Основные проблемы мобильной связи – Сети связи и системы коммутации

Принципы построения сетей сотовой связи

Учреждение образования

“ВЫСШИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОЛЛЕДЖ СВЯЗИ”

ВИТЕБСКИЙ ФИЛИАЛ

Кафедра телекоммуникационных систем

СЕТИ И СИСТЕМЫ СОТОВОЙ СВЯЗИ

Конспект темы

по дисциплине

«ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ И СЕТЕЙ

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ»

для студентов специальности

2 – 45 01 03 – Сети телекоммуникаций

Минск

ВГКС

2008

УДК 621.396.93

ББК 32.88

              С33

Рекомендовано к изданию филиалом кафедры

 телекоммуникационных систем

14 января 2008, протокол № 6

Составитель Л. А. Варнава

Рецензент

М. С. Лис, преподаватель высшей категории кафедры    телекоммуникационных систем

С33  
Сети и системы сотовой связи : конспект темы по дисциплине «Основы построения систем и сетей телекоммуникаций» для студентов специальности 2 – 45 01 03 – Сети телекоммуникаций / сост. Л. А. Варнава. – Минск : ВГКС, 2008. – 35 с.

                          ISBN 978-985-6866-15-2. 

Рассмотрены принцип построения сетей сотовой связи и состав оборудования с указанием его функционального назначения. Кратко изложены принципы множественного доступа, стандарты сотовой связи в РБ и перспективные системы мобильной связи.

Предназначено для студентов специальности 2 – 45 01 03 – Сети телекоммуникаций.

                                                                                                                                            УДК 621.396.93

ББК 32.88

ISBN 978-985-6866-15-2                            © ВГКС, 2008

ВВЕДЕНИЕ

Первые радиотелефоны использовали обычные фиксирован­ные каналы, и, если один из них был занят, абонент вручную пере­ключался на другой. С развитием техники радиотелефонные сис­темы совершенствовались, уменьшались габариты устройств, ос­ваивались новые частотные диапазоны, улучшалось коммутацион­ное оборудование, в частности, появилась функция автоматиче­ского выбора свободного канала (trunking). Но возникла проблема – ограниченность частотного ресурса при огромной потребности в предоставлении услуг.

Выход был найден: обслуживаемая территория разбивается на небольшие участки, называемые сотами (cell). Каждая из ячеек обслуживается передатчиком с ограниченным радиусом действия и числом каналов. Это без помех позволяет повторно использо­вать те же самые частоты в другой ячейке, но удаленной на значи­тельное расстояние. Теоретически их можно использовать в со­седней ячейке. Но на практике зоны обслуживания сот могут пере­крываться из-за различных факторов, например, изменения условий распространения радиоволн. В результате появляются взаимные помехи. Поэтому в соседних ячейках используются раз­личные частоты.

За более чем 20-летний период развития сформировались три поколения систем сотовой связи (ССС) :

1) первое поколение – аналоговые системы;

2) второе поколение – цифровые системы;

3) третье поколение – универсальные системы мобильной связи.

В 1981 г. началась эксплуатация аналоговой ССС первого по­коления стандарта NMT-450(Nordic Mobile Telephone) диапазона 450 МГц.

В 1983 г. в США была запущена сеть стандарта AMPS(Ad­vanced Mobile Phone Service) в диапазоне 800 МГц. Этот стандарт широко используется в США, Канаде, Центральной и Южной Аме­рике, Австралии и является среди аналоговых систем наиболее распространенным в мире.

Известны еще несколько аналоговых стандартов, появившихся в середине 80-х гг.:

– С-450, RTMS(Radio Telephone Mobile System) – для использования в диапазоне 450 МГц,

– Radiocom-2000- для использования  в диапазонах 170, 200,

400 МГц,

– NTTдля использования  в диапазоне 900 МГц. Все эти стандарты распространены в странах Европы.

Аналоговый способ передачи информации с помощью частотной модуляции (ЧМ) имеет ряд существенных недостатков:

– относительно низкая емкость из-за недостаточно рационального использования выделенной полосы частот при частотном разделении каналов,

– возможность прослушивания разговоров,

– отсутствие эффективных методов борьбы с замираниями сигналов под влиянием окружающего ландшафта и зданий.

В 1982 г. Европейская конференция администрации почты и электросвязи (СЕРТ) создала специальную группу Group Special Mobile с целью разработки единого европейского стандарта циф­ровой сотовой связи в диапазоне 900 МГц. В 1992 г. в Германии система вступила в эксплуатацию. Позже была широко распространена во всем мире и GSMстали расшифровывать как Global System for Mobile Communications.

Стандарт GSM, продолжая совершенствоваться технически, нашел применение в новом частотном диапазоне 1800 МГц. Для нее характерны более широкая рабочая полоса частот и меньшие размеры ячеек (сот), что позволяет строить сотовые сети значительно большей емкости.

Цифровые системы второго поколения осно­ваны на методе множественного доступа с временным разделени­ем каналов (Time Division Multiple Access – TDMA). Однако в июле 1993 г. в США был разработан стандарт системы сотовой связи на основе метода множественного доступа с кодовым разделением каналов (Code Division Multiple Access – CDMA). Одним из основ­ных преимуществ этого стандарта является значительное увели­чение емкости системы.

