на которых допускается повторное использование выделенного набора частот, удалены друг от друга на расстояние D, называемое защитным интервалом.

Смежные базовые станции, использующие различные частотные каналы, образуют группу из B станций. Если каждой базовой станции выделяется набор из N каналов с шириной полосы F_К каждого, то общая ширина полосы F_C, занимаемая данной системой сотовой связи составит:

(1.1)

Следовательно, величина B определяет минимально возможное количество каналов в системе, и поэтому ее называют частотным параметром системы или коэффициентом повторения частот. Коэффициент B не зависит от количества используемых каналов и увеличивается по мере уменьшения радиуса ячейки.

Таким образом, при использовании сот меньших размеров можно увеличить повторяемость частот. Наилучшее соотношение между B и D обеспечивается в шестиугольной соте.

Число каналов в соте (число абонентов) определяется выражением:

  (1.2)

Размер соты R (радиус ячейки, т. е. радиус окружности, описанной около правильного шестиугольника) определяет защитный интервал D между сотами, в которых одни и те же частоты могут быть использованы повторно. Значение D зависит также от допустимого уровня помех и условий распространения радиоволн. В общем случае расстояние D между центрами ячеек связано с числом ячеек в кластере соотношением:

 (1.3)

(1.4)

(1.5)

Параметр q называется коэффициентом уменьшения соканальных помех или коэффициентом соканального повторения.

Поскольку интенсивность вызовов в пределах всей зоны обслуживания примерно одинакова, то соты выбираются одного размера. Размер R определяет также количество абонентов N, способных вести переговоры на всей территории обслуживания. Следовательно, уменьшение этого размера позволит не только повысить эффективность использования выделенной полосы частот и увеличить абонентскую емкость системы, но и уменьшить мощность передатчика и чувствительность приемников БС и ПС. Размерность кластера, приведенного на рисунке 4.2 равна семи.

(R - размер соты; D - защитный интервал)

Рисунок 4.2 Модель повторного использования частот для семи сот

Использование секторных антенн может быть эффективным способом снижения уровня соканальных помех. В секторе направленной антенны сигнал излучается в одну сторону, а уровень излучения в противоположном направлении сокращается до минимума. Секторизация сот позволяет более часто повторно применять частоты в сотах.

Самую высокую эффективность использования полосы частот, то есть наибольшее число абонентов сети в выделенной полосе частот, обеспечивает разработанная фирмой Motorola (США) модель повторного использования частот, включающая четыре БС - смотри рисунок 4.3.

Рисунок 4.3 Секторизация сот с формированием 12-ти групп частот

Каждая частота используется дважды в пределах модели. Она состоит из четырех БС (или кластер состоит из четырех сот). Благодаря этому, каждая из четырех БС в пределах действия шести 60-градусных антенн может работать на 12-ти группах частот. В сети GSM c общей полосой 7,2 МГц (36 частот), модель повторного использования частот с двумя базовыми станциями позволяет на одной БС одновременно применять 18 частот. В данный момент развивается новое направление в подвижной связи, которое основывается на использовании интеллектуальных антенных систем, автоматически перестраивающих свои диаграммы направленности на источник излучения сигнала.

Следующим шагом развития сотовых систем подвижной связи после введения цифровой технологии является переход к микросотовой структуре сетей - смотри рисунок 4.4.

Рисунок 4.4 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 создаваемых микросотовых сетей подвижной связи.

Отличительным свойством является отсутствие частотного планирования и «эстафетная передача» (handover).

В данных условиях микросот трудно спрогнозировать распространение 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.

4.2 Типы и стандарты мобильной связи

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.

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 4.1 Классы подвижных станций

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

 

МS стандарта GSМ состоится 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.

4.3 Конструкция антенны системы базовой станции

Базовая станция сотовой связи - комплекс радиочастотного оборудования, с помощью которого принимаются звонки абонентов, и идет передача данных по радиоканалу. Станции работают в диапазоне частот от 450 до 2100 МГц, располагаются некотором расстоянии друг от друга, в виде правильного шестиугольника - соты. Это обеспечивает покрытие на конкретной территории. Для усиления сигнала используют оборудование для усиления сотовой связи.