Операторами сети GSM (900 МГц) в Республике Беларусь являются

«Мобильные телесистемы» (МТС) и VELCOM. Стандарт CDMA используется оператором Бел Сел.

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ СОТОВОЙ СВЯЗИ

Основные проблемы мобильной связи - Сети связи и системы коммутации Свое название сети сотовой связи получили в соответствии с сотовым принципом организации связи, согласно которому зона обслуживания (территория города или региона) делится на некоторое число ячеек или сот (рисунок 1).

Рисунок 1- Организация сети сотовой связи

Ячейки обычно схематически изображают в виде правильных шестиугольников, которые имеют сходство с пчелиными сотами, это и послужило поводом назвать систему сотовой. Сотовая структура сети непосредственно связана с принципом повторного использования частот, согласно которому одни и те же частоты могут повторяться в ячейках, удаленных друг от друга на определенное расстояние. В центре каждой соты расположена базовая станция (БС), которая в пределах своей ячейки, обслуживает все подвижные станции. При перемещении абонента из одной ячейки в другую происходит передача его обслуживания от одной БС к другой.

Коммутация каналов базовых станций осуществляется в центре коммутации (ЦК), который подключается к телефонной сети общего пользования (ТФОП) на правах оконечной  или УПАТС.

В действительности ячейки никогда не бывают строгой геометрической формы. Реальные границы ячеек имеют вид неправильных кривых, зависящих от условий распространения и затухания радиоволн, т.е. от рельефа местности обслуживаемой территории, плотности застройки и других факторов. Кроме того, в пределах зоны уверенного приема часто имеют место области, в которых прием сигнала невозможен (теневые зоны). Соответственно положение базовой станции лишь приблизительно совпадает с центром ячейки, который сложно определить однозначно. Если на БС используются направленные антенны, то фактически оказываются на границах ячеек. В цифровых системах сотовой связи (например, GSM) используется понятие «система базовой станции» (СБС), в которую входит контроллер базовой станции (КБС) и несколько базовых  приемопередающих станций (БППС), как показано на рисунке 2.

Один контроллер может управлять несколькими БППС и выполняет следующие функции: управляет распределением радиоканалов; контролирует соединения и регулирует их очередность; обеспечивает режим работы с прыгающей частотой, модуляцию и демодуляцию сигналов, кодирование и декодирование сообщений. Три БППС, которые подключаются к одному общему КБС, могут обслуживать каждая свой 120-градусный сектор, а шесть БППС с одним КБС – шесть 60-градусных секторов.

Рисунок 2 – Система базовой станции

СТРУКТУРА ЦЕНТРА КОММУТАЦИИ

Центр коммутации является «мозговым» центром и одновременно диспетчерским пунктом системы сотовой связи. На нем замыкаются потоки информации со всех БС. Через ЦК осуществляется выход на другие сети связи – телефонную сеть общего пользования, спутниковую сеть связи или на другие сотовые сети. В состав ЦК входит несколько процессоров (контроллеров), и он является типичным примером многопроцессорной системы.

Коммутатор осуществляет переключение потоков информации между соответствующими линиями связи. В частности, он может направить поток информации от одной БС к другой или от БС к стационарной сети связи либо, наоборот – от стационарной сети связи к требуемой БС.

Рисунок 3 – Структура центра коммутации

Коммутатор подключается к линиям связи через соответствующие контроллеры связи, осуществляющие промежуточную обработку (упаковку/распаковку, буферное хранение) потоков информации. Общее управление работой центра коммутации и системы в целом производится от центрального контроллера, который имеет мощное математическое обеспечение, включающее перепрограммируемую часть (software). Работа центра коммутации предполагает активное участие операторов, поэтому в состав центра входят соответствующие терминалы, а также средства отображения и регистрации (документирования) информации. В частности, оператором вводятся данные об абонентах и условиях обслуживания, исходные данные по режимам работы системы, в необходимых случаях оператор выдает требующиеся по ходу работы команды.

Важным элементом системы является база данных, в которую входят: домашний регистр, гостевой регистр, центр аутентификации и регистр аппаратуры (последний имеется не во всех системах).

Домашний регистр (домашний регистр местоположения Home Location Register, HLR) содержит сведения обо всех абонентах, зарегистрированных в данной системе, и о видах услуг, которые могут быть им оказаны, так как при заключении договора на обслуживание для разных абонентов может быть предусмотрено оказание различного набора услуг. Здесь же фиксируется местоположение абонента для организации его вызова, и регистрируются фактически оказанные услуги.

Гостевой регистр (гостевой регистр местоположения – Visit Location Register, VLR) содержит примерно такие же сведения об абонентах-гостях, т.е. об абонентах, зарегистрированных в другой сети сотовой связи, но пользующихся в настоящее время услугами связи в данной сети того же стандарта.

Центр аутентификации (Authentication Center, AUC) обеспечивает процедуры аутентификации (проверки подлинности) абонентов и шифрования сообщений.

Регистр аппаратуры (регистр идентификации аппаратур Equipment Identity Register, EIR) содержит сведения об эксплуатируемых подвижных станциях 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 базовой станции, в центре коммутации предусматривается резервирование основных элементов аппаратуры, включая источник питания, процессоры и базы данных. Базы данных часто не входят в состав центра коммутации, а реализуются в виде отдельных элементов. Кроме того, устройство центра коммутации может быть различным в исполнении разных фирм-изготовителей. Если интерфейс между центром коммутации и базовыми станциями не соответствует общепринятому стандарту или такой общепринятый стандарт вообще отсутствует, возникает необходимость использовать базовые станции и центр коммутации одной и той же фирмы-изготовителя.

СТРУКТУРА БАЗОВОЙ СТАНЦИИ

Для организации нескольких частотных каналов на БС имеется соответствующее число приемников и передатчиков, что позволяет вести одновременную работу на нескольких каналах с различными частотами. Группа приемников и передатчиков может подключаться к общей антенне. Однако чаще всего базовая станция имеет различные антенны на прием и на передачу. Для борьбы с многолучевым замиранием в некоторых системах используется метод разнесенного приема. В этом случае БС имеет две приемные антенны (рисунок 4).

Одноименные приемники и передатчики имеют общие 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 антенну между приемной антенной и приемниками устанавливается делитель мощности на N выходов. Для работы N передатчиков с одной передающей антенной между ними устанавливается сумматор мощности на N входов.

Читайте про операторов:  Регистрация сим-карт проходит по графику :: Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации

 Блок сопряжения с линией связи обеспечивает согласование оборудования БС с линией для передачи информации от контроллера на центр коммутации и наоборот. В качестве линии связи с ЦК обычно используется радиорелейная или ИКМ-линия, они не располагаются территориально в одном месте.

Контроллер БС представляет собой мощный компьютер, который обеспечивает управление работой станции, а также контроль работоспособности всех входящих в нее блоков и узлов.

Основные проблемы мобильной связи - Сети связи и системы коммутации

Рисунок 4 – Структура базовой станции

Для обеспечения достаточной степени надежности многие блоки и узлы БС резервируются. В состав станции также включаются автономные источники бесперебойного питания (аккумуляторы). Так как аппаратура БС потребляет значительную мощность и выделяет большое количество тепла, в ней предусматривают специальные устройства охлаждения.

СТРУКТУРА ПОДВИЖНОЙ СТАНЦИИ

Подвижную станцию условно можно разделить на три основных блока (рисунок 5): 1) антенный блок; 2) блок управления 3) приемопередающий блок.

Основные проблемы мобильной связи - Сети связи и системы коммутации

                 Рисунок 5 – Структура подвижной станции

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

Антенный блок включает собственно антенну – в простейшем случае четвертьволновой штырь – и коммутатор прием – передача. Последний для цифровой станции может представлять собой электронный коммутатор, подключающий антенну либо на вход передатчика, либо на вход приемника, поскольку, как будет ясно из дальнейшего, подвижная станция цифровой системы никогда не работает на прием и передачу одновременно.

Блок управления включает микротелефонную трубку – микрофон и динамик, клавиатуру и дисплей. Клавиатура (наборное поле с цифровыми и функциональными клавишами) служит для набора номера телефона вызываемого абонента, а также команд, определяющих режим работы подвижной станции. Дисплей служит для отображения различной информации, предусматриваемой устройством и режимом работы станции.

В состав передатчика цифровой подвижной станции входят следующие элементы:

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

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

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

• модулятор – осуществляет перенос информации кодированного видеосигнала на несущую частоту.

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

• демодулятор выделяет из модулированного радиосигнала кодированный сигнал, несущий информацию;

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

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

• цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует принятый сигнал речи в аналоговую форму и подает его на вход динамика;

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

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

Для обеспечения конфиденциальности передачи информации в некоторых системах возможно использование режима шифрования; в этих случаях передатчик и приемник подвижной станции включают соответственно блоки шифрования и дешифровки сообщений. В подвижной станции системы GSM предусмотрен специальный системный модуль идентификации абонента (Subscriber Identity Module- SIM). Подвижная станция системы GSM включает также так называемый детектор речевой активности (Voice Activity Detector) , который в интересах экономного расходования энергии источника питания (уменьшения средней мощности излучения ), а также снижения уровня помех, неизбежно создаваемых для других станций при работающем передатчике, включает работу передатчика на излучение только на те интервалы времени, когда абонент говорит. На время паузы в работе передатчика в приемный тракт дополнительно вводится так называемый комфортный шум.

В необходимых случаях в подвижную станцию могут входить отдельные терминальные устройства, например факсимильный аппарат, в том числе подключаемые через специальные адаптеры с использованием соответствующих интерфейсов.

§

Методы доступа с частотным и временным разделением

Понятие множественного доступа (multiple access)связано с организацией совместного использования ограниченного спектра многими пользователями. Известны пять вариантов множественного доступа:

1) с частотным разделением каналов связи;

2) с временным разделением каналов связи;

3) с кодовым разделением каналов связи;

4) с пространственным разделением каналов связи;

5) с поляризационным разделением каналов связи.

Для сотовой связи практический интерес представляют первые три. Четвертый метод фактически используется в реализации принципа повторного использования частот, в частности, при делении ячейки на сектора с использованием направленных антенн, но обычно этот прием не преподносится как один из методов множественного доступа.

Множественный доступ с частотным разделением (Frequency Division Multiple Access – FDMA) — наиболее прост из трех методов множественного доступа, как по своей идее, так и по возможности реализации. В этом методе каждому пользователю на время сеанса связи выделяется один из свободных частотных каналов полосой частот, который он использует безраздельно. Метод FDMA используется во всех аналоговых системах сотовой связи (системах первого поколения) – при этом полоса составляет 10…30 кГц. Основное слабое место FDMA- недостаточно эффективное использование полосы частот. Эта эффективность заметно повышается при переходе к более совершенному методу разделения каналов – TDMA, что позволяет повысить емкость сети сотовой связи.

Множественный доступ с временным разделением (Time Division Multiple Access – TDMA) также достаточно прост по идее, но значительно сложнее в реализации, чем FDMA. Суть метода TDMA заключается в том, что каждый частотный канал разделяется во времени между несколькими пользователями, т.е. частотный канал по очереди предоставляется нескольким пользователям на определенные промежутки времени.

Здесь рассматривается случай не одного, а нескольких частотных каналов, каждый из которых делится во времени между несколькими пользователями. Следовательно, этот метод использует сочетание метода FDMA с TDMA. Именно такая схема находит практическое применение в цифровых системах сотовой связи и именно ее обычно называют схемой TDMA.

Практическая реализация метода TDMA требует преобразования сигналов в цифровую форму и «сжатия» информации во времени. Цифровая обработка сигналов и схема TDMA используются в стандартах сотовой связи второго поколения D-AMPS, GSM и др. Например, в стандарте D-AMPS при сохранении той же полосы частотного канала равной 30кГц, что и в аналоговом стандарте AMPS, число физических каналов в нем возрастает втрое.

Кроме того, разделение во времени может использоваться и для реализации прямых и обратных каналов дуплексной связи (временной дуплекс) в одной и той же полосе частот (Time Division Duplex – TDD). Такое техническое решение находит применение в системах беспроводных телефонов стандарта DECT. В сотовой связи обычно используется дуплексное разделение по частоте (Frequency Division Duplex – FDD), т.е. прямые и обратные каналы занимают разные полосы частот, смещенные одна относительно другой.

Метод TDMA сам по себе не реализует всех потенциальных возможностей по эффективности использования спектра, дополнительные резервы открываются при использовании иерархических структур и адаптивного распределения каналов, преимущество в этом отношении может иметь метод CDMA.

Метод доступа с кодовым разделением

Множественный доступ с кодовым разделением (Сode Division Multiple Access – CDMA) является достаточно сложным не только по принципу построения, но и с точки зрения практической реализации. При использовании этого метода большая группа пользователей одновременно использует общую относительно широкую полосу частот – не менее 1 МГц.

Особенностью метода CDMA является работа в широкой полосе частот, значительно превышающей полосу речевого сообщения. При этом для различения каналов одной базовой станции информация каждого канала модулируется специальной кодовой последовательностью, которая формируется с помощью функции Уолша. Функции Уолша широко используются в цифровой обработке сигналов и являются дискретным аналогом синусоид кратных частот.

В приемнике имеется возможность выделения информации из общей широкой полосы, которая используется одновременно всеми физическими каналами.

Система связи, реализующая метод CDMA, является системой с расширенным спектром (spread spectrum). Спектр информационного сообщения искусственно расширяется посредством модуляции (кодирования) периодической псевдослучайной последовательностью импульсов с достаточно малым дискретом.

Для получения ширины спектра более 1МГц длительность дискрета модулирующей последовательности должна быть менее 1мкс. Расширение спектра за счет модуляции псевдослучайной последовательностью в сочетании с кодовым разделением физических каналов определяют такие достоинства метода CDMA, как высокую помехоустойчивость, хорошую приспособленность к условиям многолучевого распределения, высокую емкость системы.

СИСТЕМЫ СОТОВОЙ СВЯЗИ

Построение аналоговых систем

Перед тем как рассмотреть структуру системы сотовой связи, обозначим основные требования к предоставляемым ею услугам. Главным из этих требований является то, что вновь вводимая услуга сети мобильной связи должна обладать, по крайней мере, теми же свойствами, что и аналогичная услуга сети стационарной связи (например, ТФОП), а сами сети мобильной и стационарной связи должны быть взаимосвязаны. Это означает, что услуга мобильной связи должна быть полностью автоматической, т.е. у абонента в  этом случае нет необходимости совершать какие-либо дополнительные действия для установления и тарификации соединения. При этом соединение устанавливается автоматически между любыми двумя (или более) абонентами взаимосвязанной сети.

Читайте про операторов:  У какого оператора самый лучший мобильный интернет - рейтинг 2022 года

Рисунок 6 – Структура аналоговой системы сотовой связи

Кроме того, введение системы сотовой связи не должно приводить к необходимости значительной модификации существующей стационарной сети. К настоящему времени в большинстве аналоговых систем сотовой связи реализованы необходимые технические решения для удовлетворения вышеназванных требований.

На рисунке 6 приведена структура типичной аналоговой системы сотовой связи с учетом ее включения в существующую стационарную сеть. Система состоит из четырех основных компонентов:

1) центры коммутации подвижной связи (Mobile Telephone exchanges – МТХ);

2) базовые станции БС (Base Station – BS);

3) линии связи между центрами коммутации МТХ и базовыми станциями;

абонентские станции AC (Mobile Station – MS).

МТХ управляет процессом обработки вызова, осуществляет тарификацию, эксплуатацию и другие функции управления сетью, которые обеспечивают интеграцию системы в национальную телекоммуникационную сеть. Следовательно, МТХ должна включать все функции, имеющиеся в современных цифровых коммутационных станциях, а также дополнительные функции по обслуживанию абонента в процессе передвижения на местности (эстафетная передача, роуминг и др.).

Связь между МТХ и базовыми станциями осуществляется посредством цифровых систем передачи, пропускная способность которых зависит от числа радиоканалов на каждой БС. Каждый центр коммутации МТХ либо совмещен, либо связан с транзитной станцией (коммутационным узлом) национальной сети и обслуживает определенный регион (traffic area).

Зоны (соты) обслуживания системы сотовой связи на рисунке 6 представлены шестиугольниками. В центре каждой соты располагается БС с числом радиоканалов требуемой емкости. Число сот и, следовательно, базовых станций определяется обслуживаемой территорией. В сельских, пригородных и других малонаселенных пунктах могут использоваться макросоты с радиусом действия несколько километров. В городах и густонаселенных районах, кроме макросот, могут использоваться микро- и  пикосоты.

Построение цифровых систем

С каждым годом растет количество пользователей подвижной связи, а также появляются новые услуги. Цифровые системы сотовой связи позволяют решать многие задачи, связанные с удовлетворением качества для большого разнообразия услуг. Такие системы объединены общим названием Digital Cellular Public Land bile Telecommunication Systems (DCPLMTS). К настоящему времени известны три основные системы сотовой связи, получив наибольшее применение в мире:

1) GSM, европейская система;

2)ADC (D-AMPS), североамериканская система;

3)JDC, японская система.

Многие возможности цифровых систем сотовой связи являются общими с аналоговыми системами, включая используемый диапазон частот (800…1000 МГц), повторное использование частот, план нумерации, технику роуминга и методы тарификации.

Базовая структура цифровой системы сотовой связи пред­ставлена на рисунке 7 и полностью соответствует структуре систе­мы стандарта GSM, спецификации которой приводятся в докумен­тах ETSI.

Основные проблемы мобильной связи - Сети связи и системы коммутации

         MS: Подвижная станция

                     BSS: Система базовой станции

Основные проблемы мобильной связи - Сети связи и системы коммутации Физические      MSC: Центр коммутации системы

соединения                                   мобильной связи

            HLR: Домашний регистр

Основные проблемы мобильной связи - Сети связи и системы коммутации             Логические      VLR: Гостевой регистр

            взаимосвязи     OMC: Центр эксплуатации и ТО

             EIR: Регистр аппаратуры

                    AUC: Центр аутентификации

Рисунок 7 – Структура цифровой системы сотовой связи

§

На этапе создания сетей сотовой связи второго поколения топологическое развитие сетей на принципах перехода от макросот к микро- и пикосотам, а также внедрение эффективных методов повторного использования частот служат основными направлениями увеличения их емкости. Если не учитывать перехода на полускоростные каналы связи, то рост емкости ССС второго поколения может происходить только путем перевода существующих стандартов в новые диапазоны частот. В качестве примера можно привести распространение рекомендаций стандарта GSM-900 на стандарт GSM-1800.

Дальнейшее увеличение емкости ССС без значительного расширения рабочей полосы частот возможно при создании новых протоколов связи и методов управления сетью, включающих процедуры распределения частотных и временных каналов по сети, место определения подвижных абонентов и «эстафетной передачи». Данные задачи решаются в рамках создания системы мобильной связи третьего поколения(3G), которая будет отличаться унифицированной системой радиодоступа, объединяющей существующие сотовые и беспроводные системы с информационными службами XXI века.

В сочетании с широкополосными сетями ISDN (B-ISDN) системы 3G будут иметь архитектуру единой сети, и предоставлять связь абонентам в различных условиях, включая движущийся транспорт, жилые помещения, офисы и т.д. Перспективная система 3G базируется на концепции построения сети персональной связи (Personal Communication Network -PCN), в которой любой абонент, имеющий мобильный терминал имеет возможность связываться с другим абонентом вне зависимости от их местоположения. Работы по созданию систем 3G ведутся в рамках проекта, получившего название универсальная система подвижной связи (Universal Mobile Telecommunication System – UMTS). Сеть 3G отличается высокой скоростью передачи данных, позволяющей за считанные секунды передавать и получать по мобильному телефону видеоизображения и другие данные, загружать информацию в свой телефон, смотреть по телефону телепрограммы, путешествовать по сети Интернет, читать электронную почту, осуществлять синхронизацию с офисными приложениями. Главным условием при подключении к сети 3G является наличие телефонного аппарата с поддержкой UMTS/WCDMA.

Предполагается объединение функциональных возможностей существующих систем в единую систему третьего поколения с предоставлением стандартизованных услуг подвижной связи (сотовой, беспроводной, персонального вызова и т.д.). Одна из задач проекта – создание универсального радиотерминала, обеспечивающего все виды услуг связи (речь, данные, видео и т.д.) при скорости передачи информации по радиоканалу 2 Мбит/с в условиях микросотовой и пикосотовой структур сети. В рамках создания систем связи 3-го поколения 3G исследуются принципы построения каналов связи и управления, а также рассматриваются методы доступа, модуляция и кодирование сообщений, организация управления, аутентификация абонентов, шифрование сообщений с учетом межсетевого взаимодействия.

Работы по созданию единой международной сети подвижной связи третьего поколения проводятся Международным союзом электросвязи (МСЭ). Для будущей системы 3G рекомендуется диапазон частот от 1885 – 2025 МГц и 2110 – 2200 МГц.

Новое название, предложенное для этой системы «International Mobile Telecommunications – 2000» (IMT-2000), отражает тот факт, что система должна была быть введена в эксплуатацию в начале 2000 г. и работать в диапазоне частот, близком к 2000 МГц.

Система мобильной связи 3G реализует ряд принципиально новых услуг связи, среди которых, в первую очередь, следует назвать услуги сетевой мультимедиа. В качестве наиболее важных услуг сетевой мультимедиа нужно отметить:

• предоставление аудио- и видео данных (AV) по запросу;

• интерактивные развлечения (игры, лотереи, видеоклипы и т.п.);

• информационные службы (новости, расписания самолётов и поездов, сводки погоды и т.п.);

• видеотелефония;

• услуги электронной торговли;

• образовательная информация (электронные учебники, дистанционные учебные курсы и т.п.).

В сотовой связи смена поколений выражена намного более ярко, чем в индустрии персональных компьютеров или другой подобной техники. В мобильном мире все четко: 1G (первое поколение) – это аналоговая связь (стандарт NMT). 2G – поколение цифровой связи с коммутацией каналов (стандарты GSM и CDMA). Третье поколение – 3G (стандарт UMTS) – предусматривает наряду с коммутацией каналов и пакетную передачу данных. Но разработано уже следующее поколение сотовой связи, именуемое 4G. Возможно, сети 3G так и не разовьются в полную силу – их место займет 4G.

К семейству 4G, как правило, относят технологии, которые позволяют передавать данные в сотовых сетях со скоростью выше 100 Мбит/сек. В широком понимании 4G – это еще и технологии беспроводной передачи интернет-данных Wi-Fi (скоростные варианты этого стандарта) и WiMAX (в теории скорость может превышать 1 Гбит/сек). В наиболее распространенном сейчас в мире стандарте сотовой связи GSM/EDGE (2G) предел скорости передачи данных составляет всего 240 Кбит/сек. Главное отличие сетей четвертого поколения от предыдущего, заключается в том, что технология 4G полностью основана на протоколах пакетной передачи данных, в то время как 3G соединяет в себе передачу как голосового трафика, так и пакетов данных. Международный союз телекоммуникаций определяет технологию 4G как технологию беспроводной коммуникации, которая позволяет достичь скорости передачи данных до 1 Гбит/сек в условиях движения источника или приемника и до 100 Мбит/сек в условиях обмена данными между двумя мобильными устройствами. Технология только-только стала выходить за двери испытательных лабораторий. Тем не менее, перспективы у неё просто огромные. Во-первых, это невообразимые по современным меркам скорости передачи данных, которые могут даже поспорить с оптоволоконными сетями. А во-вторых, это единый стандарт связи, который позволит обеспечивать связь между корпоративными сетями, сетями Wi-Fi, WiMAX, а следствием этого будет глобальный роуминг, что значительно удешевит разговоры (не важно какие – аудио или видео).

ЦИФРОВЫЕ СТАНДАРТЫ РБ

  Цифровые стандарты создавались в течении всех 80-х и в начале 90-х и условно относятся ко второму поколению систем сотовой связи. Их принципиальная особенность – широкое использование цифровой техники и самых новых методов обработки сигналов. В этом случае обычная речь передается в сжатом виде и в цифровой форме с помощью специальных «кодировщиков голоса» – вокодеров.

  Все стандарты этой группы обеспечивают высокую защищенность связи от помех, подслушивания и незаконного использования («подсадок»). К тому же эти стандарты предоставляют широкий ассортимент услуг как обычной телефонной связи (переадресация и ожидание вызовов, конференц-связь и др.), так и услуги по передаче данных. Приведем характеристику стандартов, используемых на сотовых сетях Республики Беларусь.

GSM

  В настоящее время GSM является самым распространенным в мире стандартом сотовой связи. Сети такого типа работают уже более чем в 160 странах.

  GSM с самого начала разрабатывался как общеевропейский стандарт. По этой причине большое внимание уделялось реализации услуги автоматического роуминга. В результате владельцы GSM-аппаратов могут совершенно свободно пользоваться своими телефонами во всех сетях, охваченных роумингом, без какого-либо переподключения.

  Еще одной приятной особенностью телефонов стандарта GSM является использование специальной SIM-карты, по своей сути – целого микрокомпьютера. В ней записаны все необходимые персональные данные пользователя, включая личную записную книжку. Благодаря чему мы можем легко менять модели телефонов, просто переставляя свою SIM-карту с одного аппарата на другой. При этом телефонный номер, счет, доступ к различным услугам и прочему остаются без изменений. Телефоны стандарта GSM выпускаются большим числом компаний по всему миру, а количество моделей исчисляется многими десятками.

  К числу недостатков стандарта можно отнести искажения натуральности  голоса, а также помехи связи при переотражениях радиосигналов, что характерно для города. Кроме этого, радиосигналы высоких частот, используемые в стандарте GSM (900 и 1800 МГц), значительно ослабляются при распространении. В результате связь становится гораздо хуже в «глухих» железобетонных строениях, подвалах и т.п. Не очень велика и максимальная дальность связи с базовыми станциями: в GSM 900 это 35 км, а в GSM 1800 – всего 10 км. Из-за этого даже в наиболее развитых странах зоны покрытия сетей GSM напоминают скорее карты дорог.

Читайте про операторов:  GPRS, EDGE, UMTS, LTE и 4G — в чем разница? - Электромотоциклы и электроскутеры Skaut

CDMA

  Еще один цифровой стандарт, CDMA, можно назвать самым высокотехнологичным из всех существующих стандартов сотовой связи. Он был разработан несколько позже своих «собратьев» второго поколения. Первая сеть CDMA начала работать только в 1995 году в Гонконге. В отличие от GSM и D-AMPS, использующих так называемое частотно-временное разделение сигналов, в CDMA реализован кодовый принцип их разделения. Это обеспечивает сетям CDMA ряд неоспоримых преимуществ.

  Как предельно упрощенно объяснить принцип CDMA? Все телефоны используют один и тот же диапазон частот, но сигналы в каждом из каналов кодируются по своему особому закону, а базовая станция сотовой сети оснащена комплектом оборудования, обеспечивающим декодирование каждого из сигналов. При этом законы кодирования таковы, что «полезный» сигнал выделяется без искажений только в «своем» канале, а аппаратурой других – воспринимается лишь как небольшой случайный шум, совершенно не мешающий приему собственных сигналов.

На данный момент технология CDMA считается наиболее перспективной для использования операторами сотовой связи. Точно так же вряд ли от нее откажутся и военные. Тем не менее, стоит отметить, что привлекательность CDMA для тех и других имеет по большей части разные корни. Чтобы понять, почему CDMA получила признание у военных, нужно вспомнить, что является главным при обеспечении связи в боевых условиях:

· высокая помехоустойчивость (Anti-Jam);

· низкая вероятность перехвата данных (Low Probability of Intercept, LPI).

Технология CDMA, имеющая в основе шумоподобный сигнал (ШПС), прекрасно подходит под эти критерии. В свою очередь, существуют критерии определения ШПС:

· полоса передаваемого сигнала значительно больше полосы полезного сигнала;

· конечная ширина полосы передаваемого сигнала определяется псевдослучайной последовательностью (ПСП), передаваемой вместе с полезным сигналом.

ПСП не коррелирует с полезным сигналом. Высокая помехоустойчивость обеспечивается значительной шириной диапазона, по которому тонким слоем “размазан” полезный сигнал. Для того чтобы лучше понять это, представьте себе, что в узкий ручей падает большой камень. Если поток и не будет остановлен полностью, то в любом случае он будет гораздо меньше, чем раньше. Теперь представьте, что тот же камень упадет в широкую реку – последствий для реки практически не будет.

Что касается низкой вероятности перехвата, то она обеспечивается, во-первых, широкой полосой передаваемого сигнала, а во-вторых – уникальной ПСП, подмешиваемой к полезному сигналу.  Чтобы понять, почему так происходит, нужно обратиться к двум хорошо известным и пока более распространенным технологиям: FDMA и TDMA. В основу этих технологий положен прямо противоположный принцип: “упаковать” в как можно более узкую полосу сигнала максимум данных. Таким образом, получается, что при одинаковой мощности передатчиков в CDMA мощность распределяется по всему используемому спектру частот, и в результате излучаемый сигнал имеет настолько малую мощность, что практически неотличим от обычного радиошума. Благодаря этому достигается тройной эффект: меньше разряжаются батареи, меньше облучаются пользователи, меньше общий уровень взаимных помех, в результате чего базовая станция может «слышать» удаленный телефон. В то же время в FDMA и TDMA вся мощность концентрируется на узком участке диапазона (канале).

Дополнительную степень защиты вносит ПСП, без знания которой невозможно восстановить исходные данные и которая уникальна для каждого передатчика. Стоит отметить, что в отличие от обычных узкополосных технологий связи, где приходится применять дополнительные средства защиты информации, в CDMA защищенность информации является неотъемлемым свойством передаваемого сигнала.

 Для операторов сотовой связи CDMA выгодна тем, что затраты на развертывание сетей по этой технологии значительно меньше, чем при развертывании FDMA и TDMA-сетей. Это обеспечивается за счет следующих основных факторов:

· высокая емкость сетей;

· широкая зона охвата одной соты;

· упрощенное частотное планирование.

Высокая емкость сети достигается за счет того, что все абоненты, занимая одну и ту же полосу частот, не мешают друг другу. Следствием высокой емкости и большой зоны охвата сети является потребность в меньшем количестве базовых станций (БС). Простота частотного планирования объясняется отсутствием необходимости назначать каждой БС свой набор частот таким образом, чтобы они не перекрывались с частотами ближайших БС: ведь все базовые станции CDMA-сети работают в одном диапазоне.

В основе технологии CDMA, как было указано выше, лежит теория ШПС. Первые упоминания о ШПС относятся к 40-м годам прошлого века. Основной задачей при создании ШПС является значительное расширение спектра передаваемого сигнала по сравнению с исходным полезным сигналом. Использование спектра частот заведомо более широкого, чем нужно для передачи полезной информации, является коренным отличием CDMA-систем от FDMA и TDMA. Важным свойством шумоподобного сигнала является то, что он, не внося существенных помех в работу узкополосных систем связи, практически не подвергается каким-либо воздействиям с их стороны. Это означает, что системы, построенные на основе CDMA, не будут испытывать проблем при совместной работе с FDMA/TDMA-сетями.

Для расширения спектра существует два наиболее популярных и часто используемых способа:

· прямое расширение спектра (Direct Spreading, DS);

·   скачкообразное изменение частоты (Frequency Hopping, FH).

Прямое расширение спектра состоит в том, что на этапе модуляции складываются полезный сигнал и ПСП. Вторая технология подразумевает передачу полезного сигнала на разных частотах, изменение которых происходит по существующим правилам. Результатом использования обоих способов является шумоподобный сигнал. Ширина спектра результирующего сигнала, полученного прямым расширением спектра, определяется ПСП. В то же время сигнал, полученный с помощью скачкообразного изменения частоты, не имеет центра, а ширина его спектра определяется произведением числа используемых частот.

Для того чтобы абонент смог выделить свой сигнал и восстановить полезную информацию в случае с прямым расширением спектра, требуется сложить ПСП с принятым сигналом. При использовании скачкообразного изменения частоты приемное устройство абонента должно в том же порядке, что и передающее устройство, перемещаться по частотам передачи.

Основное требование при использовании подобных технологий – жесткая синхронизация передатчика и приемника. Наиболее простым способом расширения спектра является скачкообразное изменение частоты. В данном случае в качестве основы могут применяться уже существующие узкополосные системы связи, имеющие в своем составе передатчики и приемники с возможностью точного управления частотами передачи и приема. Сигнал, передаваемый при помощи такой системы, может быть как цифровым, так и аналоговым. Системы, использующие прямое расширение спектра, могут быть только цифровыми. Это объясняется тем, что модуляция сигнала с помощью ПСП производится в цифровой части передатчика при помощи операции двоичного сложения полезного сигнала и ПСП.

Аналогично демодуляция сигнала производится в цифровой части приемника. В этом заключается еще одно коренное отличие CDMA-систем от систем FDMA и TDMA, где разделение сигналов производится по частоте аналоговой частью как приемника, так и передатчика. В существующих коммерческих системах связи используется прямое расширение спектра. Очень важно отметить то, что все абоненты CDMA-сети используют одну и ту же полосу частот, при этом выделение отдельных сигналов производится при помощи уникальных ПСП, присвоенных каждому абоненту системы.

И так, сети CDMA могут обслуживать значительно большее число абонентов при одинаковых с сетями других стандартов объемах частот. А как следствие – снижается возможность перегрузки сети и вероятность ее «занятости» для пользователей. Кроме этого, кодовое разделение обеспечивает лучшую защищенность связи от помех, переотражений сигналов, подслушивания и попыток незаконного использования. Еще одна особенность CDMA – радиопередатчики телефонов всегда работают на минимальных мощностях. Естественно, CDMA разрабатывался с учетом опыта эксплуатации всех предыдущих сотовых сетей, поэтому в нем предусмотрен несравненно больший набор услуг – от обычной телефонии до пакетной передачи данных. Также в CDMA реализован почти совершенный алгоритм работы вокодера, обеспечивающий передачу речи практически без искажений. Можно сказать, что широкое распространение CDMA в мире только начинается (хотя ими пользуются уже более 65 млн. человек), однако по темпам роста он кое-где превосходит GSM.

ЛИТЕРАТУРА

1. Абилов, А. В. Связи и системы коммутации : учеб. пособие /

А. В. Абилов. – М. : Радио и связь, 2004. – 288 с.

2. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей : учебник для вузов / В. В. Крухмалев [и др.]. – М. : Горячая линия – Телеком, 2004. – 510 с.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………………. 3
1 Принципы построения сетей сотовой связи………………………………… 6
2 Структура центра коммутации……………………………………………….. 8
3 Структура базовой станции ………………………………………………….. 11
4 Структура подвижной станции………………………………………………. 13
5 Методы множественного доступа……………………………………………. 17
5.1 Методы доступа с частотным и временным разделением……………… 17
5.2 Метод доступа с кодовым разделением………..………………………… 18
6 Системы сотовой связи……………………………………………………….. 20
6.1 Построение аналоговых систем…………………………………………… 20
6.2 Построение цифровых систем……………………………………………. 22
7 Перспективная система мобильной связи…………………………………… 24
8 Цифровые стандарты РБ……………………………………………………… 27
8.1 GSM………………………………………………………………………… 27
8.2 CDMA……………………………………………………………………….. 28
Литература………………………………………………………………………. 33
   
   
   

Учебное издание

СЕТИ И СИСТЕМЫ СОТОВОЙ СВЯЗИ

Конспект темы

по дисциплине

«ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ И СЕТЕЙ

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ»

для студентов специальности

2 – 45 01 03 – Сети телекоммуникаций

Составитель

Варнава Людмила Анатольевна

Редактор О. В. Сёмочкина

Компьютерная верстка А. В. Чепик

План 2007/2008 уч.г., поз. 6

Подписано в печать 25.04.08. Формат 60*84 1/16

Бумага офсетная. Гарнитура «Times».

Печать цифровая.

Усл. печ. л. 2,09. Уч.- изд. л. 1,78.  

Тираж 45 экз. Заказ 4.

Издатель

Учреждение образования

«Высший государственный колледж связи»

ЛИ № 02330/0131902 от 03.01.2007.

220224, Минск, Ф.Скорины,8/2

Отпечатано в Витебском филиале

Учреждения образования «Высший государственный колледж связи»

210604, Витебск, ул. Ильинского, 45

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector