Text
                    ЭК^ТРЕНДЗ

УДК 621.396.931 (024) ББК 32.884.1 В.И. Попов Основы сотовой связи стандарта GSM. — М.: Эко-Трендз, 2005. — 296 с.: илл. ISBN 5-88405-068-2 В систематизированном виде рассматриваются основы систем сотовой мобильной связи стандарта GSM. Содержатся сведения об истории развития GSM, общих характеристиках стандарта GSM, принципах TDMA, кодирования, модуляции, проблемах расчета электро- магнитного поля в точках приема с учетом многолучевого распространения. Рассматриваются структура и компоненты систем сотовой связи, проблемы проектирования, мониторинга и управления сетями, ряд других технических проблем. Описан набор основных услуг, рас- смотрены проблемы фрода в системах сотовой мобильной связи. Оцениваются перспективы развития систем стандарта GSM и эволюция сетей GSM к третьему поколению мобильной связи 21-го века. Приведено большое количество примеров. Книга предназначена для широкого круга читателей, интересуюшихся проблемами со- товой мобильной связи. Она будет полезна студентам вузов, специализируюшимся в облас- ти телекоммуникаций и связи, а также специалистам, занимающимся проектированием и созданием саговых систем. ББК 32.884.1 ISBN 5-88405-068-2 © В.И. Попов, 2005 Издание осуществлено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту № 05-07-95002 р и
СОДЕРЖАНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ..............................................................6 Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В СТАНДАРТ GSM.........................................9 1.1. Краткая история развития........................................9 1.2. Структура стандарта............................................11 1.3. Общие характеристики стандарта.................................13 1.4. Технические характеристики стандарта GSM 900/1800..............16 Глава 2. ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM............................................17 2.1. Общие положения................................................17 2.2. Принципы организации сотовой сети мобильной связи..............17 2.3. Полосы частот сотовой мобильной связи..........................20 2.4. Принцип повторного использования частот........................22 2.5. Оценка числа физических радиоканалов в произвольной соте.......25 2.6. Структура компонентов сети.....................................26 2.7. Структура служб................................................50 2.8. Методы множественного доступа..................................52 2.9. Структура кадров TDMA и формирование сигналов..................54 2.10. Каналы связи..................................................61 2.11. Сигнализация в сотовых мобильных сетях........................65 Глава 3. АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ.............................66 3.1. Общие положения................................................66 3.2. Антенны в системах сотовой мобильной связи.....................67 3.3. Антенны мобильных станций......................................75 3.4. Особенности антенных систем базовых станций....................79 3.5. Особенности распространения радиоволн..........................84 3.6. Параметры систем радиосвязи....................................95 3.7. Влияние лесных массивов на распространение радиоволн..........102 Глава 4. МОБИЛЬНЫЕ СТАНЦИИ...................................................121 4.1. Структурная схема мобильной станции...........................121 4.2. Особенности преобразования речевых сигналов в стандарте GSM...125 4.3. Кодирование речевых сигналов..................................127 4.4. Кодер канала..................................................132 4.5. GMSK-модуляция................................................144 4.6. Высокочастотные тракты в мобильной станции....................151 4.7. Эквалайзер в мобильной станции................................152 4.8. SIM-карта в мобильной станции. Аутентификация и идентификация.155 4.9. Управление мощностью в системах стандарта GSM.................158
4 СОДЕРЖАНИЕ Глава 5. БАЗОВЫЕ СТАНЦИИ...............................................162 5.1. Общие положения..........................................162 5.2. Структурная схема базовой станции стандарта GSM..........162 Глава 6. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СИСТЕМ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM.........................................167 6.1. Установление связи.......................................167 6.2. Аутентификация и индентификация..........................170 6.3. Передача обслуживания....................................171 6.4. Роуминг..................................................172 6.5. Управление мощностью передатчика.........................175 Глава 7. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ....................................176 7.1. Цели и задачи проектирования.............................176 7.2. Методы проектирования....................................177 7.3. Принципы радиопокрытия зон обслуживания..................177 7.4. Распределение каналов в сотовой сети.....................182 7.5. Расчет бюджета радиолиний в системах сотовой мобильной связи.183 7.6. Емкость сотовой сети мобильной связи.....................188 7.7. Рекомендации по сетевому планированию и оптимизации......193 7.8. Измерения и мониторинг в радиочастотных системах.........199 7.9. Измерение параметров в радиочастотных системах...........204 7.10. Нормы на уровни электромагнитных излучений..............214 7.11. Математическая модель электромагнитного излучения мобильными и базовыми станциями..............................218 7.12. Экспериментальные исследования уровней излучения антенн BTS.220 Глава 8. УСЛУГИ, ФРОД И БЕЗОПАСНОСТЬ В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ................................................222 8.1. Мобильный телефонный аппарат и его возможности...........222 8.2. Услуги в системах сотовой мобильной связи................224 8.3. Фрод в системах сотовой мобильной связи..................226 8.4. Проблемы безопасности в системах сотовой мобильной связи.229 Глава 9. УПРАВЛЕНИЕ СЕТЯМИ СВЯЗИ В СТАНДАРТЕ GSM.......................232 9.1. Задачи системы сетевого управления.......................232 9.2. Принципы построения системы сетевого управления..........233 9.3. Распределение функций сетевого управления................234 9.4. Стандартные интерфейсы в системе сетевого управления.....235 Глава 10. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ............................................................239 10.1. Системы мобильной связи 2-го поколения......................239 10.2. Эволюция сетей GSM к 3-му поколению систем мобильной связи..242
5 10.3. Третье поколение систем мобильной связи..................244 10.4. Особенности услуг 3-го поколения систем мобильной связи..254 10.5. Мобильная связь 21-го века...............................258 Приложение 1. СЛУЧАЙНЫЕ ПРОЦЕССЫ В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ..................................................264 П.1.1. Случайные величины и случайные процессы.............264 П.1.2. Дифференциальная и интегральная функции распределения случайных величин............................265 П.1.3. Числовые характеристики случайных величин...........267 П.1.4. Законы распределения случайных величин, используемые в математических моделях.................268 Список сокращений........................................................275 Литература...............................................................287
ПРЕДИСЛОВИЕ Системы мобильной связи, особенно системы сотовой мобильной связи, наряду с космиче- скими, телевизионными и компьютерными системами, являются одними из важнейших дос- тижений человечества в XX веке в области информационных систем и технологий. Сотовая мобильная связь, появившаяся на уровне идеи в проектах компании Bell System в конце 40-х годов и к 1978 году реализованная в виде первой опытной сети (Chicago, 2000 абонен- тов), к 2004 году лавинообразно завоевала одну из ключевых позиций в области информа- ционных технологий: на 2004 год во всем мире сотовой мобильной связью было охвачено свыше 1,5 миллиарда пользователей. Столь бурное развитие систем сотовой мобильной связи можно обьяснить следующими причинами. 1. Развитие микроэлектроники позволило создать малогабаритные, универсальные, от- носительно дешевые устройства, обеспечивающие высокое качество, надежность и защи- щенность передаваемой информации. 2. Потребности широких слоев населения в использовании широкого набора услуг: - высококачественная передача речи и компьютерных данных между абонентами, пере- мещающимися в пространстве, в том числе и с выходом на стационарные телефонные сети; - поиск подвижных абонентов и установление с ними связи в пределах города, страны и в мировом масштабе; - возможность подключения к сетям ISDN, PSTN, Интернет; - идентификация подлинности абонента; - автоматическая регистрация сеанса связи и начисление оплаты и т.п. Согласно обобщенным прогнозам на ближайшие 10-15 лет обеспеченность населения планеты средствами мобильной телефонной связи в промышленноразвитых странах может достигнуть от 50 до 80%. Это значит, что мобильный телефон станет не менее распростра- ненным, чем обычный стационарный проводной телефонный аппарат. При достаточно быстро расширяющемся рынке услуг сети сотовой мобильной связи в мире, библиографический рынок в Восточной Европе сравнительно беден. До настоящего времени практически отсутствует простая и доступная книга для широкого круга читателей, интересующихся сотовой мобильной связью, особенно по стандарту GSM, который широко применяется в Европе. В то же время в Западной Европе, США, Японии ежегодно появляются десятки книг, а также сотни статей и патентов в области систем мобильной связи. Настоящая книга, написанная на основе конспекта лекций, которые автор читает в Риж- ском техническом университете по дисциплинам «Мобильные системы связи на железнодо- рожном транспорте», «Проектирование сотовых систем связи», в какой-то степени должна решить указанную выше проблему. Автор намеренно ограничил рамки книги рассмотрением сотовой системы мобильной связи стандарта GSM по следующим причинам: - во-первых, сети стандарта GSM — это одни из самых широко используемых в Европе (Pan European Cellular System) и в мире стандартов систем сотовой мобильной связи (GSM 900/1800/1900); - во-вторых, GSM — это функционально развивающаяся система сотовой мобильной связи, при этом в перспективе основные функциональные элементы GSM войдут в
7 разрабатываемую сотовую международную систему мобильной связи 3-го поколе- ния — IMT-2000 (International Mobile Telecommunication’2000)/UMTS (Universal Mobile Telecommunication System — универсальная мобильная телекоммуникацион- ная система); - в третьих, стандарт GSM широко внедряется в Европе в системах автоматизированно- го управления и передачи информации на высокоскоростных железных дорогах, так называемый стандарт GSM-Railway. Первая глава книги посвящена краткой истории развития систем мобильной связи стандарта GSM, особенностям стандарта GSM, его общим и техническим характеристикам. Во второй главе расматриваются принципы организации сотовой сети мобильной связи, структура сети стандарта GSM, интерфейсы и протоколы, методы множественного доступа (FDMA, TDMA), каналы связи стандарта GSM. В третьей главе рассматриваются вопросы излучения электромагнитных волн, антен- ны и их параметры, антенны мобильных станций, особенности распространения радиоволн в системах сотовой мобильной связи, характеристики распространения, модели радиокана- лов в условиях многолучевого распространения радиоволн, приводятся расчеты электро- магнитного поля, излучаемого антеннами базовых приемо-передающих станций в пределах соты, уровней принимаемого радиосигнала в городских условиях, особенности распростра- нения радиоволн в лесных массивах и пр. Четвертая глава посвящена мобильным станциям стандарта GSM, методам преобразо- вания речевых сигналов в цифровые, методам кодирования/декодирования, модуляции/де- модуляции, управления мощностями передатчиков и другим техническим особенностям функционирования мобильных станций. В пятой главе достаточно сжато описаны особенности базовых станций, их антенных систем. Шестая глава посвящена проблемам установления связи, аутентификации, идентифи- кации, передаче обслуживания, роумингу и другим проблемам, связанным с функциониро- ванием сотовой сети связи стандарта GSM. В седьмой главе рассмотрены проблемы проектирования и мониторинга систем сото- вой мобильной связи. В восьмой главе рассматриваются услуги, фрод и безопасность в системах сотовой мо- бильной связи. Девятая глава посвящена управлению сетями связи в стандарте GSM (задачам систе- мы сетевого управления, принципам построения системы сетевого управления, распределе- нию функций сетевого управления в стандарте GSM, стандартным интерфейсам в системе сетевого управления). В десятой главе рассматриваются перспективы развития систем сотовой мобильной связи, включая системы 3-го поколения и 21-го века. Автор стремился найти компромисс между достаточной полнотой содержания и невоз- можностью чрезмерной детализации при сохранении доступности изложения, поэтому в представленном виде книга не может не иметь недостатков по полноте охвата, методике изложения и фактическому содержанию. Автор будет признателен за любые критические замечания, конструктивные отклики, содержащие конкретные пожелания и предложения.
8 ПРЕДИСЛОВИЕ Выражения признательности Благодарю администрацию Рижского технического университета (РТУ) за предоставление возможности проведения научных исследований и обучения студентов в области радиосвя- зи, в том числе и систем мобильной связи на транспорте. Благодарю за ценные замечания, которые сделали уважаемые рецензенты РТУ: дирек- тор Института телекоммуникаций, профессор Г. Лаукс, профессора Г. Балодис и Э. Петер- соне. Хочу выразить искреннюю признательность администрации, преподавателям, сотруд- никам и студентам Института железнодорожного транспорта РТУ (особенно преподавателю Е. Чайко, инженеру И. Сидашу, студентам М. Веверсу, А. Белинскису, В. Лавренову, Н. Могориту, А. Медникову, А. Дмитриевой, А. Костигову, Е. Головину) за помощь в под- готовке (в том числе и компьютерному набору) рукописи. Хочу поблагодарить за ценную техническую и финансовую поддержку и сотрудничест- во администрацию и сотрудников следующих организаций: Latvijas Dzelzcejs, Latvijas Mobi- lais Telefons, NOKIA, SIEMENS, ERICSSON, GSM Association (UK), Latvijas Gaisa Satiksme, Analog Devices, BELAM, NEC, SAMSUNG, DAN Communication и dp. Хочу поблагодарить свою жену Ирину за помощь, понимание и воодушевление на всех этапах написания этой книги. Благодарю Бога за то, что у меня хватило сил, энергии и стойкости, используя отпуск- ное, субботнее и воскресное время, завершить эту книгу и реализовать ее издание. Валентин Попов
Глава 1 ВВЕДЕНИЕ В СТАНДАРТ GSM 1.1. Краткая история развития В начале 1980-х годов началось бурное развитие аналоговых систем сотовой мобильной связи в Европе, особенно в странах Скандинавии, Германии, Франции и Великобритании. Каждая страна разрабатывала свою собственную систему, несовместимую с другими, как по оборудованию, так и по предоставляемым услугам. Вследствие этого оборудование систем мобильной связи каждого государства использовалось лишь внутри его национальных гра- ниц и имело весьма ограниченный рынок сбыта. Таким образом, возникла необходимость создания единого общеевропейского стандарта мобильной связи. В 1982 году Конференция европейских почтовых и телекоммуникационных ведомств — CEPT (Conference of European Posts and Telegraphs} в целях изучения и разработки общеевро- пейской системы сотовой мобильной связи общего пользования создала группу, получившую название Group Special Mobile (GSM). Разрабатываемая система мобильной связи, которая была названа Глобальная система мобильной связи (Global System for Mobile communication, сокращенно — GSM), должна была удовлетворять следующим критериям [1.1], таким как: - высокое качество передачи речевой информации; - низкая стоимость оборудования и предоставляемых услуг; - быть общеевропейской системой сотовой связи; - наиболее эффективно использовать радиочастоты и обладать спектральной эффектив- ностью; - иметь высокую, отвечающую растущим требованиям, емкость; - быть совместимой с цифровой сетью интегрированных услуг — ISDN (Integrated Ser- vices Digital Network) и с другими системами передачи данных; - поддерживать хорошую безопасность передачи информации; - поддерживать международный роуминг; - поддерживать портативное оборудование пользователя и др. Одним из ключевых факторов, необходимых для успеха GSM в конце 80-х годов, явил- ся фактор незавершенности стандартизации. В 1989 году дело создания и совершенствова- ния стандарта GSM перешло к Европейскому институту телекоммуникационных стандар- тов — ETSI (European Telecommunication Standards Institute), при этом уже в 1990 году были опубликованы спецификации первой фазы стандарта GSM (GSM 1-G1). Воспользуемся кратким списком важнейших вех развития системы GSM, предложен- ных фирмой Nokia [1.2]. 1982 CEPT инициирует любую сотовую систему мобильной связи. Европейская комиссия — ЕС (European Commission) выпустило директиву, которая требовала от членов государств ЕС зарезервировать частоты в полосе частот 900 МГц для GSM, допускающей роуминг.
10 ГЛАВА 1 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 CEPT принимает решение о составлении программы работ по GSM. СЕРТ проводит испытание 8-ми экспериментальных систем GSM в Париже. Меморандум соглашения (Memorandum of Understanding — MoU). Распределение рабочих частот: 890...915 МГц (от терминала (мобильного телефона) к базовой станции); 935...960 МГц (от базовой станции к терминалу). Создается ETSI. В ETSI вошли в качестве членов администрация, представители промышленности и группа пользователей. Разработаны и введены окончательные варианты рекомендаций и спецификации для GSM Phase 1 [1.1]. Реализована ратификация систем GSM и проведен 1-й мировой конгресс GSM в Риме с 650 участниками. Первый официальный телефонный разговор в мире в системе GSM (1 июля, 1991). К середине 1991 года стали поддерживаться коммерческие услуги GSM. В связи с улучшением компьютерной техники и успехами в технологии радиосис- тем GSM стала быстро развиваться, совершенствоваться и расширять свои услуги. Первая в мире сеть GSM организована в Финляндии. В декабре 1992 года уже были организованы 13 сетей GSM в 7 областях. Первые вне Европы. Австралийские операторы подписали договор с GSM MoU. Новый частотный диапозон выделен для GSM: GSM 1800 (DCS1800 — Digital Cellu- lar System 1800): (1710... 1785) МГц (от MS к BTS); (1805... 1880) МГц (от BTS к MS). Первая демонстрация системы GSM в Африке: Telecom-93 в Кейптауне. Установлено соглашение между несколькими операторами о роуминге. В декабре 1993 года было организовано 32 сети GSM в 18 областях в Африке. В 1993 году уже функционировало 36 сетей GSM в 22 странах и еще 25 стран вы- брали стандарт GSM или поставили вопрос о его принятии [1.3, 1.4]. Несмотря на то, что система GSM была стандартизована в Европе, она по сути не является обще- европейским стандартом [1.3]. В южной Африке открыта первая сеть GSM. Сеть GSM Phase 2 предлагала услуги по передаче данных и факсимильной связи и получила внедрение. В декабре 1994 года уже было в действии 69 сетей GSM. GSM MoU формально зарегистрировалась как ассоциация с 156 членами из 86 об- ластей в Швейцарии. Проведен GSM World Congress в Мадриде (1400 участников). Сети GSM внедрены в странах Ближнего и Дальнего Востока, Австралии, Южной Америке и в Африке. В начале 1994 года число абонентов GSM во всем мире достигло 1,3 милллиона че- ловек. В мире уже действовало 117 сетей GSM. Повсеместно внедрены факсимиль- ная связь, передача данных и SMS (Short Message Service — услуга передачи корот- ких сообщений) и роуминг. GSM Phase2 была стандартизована, включая адаптацию для GSM 1900 (PCS 1900 — Personal Communication System 1900) [для адаптации в сети стандарта США — D-AMPS]. Первая сеть GSM 1900 была выполнена в США. Telecom-95 организовал в Женеве демонстрацию 33,6 кбит/с мультимедийную пе- редачу данных в GSM (разработка фирмы Nokia). К началу 1995 года абонентов GSM насчитывалось уже более 5 миллионов. В 1995 го- ду во второй фазе GSM (GSM Phase2 — GSM 900/1800) рекомендовалось зафикси- ровать и установить дополнительные услуги (услуга «короткие сообщения» была улучшена, усовершенствован радиодоступ и введена SIM-карта). К декабрю 1996 года в мире функционировало 120 сетей GSM. В добавление к предоплате (prepaid) выпущены SIM-карты GSM типа SIM-8K.
ВВЕДЕНИЕ В СТАНДАРТ GSM 11 1998 Прошли испытания сети GSM в Сингапуре, высокоскоростные цепи переключения данных (HSCSD — Speed Circuit Switched Data). К концу 1998 года в мире насчитывалось 120 миллионов пользователей GSM 900/1800/1900, а в США — 2 миллиона пользователей GSM 1900. 1999 Первая мобильная передача данных использовала базовый пакетный радиосервис (GPRS — General Packet Radio Service) на функционирующей сети GSM. В конце 1999 года число сетей GSM превышало 344 в 127 странах, а число пользователей GSM в мире составило 250 миллионов. После 2000 г. После разработки рекомендаций GSM Phase2 стандарт GSM продолжал развиваться и совершенствоваться. Это привело к тому, что была введена так назы- ваемая система GSM Phase2 +, отличие которой от предыдущих — в основном мар- кетинговое при современной технической поддержке: более широкая полоса частот в сочетании с меньшими размерами сот, что позволяет строить сотовые сети значи- тельно большей емкости, рассчитанные на массовую систему мобильной связи с относительно компактными, легкими, удобными и относительно недорогими мо- бильными телефонами (терминалами). Система сотовой мобильной связи стандарта GSM разрабатывалась и внедрялась как открытая информационная система общего пользования. Однако, как оказалось на практике, возможности GSM не ограничивались заложенными в эту систему функциями. Уже в 1990 году под эгидой Европейской комиссии (ЕС) для высокоскоростных сетей была начата разработка единого стандарта, унифицирующего системы управления движе- нием поездов. К 1993 году, благодаря финансированию Международным союзом железно- дорожников (IUR — the International Union of Railways), был разработан стандарт ETCS (European Train Control System) — Европейская система управления движением поездов, как новый единый стандарт систем управления движением поездов на всех Европейских железных дорогах [1.5]. В основу этого стандарта был положен стандарт GSM, названный GSM-Railway (GSM-R), при этом система GSM используется при приеме, обработке и пе- редаче по радиоканалам всех видов информационных сигналов: речевых, сигналов систем автоматики и телемеханики. 1.2. Структура стандарта Стандарты в области связи необходимы для обеспечения совместимости технических реше- ний, предлагаемых различными компаниями — производителями аппаратуры, то есть для обеспечения возможности и удобства работы на общем рынке систем сотовой мобильной связи всех ее участников — изготовителей аппаратуры, сервис-провайдеров и операторов. Вопросами стандартизации в области связи и в смежных областях занимается большое число организаций — всемирных, региональных и национальных. Отметим некоторые из них, связанные со стандартом GSM: - Международный союз электросвязи ITU (International Telecommunications Union), имеющий сектор стандартизации средств электросвязи ITU-T (Telecommunications standardization), являющийся преемником Международного Консультативного Коми- тета по Телеграфии и Телефонии (МККТТ — CCITT [Consultative Committee for Inter- national Telegraphy and Telephony]).
12 ГЛАВА 1 - Международная организация стандартов ISO (International Standards Organization). - Европейский институт стандартов электросвязи ETSI (European Telecommunications Standards Institute). Каждая, из перечисленных выше организаций, как и ряд многих других, не попавших в данный перечень (другие организации будут указаны по мере изложения материала книги), имеет четкую структуру и четко сформулированный круг задач, причем работа этих органи- заций координируется с использованием механизма межрегиональных конференций по стандартам средств электросвязи. Рассмотрим деятельность ETSI, разработавшего стандарт GSM. ETSI, учрежденный странами Европейского сообщества в марте 1988 года, является межгосударственной орга- низацией. Во всех публикациях ETSI, посвященных стандарту GSM, последовательно про- водится основная мысль, что стандарт GSM не определяет, как именно строить аппа- ратуру^ но детально определяет интерфейсы и функции, выполняемые этой аппарату- рой. Тем самым, в возможно меньшей степени, ограничивается инициатива конструкторов и компаний-изготовителей аппаратуры, а операторам сотовых сетей предоставляется воз- можность покупки и использования аппаратуры различных фирм-изготовителей. В составе технической части ETSI, возглавляемой технической ассамблеей, имеется 12 технических комитетов, в том числе специальная группа по мобильным системам — TCSMG (Technical Committee Special Mobile Group), в ведении которой находится разработка стандартов сис- тем сотовой мобильной связи GSM 900 и GSM 1800 [1.5]. SMG1 Services and Facilities SMG2 Radio Aspects SMG3 Network Aspects SMG4 Data Services SMG5 Closed SMG6 Operation & Maintenance SMG7 Me Tehing SMG8 Closed SMG9 SIM Aspects SMG 10 Security SMG11 Speech SMG 12 Architecture Стандарт GSM 900 состоит из более, чем 100 книг (спецификаций) — GSM Technical Specifications, объединенных в 12 серий, от 2 до 30 книг в каждой серии. 12 серий технических спецификаций стандарта GSM (GSM Technical Specifications) включают [1.5, 1.6]: 01 General Description of a GSM PLMN 02 Services 03 Network Functions 04 MS<=>BSS Interface 05 Radio Path 06 Speech Processing Functions 07 Terminal Adaptation Functions 08 BSSoMSC Interface
ВВЕДЕНИЕ В СТАНДАРТ GSM 13 09 Network Interworking 10 Service Interworking removed 11 Type Approval Procedures 12 Operation and Maintenance. При этом: - Серия 01 рассматривает общие вопросы (терминология, классификация функций, фазы их реализаций). - Серия 02: Услуги (подробное определение всех обеспечиваемых услуг). - Серия 03: Сетевые функции (организация функционирования сети сотовой связи). - Серия 04: Интерфейс и протоколы обмена. - Серия 05: Радиопуть (физический уровень радиоканала: мультиплексирование и мно- жественный доступ, канальное кодирование, модуляция, синхронизация). - Серия 06: Кодирование речи. - Серия 07: Функции технической адаптации. - Серия 08: Интерфейс BSS <=> MSC. - Серия 09: Внутрисетевое взаимодействие. - Серия 10: Междусервисные взаимодействия при перемещении. - Серия 11: Типы одобренных процедур. - Серия 12: Управление и эксплуатация. В качестве примера рассмотрим самые большие по объему книги-спецификации: - Книга 04.08: Уровень 3 мобильного радиоинтерфейса (около 450 страниц). - Книга 09.02: Мобильные приложения (прикладные протоколы между коммутаторами и базами данных) (более 500 страниц). - Книга 11.10: Требования к мобильной станции (более 500 страниц). - Книга 11.20: Требования к базовой станции (более 400 страниц). Ядро стандарта GSM 1800 (DCS 1800) составляют спецификации стандарта GSM 900. К ним добавлено 14 дополнительных спецификаций (дельта-спецификаций), определяющих отличия GSM 1800 от GSM 900. Например: - Книга 02.06 — DCS: определение классов мощности мобильных станций. - Книга 02.11 — DSC: определение национального роуминга. - Книга 03.12 — DSC: модификация процедуры регистрации местоположения для на- ционального роуминга и т.д. В заключение данного параграфа следует отметить, что в нем дается лишь краткое зна- комство с технической спецификацией GSM (при этом часть технических спецификаций приводится на английском языке), которое позволяет, в случае необходимости, более углуб- ленное изучение стандарта GSM по книгам-спецификациям. 1.3. Общие характеристики стандарта Цифровая система сотовой мобильной связи стандарта GSM представляет собой сотовую систему второго поколения (G2). Выбор цифровой технологии в последующих поколениях сотовых систем является фундаментальным и, вероятно, необратимым решением. Одним из наиболее привлекательных аспектов цифровых методов передачи является то, что они более эффективны в условиях сильных радиопомех и обеспечивают более высокую емкость систем, по сравнению с аналоговыми методами первого поколения сотовых систем.
14 ГЛАВА 1 Преимущества цифровых методов, применяемых в сотовой системе мобильной связи стандарта GSM, сводятся к следующим. - Цифровое кодирование речи с более низкими скоростями. Низкоскоростное кодиро- вание речи, совместимое с методами цифровой модуляции, позволяет передавать не- сколько речевых каналов на одной несущей, увеличивая тем самым эффективность использования спектра. - Цифровая модуляция, позволяющая повысить эффективность использования частот- ного спектра по сравнению с аналоговыми методами. - Гибко изменяемая ширина полосы частот. - Более высокая помехоустойчивость. Цифровые системы имеют более высокие харак- теристики по сравнению с аналоговыми в условиях сильных соканальных (или внут- ренних) помех (CCI, Co-Channel Interference) и помех по соседнему каналу (ACI, Adjacent Channel Interference). Это одна из решающих причин в пользу принятия циф- ровой технологии для второго и третьего поколений сотовых систем. Цифровые сис- темы, вероятно, должны функционировать в условиях значительно более сильных со- канальных помех, что дает возможность проектировщикам уменьшать размеры сот (например, организация микро/пикосот) и расстояния между сотами, повторно ис- пользующими одни и те же частоты, и даже упрощать структуру переиспользования частот. Эти параметры и указанные геометрические изменения увеличивают общую емкость сотовых сетей мобильной связи. - Снижение потерь емкости на сигнализацию. - Повышенная эффективность управления доступом и передачей вызова. Для фиксиро- ванного распределения спектра частот большее увеличение емкости подразумевает соответствующее уменьшение размеров сот. Это значит, что нагрузка на каналы сиг- нализации возрастает, так как происходит более частая передача вызова. В каждой со- те базовая станция должна обрабатывать большее количество запросов на доступ и регистрацию от всей совокупности движущихся абонентов. Эти функции могут вы- полняться просто и быстро с помощью цифровых методов. В целом, система мобильной связи стандарта GSM рассчитана на ее использование в коммерческой сфере. Она представляет пользователям широкий спектр услуг и возмож- ности применения разнообразного оборудования для передачи речевых сообщений и дан- ных, сигналов вызова и аварийных сигналов, а также дает возможность подключения к телефонным сетям общего пользования, сетям передачи данных и цифровым сетям с ин- теграцией услуг. По сравнению с другими широко распространенными стандартами цифровых сотовых мобильных систем связи стандарт GSM обеспечивает [1.7]: - лучшие энергетические характеристики; - более высокое качество связи; - безопасность связи и ее конфиденциальность. Достаточно высокое качество принимаемых речевых сигналов в стандарте GSM обеспе- чивается при отношении сигнал/шум на входе приемника C/N = 9 дБ (для стандарта D-AMPS C/N = 1 дБ), а энергетические затраты в реальных каналах связи (при замирании радиосигналов) на 6... 10 дБ ниже по сравнению со стандартом D-AMPS (США). Стандарт GSM, кроме того, предоставляет своим пользователям ряд услуг, которые не реализованы (или реализованы не полностью) в других стандартах сотовой связи. К ним от- носятся следующие: - использование SIM-карт для обеспечения доступа к каналу и услугам связи; - шифрование передаваемых сообщений;
ВВЕДЕНИЕ В СТАНДАРТ GSM 15 - аутентификация абонента и идентификация абонентского оборудования по крипто- графическим алгоритмам; - закрытый от прослушивания радиоинтерфейс; - использование служб коротких сообщений SMS (Short Message Services), передавае- мым по каналам сигнализации; - автоматический роуминг абонентов различных сетей GSM в национальном и между- народном масштабах; - межсетевой роуминг абонентов GSM с абонентами сетей стандартов DCS 1800, PCS 1900, а также со спутниковыми сетями персональной связи (Globalstar, Inmarsat-P, Iridium). В соответствии с рекомендациями СЕРТ стандарт GSM цифровой общеевропейской со- товой системы наземной мобильной связи предусматривает работу передатчиков в двух диапазонах частот: - полоса частот 890...915 МГц — для передачи сообщений с мобильной станции на ба- зовую; - полоса частот 935...960 МГц — для передачи сообщений с базовой станции на мо- бильную. При переключении каналов во время сеанса связи разность между этими частотами постоянна и равна 45 МГц. Разнос частот между соседними каналами связи составляет 200 кГц. Таким образом, в отведенной для приема/передачи полосе частот шириной 25 МГц размещаются 124 канала связи. В стандарте GSM используется многостанционный доступ с временным разделением (уплотнением) каналов TDMA (Time Division Multiple Access), что позволяет на одной несущей частоте разместить 8 речевых каналов одновременно. В каче- стве речепреобразующего устройства (преобразование аналогового речевого сигнала в ко- дированный цифровой сигнал и обратно) используется речевой кодек (кодер/декодер) [RPE-LTP (Regular Pulse Excited-Long Term Predictor) — линейное предсказание с возбужде- нием регулярной последовательностью импульсов и долговременным предсказанием] с ре- гулярным импульсным возбуждением и скоростью преобразования 13 кбит/с или 6,5 кбит/с. Обработка речи в стандарте GSM осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи DTX (Discontinues Transmission), которая обеспечивает включение передат- чика только тогда, когда пользователь начинает разговор, и отключает его (передатчик) в паузах и в конце разговора. Система DTX управляет детектором активности речи VAD (Voice Activity Detector), который обеспечивает обнаружение и выделение интервалов речи с шумом и шума без речи даже в тех случаях, когда уровень шума соизмерим с уровнем ре- чевого сигнала. Для защиты от ошибок, возникающих в радиоканалах, применяется обыч- ное и сверточное кодирование с перемежениями. Повышение эффективности кодирования и перемежения при малой скорости перемещения мобильных станций достигается медлен- ным переключением рабочих частот в процессе сеанса связи (со скоростью 277 скачков час- тоты в секунду). Для борьбы с интерференционными замираниями принимаемых радиосигналов, вы- званными многолучевым распространением радиоволн в условиях города, в аппаратуре свя- зи используются эквалайзеры, обеспечивающие выравнивание (equalizing) импульсых сиг- налов со среднеквадратическим отклонением времени задержки сигналов до 16 мкс. Система синхронизации оборудования стандарта GSM рассчитана на компенсацию (до 233 мкс) абсолютного времени задержки сигналов. Это соответствует максимальной дальности связи (максимальному радиусу соты), составляющему 35 км. Для модуляции ра- диосигнала применяется спектрально-эффективная гауссовская частотная манипуляция с минимальним частотным сдвигом — GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). Манипуляция
16 ГЛАВА 1 называется так потому, что последовательность информационных бит до модулятора про- ходит через фильтр нижних частот с гауссовской амплитудно-частотной характеристикой, что дает значительное уменьшение ширины полосы частот излучаемого сигнала, а значит, и взаимного влияния каналов. В стандарте GSM используется модуляция с величиной нормированной полосы ВТЬ = 0,3 (где В — ширина полосы фильтра по уровню (-3 дБ), Ть — длительность передачи одного бита). Модуляцию GMSK характеризуют следующие положительные свойства: - достаточно хорошая помехоустойчивость канала связи; - узкий спектр частот на выходе усилителя мощности передатчика, обеспечивающий низкий уровень внеполосного излучения; - постоянная по уровню огибающая, позволяющая использовать в передатчиках усили- тели мощности, работающие в режиме класса А. 1.4. Технические характеристики стандарта GSM 900/1800 Рабочий диапазон частот: - Частоты передачи мобильных станций (MS) и приема базовых (BTS) станций (от мо- бильной станции к базовой — Uplink): - GSM 900 —(890...915) МГц; - GSM 1800 (DCS 1800) —(1710... 1785) МГц. - Частоты приема мобильных станций и передачи базовых станций (от базовой к мо- бильной станции — Downlink): - GSM 900 —(935...960) МГц; - GSM 1800 (DCS 1800) — (1805...1880) МГц. - Дуплексный разнос частот приема и передачи: - GSM900 — 45 МГц; - GSM 1800 —95 МГц. - Эквивалентная полоса частот на один речевой канал: - GSM 900 — 25 кГц; - GSM 1800 — 12,5 кГц. - Ширина полосы канала связи — 200 кГц. - Максимальное каличество каналов связи — 124. - Количество речевых каналов на несущую: - GSM 900 — 8; - GSM 1800 — 16. - Максимальное количество каналов, организуемых в базовой станции: - GSM900 —16...20. - Метод доступа — TDMA. - Вид речевого кодека — RPE/LTP. - Ширина полосы предмодуляционного гауссовского фильтра — 81,2 кГц. - Скорость преобразования речевого кодека — 13 (6,5) кбит/с. - Скорость передачи информации в радиоканале — 270,833 кбит/с. - Вид модуляции — GMSK. - Индекс модуляции ВТЬ — 0,3. - Количество скачков по частоте в секунду — 277 с-1. - Радиус соты — (0,5...35) км.
Глава 2 ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 2.1. Общие положения 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). Эта задача в системах телефонной связи (до появления систем мобильной связи) реша- лась путем использования в качестве каналов передачи — кабельных линий связи, а в каче- стве коммутационных систем — автоматических телефонных станций (АТС). В данных стационарных телефонных сетях абонент жестко привязан через проводную абонентскую линию к АТС. Любое перемещение абонента в пространстве на значительные расстояния приводит к тому, что он остается без связи. Разработанные и внедренные або- нентские терминалы с радиоудлиннителями обеспечивают связь лишь на расстояние до сотен метров от стационарного телефонного аппарата. Этот недостаток стационарной телефонной сети устраняется путем замены кабельной абонентской линии беспроводным радиоканалом в сетях мобильной связи. Таким образом, главной отличительной особенностью сетей сотовой мобильной связи от стационарной телефонной сети является использование радиоканалов для мобильных абонентов, перемещающихся на значительные расстояния, при сохранении двухстороннего (дуплексного) режима работы по радиоканалу как от мобильного абонента к получателю информации (либо абоненту стационарной телефонной сети, либо другому мобильному абоненту), так и от получателя информации к мобильному абоненту. Необходимо отметить, что система сотовой мобильной связи в общем случае является сложной и гибкой радиотехнической системой, допускающей большое разнообразие по ва- риантам конфигурации и набору выполняемых функций. Такая система обеспечивает пере- дачу речи и других видов информации (в частности, факсимильных сообщений и компью- терных данных), при этом может быть реализована дуплексная телефонная связь, многосто- ронная телефонная связь (называемая конференцсвязью), голосовая почта и пр. В данной мобильной системе при организации обычного двухстороннего телефонного разговора, начиная с вызова, предусмотрены возможные режимы автодозвона, ожидания вызова, переадресации вызова и т.п. 2.2. Принципы организации сотовой сети мобильной связи Первые системы наземной мобильной связи с автоматической коммутацией и маршрутиза- цией соединений были разработаны и внедрены в 60-х годах XX столетия.
18 ГЛАВА 2 На этом этапе развития сотовых сетей автоматической телефонной связи функции под- ключения мобильных абонентов к средствам стационарной телефонной сети выполняла од- на базовая станция BSS (Base Station System)» Как показано на рис. 2.1, мобильные абоненты, перемещаясь в пространстве, окру- жающем BSS (с определенным максимальным радиусом действия), осуществляют связь с BSS по радиоканалам посредством имеющихся у них мобильных радиостанций MS (Mobile Station). Рис. 2.1. Связь мобильных станций со стационарной сетью через одну BSS: СО — стационарное оборудование BSS; АТС — автоматическая телефонная станция Далее, BSS подключала мобильные абоненты к стационарной телефонной сети. Данная простейшая сеть мобильной связи, предполагающая по сути одну соту (ячейку) для взаимодействия MS о BSS, имела следующие существенные недостатки: - зависимость качества связи от расстояния между MS и BSS (для сохранения высокого качества радиосвязи необходимо было применять радиостанции с регулируемой вы- ходной мощностью передатчика в широком диапазоне уровней в зависимости от рас- стояния между MS и BSS, что было в то время достаточно сложно реализовать); - ограниченное число подключаемых мобильных станций MS из-за ограниченного чис- ла радиоканалов (ограниченное число выделенных рабочих частот/длин волн). В процессе развития сотовых сетей мобильной связи эти недостатки были устранены путем замены одной мощной BSS несколькими BTS (Base Transceiver Station), имеющими меньшие мощности передатчиков и свои индивидуальные зоны обслуживания (рис. 2.2). При этом сотовые сети мобильной связи строятся в виде совокупности сот (cells — сот, яче- ек) схематично изображаемых в виде равновеликих правильных шестиугольников, что име- ет сходство с пчелиными сотами и поэтому сеть мобильной связи была названа сотовой или ячеечной (cellular). В центре каждой i-й соты находится BTS, обслуживающая все MS в пре- делах своей соты. При реализации такой сети сразу же возникает техническая проблема — как переклю- чать движущегося абонента MS от одной соты в другую. Для решения этой проблемы в со- товой сети мобильной связи предусмотрен центр коммутации мобильных станций MSC (Mobile Services Switching Center), обеспечивающий переключение установленого разговор- ного тракта при перемещении мобильного абонента из одной соты в другую, а также под- ключение абонентов стационарной телефонной сети к конкретной BTS, в зоне действия ко- торой находится данный мобильный абонент. При создании сети, изображенной на рис. 2.2, возникла необходимость контроля за пе- ремещением (roaming — блужданием) мобильной станции MS, находящейся как в свобод- ном (с точки зрения связи) состоянии, так и в состоянии занятости. Следует отметить, что
ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 19 при использовании сети стационарная телефонная сеть освобождается от обслуживания вызовов, поступающих от одного мобильного абонента к другому. Такие соединения уста- навливаются через центр коммутации MSC. Рис. 2.2. Сотовая сеть мобильной связи В современной сотовой мобильной сети обычно функционирует несколько коммутаци- онных центров MSC, в каждый из которых включается несколько BSS. Рассмотрим особенности деления обслуживаемой мобильной связью территории на со- ты. Разделить обслуживаемую территорию на соты можно двумя основными способами: - первый, основан на измерении статистических характеристик распространения радио- сигналов в данной системе связи; - второй, основан на измерении или расчете параметров распространения радиосигнала для конкретного района. При реализации первого способа вся обслуживаемая территория разделяется на одина- ковые по форме соты (ячейки) и с помощью методов статистической радиотехники опреде- ляются их допустимые размеры и расстояния до других сот, в пределах которых выполня- ются условия допустимого взаимного влияния. Для получения оптимального (то есть без перекрытия или пропусков участков) разделе- ния территории на соты могут быть использованы только три геометрические фигуры — треугольник, квадрат и правильный шестиугольник. Наиболее подходящей фигурой являет- ся шестиугольник, так как, если антенну с круговой диаграммой направленности BTS уста- навливать в его центре, то будет обеспечен доступ почти к всем участкам соты. В действительности соты никогда не бывают строгой геометрической формы. Реально границы сот имеют вид неправильных кривых, зависящих от условий распро- странения и затухания радиоволн, то есть от рельефа местности, характера и плотности рас- тительности, застройки зданиями и многих других факторов. Более того, границы сот вообще не являются четко определенными, так как на рубеже передачи обслуживания мобильной станции от одной соты в соседнюю эти границы могут в некоторых пределах смещаться с изменением условий распространения радиоволн и в зависимости от направления движения мобильной станции. Точно так же и положение базо- вой приемо-передающей станции BTS лишь приближенно совпадает с центром соты, кото-
20 ГЛАВА 2 рый к тому же не так просто определить однозначно, если сота имеет неправильную форму. Если же на BTS используются направленные антенны, то BTS в реальных случаях могут фактически оказаться на границах сот. При использовании первого способа деления территории на соты интервал между сота- ми, в которых используются одинаковые рабочие каналы, обычно получается больше тре- буемого интервала — для поддержания взаимных помех на допустимом уровне. Более приемлем второй способ разделения территории на соты. В этом случае измеряют или рассчитывают параметры сотовой системы для определенного минимального числа ба- зовых приемо-передающих станций BTS, обеспечивающих удовлетворительное обслужива- ние абонентов по всей территории, определяют оптимальное место расположения BTS с учетом рельефа местности и других факторов, влияющих на условия распространения ра- диоволн, рассматривают возможность использования направленных антенн, пассивных ретрансляторов и смежных BTS в момент пиковой нагрузки и пр. 2.3. Полосы частот сотовой мобильной связи В соответствии с международными соглашениями на выделение рабочих частот в системах сотовой мобильной связи стандарта GSM 900/1800/1900 выделены частотные диапазоны, представленные в табл. 2.1. Таблица 2.1. Рабочие частоты и длины рабочих волн в системах сотовой мобильной связи стандарта GSM 900/1800/1900 Стандарт GSM Частота, МГц Длина волны, см MS => BTS BTS => MS MS => BTS BTS => MS GSM 900 890-915 935-960 32,8-33,7 31,2-32,1 GSM 1800 1710-1785 1805-1880 16,8-17,6 16,0-16,6 GSM 1900 1850-1910 1930-1990 15,7-16,2 15,1-15,6 Из табл. 2.1 следует: - жесткая ограниченность выделенных полос частот, вмещающих небольшое число частотных каналов, что вызывает естественное стремление к наиболее рациональному использованию выделенного частотного диапазона, к оптимизации его использования и соответственно к повышению емкости системы мобильной связи; - используемые в сотовой мобильной связи стандарта GSM полосы частот относятся к дециметровому диапазону радиоволн, которые распространяются в основном в преде- лах прямой видимости, дифракционные явления на этих частотах выражены слабо, а поглощение в гидрометеорах (дождь, снег, туман) и молекулярное поглощение прак- тически отсутствуют. Однако близость подстилающей поверхности и наличие препятствий (растительность, строения), при организации мобильной связи в условиях города, приводят к появлению от- раженных сигналов, интерферирующих между собой и с основным сигналом, распростра- няющимся по прямому пути. Это явление называют многолучевым распространением сиг- налов. Отражения от подстилающей поверхности при определенных условиях приводят к тому, что мощность принимаемого сигнала убывает пропорционально не второй степени расстояния между передатчиком BTS и приемником MS (1/г2), как при распространении в
ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 21 свободном пространстве (однолучевая модель), а обратно пропорционально четвертой сте- пени этого расстояния (то есть ~1/г4), а в общем случае — 1/А Интерференция нескольких сигналов, прошедших различными путями, вызывает своеобразное явление замираний ре- зультирующего сигнала, так называемый — фединг (fading), при котором интенсивность принимаемого сигнала изменяется в значительных пределах при перемещении мобильной станции. Кроме того, возникают искажения, являющиеся следствием наложения нескольких соизмеримых по интенсивности сигналов, смещенных во времени один от другого, которые могут приводить к ошибкам в принимаемой информации. И наконец, сложность картины многолучевого распространения радиоволн существенно затрудняет расчет интенсивности радиосигналов в функции удаления от базовой приемо-передающей станции BTS, а такой расчет необходим для корректного проектирования систем сотовой мобильной связи. 0,2 МГц 890 890,2 /, МГц 6) 25 МГц 890,2 т = 124 канала в) Рис. 2.3. Характеристика полос частот стандарта GSM: а) разнос между частотами в направлении мобильная станция => базовая станция — (MS => BTS) и в направлении базовая станция => мобильная станция — (BTS => MS); б) число физических речевых радиоканалов в дуплесном радиоканале в отведенной для приема/передачи полосе частот для GSM900 шириной в 25 МГц размещается [(25/0,2) - 1] = 124 дуплексных речевых каналов; в) число физических дуплексных ре- чевых радиоканалов Следует отметить, что в соответствии со стандартом GSM 900/1800/1900: - разнос между частотами в направлении мобильная станция => базовая станция — (MS => BTS) и в направлении базовая станция => мобильная станция — (BTS => MS) составляет (рис. 2.3, а):
22 ГЛАВА 2 для GSM 900: 935 - 890 = 960 - 915 = 45 МГц; для GSM 1800: 1805 - 1710 = 1880 - 1785 = 95 МГц; для GSM 1900: 1930 - 1850 = 1990 - 1910 = 80 МГц; - отведенная для приема/передачи полоса частот шириной: для GSM 900: 960 - 935 = 915 - 890 = 25 МГц; для GSM 1800: 1785 - 1710 = 1880 - 1805 = 75 МГц; для GSM 1900: 1910 - 1850 = 1990 - 1930 = 60 МГц; - разнос дуплексных речевых каналов на частоте 900 МГц для GSM 900 — 200 кГц (рис. 2.3.1, 6) - эквивалентная полоса частот на один физический речевой канал: для GSM 900: 25 кГц; для GSM 1800/1900: 12,5 кГц; - число физических речевых радиоканалов в дуплесном радиоканале для GSM: 200/25 = 8 каналов (рис. 2.3, 6); - число дуплексных речевых каналов — 124 (рис. 2.3, в). 2.4. Принцип повторного использования частот Как было рассмотрено выше, в сотовой сети мобильной связи каждая из сот обслуживается своим передатчиком базовой станции BTS с небольшой выходной мощностью (Р £ 50 Вт) и ограниченным числом каналов связи. Теоретически такие передатчики можно было бы ис- пользовать и в соседних сотах, если бы на практике соты не прекрывались под действием различных факторов, например, вследствие изменения условий распространения радиоволн. То есть, одни и те же частоты (каналы) могли бы повторно использоваться в различных со- тах, если бы влияние взаимных помех между мобильными абонентами было бы незначи- тельным. Однако на практике взаимное влияние мобильных станций MS абонентов, имеющих одинаковые рабочие частоты, необходимо учитывать. Поэтому была разработана концепция повторного использования частот, то есть в каждой соте, показанной на рис. 2.2, исполь- зуется определенная группа из ш-канальных радиочастот. Итак, повторное использование частот (frequency reuse) заключается в том, что в сосед- них сотах используются разные полосы частот Ft, которые повторяются через несколько сот. Для понимания сущности принципа повторного использования частот рассмотрим не- сколько примеров построения моделей сотовой сети. 1. Пусть в некоторой соте А (рис. 2.4) используется какая-то часть от полного диапазона частот, выделенного системе сотовой мобильной связи (например, для определенности одна десятая диапазона — 6д = 1/10). Тогда в соседной с ней соте В должна использоваться вто- рая десятая часть диапазона 6В = 1/10, поскольку вблизи общей границы в двух смежных со- тах нельзя использовать одни и те же частотные каналы. В соте С, имеющей общие границы с сотами А и В, придется использовать третью десятую часть диапазона (6с = 1/10). Но уже в соте D, имеющей общие границы с сотами А и С, но не имеющей общие границы с сотой В, вновь можно использовать ту же десятую часть диапазона 65 = 1/10, что и в соте В, что условно обозначено D В. Аналогично этому в сотах: Е -* A, F -> В, Я -> С, то есть полу- чаем сотовую структуру, состоящую из 3-х частотных (3-х элементных) групп, называемых кластерами (cluster), то есть группой сот с различным набором рабочих частот.
ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 23 2. На рис. 2.5 показана сотовая сеть с 3-эле- ментным кластером: Fb F2, F3. Итак, в сотовых сетях применяется принцип повторного использования частот в несмежных сотах, при этом размеры кластеров могут дости- гать величин до 19. 3. На рис. 2.6 приведена сотовая сеть с 4-эле- ментным кластером, а на рис. 2.7 — с 7-элемент- ным кластером. Очевидно, что 3-элементный кластер — это кластер минимально возможного размера, в ка- ждой из его сот можно использовать 1/3 от пол- ного диапазона рабочих частот, отведенных системе сотовой связи. При 3-элементном кла- стере соты с одинаковыми полосами частот по- вторяются очень часто, что плохо в смысле co- канальных помех (co-channel interference), то есть помех от радиостанций сотовой системы, работающих на тех же частотных радиоканалах, но в других сотах. В этом отношении более вы- годны кластеры с большим числом элементов (рис. 2.6, 2.7). В общем случае расстояние D между цен- трами сот (рис. 2.5), в которых используются одинаковые частотные группы (полосы частот), связано с числом N сот в кластере простым со- отношением: £> = 7?(ЗУ)1/2, (2.1) где R — радиус соты (радиус окружности, опи- санной вокруг правильного шестиугольника). Например, при числе сот в кластере, равном N = 3, величина D = 3R; при N = 4 - D = 3,467?; при #=7-Z> = 4,58/?; при N= 8-D = 4,9/?; при N = 12 - D = 6R; при N = 19 - D = 7,55/?. Величину отношения D/R = q часто называ- ют коэффициентом уменьшения соканальных помех или коэффициентом соканального повто- рения. Для величины 1/N = С, обратной числу сот в кластере, употребляют название: коэффициент эффективности повторного использования час- тот или просто коэффициент повторного ис- пользования частот. Введение этих величин позволяет записать выражение (2.1) в виде: D = R-(3/C)m. (2.2) Следует отметить, что увеличение числа элементов в кластере, выгодное с точки зрения Рис. 2.4. Сотовая сеть на основе принци- па повторного использования частот D Рис. 2.5. 3-элементный кластер Рис. 2.6. 4-элементный кластер
24 ГЛАВА 2 Рис. 2.7. 7-элементный кластер снижения уровня соканальных помех, приводит к пропорциональному уменьшению полосы час- тот, которая может быть использована в одной соте. Поэтому практически число элементов в кла- стере должно выбираться минимально возмож- ным, обеспечивающим допустимое отношение сигнал/помеха. Все изложенное выше в данном параграфе, однако, не более чем схема, поясняющая идею принципа повторного использования частот, но не отражающая всех сложностей процессов в ре- альных сотовых сетях. В этих схемных примерах (рис. 2.5, 2.6, 2.7) предлагалось, что на базовых станциях BTS, расположенных в центрах идеаль- ных сот, используются всенаправленные антенны [(omnidirectional antennas) или просто omni], то есть излучение радиосигналов от базовых станций должно было происходить с одинаковой мощно- стью во всех направлениях, что для абонентских MS эквивалентно приему помех от всех базовых станций со всех направлений. Потому для снижения уровня помех в современных цифровых системах сотовой мобильной связи исполь- зуют в базовых станциях BTS направленные антенны, например, секторные антенны. 4. На рис. 2.8 показана сотовая сеть с 9-элементным кластером, которая получила доста- точно широкое распространение в цифровых стандартах сотовых мобильных сетей. Рис. 2.8. 9-элементный кластер В данной 9- кластерной модели соты разбиваются на секторы. В центре соты на базовой станции BTS установлено три направленные антенны, каждая из которых охватывает сек- тор в 120°. В каждом секторе соты радиосигнал от соответствующей направленной антенны
ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 25 излучается лишь в одном направлении. При этом уровень излучений в противоположных направлениях, а значит в двух секторах дан- ной соты, максимально снижается (рис. 2.9). Это обстоятельство позволяет располагать базовые станции BTS, работающие на одина- ковых частотах, еще ближе друг к другу, чем в модели рис. 2.7. На рис. 2.8 9-элементный кластер дает величину D = 5,1967? при вели- чине С = 1/N = 0,11. 5. Специалисты корпорации Motorola (США) разработали еще более эффективную модель повторного использования частот. На рис. 2.10 показана разработанная ими со- товая сеть с 12 группами несущих частот, с применением 60Q направленных антенн (то есть на базовой станции BTS устанавливает- ся 6 направленных антенн, главный лепесток диаграмм направленности которых излучает только в пределах своего 60° сектора). Данная сотовая сеть позволяет увели- чить абонентскую емкость, то есть число абонентов, которых может обслужить сото- вая мобильная сеть, в 1,5 раза по сравнению с моделью рис. 2.8. Как отмечено в работе [2.13], в стандар- те GSM часто используются 7-элементные кластеры для создания сотовой сети мобиль- ной связи. 2.5. Оценка числа физических радиоканалов в произвольной соте Число физических каналов в произвольной соте (назовем — емкостью соты) стандарта GSM определяется видом модели повторно- го использования частот. В качестве примера рассмотрим расчет емкости соты для модели сети фирмы Motorola (рис. 2.9): так как в каждой из двух смежных сот модели используются различ- ные группы несущих частот, то емкость про- извольной сети такой сети составит: Ki = (124/2)-8 = 496 физических кана- лов (где цифра 124 — это число дуплексных Рис. 2.9. 3-секторная BTS: S1, S2, S3 — 1,2 и 3 секторы данной соты; А1, А2, АЗ — направленные антенны BTS; VD1, VD2, VD3 — диаграммы направленности антенн BTS Рис. 2.10.12-элементный кластер
26 ГЛАВА 2 радиоканалов 124 = (25 МГц/0,2 МГц) - 1), а число 8 — это число физических каналов в од- ном дуплексном радиоканале (радиостволе). Таким образом, в каждом секторе сети должно быть образовано в среднем — 496/6 - 82 физических радиоканалов. В модели рис. 2.8 различные группы несущих частот используются в трех смежных сотах, поэтому емкость соты составит: К^- (124/3)-8 = 328 физических каналов. Таким образом, в зависимости от структуры сети сотовой мобильной связи стандарта GSM будет меняться емкость соты, то есть число физических каналов, а значит в конечном счете число обслуживаемых мобильных абонентов. 2.6. Структура компонентов сети Сеть сотовой мобильной связи стандарта GSM является большой и сложной телекоммуни- кационной системой. К ее ресурсам имеют доступ различные группы пользователей: - мобильные абоненты сети; - абоненты фиксированных сетей телефонной связи (PSTN); - абоненты цифровых сетей связи; - операторы технического обслуживания сети GSM и др. При рассмотрении внутренней организации сети GSM, как телекоммуникационной сис- темы, следует выделить несколько составляющих ее подсистем (рис 2.11): - MS (Mobile Station) — мобильные станции (мобильные телефоны), используемые пользователями сети мобильной связи; - BSS (Base Station Sub-System) — подсистема базовых станций; - NSS (Network and Switching Sub-System) — сетевая и коммутационная подсистема; - NMS (Network Management Subsystem) — подсистема управления сетью. BSS NSS NMS Рис. 2.11. Подсистемы GSM и их интерфейсы
ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 27 На рис. 2.12 представлена структурная схема построения сети мобильной связи стан- дарта GSM. Рассмотрим более подробно подсистемы данной сотовой сети. Рис. 2.12. Сотовая сеть мобильной связи стандарта GSM Мобильные станции Мобильные станции MS состоят из оборудования, которое предназначено для организации доступа абонентов сети GSM к существующим сетям связи. В рамках стандарта GSM приняты 5 классов мобильных станций: от модели 1-го класса с выходной мощностью до 20 Вт (43 дБм), устанавливаемой на транспортных средствах (на- пример, автомобилях), до модели 5-го класса с максимальной выходной мощностью до 0,8 Вт (29 дБм) (табл. 2.2). Таблица 2.2. Классы максимальной выходной мощности и допустимые отклонения по мощности передатчиков мобильных станций в стандарте GSM Класс модели MS Максимальная выходная мощность Допустимое отклонение мощности, дБ Вт дБм 1 20 43 1,5 2 8 39 1,5 3 5 37 1,5 4 2 33 1,5 5 0,8 29 1,5
28 ГЛАВА 2 При передаче сообщений предусматривается адаптивная регулировка мощности пере- датчика MS, обеспечивающая требуемое качество связи. Доступ мобильных станций к ресурсам сети GSM осуществляется с помощью радиоин- терфейса (Air-interface) через подсистему BSS, а точнее через BTS (Base Transceiver Sta- tion) — базовые приемо-передающие станции, которые располагаются примерно в центрах соответствующих сот. В общем случае можно указать на четыре основных варианта конфи- гурации мобильных станций (рис. 2.13): 1) МТО (Mobile Termination) — функционально законченная мобильная станция, включающая сетевой терминал и терминальную аппаратуру (то есть мобильный телефон), которая позволяет передавать речь (speech) и компьютерные данные (data) и связана с BSS с помощью радиоинтерфейса Air-interface. 2) МТ1 (Mobile Terminal 1) — мобильный терминал, позволяющий передавать речь и данные из сети ISDN в сотовую сеть GSM, поддерживая терминальную аппаратуру ТЕ1 (ТЕ — Terminal Equipment) с интерфейсом сети ISDN. 3) МТ1 (Mobile Terminal 1) — мобильный терминал, позволяющий передавать данные из компьютерных сетей по интерфейсам CCITT серии V... или протоколам серии X... (на- пример — V.24, Х.21, Х.25), через терминальный адаптер ТА (ТА — Terminal Adapter), то есть терминальную аппаратуру ТЕ2 подключают через терминальные адаптеры ТА к мо- бильному терминалу МТ1. 4) МТ2 (Mobile Terminal 2) — мобильный терминал, позволяющий передавать данные из компьютерных сетей в сеть GSM через ТЕ2 без терминального адаптера ТА. Air-IF А 3,6; 6; 12 кбит/с 16 или 64 полноскоростные или кбит/с полускоростные каналы Рис. 2.13. Основные варианты конфигураций мобильных станций Как видно из рис. 2.13, скорость передачи цифровой информации по радиоинтерфейсу может изменяться дискретно — 3,6; 6 и 12 кбит/с, а между BSS и MSC по А-интерфейсу скорость передачи цифровой информации составляет — 16 или 64 кбит/с.
ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 29 Подсистема базовых станций BSS Подсистема базовых станций BSS включает: - BTS — базовые приемо-передающие станции, расположенные в соответствующих со- тах и позволяющие реализовать радиосвязь с мобильными станциями MS в пределах соты через радиоинтерфейс по радиоканалам, в соответствии с выбранной моделью повторного использования частот в сотах. Оборудование радиоинтерфейста (Air-Inter- face или Um-Interface) обеспечивает передачу и прием речевых сигналов и данных по радиотракту MS <=> BTS; - BSC (Base Station Controller) — контроллер базовых станций, один или более, в за- висимости от количества BTS, определяемых территорией, которую обслуживает опе- ратор GSM, и от обьемов потоков вызовов (телефонной нагрузки) каждой BTS. Кон- троллер базовой станции представляет собой достаточно мощный и совершенный компьютер, обеспечивающий управление работой BTS и контроль за работоспособно- стью всех блоков BTS. В частности, BSC управляет радиоинтерфейсами между MS и BTS, а также такой процедурой, как хэндовер (handover) (радио и фиксированные ка- налы, участвующие в вызове абонента в GSM, не привязаны к данному вызову, благо- даря этому и появляется возможность для перемещения мобильного абонента из соты в соту в процессе вызова, который и называется хэндовером); - стандарт на интерфейсное соединение BTS с BSC, точнее BSC с каждой BTS получил наименование интерфейса A-bis. Итак, BSC реализует следующие основные функции: - управление радиоресурсами одного или нескольких BTS (количество BTS определя- ется главным образом обьемами потоков вызовов (телефонной нагрузкой), например, в густонаселенной территории может располагаться большое количество BTS, под- ключаемых к нескольким BSC); - контроль предоставления радиоканала; - регулировку частоты канала; - управление вызовами (хэндоверами) перемещающихся из ячейки в ячейку мобильны- ми станциями, при этом BSC является связующим звеном между MS и MSC; - ТСЕ (Trans Coder) — транскодер, обеспечивает преобразование выходных сигналов канала передачи речи и данных MSC (64 кбит/с с ИКМ (импульсно-кодовой модуля- цией)) к виду, соответствующему рекомендациям GSM по радиоинтерфейсу (реко- мендации GSM 04.08). В соответствии с этими требованиями скорость передачи рече- вых сигналов, представленных в цифровой форме, составляет 13 кбит/с. Этот канал передачи речевых сигналов в цифровом виде называется полноскоростным. Стандартом GSM предусматривается использование полускоростного речевого канала со скоростью передачи 6,5 кбит/с. Сетевая и коммутационная подсистема NSS Сетевая и коммутационная подсистема NSS сети GSM обеспечивает функции коммутации и содержит базы данных, необходимые для управления мобильностью абонентов и обеспече- ния безопасности связи (то есть предотвращения несанкционированного использования се- ти GSM и обеспечения секретности переговоров абонентов). Основной функцией NSS явля- ется управление процессами соединений мобильных абонентов сети GSM между собой и с абонентами фиксированных сетей. Подсистема NSS состоит из MSC (Mobile Switching Center) — центра коммутации мобильной связи.
30 ГЛАВА 2 В любой сотовой сети мобильной связи центр коммутации является мозговым центром и одновременно диспетчерским пунктом системы сотовой связи, на который замыкаются потоки информации со всех базовых станций и через который осуществляется выход на другие сети связи: стационарную телефонную сеть (PSTN), сети междугородной связи, спутниковой связи и другие сети, в том числе и другие сотовые сети мобильной связи. Обычно в состав центра коммутации входит несколько процессоров (контроллеров), и он является типичным примером многопроцессорной системы. Блок-схема центра коммутации представлена на рис. 2.14. Рис. 2.14. Блок-схема центра коммутации MSC Собственно коммутатор осуществляет переключение потоков информации между соот- ветствующими линиями связи. Он может, в частности, направить поток информации от од- ной BTS к другой, или от базовой станции к стационарной (фиксированной) сети связи, или наоборот — от стационарной сети связи к нужной базовой станции. Коммутатор подключа- ется к линиям связи (обычно к волоконно-оптическим линиям) через соответствующие кон- троллеры связи, осуществляющие промежуточную обработку (упаковку/распаковку, буфер- ное хранение) потоков информации. Общее управление работой центра коммутации и сис- темы в целом производится из центрального контроллера, который имеет мощное матема- тическое обеспечение, включающее перепрограммируемую часть. Работа центра коммутации предполагает оперативное участие операторов, поэтому в состав центра коммутации входят соответствующие терминалы, а также средства отображе- ния и регистрации информации. В частности, оператором вводятся данные об абонентах и условиях их обслуживания, исходные данные по режиму работы системы, в необходимых случаях оператор выдает требующие по ходу работы команды. Важными элементами центра коммутации являются базы данных: - домашний регистр или регистр местоположения HLR (Home Location Register); - гостевой регистр или регистр перемещений VLR (Visitor Location Register); - центр аутентификации AUC (Authentication Center); - регистр аппаратуры EIR (Equipment Identity Register).
ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 31 В общем, регистр HLR содержит сведения обо всех мобильных абонентах, зарегистри- рованных в данной системе сотовой мобильной связи, о видах услуг, которые могут быть им оказаны (при заключении договора на обслуживание для разных абонентов может быть предусмотрено, вообще говоря, оказание различного набора услуг). В HLR фиксируется ме- стоположение абонента для организации его вызова и регистрируются фактически оказан- ные услуги. Регистр VLR содержит примерно такие же сведения об абонентах-гостях (роумерах — roamers), то есть об абонентах, зарегистрированных в другой сотовой мобильной системе (другого оператора мобильной связи), но пользующихся в настоящее время услугами сото- вой связи в данной системе (например, абонент, зарегистрированный в сотовой сети LMT, находясь в Германии, разговаривает по мобильному телефону с абонентом LMT в Латвии, регистр VLR GSM — сети в Германии обеспечивает все услуги данной сети, при условии существования договоров на роуминг между соответствующими операторами мобильной связи, то есть LMT — оператор в Германии). AUC обеспечивает процедуру аутентификации и шифрования сообщений. Регистр аппаратуры (точнее — регистр идентификации аппаратуры), если он использу- ется в сотовой сети, содержит сведения об эксплуатируемых мобильных станциях на пред- мет их исправности и санкционированного использования. В частности, в нем могут отме- чаться украденные мобильные аппараты, а также аппараты, имеющие технические дефекты, например, являющиеся источниками помех недопустимого уровня. Как и в базовых станциях, в центрах коммутации обычно предусматривается резервиро- вание основных элементов аппаратуры, включая источники питания, процессоры и базы данных. Переходя конкретно к MSC стандарта GSM, отметим следующее. 1) Как правило, при организации сети стандарта GSM один или два MSC используются на территории, где проживает до 1 миллиона пользователей (может быть даже возможных). 2) Оборудование одного MSC размещается в 4-6 стативах, при этом основные функ- циональные блоки MSC дублируются. 3) К основным функциям, выполняемым MSC стандарта GSM, следует отнести: - обеспечение обслуживания группы сот и всех видов соединений, в которых нуждают- ся мобильные станции в процессе своей работы; - обеспечение маршрутизации вызовов и функции управления вызовами; - интерфейс между сетью мобильной связи и стационарными сетями, такими как PSTN (Public Switched Telephone Network) — телефонная (стационарная) сеть общего поль- зования; ISDN (Integrated Services Digital Network) — цифровая сеть с интеграцией ус- луг; PDN (Packed Data Network) — сеть пакетной коммутации данных; PSPDN (Packet Switched Public Data Network) — сеть передачи данных с пакетной коммутацией; CSPDN (Circuit Switched Public Data Network) — сеть передачи данных с коммутацией каналов; - реализация коммутации радиоканалов, к которым относятся эстафетная передача, обеспечивающая непрерывность связи при перемещении мобильных станций из соты в соту и переключение рабочих радиоканалов в соте при появлении помех или неис- правностей; - осуществление постоянного слежения за мобильными станциями, используя регист- ры: HLR — регистр местоположения и VLR — регистр перемещений (блужданий) мобильных станций.
32 ГЛАВА 2 HLR — регистр местоположения мобильных абонентов. Представляет собой компь- ютерную базу данных об абонентах — пользователях мобильной связи. В HLR хранится та часть информации о местоположении какой-либо мобильной станции, которая позволяет центру коммутации MSC доставить вызов этой станции. HLR содержит следующие долго- временные и временные данные, которые сведены в таблицы рис. 2.15 и рис. 2.16. Как следует из рис. 2.15 и 2.16, регистр HLR содержит: - международный идентификационный номер мобильного абонента IMSI (International Mobile Subscriber Identity), необходимый для опознования мобильной станции в цен- тре аутентификации AUC; - номер мобильной станции в международной сети ISDN; - основные сведения обо всех абонентах мобильных станций (3, 4, 8, 9, 10, 12, 13, 17, 18,19); - список доступных мобильному абоненту дополнительных услуг связи; - специальную информацию о маршрутизации поступающих вызовов; - регистрацию данных о роуминге (roaming — блуждание) мобильных абонентов. HLR VLR I г 1 IMSI - международный идентификационный номер мобильного абонента 2 Номер подвижной станции в международной сети ISDN 3 Категория мобильной станции 4 Ключ аутентификации 5 Виды обеспечения вспомогательными службами 6 Индекс закрытой группы пользователей 7 Код блокировки закрытой группы пользователей 8 Состав основных вызовов, которые могут быть переданы 9 Оповещение вызывающего абонента 10 Идентификация номера вызываемого абонента 11 График работы 12 Оповещение вызываемого абонента 13 Контроль сигнализации при соединении абонентов 14 Свойства (средства) закрытой группы пользователей 15 Льготы закрытой группы пользователей 16 Запрещенные исходящие вызовы в закрытой группе пользователей 17 Максимальное количество абонентов 18 Используемые пароли 19 Класс приоритетного доступа HLR 20 Запрещенные входящие вызовы в закрытой группе абонентов Рис. 2.15. Состав долговременных данных, хранящихся в HLR и VLR
ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 33 Рис. 2.16. Состав временных данных, хранящихся в HLR и VLR В этом случае в HLR записываются сведения о временном идентификационном номере мобильного абонента TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) (рис. 2.16) и в регистре VLR. TMSI присваивается каждому мобильному абоненту сети GSM для исключения его выявления (обнаружения) путем перехвата передаваемого сообщения (то есть обеспечения безопасности связи). Конкретный TMSI действителен только в пределах определенной ло- кальной зоны LA (рис. 2.17). В сети мобильной связи стандарта GSM соты группируются в географические локаль- ные зоны LA (Locations Areas). Каждая LA имеет свой идентификационной номер — LAI (Location Area Identity). Каждый регистр VLR содержит данные о мобильных абонентах, находящихся в нескольких географических зонах LA. Если мобильный абонент перемещается из одной зоны LA1 в другую LA2, то данные о его местоположении автоматически обновляются в VLR, при этом текущий адрес VLR для данного абонента, содержащийся в регистре HLR, также обновляется. Если зона предыдущего местоположения абонента LA1 и зона его текущего местопре- бывания LA2 находятся под контролем разных регистров местоположения VLR, то есть LA1 — в VLR1, a LA2 — в VLR2, то данные в регистре (предыдущем регистре) VLR1 об або- ненте MS автоматически стираются, но лишь после их копирования в VLR2 зоны LA2 (при этом текущий адрес VLR (т.е. VLR2) для данного абонента, содержащийся в регистре HLR, тоже обновляется). Возвращаясь к временному индентификационному номеру абонента TMSI, как показано на рис. 2.17, TMSI 1 действителен только в пределах локальной зоны LA1 текущего местоположения абонента, когда же мобильный абонент перемещается в зону LA2, ему присваивается новый TMSI 2 (VLR2). Вся эта информация о TMSI переносится из VLR1 в VLR2 и т.д. 2 - 632
34 ГЛАВА 2 Рис. 2.17. Изменение в HLR сведений о временном идентификационном номере мобильного абонента TMSI при роуминге Завершая краткое рассмотрение возможностей регистра HLR, необходимо отметить следующее: к данным, содержащимся в каждом HLR сети GSM, имеет доступ любой центр коммутации MSC сети. Кроме этого, все регистры местоположения абонентов HLR и реги- стры VLR сети GSM также взаимодействуют между собой. Если в сети GSM используется несколько регистров HLR, то сведения, содержащиеся в этих регистрах составляют одну общую базу данных, в которой содержится только одна запись о каждом мобильном або- ненте сети GSM. Доступ к базе данных о мобильных абонентах сети GSM осуществляется в HLR по номеру IMSI или по номеру мобильного абонента в сети ISDN — MSISDN (Mobile Subscriber ISDN). Номер мобильного абонента в сети ISDN, т.е. MSISDN, состоит из следующих инфор- мационых данных: - кода страны СС (Country Code); - национального кода назначения NDC (National Destination Code); - абонентского номера в национальной сети ISDN. Структура MSISDN описана в рекомендациях CCITT Е.212. VLR — регистр перемещений мобильных станций в NSS. Как было отмечено выше, при расмотрении регистра местоположения HLR (рис. 2.15 и 2.16), с помощью регистра VLR обеспечивается слежение за мобильными абонентами в пределах какой-либо геогра-
ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 35 фической локальной зоны LA, (при этом от контроллера BSC1, определяющего зону дей- ствия LA1 и объединяющего группу базовых станций в LA1, мобильный абонент регист- рируется новым BSC2 и в VLR2 заносится информация о номере области связи, в которой находится мобильный абонент). Следует отметить, что для сохранения данных, находя- щихся в регистрах HLR и VLR, в случае сбоев предусмотрена защита устройств памяти этих регистров. Как следует из таблиц рис. 2.15 и 2.16, регистр VLR: - содержит данные от мобильных абонентов в нескольких локальных зонах LA; - обеспечивает присвоение номера блуждающей мобильной станции MSRN (Mobile Station Roaming Number). Когда мобильная станция принимает входящий вызов, VLR выбирает MSRN этой MS и передает его в центр коммутации MSC, который осуществляет маршрутизацию этого вызо- ва к базовым станциям, находящимся рядом с мобильным абонентом MS; - распределяет номера передачи управления при организации соединений от одного MSC к другому; - управляет распределением новых TMSI и передает их в HLR; - управляет процедурами установления подлинности абонента во время обработки вы- зова, при этом по решению оператора сети временной идентификатор TMSI может пе- риодически изменяться для усложнения процедуры идентификации мобильных або- нентов. Доступ к базе данных VLR может обеспечиваться через IMSI, TMSI или MSRN. В целом, регистр VLR представляет собой локальную базу данных о мобильном або- ненте для той зоны, где находится абонент, что позволяет исключить постоянные запросы в HLR и сократить время на обслуживание вызовов. AUC (Authentication Center) — центр аутентификации. Выполняет функции: - формирует ключи и алгоритмы аутентификации; - проверяет полномочия мобильных абонентов; - осуществляет их доступ к сети связи; - принимает решения о параметрах процесса аутентификации; - определяет ключи шифрования абонентских мобильных станций на основе базы дан- ных, сосредоточенной в регистре идентификации оборудования EIR. Следует отметить, что аутентификация (authentication) — это процедура подтвержде- ния подлинности абонента системы мобильной связи. Каждый абонент на время пользова- ния системой сотовой мобильной связи получает стандартный модуль подлинности абонен- та (так называемую SIM (Subscriber Identity Module)-Kapmy), который содержит: - международный идентификационный номер IMSI; - свой индивидуальный ключ аутентификации Ку, - алгоритм аутентификации (АЗ). С помощью записанной в SIM-карте информации в результате взаимного обмена дан- ными между мобильной станцией (MS = ME + SIM, где ME — Mobile Equipment) и сетью мобильной связи осуществляется полный цикл аутентификации и разрешается доступ або- нента к сети связи. EIR (Equipment Identity Register) — регистр идентификации оборудования. Содер- жит централизованную базу данных для подтверждения подлинности международного идентификационого номера оборудования мобильной станции IMEI (International Mobile Station Equipment Identity). Эта база данных относится исключительно к оборудованию мо- бильной станции. База данных EIR состоит из списков номеров IMEI, организованных сле- дующим образом: белый список —содержит номера IMEI, о которых есть сведения, что они закреплены за санкционированными мобильными станциями; черный список — содержит 2*
36 ГЛАВА 2 номера IMEI мобильных станций, которые украдены или которым отказано в обслуживании по различным причинам; серый список — содержит намера IMEI мобильных станций, у ко- торых существуют проблемы, выявленные по данным программного обеспечения, что не является основанием для их внесения в черный список. К базе данных EIR получают дис- танционный доступ MSC данной сети, а также MSC других сетей мобильной связи. Как и в случае с HLR, подсистема NSS сети может иметь более одного EIR, при этом каждый EIR управляет определенными группами IMEI. В состав MSC входит транслятор, который при получении номера IMEI, возвращает адрес EIR, управляющий соответствующей частью ба- зы данных об оборудовании. IWF (Inter Working Function) — межсетевой функциональный стык. Является одной из составных частей центра коммутации MSC. IWF обеспечивает абонентам доступ к сред- ствам преобразования протокола и скорости передачи данных так, чтобы можно было пере- давать их между терминальным оборудованием DTE (Data Terminal Equipment) — оконеч- ной аппаратуры обработки данных сотовой сети GSM и обычным терминальным оборудо- ванием стационарной сети. Межсетевой функциональный стык также «выделяет» модем из своего банка обслуживания для сопряжения с соответствующим модемом стационарной се- ти. IWF также обеспечивает интерфейсы типа прямого соединения для оборудования, по- ставляемого клиентам, например, для пакетной передачи данных (PAD — Packet Assembler Disassembler) по протоколу Х.25. GMSC (Gateway Mobile Switching Center) — транзитный (межсетевой) центр ком- мутации мобильных станций. Представляет отдельную коммутационную станцию и стро- ится на основе того же оборудования, что и центр коммутации MSC мобильной сети. При входящем соединении от абонента стационарной (фиксированной) сети (например, как по- казано на рис. 2.18 ТА PSTN), его вызов по соединительной линии направляется в транзит- ный центр GMSC. Air A-bis SS №7 SS №7 MS BTS BSC MSC GMSC PSTN HLR VLR TA A Рис. 2.18. Интерфейсы и система сигнализации SS № 7 при передаче информации между MS и ТА PSTN GMSC обеспечивает маршрутизацию входящего вызова к тому центру коммутации MSC сотовой мобильной сети, в локальной зоне LA которого находится требуемый мобильный абонент. Для соединения абонента стационарной сети ТА PSTN и MS транзитный центр GMSC по полученному из стационарной сети PSTN списочному номеру мобильной станции в сети общего пользования MSISDN через MSC определяет тот регистр HLR, в котором за- писана информация о местонахождении вызываемой MS. Транзитный центр коммутации GMSC с другими объектами подсистемы NSS (а именно, с MSC, HLR, VLR) через MSC взаимодействует посредством сети общеканальной сигнализации SS № 7 (Signaling System № 7 (CCITT №7) — системы сигнализации № 7). Если оператор сети GSM контролирует всю сигнальную сеть SS № 7, то узлы передачи сигнальной информации являются частью подсистемы NSS. Данные узлы могут представлять собой либо отдельное оборудование
ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 37 сети GSM, либо быть частью оборудования MSC. В последнем случае снижаются затраты на создание сети SS № 7 и упрощается передача сигнальной информации между компонен- тами NSS: GMSC, MSC, HLR,VLR. В заключение общего рассмотрения подсистемы NSS необходимо обратить внимание еще на одно устройство, входящее в MSC. ЕС (Echo Crusher) — эхоподавитель, используемый в центре коммутации MSC со стороны PSTN => GMSC => [ЕС] => MSC — для всех телефонных каналов (независимо от их протяженности) из-за физических задержек в трактах распространения, включая ра- диоканалы сети GSM. Типовой эхоподавитель может обеспечивать подавление в интерва- ле 68 миллисекунд на участке между выходом ЕС и ТА PSTN — телефоном стационарной телефонной сети. Общая задержка в канале GSM при распространении в прямом и обрат- ном направлениях, вызванная обработкой речевого сигнала, кодированием/декодировани- ем речи, канальным кодированием и т.д., составляет около 180 миллисекунд. Эта задерж- ка была бы незаметна мобильному абоненту, если бы в телефонный канал не был вклю- чен гибридный трансформатор с преобразователем тракта с двухпроводного на четырех- проводный режим, установка которого необходима в MSC, так как стандартное соедине- ние с PSTN является двухпроводным. При соединении двух абонентов стационарной те- лефонной сети эхо сигналы отсутствуют. Если не включен блок ЕС, задержка от распро- странения сигналов в тракте GSM будет вызывать раздражение у абонентов, прерывая речь и отвлекая внимание. Подсистема управления сетью NMS В сети GSM применяется централизованный метод управления и технического обслужива- ния сетью. NMS (Network Management Subsystem) — подсистема управления сетью, как следует из рис. 2.19, включает следующие виды оборудования. ОМС (Operation Maintenance Center) — центр эксплуатациии и технического обслужи- вания, является центральным элементом сети GSM, который обеспечивает контроль и управление другими компонентами сети GSM и контроль качества ее работы. ОМС обеспечивает обработку аварийных сигналов, предназначенных для оповещения обслуживающего персонала сети, и регистрирует сведения об аварийных ситуациях в обору- довании подсистем BSS и NSS. В зависимости от характера неисправностей оборудования ОМС позволяет обеспечить их устранение автоматически или при активном вмешательстве персонала. ОМС может обеспечить проверку состояния оборудования сети и прохождения вызова мобильной станции. ОМС позволяет производить управление нагрузкой в сети. Функция эффективного управления включает сбор статистических данных о нагрузке от компонентов сети GSM (BSS и NSS), записи их в дисковые файлы и вывод на дисплей для визуального анализа. ОМС обеспечивает управления изменениями программного обеспечения и базами дан- ных о конфигурации элементов сети. NMC (Network Maintenance Center) — центр управления сетью, позволяет обеспечить рациональное иерархическое управление сетью GSM. NMC выполняет в сети GSM следующие основные функции: 1) обеспечивает эксплуатацию и техническое обслуживание на уровне всей сети, под- держиваемой центрами ОМС, которые отвечают за управление региональными сетями;
38 ГЛАВА 2 Air (Um) A-bis BSC-IF SS №7 X.25 MS BTS BSC TCE MSC OMC NMC BSS NSS NMS a) 6) О BSC I— t OMC А X e) Рис. 2.19. Интерфейсы стандарта GSM: а) внутренние интерфейсы GSM; 6) интерфейсы в подсистеме NSS; в) интерфейс между BSC и ОМС 2) обеспечивает управление трафиком во всей сети; 3) обеспечивает диспетчерское управление сетью при сложных аварийных ситуациях, как например, выходе из строя или перегрузке узлов; 4) контролирует состояние устройств автоматического управления, задействованных в оборудовании сети, и отражает на дисплее состояние сети для операторов NMC. Это позво- ляет операторам контролировать региональные проблемы и, при необходимости, оказывать помощь ОМС, ответственному за конкретный регион. Таким образом, персонал NMC знает состояние всей сети GSM и может дать указание персоналу ОМС изменить стратегию реше- ния региональной проблемы; 5) концентрирует внимание на маршрутах сигнализации и соединения между узлами с тем, чтобы не допускать условий для возникновения перегрузки в сети; 6) контролирует маршруты соединений между сетью GSM и PSTN во избежание рас- пространений условий перегрузки между сетями. При этом персонал NMC координирует вопросы управления сетью с персоналом других NMC; 7) обеспечивает возможность управления трафиком для сетевого оборудования подсис- темы BSS. Операторы NMC в экстремальных ситуациях могут задействовать такие проце- дуры управления как «приоритетный доступ», когда только абоненты с высоким приорите- том (экстренные службы) могут получить доступ к системе сотовой связи; 8) может брать на себя ответственность в каком-либо регионе, когда местный ОМС яв- ляется необслуживаемым, при этом ОМС действует в качестве транзитного пункта между NMC и оборудованием сети; 9) обеспечивает операторов функциями, аналогичными функциям ОМС;
ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 39 10) является важным инструментом планирования сети, так как NMC контролирует сеть и ее работу на сетевом уровне, а следовательно, обеспечивает данными планировщиков сети, определяющих ее оптимальное развитие. Интерфейсы и протоколы в системах сотовой мобильной связи стандарта GSM В любом стандарте сотовой мобильной связи для информационных стыков используются различные интерфейсы и протоколы. Так, например, предусмотрены интерфейсы для связи мобильных станций с базовыми, базовых станций с контроллером, подсистемы BSS с NSS, центра коммутации NSS с домашним регистром HLR, с гостевым регистром VLR, с регист- ром аппаратуры EIR, подсистемы NSS с подсистемой NMS и т.д. Все интерфейсы и протоколы подлежат стандартизации для обеспечения совместимо- сти аппаратуры различных фирм-изготовителей, что однако не исключает возможности ис- пользования различных интерфейсов, определенных разными стандартами, для одного и то- го же информационого стыка. В некоторых случаях используются уже существующие стан- дартные интерфейсы, системы сигнализации и сетевые протоколы, соответствующие интер- фейсам и протоколам обмена в цифровых информационных сетях. При проектировании цифровых систем сотовой мобильной связи стандарта GSM рас- сматриваются три основных вида интерфейсов: - для соединения различного оборудования внутри сотовой сети GSM (рис. 2.19); - между сетью GSM и внешним оборудованием; - между сетью GSM и внешними цифровыми сетями. Внутренние интерфейсы GSM Как показано на рис. 2.19, а, б, в, внутренние интерфейсы GSM организуются следую- щим образом. 1. Интерфейс между мобильной станцией MS и базовой станцией (MS«> Air-interface <=> BTS), называемый часто Air-interface — эфирным интерфейсом или радиоинтерфейсом (иногда используется знак Um — радиоинтерфейс), занимает особое место в сети GSM и оп- ределяет обмен информацией между: MS <=> BTS. Ниже этот интерфейс будет рассмотрен более детально. Следует отметить, что радиоинтерфейс определен в сериях 04 и 05 реко- мендаций ETSI/GSM. 2. Интерфейс между BTS и BSC, так называемый A-bis interface, служит для связи BTS<=> A-bis <=> BSC и определен рекомендациями ETSI/GSM для процессов установления соединения и управления оборудованием. Передача информации осуществляется цифровы- ми потоками со скоростью 2,048 Мбит/с, при этом возможно использование физического интерфейса со скоростью цифрового потока 64 кбит/с. 3. Внутренний интерфейс контроллера базовой станции BSC обеспечивает связь между различным оборудованием BSC и оборудованием транскодирования ТСЕ. Этот интерфейс использует стандарт ИКМ — передачи цифрового потока со скоростью 2,048 Мбит/с и позволяет организовывать из четырех каналов со скоростью 16 кбит/с один канал со скоростью 64 кбит/с. 4. Интерфейс, называемый A-interface, между BSS и MSC (BSS о A-interface о MSC), обеспечивает передачу информации для управления BSS, передачу вызова и управления пе-
40 ГЛАВА 2 редвижением. A-интерфейс объединяет каналы связи и линии сигнализации, при этом по- следние используют протокол SS № 7 CCITT. Полная спецификация A-интерфейса соответствует требованиям серии 08 рекоменда- ций ETSI/GSM. 5. Как следует из рис. 2.19, внутри подсистемы NSS используются следующие интер- фейсы: 5.1. Интерфейс между MSC и HLR (MSC <=> B-interface <=> HLR), совмещенный с VLR, называемый B-interface. Когда MSC необходимо определить местоположение мобильной станции MS, MSC обращается к VLR. Если MS инициирует процедуру местоположения с MSC, MSC информирует свой VLR об этом, при этом VLR заносит всю информацию об изменении положения MS в свой ре- гистр. Эта процедура происходит всегда, когда MS перемещается из одной области место- определения в другую. В случае, если мобильный абонент запрашивает специальные допол- нительные услуги или изменяет некоторое свои данные, MSC также информирует VLR, ко- торый регистрирует изменения и при необходимости сообщает о них HLR. 5.2. Интерфейс между MSC и HLR (MSC <=> C-interface <=> HLR), называемый C-inter- face, используется для обеспечения взаимодействия между MSC и HLR. Из MSC может быть послано указание в регистр HLR в конце сеанса связи для того, чтобы абонент мог оплатить разговор. Когда сеть стационарной телефонной связи не способна исполнить процедуру установ- ления вызова мобильного абонента, MSC может запросить HLR с целью определения ме- стоположения абонента для того, чтобы послать вызов MS. 5.3. Интерфейс между регистрами HLR и VLR (HLR <=> D-interface VLR), называе- мый D-interface, используется для расширения обмена данными о положении мобильной станции MS и управления процессом связи. Основные услуги, предоставляемые мобильному абоненту, заключаются в возможности передавать или принимать сообщения независимо от местоположения абонента. Для этого HLR должен пополнить свои данные. Регистр VLR информирует HLR о положении MS, управляя MS и переприсваивая номер MS в процессе роуминга. VLR посылает все необходимие данные для обеспечения обслуживания MS. 5.4. Интерфейс между центрами коммутации MSC (MSC <=> E-interface <=> MSC) (рис. 2.19, б), называемый E-interface, обеспечивает взаимодействие между различными центрами коммутации MSC при осуществлении процедуры хэндовера, то есть «передачи» мобильного абонента из зоны LA1 в зону LA2 при его движении в процессе сеанса связи без перерыва. 6. Интерфейс между BSC и центром управления и обслуживания ОМС (BSC O-inter- face <=> ОМС), называемый O-interface, предназначен для связи контролера базовой стан- ции с ОМС. Используется в сетях с пакетной коммутацией Х.25 CCITT. 7. Интерфейс между центром ОМС и сетью GSM, так называемый управляющий интер- фейс между ОМС и элементами сети GSM, определен рекомендациями 12.01 ETSI/GSM (Operation and Maintenance) и является аналогом интерфейса Q.3, который определен в мно- гоуровневой модели открытых сетей ISO OSI. Соединения сети GSM с ОМС могут обеспечиваться системой сигнализации SS № 7 CCITT или сетевым протоколом Х.25. Сеть Х.25 может соединяться с обьединенными сетя- ми или с PSDN в открытом или замкнутом режимах. GSM-протокол управления сетью и обслуживанием также должен удовлетворять требо- ваниям Q.3 интерфейса, который определен в рекомендациях 12.01 ETSI/GSM. Завершая рассмотрение внутренних интерфейсов GSM, отметим, что в сети GSM глав- ными являются три основных интерфейса (см. рис. 2.18, 2.19):
ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 41 - Air (MS<^*Air-interface<^*BSS); - А (BSS <^>A-in terface NSS); - O&M (NMS<^O&M<^BSS) и O&M (NMS<^O&M<^NSS). Радиоинтерфейс Из всех вышерассмотренных интерфейсов, используемых в сотовой сети GSM, один занимает особое место, а именно, интерфейс обмена между мобильной MS и базовой BTS станциями, называемый Air-interface (Air-IF) — эфирный или радиоинтерфейс (иногда он обозначается Um). Достаточно сложная временная структура радиоинтерфейса стандарта GSM показана на рис. 2.20. Гиперкадр (2048 суперкадров; 2715648 кадров; 3 ч 28 мин 53,760 с) Суперкадр (51 мультикадр канала трафика; 26 мульти кадров канала управления; 1326 кадров, 6,12 с) Мульти кадр канала трафика (26 кадров, 120 мс) Мульти кадр канала управления (51 кадр, 235 мс) Кадр канала трафика (8 слотов, 4,615 мс) Кадр канала управления (8 слотов, 4,615 мс) Слот канала трафика (577 мкс) Рис. 2.20. Структура радиоинтерфейса (канала трафика и частично канала управления) сети GSM
42 ГЛАВА 2 Передача информации в канале трафика организуется следующими один за другим кад- рами или фреймами (frame), длительностью 4,615 мс. Каждый кадр состоит из восьми временных интервалов — слотов (длительность слота 577 мкс) и каждый слот соответствует своему каналу речи, то есть в каждом кадре переда- ется информация восьми речевых каналов. Если используется полноскоростное кодирование, то все последовательные кадры со- держат информацию одних и тех же восьми речевых каналов. Если же используется полу- скоростное кодирование, то четные и нечетные кадры содержат информацию разных рече- вых каналов, то есть информация одного и того же речевого канала передается через кадр, так что в общей сложности передается информация шестнадцати речевых каналов. Следует отметить, что при полноскоростном кодировании информационный кадр мо- жет быть одним из двух видов (рис. 2.20): - кадр канала трафика (8 слотов, длительностью 4,615 мс); - кадр канала управлении (8 слотов, длительностью 4,615 мс). В обоих случаях он имеет одну и ту же длительность 4,615 мс и состоит из 8 слотов. Но слоты в кадре канала трафика и канала управления имеют различную структуру и различное информационное содержание. Рассмотрим последовательно структуру радиоинтерфейса сети GSM. 1. Слот кадра канала трафика представляет собой информационный пакет (или инфор- мационную пачку (burst)), из которого: а) 3 бита (повторяющиеся дважды ТВ (Tall Bits — хвостовые биты) — 3) — необходи- мы как защитные бланки по краям пакета; б) закодированная информация располагается в ED (Encripted Data) — по 57 бит, то есть в сумме 114 бит выделено на передачу речевого сигнала, точнее его цифрового вида; в) S (Stealing flag) — скрытые флажки (по 1 биту, в сумме 2 бита) определяют тип пере- даваемой информации; г) TS (Training Sequence) — обучающая последовательность, занимающая 26 бит; д) G (Guard period) — защитный интервал, на которой отведено 8,25 бит. Таким образом, информационные пакеты длиной 148 бит образуют слот канала трафика длительностью 156,25 бит, то есть длительность одного бита равна — 577/156,25 = 3,69 мкс. 2. Кадр канала трафика, как было отмечено выше, состоит из 8 слотов, при этом дли- тельность кадра равна 8x577 мкс = 4,616 мс. 3. Мультикадр канала трафика состоит из 26 кадров канала трафика, длительность мультикадра: 26x4,616 = 120 мс, при этом в 24 кадрах передается речевая информация — кадры 1...12 и 14...25, в кадре 13* (отмеченном звездочкой) передается информация мед- ленного присоединенного канала управления (канала SACCH — Slow Associated Control CHannel), кадр 26* — остается пустым, этот кадр зарезервирован для передачи второго сег- мента информации канала SACCH при полускоростном кодировании. 4. Суперкадр канала трафика состоит из 51 мультикадров канала трафика. Длительность суперкадра равна: 51x120 мс = 6,12 с. Суперкадр включает: 1326 кадров = 51x26 канала трафика. 5. Гиперкадр (криптографический гиперкадр) состоит из 2048 суперкадров, имеет дли- тельность 12533,76 с (или 3 ч 28 мин 57,760 с), при этом число кадров трафика равно — 2715648. Номер кадра в пределах гиперкадра используется в процессе шифрования передаваемой информации.
ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 43 Рассмотрим структуру радиоинтерфейса для канала управления. 1. Структура слота для каналов управления отличается от структуры слота канала тра- фика и приведена на рис. 2.21. Пакет коррекции частоты ТВ Фиксированный кадр ТВ G 3 142 бита 3 8,25 Пакет синхронизации ТВ ED ETS ED ТВ G 3 39 64 39 3 8,25 Холостой пакет ТВ Фиксированный кадр ТВ G 3 142 бита 3 8,25 Пакет доступа ЕТ TS ED ТВ G 8 41 36 3 8,25 Рис. 2.21. Варианты структуры слота каналов управления сети GSM Как видно из рис. 2.21, структура слота каналов управления имеет четыре варианта. Пакет коррекции частоты состоит из: а) двух защитных бланков ТВ (Tall Bits — хвостовые биты) по 3 бита; б) фиксированного набора из 142 битов; в) защитного интервала из 8,25 бит. Таким образом, длина пакета коррекции составляет 156,25 бита. Пакет синхронизации состоит из: а) двух защитных бланков ТВ, длиной (3x2 = 6 бит); б) двух элементов закодированной информации ED (Encrypted Data), длиной 2x39 = = 78 бит; в) элемента расширенной обучающей последовательности ETS (Extended Training Se- quence), длиной 64 бит; г) защитного интервала G, длиной 8,25 бит. Таким образом, длина пакета синхронизации составляет 156,25 бита. Холостой пакет состоит из: а) двух защитных бланков ТВ, длиной (3x2 = 6 бит); б) битовой смеси (шум), длиной 142 бита; в) защитного интервала G, длиной (8,25 бит), то есть длина холостого пакета, как и пер- вых двух, составляет 156,25 бита. Пакет доступа состоит из: а) одного расширенного защитного бланка ЕТ (Extended Tall), длиной 8 бит; б) одной обучающей последовательности TS (Training Sequence), длиной 41 бит; в) одного элемента закодированной информации ED (Encrypted Data), длиной 36 бит; г) одного защитного бланка ТВ, длиной 3 бита; д) защитного интервала G, длиной 68,25 бита. При полноскоростном кодировании каждый слот кадра управления соответствует сво- ему кадру речи. При полускоростном кодировании слоты, соответствующие одному и тому же каналу речи, передаются через кадр.
44 ГЛАВА 2 2. Кадр канала управления состоит из 8 слотов, длина кадра составляет 4,615 бит. 3. Мультикадр канала управления состоит из 51 кадра, время передачи мультикадра со- ставляет 5Г4,615 = 235 мс. 4. Суперкадр канала управления состоит из 26 мультикадров канала управления, то есть из 26-51 = 1326 кадров, длительностью 1236-4,615 = 6,12 с. 5. Гиперкадр состоит из 2048 суперкадров, то есть из 2715648 кадров канала управле- ния, длительность этого гиперкадра составляет 12533,76 с или 3 ч 28 мин 57,760 с. Таким образом, радиоинтерфейс создан для организации передачи по радиоканалам ре- чевой и управляющей информации от мобильных станций к BTS и получения этих видов информации от BTS к мобильным станциям. MSC ОМС ОМС1 Рис. 2.22. Интерфейсы между сетью GSM и внешним оборудованием: а) интерфейс между MSC и SC; б) интерфейс между ОМС1 и ОМС2; в) интерфейс между ОМС и NMC Интерфейсы между сетью GSM и внешним оборудованием Интерфейсы между сетью GSM и внешним обору- дованием можно свести к следующим (рис. 2.22): а) Интерфейс между центром коммутации MSC и сервис-центром SC (Service Center) (рис. 2.22, а) необ- ходим для реализации службы коротких сообщений. Этот интерфейс определен в рекомендациях 03.40 ETSI/GSM (IF/03/40). б) Интерфейс к другим центрам эксплуатации и технического обслуживания сети ОМС и к центру управления сетью NMC. Каждый центр управления и обслуживания сети GSM должен соединяться с други- ми ОМС, управляющими сетями GSM в других регио- нах или другими сетями. Эти соединения обеспечива- ются Х-интерфейсами (протоколами) (рис. 2.22, б) в соответствии с рекомендациями CCITT М.30. в) С помощью Х-интерфейсов (протоколов) обес- печивается соединение между ОМС и NMS (рис. 2.22, в). (^З-интерфейс обеспечивает взаимодействие ОМС с сетями выших уровней. Интерфейсы между сетью GSM и внешними сетями Исходя из перечня основных внешних цифровых сетей: PSTN — коммутируемой теле- фонной сети общего пользования (ТфОП); ISDN — цифровой сети с интеграцией услуг; сети мобильной связи NMT-450 (NMT — Nordic Mobile Telephone — стандарт сотовой свя- зи мобильного телефона северных стран); международных сетей GSM; Интернет; цифровой сети общего пользования, целесообразно рассмотреть интерфейсы, обеспечивающие стыки между сетью GSM и указанными внешними аналоговыми и цифровыми сетями. 1. Интерфейс «GSM — PSTN»: соединение с ТфОП сети GSM осуществляется между центром коммутации MSC по линии связи, передающей цифровые сигналы со скоростью 2,048 Мбит/с в соответствии с системой сигнализации SS № 7 (рис. 2.23). Электрические характеристики 2,048 Мбит/с интерфейса соответствуют рекомендациям CCITT G.732.
ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 45 Рис. 2.23. Интерфейсы между сетью GSM и внешними сетями 2. Интерфейс «Сеть GSM — сеть ISDN» (рис. 2.23): для соединения сети GSM с сетями ISDN предосмотрено четыре линии связи, передающих цифровые сигналы со скоростью 2,048 Мбит/с от MSC, поддерживаемые системой сигнализации SS № 7 и отвечающие реко- мендациям Blue Book (Голубой книги) CCITT: Q.701-Q.710, Q.711-Q714, Q.718, Q.781, Q.782, Q.791, Q.795, Q.761-Q.764, Q.766. 3. Интерфейс «Сеть GSM — сеть NMT-450» (рис. 2.23): сеть GSM соединяется с сетью NMT-450 (аналоговой сетью мобильной связи) путем соединения центра коммутации MSC с сетью NMT-450 через четыре стандартные линии связи, передающие цифровые сигналы со скоростью 2,048 Мбит/с и поддерживаемые системой сигнализации SS № 7. При этом должны обеспечиваться требования рекомендаций CCITT по подсистеме пользователей телефонной сетью TUP (Telephone User Part) и подсистеме передачи сообщений МТР (Message Transfer Part) Yellow Book (желтой книги). Электрические характеристики линии 2,048 Мбит/с соответствуют рекомендациям CCITT G.732. 4. Интерфейс «Сеть GSM — международные сети GSM»: соединения между сетями GSM на международном уровне — общеевропейские сети GSM, например, осуществляются на основе протоколов подсистемы сигнализации SCCP (Signaling Connection Control Part — подсистема управления соединением сигнализации) и межсетевой коммутации мобильной связи GMSC (Gateway Mobile Services Switching Center) (рис. 2.24). E Рис. 2.24. Интерфейсы между сетью GSM и международными сетями GSM 5. Интерфейс «Сеть GSM — цифровые сети общего пользования»: соединение сети GSM с цифровыми сетями общего пользования реализуется между центром коммутации MSC и серверами (хостами) компьютерных сетей (рис. 2.25) с помощью протокола Х.25. 6. Интерфейсы «Сеть GSM — Интернет»: спецификация службы передачи данных с ком- мутацией пакетов для сотовых сетей стандарта GSM, названная GPRS (General Packed Radio Service— обобщенные услуги пакетной радиосвязи), была разработана в 1996-1997 гг., когда протокол IP и всемирная сеть WWW еще не были широко распространены. В то время предполагалось, что GPRS будет работать совместно с протоколом Х.25 (рис. 2.26).
46 ГЛАВА 2 Х.25 Рис. 2.25. Интерфейс между сетью GSM и цифровыми сетями общего пользования Х.25 TCP-IP Рис. 2.26. Интерфейс «Сеть GSM — сеть Интернет» В настоящее время GPRS рассматривается, в первую очередь, как средство поддержки протокола мобильной связи для сетей, подключенных к Интернет. Технология пакетной коммутации, предусмотренная в GPRS, хорошо подходит для об- служивания стека протоколов TCP/IP, хотя ранее она была разработана для протокола Х.25. Функции обработки пакетного трафика протокола IP возложены службой GPRS на узел SGSN (Serving GPRS Support Node — узел поддержки обслуживания GPRS). Этот узел вхо- дит в состав подсистем MSC, то есть центра коммутации. Фактически узел SGSN — это маршрутизатор с буфером промежуточного хранения. Буферизация пакетов необходима из- за частых перемещений мобильных абонентов от одной соты к другой. Узел SGSN может быть подключен к корпоративной интрасети, а также к одной из магистральных опорных сетей Интернет (рис. 2.26). Протоколы в сотовой сети мобильной связи стандарта GSM Для группирования функций в системах электрической связи используют модель взаи- модействия открытых систем — OSI (Open System Interconnection). Нижний первый уровень (табл. 2.3) модели — физический. Он опирается на физические средства соединения между пользователями. В сотовой сети стандарта GSM в качестве физического уровня выступает: - радиоэфир (радиотракт) — между MS и BTS; - волоконно-оптический тракт — между BTS и MSC. Каждый из последующих шести уровней обеспечивает ряд услуг для уровня, располо- женного под ним. Таким образом, перечень услуг на каждом последующем уровне расширяется. Верхний седьмой уровень модели OSI — прикладной. Он предоставляет пользователям весь пере- чень услуг, обеспечиваемых всеми семью уровнями. В цифровых сетях передачи данных, к которым относится и сеть GSM, для передачи информации создается сетевая платформа, образуемая физическими средствами соединения, атрибутами физического (1-го), канально- го (2-го) и сетевого (3-го) уровней (табл. 2.3).
ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 47 Таблица 2.3. Модель взаимодействия открытых систем Уровень Абонентская система А Абонентская система В Прикладные процессы Прикладные процессы 7 Прикладной Прикладной 6 Представительский Представительский 5 Сеансовый Сеансовый 4 Транспортный Транспортный 3 Сетевой уровень 2 Канальный уровень 1 Физический уровень Физическая среда соединения Коммутационные узлы сети (MSC) входят в состав сетевой платформы и в табл. 2.3 не показаны. Над сетевой платформой располагаются функциональные уровни абонентских систем сети с 4-го по 7-й. Трехуровневая структура радиоинтерфейса в сети GSM в соответствии с моделью OSI показана в табл. 2.4. Таблица 2.4. Трехуровневая структура радиоинтерфейса в сети GSM Сетевой уровень Управление вызовом (СМ) Мобильное управление (ММ) Управление радиоресурсами (RR) Канальный уровень Протокол доступа к каналу (мобильная версия —LAPDm) Физический уровень Выбор скорости передачи бит Модуляция Мультиплексирование Канальное кодирование Построение кадра Организация физических и логических каналов Шифрование Перемежение Контроль за уровнем напряжения сигналов Радиотракт Как следует из табл. 2.4, три уровня на радиоинтерфейсе — физический, канальный, сетевой включают в себя ряд подуровней. Физический уровень отвечает за все физические атрибуты радиоинтерфейса: контроль за уровнем напряжения сигналов; перемежение (чередование блоков данных); цифрование; организация физических и логических каналов; канальное кодирование с использованием протокола, упреждающего исправления ошибок FEC (Forward Error Correction}', мультип- лексирование данных; модуляция; синхронизация; организация дуплексной передачи дан- ных; выбор скорости передачи цифровой информации.
48 ГЛАВА 2 Напомним понятие интерфейса и протокола на примере сети GSM и выясним возможна ли ситуация, когда через один интерфейс могут поддерживаться разные протоколы обмена информацией. Внутри каждого уровня модели OSI компоненты сети GSM: MS, BTS, BSC, MSC, HLR, VLR, GMSC и другие, взаимодействуют между собой посредством обмена сигнальной ин- формацией для того, чтобы обеспечить пользователям сети качественное обслуживание. Набор правил взаимодействия, по которым происходит обмен информацией между компо- нентами сети, называется протоколом сигнализации. Точки (определенные стандартами границы), которые пересекает поток информации, поступающей от одного компонента сети к другому, смежному с ним, называются интер- фейсами. Один интерфейс могут пересекать разные потоки информации (сигнальной и пользова- тельской) между различными, иногда удаленными друг от друга, компонентами сети: MS <=> MSC; BTS <=> MSC и др. То есть через один интерфейс могут поддерживаться разные протоколы обмена информацией. Радиоинтерфейс Air-IF между MS и BTS является тран- зитной точкой для передачи сигнальной информации, поддерживаемой разными протокола- ми сигнализации: - между MS и BTS — протокол управления радиоресурсами сети GSM — RR (Radio Resourse Management); - между MS и MSC/VLR — протоколы управления мобильностью пользователя — ММ (Mobility Management) и управления установлением соединений — CM (Commu- nication Management); - между MS и HLR — протокол реализации дополнительных услуг — SS (Supplemen- tary Services Management) и др. На рис. 2.27 показан радиоинтерфейс и различные протоколы сигнализации, реализуе- мые при передаче BTS — протокол информации через данный интерфейс: - MS <^> Air-IF<=> RR; - MS <=> Air-IF <=> BSC — протокол RR; - MS <=> Air-IF <=> MSC/VLR — протоколы MM + CM; - MS <=> Air-IF <=> HLR — протокол SS. Air-IF Рис. 2.27. Радиоинтерфейс и различные протоколы сигнализации, реализуемые при передаче BTS — протокол информации через данный интерфейс
ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 49 Рассмотрим функциональные возможности основных протоколов сети GSM. 1. RR-RR (Radio Resourse Management) — протоколы подуровня управления радиоре- сурсами обеспечивают процессы установления и разъединения трактов при различных ви- дах соединений в сети, а также поддерживают установление соединения в процессе движе- ния мобильной станции, то есть подуровень RR отвечает за реализацию процедуры хэндо- вера. Функции RR в основном выполняются аппаратурой MS, BSC и частично BTS. Кроме того, в процессе движения MS, находящейся в занятом состоянии, может происходить сме- на обслуживающего данную MS узла коммутации MSC, поэтому функции RR выполняются частично в MSC. Это проиллюстрировано на рис. 2.28 (RR-MSC/VLR). Рис. 2.28. Функциональные возможности основных протоколов сети GSM Подуровень RR обеспечивает распределение ограниченного числа радиоканалов между мобильными пользователями. Средствами подуровня RR выполняются посылки пейджин- говых сообщений для вызова MS и процедура перескока частоты. 2. Протоколы подуровня управления мобильностью пользователя — ММ (Mobility Man- agement) — обеспечивают взаимодействие с базами абонентских данных HLR и VLR для определения местоположения мобильного абонента, при этом данные о перемещении MS постоянно обновляются. Кроме этого, протоколы подуровня ММ обеспечивают управление процедурами обеспечения безопасности — идентификации мобильного оборудования и ау- тентификации абонента. 3. Протоколы управления установлением соединений — CM (Communication Manage- ment) можно разделить на следующие протоколы управления: - СС (Call Control) — протоколы управления вызовами; - SS (Supplementary Services Management) — протоколы управления дополнительными услугами; - SMS (Short Message Services) — протоколы управления услугами коротких сообще- ний. Протоколы СС отвечают за маршрутизацию вызовов к требуемому абоненту. При их реализации требуется взаимодействие следующих компонентов сети GSM: MS, MSC/VLR, HLR и GMSC. Протоколы SS обеспечивают мобильному абоненту доступ к дополнительным услугам. При этом в сети взаимодействуют такие компоненты, как MS и HLR.
50 ГЛАВА 2 Дополнительными услугами в сети GSM являются: переадресация вызова, его сохране- ние (удержание) в процессе наведения справки, информирование о входящем вызове. Услу- га переадресации позволяет абоненту направить вызов, поступающий на номер его телефо- на, на другой, заранее определенный самим абонентом. Услуга сохранения вызова позволяет абоненту прервать текущий разговор, не разрывая тракт связи. Во время паузы он может принять вновь поступивший вызов или сам по- звонить другому абоненту, навести справку, а затем вернуться к прерванному разговору. Услуга ожидания вызова позволяет абоненту в ходе разговора по телефону получить то- нальный сигнал о поступления еще одного входящего вызова. Кроме описанных выше дополнительных услуг, мобильный абонент может воспользо- ваться услугами конференцсвязи, запрета или ограничения по входящей связи для опреде- ленных категорий вызовов, автоматического определения номера вызывающего абонента и пр. 4. Протоколы SMS обеспечивают новый вид услуг передачи и приема коротких сообще- ний. Для реализации подобного сервиса необходимо взаимодействие MSC и специализиро- ванной информационной базы для услуг передачи и приема коротких сообщений SMSG (Short Message Service Gateway). Данный вид услуг состоит в том, что во время ведения разговора может быть получено короткое сообщение в режиме ожидания вызова (при вклю- ченном электропитании) или при выключенном мобильном аппарате. В последнем случае сообщение записывается в память информационной базы. Абонент извещается о получении короткого сообщения сразу же после его получения или позднее при включении электропи- тания MS. Прочитанное сообщение может быть стерто или сохранено в памяти MS. Для чтения сообщение отображается на дисплее MS. Если необходимо передать короткое сообщение, текст его набирается при помощи кла- виш MS и отображается на дисплее. Таким образом, фактически обеспечивается совмеще- ние сотового мобильного телефона с пейджером. При этом абонент непосредственно сам отправляет свое сообщение, а доставка его адресату гарантируется оператором сети GSM. Как следует из рис. 2.28, компоненты сети GSM взаимодействуют друг с другом при реализации различных сигнальных протоколов. Для транспортировки сигнальной информа- ции по цифровым каналам на участке MS о BSC используются возможности протокола LAPD (Link Access Procedure On The D-Channel— протокол доступа в D-канале), при этом на участке MS о BTS (Air-IF) используется мобильная версия данного протокола абонент- ской сигнализации —LAPDm, а далее, на участке BTS о BSC — стандартная. 2.7. Структура служб Системы сотовой мобильной связи в стандарте GSM помимо обычной двухсторонней ра- диотелефонной связи (передачи речевых сигналов) с мобильными абонентами сотовой сети и неподвижными абонентами стационарной телефонной сети, включая междугородную и международную телефонную связь, могут предложить абонентам еще целый ряд услуг, в том числе: - передачу факсимильных сообщений и компьютерных данных; - переадресацию вызова и автодозвон; - автоматическую регистрацию продолжительности телефонных разговоров; - голосовую почту и многое другое.
ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 51 Стандарт GSM дает четкую классификацию поддерживаемых им служб (services). Службы сети GSM состоят из основных и дополнительных. Первые из них могут существо- вать сами по себе. Основные службы делятся на два больших класса (рис. 2.29): - службы передачи (bearer services); - телеслужбы (teleservices). Транспортная сеть Рис. 2.29. Классификация поддерживаемых стандартом служб GSM Дополнительные услуги (supplementary services) могут предоставляться только одновре- менно с основными. Службы передачи обеспечивают: 1) передачу данных (асинхронно) в дуплексном режиме со скоростями — 300, 600, 1200, 2400, 4800 и 9600 бит/с через телефонные сети общего пользования PSTN; 2) передачу данных (синхронно) в дуплексном режиме со скоростями 1200, 2400, 4800 и 9600 бит/с через телефонные сети общего пользования, сети передачи данных общего поль- зования CSPDN (Circuit Switched Public Data Network) и ISDN; 3) доступ с помощью адаптера к пакетной асинхронной передаче данных со стандарт- ными скоростями 300...9600 бит/с через коммутируемые сети пакетной передачи данных общего пользования PSPDN (Packet Switched Public Data Network). При передаче данных со скоростью 9600 бит/с всегда используется канал связи с пол- ной скоростью передачи. В случае передачи на скоростях ниже 9600 бит/с могут использо- ваться полускоростные каналы связи. Перечисленные функции каналов передачи данных предусмотрены для терминального оборудования, в котором используются интерфейсы CCITT со спецификациями серий V.24 или Х.21. Эти интерфейсы определяют процессы передачи данных по обычным каналам те- лефонной связи. Функции передачи могут быть прозрачными (transparent) и непрозрачны- ми. В прозрачных функциях передачи защита от ошибок обеспечивается только за счет те- кущей коррекции ошибок (forward error correction — коррекция ошибок на проходе). В непрозрачных функциях передачи предусматривается дополнительная защита в виде автоматического перезапроса ARQ (Automatic Repeat Request). Телеслужбы предоставляют следующие услуги: - передачу речевой информации и тональной сигнализации в полосе речи; - телефонной связи (совмещенной со службой охраны, сигналами бедствия и др.); - передачу коротких сообщений (буквенно-цифровых сообщений до 180 символов — в сторону мобильного абонента); - доступ к системе обработки сообщений (например, передачи сообщений от персо- нального радиовызова на мобильную станцию); - доступ к службам Videotext, Teletext; - службы «Телефакс» (группа 3).
52 ГЛАВА 2 Стандартизован также широкий спектр дополнительных услуг: 1) идентификация и отображение вызывающего или подключенного номера и ограниче- ние идентификации и отображения вызывающего или подключенного номера (вызывающей стороне предоставляется право ограничить возможность идентификации ее номера); 2) переадресация вызова на другой номер (безусловная переадресация и переадресация в случаях, когда абонент занят или не отвечает) и передача вызова (переключение установ- ленной линии связи на другого абонента); 3) ожидание вызова (при занятом терминале абонент получает извещение о поступив- шем вызове и может ответить на него, отказаться от приема вызова или проигнорировать его поступление) и сохранение вызова (абонент может прервать проводимый сеанс связи, ответив на другой вызов и сделав другой вызов, а затем вернуться к продолжению прерван- ного разговора); 4) конференцсвязь — одновременный разговор трех и более абонентов; 5) закрытая группа пользователей — эта функция позволяет группе пользователей об- щаться только между собой, при необходимости один или более членов группы могут иметь доступ по выходу/входу к абонентам, не входящим в группу; 6) оперативная информация о стоимости оказываемых услуг (или же оказанных услу- гах); 7) запрет на определенные функции, например, на входящие вызовы, на международ- ные вызовы или исходящие вызовы для роумеров; 8) предоставление открытой линии связи сеть/пользователь для реализации функций, определяемых оператором. Завершая рассмотрение сервисных режимов передачи и телесервисных режимов, необ- ходимо отметить следующее: оба термина — bearer services и teleservices заимствованы из технологии ISDN, при этом они относятся к разным точкам доступа, как показано на рис. 2.29 [(bearer services — ориентирована только на транспортировку информации между соответствующими стыками пользователь/сеть и, в отличие от teleservices, забота о совмес- тимости протоколов связи оконечных устройств (терминальной аппаратуры — ТЕ) остается за пользователями этих устройств, teleservices — ориентированы на непосредственную связь пользователь/пользователь и включают функцию связи оконечных устройств]. 2.8. Методы множественного доступа Понятие «множественный доступ» (multiple access) связано с организацией совместного ис- пользования ограниченного участка частотного спектра многими пользователями. В настоя- щее время известны пять вариантов множественного доступа: - FDMA (Frequency Division Multiple Access) — множественный доступ с частотным разделением каналов связи; - TDMA (Time Division Multiple Access) — множественный доступ с временным разде- лением каналов связи; - CDMA (Code Division Multiple Access) — множественный доступ с кодовым разделе- нием каналов связи; - SDMA (Space Division Multiple Access) — множественный доступ с пространствен- ным разделением каналов связи; - PDMA (Polarization Division Multiple Access) — множественный доступ с поляризаци- онным разделением каналов связи.
ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 53 Практический интерес для сотовой мобильной связи представляют первые три из них. Четвертый метод фактически используется при реализации принципа повторного ис- пользования частот, в частности при делении сот на секторы с использованием направлен- ных антенн, но об этом не говорится как о методе множественного доступа. Так как в стандарте GSM используется TDMA, частично в сочетании с FDMA, рассмот- рим первые два метода множественного доступа. 1. Метод FDMA — множественный доступ с разделением каналов связи по частоте, наиболее прост при реализации, так как в этом методе каждому пользователю на время се- анса связи выделяется своя полоса частот А/ (частотный канал), которую он использует все время (рис. 2.30). Метод FDMA используется во всех аналоговых системах сотовой связи (первое поколение), при этом выделяемая полоса частот Л/ со- ставляет 10...30 кГц. Основной не- достаток FDMA — недостаточно эффективное использование поло- сы частот, выделяемой для связи. 2. Метод TDMA — множест- венный доступ с разделением ка- налов связи по времени, состоит в том, что каждый частотный канал разделяется между пользователя- ми во времени — частотный канал по очереди предоставляется не- скольким пользователям на опре- /, частота FDMA А/ А/ А/ А/ Л/ t, время Рис. 2.30. Множественный доступ с частотным разделением каналов связи 3 2 1 деленные промежутки времени, то есть реализуется, например, не- сколько физических каналов в од- ном частотном. В качестве приме- ра на рис. 2.31 представлен слу- чай, когда каждый частотный ка- нал делится между тремя пользо- вателями. Данная схема не соответствует чистому TDMA, а отражает сочета- ние FDMA и TDMA, так как здесь рассматривается случай не одного, а нескольких частотных каналов, каж- дый из которых делится во времени между несколькими пользователя- ми. Именно такая схема находит практическое применение в систе- мах сотовой мобильной связи и ее /, частота t, время Рис. 2.31. Множественный доступ с временным разделением каналов связи называют схемой TDMA. Практическая реализация метода TDMA требует преобразования аналогового речевого сигнала в цифровую последовательность, которая подвергается кодированию и шифрова- нию, что необходимо для защиты информации от ошибок в процессе передачи и приема.
54 ГЛАВА 2 2.9. Структура кадров TDMA и формирование сигналов В общем виде в стандарте GSM временная диаграмма процесса передачи с использованием метода TDMA выглядит следующим образом (рис. 2.32): - первоначально осуществляется преобразование аналогового речевого сигнала в циф- ровую последовательность; - цифровая последовательность подвергается кодированию, шифрованию, при этом ис- пользуются: а) блочное кодирование — для быстрого обнаружения ошибок при приеме сигналов; б) сверточное кодирование — для исправления одиночных ошибок; в) перемежение — для преобразования пакетов ошибок в одиночные ошибки. ТВ ED Синхропоследо- ED ТВ G 3 39 вательность 64 39 3 8,25 ТВ 3 ED 58 26 бит ED 58 ТВ 3 G 8,25 ТВ Синхропоследо- ED ТВ G 8 вательность 41 36 3 68,25 1 слот = 156,25 бита (577 мкс) длительность'1 бита = 577/156,25 = 3,69 мкс АВ = 8 + 41 + 36 + 3 + 68,25 = 156,25 бит Рис. 2.32. Структура кадров и формирование сигналов в стандарте GSM (при TDMA)
ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 55 В результате этих преобразований каждый отсчет уровня исходного аналогового рече- вого сигнала представляется в виде зашифрованного (закодированного) сообщения, состоя- щего из 114 бит, в свою очередь состоящего из двух самостоятельных информационных па- кетов ED (Encripted Data — закодированные, зашифрованью данные) по 57 бит (рис. 2.32) в нормальном временном интервале (слоте) NB (Normal Burst), разделенных между собой обучающей последовательностью (26 бит) TS (Training Sequence). При приеме последовательности ED определяется характер искажений в тракте распро- странения сигнала и характеристики приемника формируются уже применительно к кон- кретным условиям работы в данный момент времени. Для передачи информации по каналам связи и управления, подстройки несущих частот, обеспечения временной синхронизации и доступа к каналу связи используется пять видов временных интервалов: - NB (Normal Burst) — нормальный временной интервал; - FB (Frequency correction Burst) — временной интервал подстройки частоты; - SB (Synchronization Burst) — интервал временной синхронизации; - DB (Dummy Burst) — установочный интервал; - АВ (Access Burst) —интервал доступа. 1) При передаче по одному речевому каналу в стандарте GSM используется нормаль- ный временной интервал NB длительностью 0,577 мс, который включает в себя: - 114 бит = 57 + 57 — закодированной (зашифрованной) информации ED; - две концевых комбинации ТВ (Tail Bits) по три бита каждая; - два контрольных бита S (S — Stealing Flag — скрытый флажок), разделяющие ED и служащие признаком того, содержит ли передаваемая группа речевую информацию или информацию сигнализации. В последнем случае информационной канал (Traffic Channel) «украден» для обеспечение сигнализации; - TS (Training Sequence) — обучающую последовательность из 26 бит, которая разделяет информационный блок, состоящий из 114 бит по 57 бит ED, при этом с помощью TS обеспечивается: а) оценка частоты появления ошибок в двоичных разрядах по результатам сравнения принятой и эталонной последовательностей. В процессе сравнения вычисляется параметр RXQUAL, принятый для оценки качества связи. В данном случае речь идет только об оцен- ке связи, а не о точных измерениях, так как проверяется только часть передаваемой инфор- мации. Параметр RXQUAL используется при вхождении в связь, при выполнении процеду- ры HANDOVER — эстафетной передачи и при оценке зоны покрытия связью; б) оценка импульсной характеристики радиоканала на интервале передачи NB для по- следующей коррекции тракта приема сигнала за счет использования адаптивного эквалайзе- ра в тракте приема; в) определение задержек распространения сигнала между базовой и мобильной стан- циями для оценки дальности связи. Эта информация необходима для того, чтобы пакеты дан- ных от разных мобильных станций не накладывались при приеме на базовой станции. Поэто- му удаленные на большое расстояние мобильные станции должны передавать свои пакеты раньше мобильных станций, находящихся в непосредственной близости от базовых станций. Итак, обучающая последовательность TS используется для установления эквалайзера в приемнике в соответствии с характеристиками канала связи в данный момент времени. - защитный интервал G (Guard period) длительностью, равной времени передачи 8,25 бита (8,25x3,69 = 30,44 мкс). Таким образом, временной слот NB содержит 156,25 бит при длительности одного бита равной 577/156,25 = 3,69 мкс.
56 ГЛАВА 2 2) Временной интервал подстройки частоты FB предназначен для синхронизации по частоте мобильной станции MS и содержит: - 142 нулевых бита, что соответствует немодулированной несущей частоте со сдвигом (1625/24) кГц выше номинального значения частоты несущей. Это необходимо для проверки работы своего передатчика и приемника при небольшом частотном разносе каналов (200 кГц), что составляет около 0,022% от номинального значения частоты 900 МГц; - две концевых комбинации ТВ по три бита каждая; - защитный интервал G длительностью 8,25 бит. Следует отменить, что повторяющиеся временные интервалы подстройки частоты FB образуют канал установки частоты FCCH (Frequency Correction CHannel). 3) Интервал временной синхронизации SB предназначен для синхронизации по времени базовой и мобильной станций. SB состоит из: - синхропоследовательности длиной 64 бита; - двух зашифрованных ED блоков, по 39 бит каждый, несущих информацию о номере кадра TDMA и идентификационном коде базовой станции; - двух концевых комбинаций ТВ по 3 бита каждая; - защитного интервала G длиной 8,25 бит. Интервал SB передается вместе с интервалом установки частоты. Повторяющиеся интервалы временной синхронизации образуют так называемый канал синхронизации SCH (Synchronizing CHannel). 4) Установочный интервал DB обеспечивает установление и тестирование канала связи. По своей структуре DB совпадает с интервалом NB и содержит: - 2 блока по 58 бит, в которых не передается никакой информации; - установочную последовательность (вместо TS в NB) длиной 26 бит; - 2 блока ТВ по 3 бита каждый; - защитный интервал G длиной 8,25 бит. Отсутствуют два контрольных бита S. Так как в DB не передается никакой информации, то назначение DB состоит в информировании о том, что передатчик функционирует. 5) Интервал доступа АВ обеспечивает разрешение доступа мобильной станции MS к но- вой базовой станции. Интервал АВ передается мобильной станцией MS при запросе канала синхронизации. Это первый передаваемый мобильной станцией пакет, при этом время про- хождения сигнала еще не измерено. Поэтому в интервале доступа АВ последовательно передаются: - концевая комбинация ТВ длиной в 8 бит; - последовательность синхронизации для базовой станции — 41 бит, что позволяет базовой станции обеспечить правильный прием последующих 36 зашифрованных бит ED; - 36 зашифрованных бит; - 3 бита ТВ; - большой защитный интервал G, длиной 68,25 бит (длительностью — 68,25x3,69 = = 252 мкс), что обеспечивает (независимо от времени прохождения сигнала) доста- точное временное разнесение от пакетов других мобильных станций. Защитный интервал в 252 мкс соответствует двойному значению возможной задержки сигнала в пределах одной соты и, тем самым, устанавливает максимально допустимые раз- меры соты. Для стандарта GSM возможность обеспечения устойчивой связью мобильных станций в сотах составляет по радиусу от BTS к MS до 35 км, при этом максимальное время распространения радиосигнала в прямом и обратном направлениях составляет -233,3 мкс.
ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 57 Таким образом, временные интервалы (слоты) NB, FB, SB, DB и АВ реализуют переда- чу различных видов информации (речевые сигналы, сигналы управления и.т.п.), обеспечи- вающие как достаточно качественную передачу речевых сигналов, так и шифрование, под- стройку несущей, синхронизацию, доступ к каналу связи и т.д. Эти временные интервалы и их структура были рассмотрены в разделе выше, посвя- щенном структуре Air-интерфейса. По сути: - NB TDMA — это слот канала трафика; - FB TDMA — это слот пакета коррекции частоты; - SB TDMA — это слот пакета синхронизации; - DB FDMA — это слот холостого пакета; - АВ TDMA — это слот пакета доступа. Как и в случае с радиоинтерфейсом, передача информации при временном разделении каналов осуществляется в составе кадра TDMA (в Air-IF в кадре канала трафика). Каждый кадр TDMA состоит из 8 временных интервалов (в Air-IF кадр канала трафика состоит из 8 слотов) с номерами от 0 до 7, то есть в одном кадре TDMA одновременно могут передаваться 8 речевых каналов. Обычно каждый временной слот обозначается TN с номером от 0 до 7. Физический смысл позиций TN0...TN7 — означает время, в течение которого осущест- вляется модуляция несущей цифровым информационным потоком, соответствующим рече- вому сообщению или компьютерным данным. Цифровой информационный поток представляет собой последовательность пакетов, размещаемых в этих временных позициях TN0...TN7, при этом эти пакеты формируются немного короче по времени, чем временные интервалы NB, FB, SB, DB, АВ (длительностью 577 мк). Длительность слотов TN0...TN7 составляет 546 мкс, что необходимо для приема сообщения при наличии временной дисперсии в канале распространения. Так как по стандарту GSM информационное сообщение передается по радиоканалу со скоростью 270,833 кбит/с, то временной интервал кадра TDMA содержит 270833x577x1g-6 = = 156,25 бит. Таким образом, все временные интервалы NB, FB, SB, DB и АВ имеют одинаковый кадр длиной 156,25 бита. Рассмотрим далее иерархическую структуру кадров TDMA: - кадр TDMA, состоящий из 8 слотов, имеет длительность Тк = 577x8 = 4615 мкс = = 4,615 мс; - в периоде последовательности каждый кадр TDMA имеет свой порядковый номер NF от 0 до NFMax, где NFMax = 26x51x2048 = 2715647 бит; - кадры TDMA объединяются в мультикадры двух видов: мультикадр, состоящий из 26 кадров TDMA (в Air-IF — это мультикадр канала тра- фика): NF0...NF25; длительность мультикадра первого вида: 26x4,615 = 120 мс; мультикадр, состоящий из 51 кадра TDMA (в Air-IF — это мультикадр канала управления): NF0...NF50; длительность второго кадра — 51x4,615 = 235,385 мс; - из 51 мультикадра первого вида формируется суперкадр первого вида, имеющий 26x51 = 1326 кадров TDMA, длительностью 120x51 - 6,12 с; - из 26 мультикадров второго вида формируется суперкадр второго вида, по числу кад- ров и длительности совпадающий с суперкадром первого вида;
58 ГЛАВА 2 - длина периода последовательности в иеархической структуре, называемая гиперкадром, делится на 2048 суперкадров, то есть по числу кадров в гиперкадре: 2048x1326 = = 2715648 кадров TDMA, а по длительности Т = 12533,76 с = 3 ч 28 мин 53 с 780 мс. Необходимость такого большого периода гиперкадра объясняется требованиями процесса криптографической защиты, в котором номер кадра NF используется как входной параметр. Таким образом, рассмотрение структуры кадров TDMA и структуры радиоинтерфейса позволяет сделать вывод об идентичности их структур. В структуре GSM строго определены временные характеристики огибающей сигнала (излучаемого пакетами на канальном временном интервале кадра TDMA) и спектральная характеристика сигнала. Временная маска огибающей для сигналов NB, FB, DB, и SB полного кадра TDMA по- казана на рис. 2.33, а временная маска огибающей для сигналов, излучаемых в интервале АВ полного кадра TDMA, — на рис. 2.34. Рис. 2.33. Временная маска огибающей для сигналов NB, FB, DB, и SB полного кадра TDMA Рис. 2.34. Временная маска огибающей для сигналов, излучаемых в интервале АВ полного кадра TDMA
ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 59 Различные формы огибающих излучаемых сигналов соответствуют разным длительно- стям интервала АВ (88 бит) по отношению к другим указанным интервалам полного кадра TDMA (148 бит). Нормы на спектральную характеристику излучаемого сигнала показаны на рис. 2.35, при этом до 60 кГц величина S(f) = + 3,5 дБ, - при/= 140 кГц S = -12 дБ; - при/= 200.. .250 кГц S = -30 дБ; - при/= 300 кГц S = -43 дБ; - при/= 600 кГц S = -63 дБ. Рис. 2.35. Нормы на спектральную характеристику излучаемого сигнала Скачки по частоте Одной из особенностей формирования сигналов в стандарте GSM является использова- ние медленных скачков по частоте SFH (Slow Frequency Hopping) в процессе сеанса радио- связи. Главное назначение этих скачков по частоте состоит в обеспечении частотного разне- сения в радиоканалах, функционирующих в условиях многолучевого распространения ра- диоволн. SFH используются во всех мобильных сетях, что повышает эффективность коди- рования и перемежения при медленном движении абонентских MS. Принцип формирова- ния медленных скачков по частоте SFH состоит в том, что сообщение, передаваемое в выде- ленном абоненту MS временном интервале кадра TDMA 577 мкс, в каждом последующем кадре передается (или принимается) на новой фиксированной частоте (рис. 2.36), то есть ес- ли MS в начале передавала на частоте Д (TN0), при движении во времени частота меняется
60 ГЛАВА 2 на fi (TN0), потом на ft (TN0) и т.д. В соответствии со структурой кадров TDMA время для перестройки частоты составляет 1 мс (при этом время частотного скачка определится — 0,577-8 = 4,616 мс). В процессе скачков по частоте постоянно сохраняется дуплексный раз- нос 45 МГц между радиоканалами приема и передачи (рис. 2.37). Рис. 2.36. Принцип формирования медленных скачков по частоте SFH Временные интервалы Канал 1: 890,0...890,2 МГц 935,0...935,2 МГц Канал 2: 890,2...890,4 МГц 935,2...935,4 МГц Канал 123: 914,6...914,8 МГц 959,6...959,8 МГц Канал 124: 914,8...915,0 МГц 959,8...960,0 МГц Рис. 2.37. Временные интервалы и рабочие каналы в стандарте GSM Всем активным абонентам MS, находящимся в одной соте, ставятся в соответствие ор- тогональные формирующие последовательности переключения частот, что исключает вза- имные помехи при приеме сообщений абонентами MS в соте. Параметры последовательности переключения частот (частотно-временная матрица (рис. 2.36) и начальная частота) назначаются каждой мобильной станции MS в процессе ус- тановления канала связи. Ортогональность последовательностей переключения частот в со- те обеспечивается начальным частотным сдвигом одной и той же (по алгоритму формиро- вании) последовательности.
ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 61 В смежных сотах используются различные формирующие последовательности. Комби- нированная схема организации каналов TDMA/FDMA в стандарте GSM и принцип исполь- зования SFH при передаче сообщений во временных кадрах были показаны на рис. 2.36 и рис. 2.37. Таким образом, если учесть, что в кадре каждому физическому каналу соответствует один слот, то для любого из физических каналов такая частота скачков эквивалентна смене частотных каналов с частотой слотов. Режим работы с SFH назначается центром коммутации MSC. 2.10. Каналы связи При рассмотрении радиоинтерфейса уже упоминались каналы трафика и управления, опреде- ляющие организацию информационого обмена в системе сотовой мобильной связи между MS и BSS. Еще раз необходимо подчеркнуть, что кроме собственно информации речи по каналу связи должна передаваться так называемая сигнальная (signalling) информация, включающая информацию управления и информацию контроля состояния аппаратуры. Ниже под сигналь- ной информацией будем понимать управляющую информацию. Каналы связи в стандарте GSM можно разделить на (рис. 2.38): частотные; физические; логические каналы [2.11]. Рис. 2.38. Частотные, физические и логические каналы в стандарте GSM Частотные каналы Частотный канал — это полоса частот, отводимая для передачи информации по одному ка- налу связи.
62 ГЛАВА 2 При использовании метода TDMA, как отмечалось выше, в одном частотном канале размещается 8 каналов связи, то есть 8 физических каналов. Это не противоречит приведенному определению частотного канала. Один частотный канал занимает полосу А/= 200 кГц, так что всего в полном диапазоне с учетом защитных полос размещается (45/0,2 - 1) = 124 частотных канала. Центральная частота канала (в МГц) связана с его номером N отношениями: - канал MS => BSS: Д = 890,200 + 0,200W где 1 < N < 124; - канал BSS => MS: f2 = 935,200 + 0,200W, где 1 < N <124. Отметим, что один частотный канал, строго говоря, занимает две полосы Af = 200 кГц, одну под канал MS =>BSS, а другую — под канал связи BSS=>MS. При использовании режима работы со скачками по частоте SFH для передачи информа- ции одной и той же группы физических каналов последовательно во времени используются различные частотные каналы. Физические каналы Физический канал в системе TDMA — это временной слот с определенным номером в по- следовательности кадров радиоинтерфейса. В стандарте GSM передается информация 8 физических каналов при полноскоростном кодировании, но при полускоростном кодировании один физический канал содержит два канала трафика, информация которых передается по очереди, через кадр, то есть при этом реализуется временное уплотнения каналов в 8 раз при полноскоростном кодировании и в 16 раз — при полускоростном. В этом и состоит одно из основных преимуществ цифрового поколения сотовой мо- бильной связи по сравнению с аналоговым. Итак, физический канал образуется путем комбинирования временного и частотного разделения сигналов и определяется как последовательность радиочастотных каналов (с возможностью скачков по частоте) и временных интервалов кадров TDMA. Каждая несущая содержит 8 физических каналов, размещенных в 8-ми временных ин- тервалах в пределах кадра TDMA. Каждый физический канал использует один и тот же вре- менной интервал в каждом кадре TDMA. До формирования физического канала сообщения (речевой сигнал) и данные, представ- ленные в цифровом виде, группируются и объединяются в логические каналы. Логические каналы Логические каналы различаются по виду информации, передаваемой в физическом канале. В принципе, в физическом канале может быть реализован один из двух видов логических каналов: - трафика (канал связи) — для передачи кодированной речи и данных; - управления (signalling) — для передачи сигналов управления и сигнализации, каждый из них, в свою очередь, может в общем случае существовать в одном из нескольких вариантов (типов). Структура логических каналов стандарта GSM в упрощенном виде приведена в табл. 2.5. Итак, рассмотрим последовательно виды логических каналов и типы каналов в пределах вида.
ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 63 1. Каналы трафика ТСН (Traffic CHannel) делятся на: - полноскоростные TCH/FS (Full Speech^ - полускоростные TCH/HS (Half Speech), по виду передачи речевых сигналов (speech). Таблица 2.5. Виды логических каналов и типы каналов Виды логических каналов Типы каналов в пределах видов Каналы трафика ТСН TCH/FS FCH/HS Каналы управления ССН ВССН: FCCH, SCH СССН: PCH, RACH, ASCH, SDCCH АССН: FACCH, SACCH Типы каналов трафика для передачи данных, не включенные в табл. 2.5, следующие: TCH/F9,6, TCH/F4,8, ТСН/Н4,8 и т.д. Итак, канал передачи речевых сигналов с полной скоростью TCH/FS — 22,8 кбит/с, по- лускоростной TCH/HS — 11,4 кбит/с. 2. Каналы управления ССН (Control CHannel) делятся на 4 типа: - вещательные каналы управления ВССН (Broadcast Control CHannel)', - общие каналы управления СССН (Common Control CHannel)', - выделенные закрепленные каналы управления SDCCH (Standalone Dedicated Control CHannel)', - совмещенные каналы управления АССН (Associated Control CHannel). Каналы ВССН предназначены для передачи информации от BSS и MS в вещательном режиме, то есть без адресации к какой-либо конкретной MS. В число вещательных каналов управления ВССН входят: - канал коррекции частоты FCCH (Frequency Correction CHannel), необходимый для подстройки частоты мобильной станции MS под частоту базовой BTS; - канал синхронизации SCH (Synchronization CHannel), используемый для кадровой синхронизации мобильных станций MS, а также канал общей информации, не имею- щий отдельного названия. Общие каналы управления СССН включают: - канал вызова PCH (Paging CHannel), используемый для вызова мобильной станции MS; - канал разрешения доступа AGCH (Access Grant CHannel), необходимый для назначе- ния закрепленного канала управления, информация которого также передается от ба- зовой станции на мобильную MS; - канал случайного доступа RACH (Random Access CHannel), служащий для выхода с мобильной станции MS на базовую BTS с запросом о назначении выделенного канала управления. При передаче информации по каналам СССН прием информации не со- провождается подтверждением. Выделенные закрепленные каналы управления SDCCH (используемые в двух вариан- тах, не отраженных в табл. 2.5) являются автономными каналами управления для передачи информации с BSS на MS и в обратном направлении. Совмещенные каналы управления АССН, также используемые для передачи информа- ции в обоих направлениях (MS<=>BSS) и имеющие несколько вариантов (не отраженных в табл. 2.5), включают: - медленный совмещенный канал управления SACCH (Slow Associated Control CHan- nel), который используется в прямом канале (BSS=>MS) для передачи команды на ус-
64 ГЛАВА 2 тановку выходного уровня мощности передатчика мобильной станции MS, а в обрат- ном (MS=>BSS) — для передачи данных об уровне установленной мощности. Канал SACCH объединяется с каналом трафика (кадр 13 из мультикадра канала трафика) или с каналом SDCCH); - быстрый совмещенный канал управления FACCH (Fast Associated Control CHannel), который используется для передачи команд при переходе мобильной станции из соты в соту, то есть при эстафетной передаче. Канал FACCH совмещается с каналом тра- фика, заменяя в соответствующем слоте информацию речи, причем эта замена поме- чается скрытым флажком (поле 5 на рис. 2.32 и рис. 2.39). В отличие от дуплексных каналов трафика и совмещенных каналов управления, разме- щаемых в канале трафика радиоинтерфейса, симплексные каналы управления ВССН и СССН размещаются в нулевом слоте кадров канала управления радиоинтерфейса на так на- зываемых несущих ВССН, имеющихся в ячейках. Сообщения канала RACH могут быть переданы в нулевом слоте любого кадра в преде- лах 51-кадрового мультикадра канала управления (рис. 2.39), при этом сообщение канала RACH передается мобильной станцией один раз в 235 мс, то есть только в одном из кадров мультикадра, при этом используется структура слота, соответствующая пачке доступа. R — канал RACH; F— канал FCCH; S — канал SCH; В — канал ВССН; С — канал AGCH/канал РСН; / — свободный кадр Сообщения каналов ВССН и СССН, передаваемые от базовой станции к мобильным, размещаются в нулевых слотах 50 кадров мультикадра канала управления радиоинтерфейса (рис. 2.21) и кадров TDMA (рис. 2.32). Последний 51 кадр мультикадра остается свободным I (Idle). Первые 50 кадров делятся на 5 блоков по 10 кадров: - в начале каждого блока передаются сообщения канала FCCH (структура слота — пач- ка коррекции частоты); - далее передается сообщение канала SCH (структура слота — пачка синхронизации); - затем в первом блоке передаются 4 сообщения канала ВССН; - далее передаются 4 сообщения канала AGCH или канала РСН; - в остальных 4 блоках все восемь сообщений отводятся под канал AGCH или РСН. Сообщения логических каналов управления в большинстве случаев кодируются со зна- чительной избыточностью с целью защиты от ошибок при передаче информации.
ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 65 2.11. Сигнализация в сотовых мобильных сетях В процессе развития телефонных сетей были разработаны различные международные и на- циональные варианты телефонных систем сигнализации, обеспечивающие передачу сигна- лов управления и взаимодействия между сетевыми узлами в процессе обслуживания вызо- вов. В последние годы на базе ресурсов телефонных сетей и для взаимодействия с ними реализуются новые сетевые технологии: для цифровых сетей с интеграцией услуг ISDN, со- товых сетей мобильной связи, интеллектуальных сетей. Для реализации соответствующих услуг в этих сетях требуется быстрая и надежная пе- редача большого объема данных между сетевыми узлами. В этих условиях одним из главных направлений в развитии современных цифровых се- тей связи является применение общеканальной системы сигнализации SS № 7, стандартизо- ванной для применения на международных и национальных сетях связи. В сетях мобильной связи стандарта GSM для обмена информацией в процессе обслужи- вания вызовов между элементами сети, а также для взаимодействия с другими сетями элек- тросвязи приняты две основные системы сигнализации: SS № 7 (Signalling System № 7 [CCITT №7]) и LAPD (Link Access Procedure on the D-channel — протокол доступа в Ь-канале). Использование этих двух систем сигнализации обусловлено тем, что для организации межстанционной сигнализации электронных АТС (РВХ, РАВХ) стационарных PSTN уже длительное время применяется система сигнализации SS № 7, обеспечивающая сигнализа- цию в цифровых сетях ISDN. Кроме того, в сети GSM необходимо осуществлять сигнализацию в конфигурации «точ- ка-многоточие». Протокол доступа в D-канале LAPD специально создан для этих целей, и он широко используется в сети ISDN. Таким образом, использование SS № 7 и LAPD в сети GSM делает сеть GSM совмести- мой с сетями PSTN, ISDN, а также с сетью аналоговой мобильной системы связи NMT. Достаточно подробно функционирование общеканальной системы сигнализации SS № 7 описано в работе [2.13]. 3 - 632
Глава 3 АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 3.1. Общие положения В каждой линии радиосвязи, как известно, различают три составных части: 1) передающее устройство (передатчик), 2) приемное устройство (приемник), 3) среда, в которой распространяются радиоволны, а именно — окружающая земной шар атмосфера и космическое пространство. На практике применяются три основных типа радиолиний (рис. 3.1). ИСЗ Рис. 3.1. Радиолинии: ИИ — источник информации; ПИ — получатель информации; ПРД — передатчик; ПРМ — приемник; А1, А2 — передающая и приемная антенны; РРЛС — радиорелейная линия связи; СЛС — сателлитная линия связи Радиолиния простейшего первого типа характеризуется тем, что передатчик и приемник расположены по ее концам. Радиоволны в таких радиолиниях могут распространяться либо прямолинейно, свободно распространяясь, либо многократно отражаясь, либо путем ди- фракционного огибания поверхности земли, либо многократно отражаясь от ионосферных слоев и земной поверхности и т.п.
АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН 67 Радиолинии второго типа характеризуются тем, что радиоволны в приемные устройства попадают путем приема, усиления и последующего переизлучения (ретрансляции) специаль- ными ретрансляционными радиостанциями. Например, в радиорелейных линиях связи (РРЛС): наземных и космических (ретрансляционные станции расположены на ИСЗ — искус- ственных спутниках земли); в радиолиниях систем сотовой мобильной связи (базовые прие- мо-передающие станции BTS выполняют функции ретрансляционных радиостанций). Радиолинии третьего типа используются в технике связи и при научных исследованиях, особенностью которых является то, что излучаемые радиоволны попадают в приемные уст- ройства путем рассеяния на неоднородностях атмосферы (тропосферы и ионосферы), на ио- низированных следах (метеорных, ракетных и т.п), либо от космических тел (Луны, Марса и т.п) и т.д. Примерами таких радиолиний могут служить системы радиолокационного обнаружения объектов, когда передатчик и приемник совмещены в радиолокационной стан- ции, а роль пассивного отражателя радиоволн выполняет обнаруживаемый объект. Поэтому для понимания условий, необходимых для создания устойчивой радиосвязи в системах сотовой мобильной связи, для обеспечения возможности мониторинга электромаг- нитной обстановки в пределах сот, необходимо знание как параметров антенн приемо-пере- дающей (BTS) и мобильных (MS) радиостанций, так и условий излучения и распростране- ния радиоволн в таких системах и основных методов расчета электромагнитного поля в точках приема на различных расстояниях от приемо-передающей радиостанции (BTS) с учетом влияния условий многолучевого распространения радиоволн, потерь при распро- странении, влияния движения мобильных объектов и т.п. Данная глава посвящена рассмотрению указанных проблем. 3.2. Антенны в системах сотовой мобильной связи Так как в системах сотовой мобильной связи используется дециметровый диапазон длин волн, то обычно в качестве антенн применяют электрические вибраторные антенны. Для понимания особенностей конструкций и параметров таких антенн необходимо чет- кое представление о параметрах передачи и приема элементарного электрического вибрато- ра (диполя), что упростит знакомство читателя с конкретными антеннами базовых и мо- бильных станций, а также явится основой для понимания методов расчета электромагнит- ного поля, излучаемого антеннами MS и BTS. Излучение электромагнитного поля элементарным электрическим диполем Под элементарным электрическим диполем понимают электрический излучатель, размеры которого I намного меньше длины волны: I «А,, а гармонический ток в диполе I = 1т ехр(;о)Г) распределен вдоль его длины примерно равномерно. Свяжем с точкой О (точка О — середина диполя) сферическую систему координат (рис. 3.2) и определим распределение проекций векторов электрического Е и магнитного Н поля в произвольной точке пространства, то есть: Е = Ег(г,6,ф)ег + Ев(г,0,ф)е9 +Е<р(г,е,ф)е<р, (3.1) н = нг (г, 0, ф)ег + Я9 (г, 0, ф)ее + Яф (г, 0, ф)еф, (3.2) где г, 0, ф — сферические координаты, е„ е0, еф — единичные орты. з*
68 ГЛАВА 3 Рис. 3.2. Излучение электромагнитного поля диполем Решение задачи реализуется в соот- ветствии со следующим алгоритмом. Вводится понятие о векторном маг- нитном потенциале А, для которого справедливо соотношение: В = цН = rotA. (3.3) В уравнения Максвелла подставляет- ся выражение (3.3) в виде: Н = —rotA, (3.4) Н 1 дЕ rotH = rot(— rotA) = Jm+t — (3.5) Ц dt dH d rotE = -ц---=----rotA. (3.6) dt dt Уравнения Максвелла приводятся к уравнениям Д’Аламбера (неоднородным дифференциальным линейным уравне- ниям второго порядка в частных производных), решения которых для проекций комплекс- ных векторов электрического и магнитного поля запишутся в виде [3.11]: 4жое0 [(fo-)3 еЛш' *r) .cos0, (3-7) т 1к3 1.11 + J 4лхое0 (Ат)3 (кг)2 кг (3-8) 1 . 1 + J — • sin 0, (3-9) h,M<p) = o> яв(г,е,ф)-о, (3.10) (З.П) 4л (kr)2 1 ,J_ кг (3-12) e>(<0'"M-sinO, где 1т — амплитудное значение тока, I — длина диполя, к = 2лД — волновое число, е0 = [1/(4л?9-109)] Ф/м — диэлектрическая проницаемость вакуума, со = 2л/— рабочая частота. Выражения (3.7)-(3.12) получены в предположении, что излучается монохроматиче- ская электромагнитная волна в пространство, заполненное вакуумом. Проведем анализ данных выражений. Зависимость проекций векторов Е и Н от координат: - проекции Ё ,НГ,НЬ равны нулю, то есть отсутствуют в электромагнитном поле диполя; - проекции Н^Ёг,Ё^ зависят от расстояния г по закону: e~jkrI(кг)п, где п = 1, 2, 3 — для составляющей Ёе, и п = 1, 2 для составляющих Ёг и ;
АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН 69 -проекции Яф,Ёг,Ёе зависят от меридиального угла 0: Ёг~ cos0, E()~sin0, Н( ~ sin0, то есть значения проекций меняются с изменением угла 0 следующим образом: при 0 = 0: Ёг ~ 1, Ёе~ 0, ~ 0; при 0 = л/2: Ёг ~ 0, Ёе~ 1, ~ 1, то есть максимальные значения Ёе и будут в направлении перпендикулярном оси диполя; - проекции векторов Е и Н от азимутального угла ф не зависят. Зоны излучения Рассмотрим более детально зависимость проекций Н ,ЁГ,Ё* от радиуса-вектора г. Анализ поведения проекций в зависимости от расстояния до точки, в которой исследуется электро- магнитное поле, показывает, что существуют три характерных области излучения диполя. Ближняя зона — называемая также зоной индукции, где значения проекций векторов Е и Н изменяются по законам: • . 2/ Ik3 1 . 1 Ег =-] —----------г + J--7 4ЖО£О (кг} (кг} e-'*r-e'“'-cosO, e'”'-sin0, (3.13) (3-14) (3.15) то есть проекции напряженностей электрического и магнитного полей изменяются от рас- стояния по закону: e~jkr’/(кг)п, при п = 2 и 3. (3.16) Рассмотрим особенности ближней зоны излучения электрического диполя. Для ближней зоны должно выполняться условие: кг «1, то есть 2лт/А, «1 или г «к/2л, (3.17) где rg = к/2л — граничное расстояние. (3.18) Например, для стандарта GSM 900: рабочая длина волны равна К = 33,3 см, граничное расстояние rg = А,/2л = 5,3 см, и если антенну MS представить в виде диполя, то область, для которой г «5,3 см, будет являться ближней зоной излучения. Если учесть, что кг «1, то e"jkr ->1, а 1/(кг)2 «1/(кг)3, и выражения (3.13)—(3.15) еще бо- лее упрощаются и могут быть записаны в виде: Ё,( л \ гик3 4лсое0 (Лг)3 • cos 0 • sin wt9 (3-19) ЁД ' А \ Uk3 Г,0,ф) = — ' 4лсое0 1 _(Н\ • sin 0 • sin cor, (3.20) (г,0,ф) = v 1 4л (*г)2_ •sinOcoscor, (3-21)
70 ГЛАВА 3 то есть напряженность магнитного поля в ближней зоне относительно напряженности элек- трического поля сдвинута на 90° по фазе. Поэтому плотность потока мощности (вектор Умова-Пойнтинга) представляется в виде: П = ГхЯ‘ = (Ег+Е9)х/Г = П9+Пг, (3.22) I 2l2k5 1 то есть П = - j ——----•------ • sin2 0, (3.23) (4л) о)Е0 [кг] I 212к5 1 Пе = j-^-------•----sin 20. (3.24) (4л) о)Е0 [кг] Это значит, что в ближней зоне в идеальном случае отсутствует излучение, так как со- ставляющие вектора Умова-Пойнтинга оказываются чисто комплексными. Реально в ближней зоне существует большое реактивное поле, а поле излучения (рас- пространяющееся от излучателя-диполя в окружающее пространство) чрезвычайно мало (так как значения 1/(кг)2 значительно больше 1/(кг)) по сравнению с реактивным полем. Таким образом, в ближней зоне возникает реактивное электромагнитное поле, причем плотность потока мощности значительно больше, чем в дальней зоне — зоне излучения. Промежуточная зона является переходной от ближней зоны к дальней, когда значение кг ~ 1 (то есть г ~ rg = Х/2л), (3.25) то есть ни одним из слагаемых \/(кг)п в выражениях для проекций Н^,Ёг,Ё^ пренебречь нельзя, как это было сделано для ближней зоны. Это приводит к тому, что в промежуточной зоне поле излучения и реактивное поле оказываются почти одного порядка. Выражения для для промежуточной зоны позволяют исследовать структуру электромагнитного поля электрического диполя. При этом необходимо отметить следующее: - в промежуточной зоне, называемой также зоной френелевской дифракции, на моно- тонное убывание составляющих от расстояния по закону 1/г накладывается осцилли- рующее, затухающее поле реактивного характера; - модули проекций векторов Е и Н с различными законами изменения 1/г" имеют в про- межуточной зоне близкие величины; - электромагнитная энергия, излучаемая диполем, сложным образом распределяется в пространстве, окружающем электрический диполь, и зависит как от времени, так и пространственных координат. Кроме излучаемой энергии, в промежуточной зоне возникает колебательный режим (энергия то «уходит», то «возвращается» к диполю), что приводит к увеличению и умень- шению плотности потока мощности на различных расстояниях от излучателя, то есть воз- никает в пространстве режим смешанных электромагнитных волн. Дальняя зона, называемая часто волновой зоной или зоной излучения, характеризуется условием: кг »1, то есть г »rg - Х/2л. (3.26) Для дальней зоны в проекциях векторов Е и Н можно пренебречь составляющими, про- порциональными 1/г" (где п = 2 и 3), то есть для дальней зоны проекции векторов электри- ческого и магнитного поля запишутся в виде: Ёг (г,0,ср) => 0, (3.27) • • АЛ’ £е = j—-— 4ла)е0 (Лг) e'(“'-‘r)sin0, (3.28) 1
АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН 71 ilk2 = J—— 4л 1 (И sin0. (3.29) Учитывая, что волновое число равно к = 2л/к = (3.30) выражения (3.28) и (3.29) запишем в виде (при ег = 1, = 1): £e = jsin 9 > (3.31) на - Sin е. (з.з2) ' 2V v ’ Таким образом, в дальней зоне напряженность электрического поля имеет только одну составляющую Ее, а напряженность магнитного поля — составляющую , причем они синфазны, но ортогональны в пространстве. Фазы векторов электромагнитного поля опре- деляются расстоянием г от центра диполя до точки, в которой они вычисляются: гр = о)Г-£г. (3.33) Поверхности равных фаз образуют концентрические сферы с центром в начале коорди- нат, то есть если в момент времени Г = t0 фаза на расстоянии г0 будет равна фо= wto-foo, (3.34) а в момент времени tx = t0 + Аг она изменится: ipi = coti - kr0 = coto + о)Аг - kr0 = o)t0 + krb (3.35) где rx = r0 + Ar, (3.36) a Ar = — Ar — расстояние, на которое распространится волна за время Аг. к Скорость распространения поверхности равной фазы (фазовая скорость) определяется по формуле: 17 17 Г Лг Ю er 7Q V, = = е lim — = е — = '— . (3.37) ф ф r r^\t г к JT7T V вг а Таким образом, в дальней зоне электромагнитное поле элементарного электрического диполя (иногда говорят электрического вибратора) представляет сферическую волну, рас- пространяющуюся со скоростью Уф, равной скорости света в данной среде, амплитуды со- ставляющих электромагнитного поля убывают по закону 1/г, вектора Е и Н взаимно пер- пендикулярны друг другу, а направление распространения совпадает с направлением радиу- са-вектора. Плоскость YOZ, в которой лежит вектор Е, обычно называют плоскостью поляризации, при этом вектор Н лежит в плоскости XOY ортогональной плоскости поляризации. Между амплитудами проекций векторов Е и Н в дальней зоне существует простая связь: р-38> где ZB— волновое сопротивление среды распространения, для вакуума: = Цо’1 = 4л?1(Г7 Гн/м, Еа = е01 = 1/(4л?9109) Ф/м и значение волнового сопротивления вакуума: Zfi0 = 120л « 377 Ом.
72 ГЛАВА 3 Основные параметры элементарного электрического диполя Мощность и сопротивление излучения Распространение электромагнитных волн (ЭМВ) в дальней зоне сопровождается пере- носом энергии и связанного с ней плотности потока мощности. Средний за период вектор плотности потока мощности (вектор Умова-Пойнтинга) равен: Пср=КеГ1, (3.39) то есть определяется вещественной частью комплексного вектора плотности потока мощно- сти, который для дальней зоны излучения электрического диполя найдется в виде: КеП = Пср=ег-Я^ ,fcin20. (3.40) 2 2кг ) у еа Из данного выражения следует, что излучение потока мощности происходит: - вдоль радиуса-вектора (ег — орт); - пропорционально квадрату амплитуды тока в диполе 1т; - пропорционально квадрату отношения длины диполя к длине волны (//к)2; - обратно пропорционально квадрату расстояния (1 /г2); - изменяется в зависимости от меридианального угла 0, пропорционально sin20, то есть при 0 = пп (п = 0,1, 2...) — Пср(0) = 0, при 0 = (2п - 1)л/2 (п = 0, 1, 2...) — П ср = (П ср)тах; - величина Пср связана с Ев и простым соотношением: 1 2 П = —-------H2ZB. (3.42) ср 2Zb 2 <р„ в V ) Определим мощность излучения электрического диполя следующим образом: средняя мощность, излучаемая в пространство элементарным электрическим диполем (при условии, что его окружающая среда не имеет потерь), равна среднему потоку мощности через замк- нутую поверхность 5, окружающую диполь, то есть: (3.43) при этом, если в качестве поверхности выбрать сферическую поверхность, то формула (3.43) приобретет следующий простой вид: \ = j J-f—"I ZB\r2 sin2 0sin0</0</q> = 40л2 f-) I2 , (3.44) cpoo2\2X,J r при волновом сопротивлении равном ZB = 120л (Ом). Таким образом, средняя мощность излучения электрического диполя пропорциональна квадратам амплитуды тока 1т2 и относительной длины диполя (//к)2. Сопротивление излучения при этом определится: Р? Г I У ^=7^ = 80^ - , (3.45) _г2 J 2 т как величина, равная отношению средней мощности излучения к квадрату действующего значения тока (/| = УУ) в диполе.
АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН 73 Направленные свойства электрического диполя Для более наглядного представления о характере излучения диполя (а в общем случае и для вибраторных антенн, используемых в дециметровом диапазоне в MS и BTS) обычно строят графики зависимости амплитуды напряженности электромагнитного поля (то есть £е(0,ф) или //Ф(0,ф)) или плотности потока мощности Пг(9,ф) от направления к точке наблю- дения при постоянном радиусе г = const, либо в декартовой — рис. 3.3, а, либо в полярной системах координат. На рис. 3.3, бив показаны зависимости нормированных значений напряженности элек- трического поля, излучаемого диполем, от соответствующих угловых координат, называе- мые диаграммами направленности в полярной системе координат меридианальной плоско- сти (рис. 3.3, б): F(e)= e-v..'=sine, (3.46) ^втах Р(ф) = 1 — в азимутальной плоскости (рис. 3.3, в). Как видно из рисунков, диаграмма на- правленности диполя в вертикальной (мери- дианальной) плоскости представляет собой восьмерку, то есть максимальное излучение диполем происходит в направлении 9 = л/2 (перпендикулярно оси диполя), в горизон- тальной плоскости излучение равномерное (диаграмма направленности — окружность Р(ф) = 1, [то есть происходит всенаправлен- ное излучение (прием), при этом антенны, имеющие такие диаграммы направленности, называют изотропными (всенаправленны- ми) — omnidirectional или omni антеннами. Пространственная диаграмма направ- ленности электрического диполя представ- ляет собой поверхность тора. Диаграмма направленности по мощно- сти пропорциональна квадрату диаграммы направленности по напряженности: Fn (0,<р) = F2 (0,Ф). (3.47) Ширина диаграммы направленности обычно определяется на уровнях: - половинной мощности — 0,5 Птах; - по напряженности — 0,707 Еетах, 0,707 Нфтах; - 3 дБ по напряженности/мощности поля, так как (ЗдБ = |20 1g 0,707| = 110 1g 0,5|). Кроме диаграммы направленности, для оценки направленных свойств антенн ис- пользуют другой параметр, а именно коэффи- Рис. 3.3. Диаграмма направленности по напряженности поля в различных системах координат: а) декартовой системе координат; б) в полярной системе координат; в) в азимутальной плоскости
74 ГЛАВА 3 циент направленного действия (КНД) £)-антенны, под которым понимают величину, пока- зывающую во сколько раз нужно было бы увеличить мощность излучения антенны в случае использования всенаправленной антенны вместо данной направленной, чтобы интенсив- ность излучения в точке приема осталась неизменной. Для электрических вибраторных ан- тенн КНД определяется по формуле: D 120F2(e,<p) Rz (3.48) (3-49) где /?2п — сопротивление излучения антенны. Для электрического диполя из формулы (3.48) КНД определится в виде: 3 sin2 0 РАУ’ При учете коэффициента полезного действия (КПД) антенны, определяемого как отно- шение мощности излучения Р2 к подводимой по фидеру от передатчика мощности Рпрд: Пл-^ПрД> (3-50) вводят понятие о коэффициенте усиления антенны, как произведения КНД на КПД антенны: G = ru£>. (3.51) Если антенна используется в качестве приемной, вводят следующие параметры. Действующая длина (высота) приемной электрической антенны, которая определяется отношением напряжения на выходных зажимах антенны к напряженности электрического поля в точке приема: ^ = ^вых/^(м). (3.52) При этом, если известна величина hg, то для определения напряжения сигнала на входе приемника пользуются следующей формулой: ^вхпрм = 0, qp)-/zg; (В), [ИЛИ С/ВХПрм = Fmax(r)’F(0, ф)’^g]’ Для вибраторных антенн (к которым относится и электрический диполь) в общем слу- чае действующая длина определяется по формуле: h 8 л sin/:/ (3.53) (3.54) где Fmax(6J ф) — диаграмма направленности вибратора в направлении максимума приема; К — рабочая длина волны, к = 2л/Х — волновое число, I — длина вибратора. Для симметричного вибратора действующая длина hg определяется в виде: , X л/ К 8 8 л ° 2Х л , , X л1 к л ( I h--l-n‘S2mS 2 X (3.55) При этом для несимметричного четвертьволнового вибратора малой длины: hg a X/8. Таким образом, если напряженность электрического поля в точке приема равна Е = 10 мкВ/м, а действующая длина вибраторной антенны hs s X/8 = 4,3 см, при F(0, qp) = = 0,4, значение напряжения на выходных зажимах антенны будет равно: /7ВЫХ = 0,172 мкВ. Если чувствительность приемника t/min = 0,1 мкВ, то сигнал будет уверенно принят.
АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН 75 Апертура — эффективная площадь антенны А3, то есть площадь, из которой приемная антенна извлекает энергию падающей на нее электромагнитной волны, определяется по формуле: 2 А,-------, (м2). (3.56) 4л Для вибраторных антенн А3 найдется по формуле: ЗОлй 2Г2(е,ф) А--------\ • (3-57) Знание апертуры антенны А3 позволяет достаточно просто определить мощность на вы- ходе приемной антенны в виде: Рпрмя = П(г,0,ф)-А, (3.58) где П(г, 0, ф) — плотность потока мощности в точке приема (Вт/м2); Аэ — апертура антен- ны (м2). С учетом потерь в фидере, соединяющем выход антенны с входом приемника, выраже- ние (3.58) запишется: Рпрм = П-Аэ-еа*/ф, (3.59) где аф (Нп/м) — затухание в фидере, /ф—длина фидера (м). В заключение следует отметить, что вышеизложенное в дальнейшем будет использова- но как для оценки параметров антенн, использующихся в аппаратуре систем сотовой мо- бильной связи, так и при изучении условий распространения радиоволн и приема сигналов мобильными и базовыми станциями. 3.3. Антенны мобильных станций Широкое использование в системах сотовой мобильной связи радиоволн дециметрового диапазона (300...3000 МГц) естественно выделяют определенный круг возможных антенных систем, используемых на базовых и мобильных станциях. Прежде всего это вибраторные антенны различной конструкции. Сложные условия распространения радиоволн в системах сотовой мобильной связи, связанные с многократным их отражением, рассеянием, приводят к тому, что закономерно- сти, справедливые для систем функционирующих в условиях прямой видимости, становятся несправедливыми, и направленные свойства антенн, которые были справедливыми для усло- вий свободного пространства, значительно изменяются. Поэтому при проектировании ан- тенн в системах мобильной связи учитываются статистические характеристики окружаю- щей среды, в которых эти антенны используются, то есть городские условия, раститель- ность, холмы и т.п. Воспользуемся результатами научных исследований в данной области [3.1-3.3, 3.5, 3.7, 3.8] и рассмотрим конкретно антенны, широко используемые в мобильных станциях (антен- ны базовых станций будут рассмотрены ниже в гл. 5).
76 ГЛАВА 3 Особенности функционирования мобильных телефонов приводят к особенностям в тре- бованиях, предъявляемых к используемым в них антеннах: - очень малые размеры; - относительно большая полоса рабочих частот (на частотах 900,1800 и 1900 МГц); - эффективность при передаче и приеме радиоволн при различных пространственных ориентациях мобильных телефонов, при учете многолучевого распространения ра- диоволн в пределах соты; - высокие механические свойства (например, ударопрочность). В качестве антенн в мобильных телефонах сотовой связи в настоящее время нашли ши- рокое распространение следующие типы [3.3]: - симметричный вибратор с коаксиальным экраном в центральной части (sleeve dipole); - спиральная антенна (helical antenna); - четвертьволновый несимметричный диполь (quarter wavelength whip (monopole) an- tenna); - комбинированная спиральная антенна (diversity helical antenna system). Симметричный вибратор с коаксиальным экраном в центральной части На рис. 3.4 показан мобильный телефон с антенной, представляющей симметричный вибра- тор с коаксиальным экраном в центральной части (sleeve dipole) и работающий в диапазоне Рис. 3.4. Мобильный телефон с антенной частот (800.. .900) МГц. Это, по существу, полуволновый диполь, пи- таемый с одного конца с помощью коаксиальной линии. Антенна конструктивно представляет со- бой разноплечий полуволновый вибратор: - верхнее плечо, длиной Ц = Х/4, формируется из тонкой центральной жилы коаксиального фидера; - нижнее плечо, длиной /2 Х/4, формируется из металлической муфты (metal sleeve), ди- электрического наполнителя (dielectric in- sert) с диэлектрической проницаемостью е2 малой величины и коаксиального фидера. Длина /2 муфты, равная Х/4, позволяет создать в сечении А-А короткое замыкание, так как в се- чении В-В ZBXb b = jZotgW = jZotg|^y ] => оо , \ А, 4) что вызывает в сечении А-А на /2 = А/4 величину Zbxa-a =>0» то есть закорачивает металлическую муфту на оплетку коаксиальной линии в сечении А-А. Таким образом, формируется полу- волновый (в реальном случае — разноплечий) излучатель с током Д (t). Разноплечий А/2 вибратор позволяет расширить диапазон излучаемых и принимаемых частот. На рис. 3.5, а показана диаграмма направленности вибратора в вертикальной плоскости на частоте ре- зонанса. При изменении частоты /=/0 ± 5% /0, то есть на 5% от несущей /0, диаграмма направ- ленности изменяется (рис. 3.5, б), при этом направление главного лепестка опускается вниз.
АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН 77 а) Рис. 3.5. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости симметричного вибратора с коаксиальным экраном: а) на частоте резонанса; б) при изменении частоты на 5% от несущей f0
78 ГЛАВА 3 Рис. 3.6. Диаграмма направленности антенны MS в ближней зоне Очень интересен вид ближней зоны, исследованный в работе [3.3] и показан- ный на рис. 3.6. Как следует из пространственной кар- тины рис. 3.6: 1) наблюдаются два максимума в из- менении Е0(г,6,ф): - в области тонкого излучающего проводника (примерно Zi ~ Zi/2), при этом Е0(ф) носит ненаправленный характер; - в области муфты практически на Zi ~ Z2/2, при этом уровень Е0(г,0,ф) близок к уровню верхнего провод- ника; 2) существует резкий спад Е0(г,0,ф) в районе корпуса мобильного телефона. Как следует из рис. 3.4 и 3.5, измене- ние частоты излучаемого/принимаемого сигнала резко сказывается на диаграмме направленности в вертикальной плоско- сти, изменяя направление главного лепе- стка, его форму, а значит в целом и рас- пределение Eq и Яф в пространстве. В ме- ридианальной плоскости данная антенна изотропна (всенаправлена), при этом Е0(ф) = const, F(0) = 1. Следует отметить, что на диаграмму направленности мобильного телефона достаточно сильно влияют рука абонента и положение антенны относительно его головы. Спиральные антенны Широкое применение в качестве антенн мобильных телефонов в диапазоне 800... 900 МГц нашли также спиральные антенны. К их достоинствам можно отнести: - малые габариты (физическая длина укороченной спиральной антенны Z = Х/12, то есть при X = 33,3 см, 1-2,8 см); - чувствительность в режиме приема по направленности электрического поля: Е~(21...29) дБ/мкВ/м; - электрическая длина ZE = Х/2, то есть соответствует длине полуволнового диполя; - диаграмма направленности в меридианальной плоскости F(qp) = 1. К недостаткам таких антенн можно отнести: - относительно высокие потери (связанные с участием в формировании направленных свойств металлической части корпуса, как дополнительного излучателя, и потери в диэлектрике корпуса); - изменение диаграммы направленности с изменением частоты; - выполнение требования, чтобы металлическая часть корпуса (radio case) имела длину Z-X/4, так как при Z »Х/4 резко меняется диаграмма направленности.
АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН 79 Рассмотрим кратко особенности такой спиральной антенны. Уровни распределения поля в ближней зоне спиральной антенны и металлического кор- пуса мобильного телефона изменяются аналогочно распределению, показанному на рис. 3.6, то есть на расстоянии г = 5 см наблюдаются: - высокий уровень излучения самой антенной; - достаточно высокий уровень излучения корпуса мобильного телефона. Как отмечено в работе [3.3], измерения, проведенные по определению уровня излуче- ния мобильных телефонов, использующих укороченные спиральные антенны, показали, что по сравнению с обычным полуволновым вибратором, излучающим в свободном простран- стве, уровень излучения укороченных антенн на 10... 12 дБ ниже. Использование ударопрочного радиопрозрачного покрытия, позволяет создать условия высоконадежной эксплуатации мобильных телефонов. Комбинированная спиральная антенна Альтернативный вариант укороченной спиральной антенны был разработан в виде комбинированной спиральной антенны рис. 3.7, представляющей собой следующую конструкцию [3.3]: - первичная фиксированная спираль (primary fixed antenna), длиной 4 = 2 см и по электриче- ской длине соответствующая Х/4; - вторичная спиральная антенна на диэлектриче- ском стержне (collapsible secondary helican an- tenna on dielectric rod), длиной /2 = Ю см, по электрической длине соответствующая Х/2; - данная антенна может быть съемной или скла- дываться вне корпуса телефона. Когда вторичная антенна вытянута, она стано- вится главным излучателем, так как свободна от по- терь, вызываемых рукой абонента, держащего кор- пус телефона. 3.4. Особенности антенных систем базовых станций Общие требования Рис. 3.7. Мобильный телефон с комбинированной спиральной антенной Одним из важных элементов аппаратуры в системах сотовой мобильной связи является антен- ная система, используемая в BTS для создания равномерного радиопокрытия территории со- ты (или сектора в пределах соты), устойчивого приема от мобильных станций (при минимиза- ции помех), определения местоположения MS и т.п. Поэтому к антеннам BTS предъявляются достаточно высокие требования как по аппаратурным параметрам, так и по технологии антен- ных систем (рис. 3.8). В нормальных действующих сотовых системах выигрыш по мощности за счет исполь- зования антенн BTS составляет от 7 до 15 дБ. При этом должны быть выполнены следую- щие требования: - излучение в соте (или в секторе с углами 120°, 60°) должно быть равномерным, уменьшающимся по радиусу по закону 1/г" (2 < п < 4);
80 ГЛАВА 3 - подавление межканальных помех (за счет разнесенного приема и использовании на- правленных антенн); - широкополосность (более 7% при коэффициенте стоячей волны КСВН 1,5) для од- новременной передачи/приема большого числа каналов (одновременно до 30...60 ка- налов); - диаграмма направленности (в идеальном случае: в вертикальной плоскости: cosec20, в горизонтальной: либо F(cp) = 1, либо F(cp) = sin ср в пределах сектора), обеспечиваю- щая равномерное радиопокрытие зоны при уверенном уровне приема и минимальном уровне боковых лепестков; - минимальное время задержки при распространении электромагнитных волн; - малые размеры, вес и стоимость. Рис. 3.8. Требования к антенным системам BTS С точки зрения технологии создания антенн, отвечающих выше рассмотренным требо- ваниям, в последние годы в сотовых системах мобильной связи США, Великобритании и Японии используются: - в США и Японии — 3 разнесенные антенны с диаграммами направленности, сформи- рованными в угловых секторах 120° в пределах соты; - в Великобритании — в пределах соты 6 секторных антенн со сформированными диа- граммами направленности в секторах 60°. При этом используется три вида разнесения антенн: - пространственное разнесение (расстояние между антеннами не превышает d < 10 к); - разнесение по диаграмме направленности; - разнесение по поляризации электромагнитных волн. Наиболее часто используется пространственное разнесение (при dfk = 5... 10).
АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН 81 Особенности типовых антенн BTS Всенаправленные антенны BTS в горизонтальной плоскости Для получения равномерного радиопокрытия территории соты, необходимо иметь: в вертикальной плоскости диаграмму направленности антенны BTS в виде F(0) = cosec20, при минимальном уровне и числе боковых лепестков, а в горизонтальной плоскости всенаправ- ленную диаграмму, то есть F(cp) = 1. К основным недостаткам таких антенных систем можно отнести: - необходимость выполнения требования по созданию многосотовых кластеров для уменьшения уровня межканальных помех; - сложность формирования диаграммы направленности в меридианальной плоскости F(0), вплоть до синтезирования F(0) близкой к cosec20; - необходимость повышения мощности передатчика BTS для создания устойчивой ра- диосвязи на границах соты; - требование увеличения отношения сигнал/помеха (C/I) антенн; - требование использования разнесенного приема для уменьшения влияния помех и увеличения отношения сигнал/шум C/N = CNR; - обеспечение равномерного радиопокрытия в пределах соты; - учет зоны помех, возникающих за счет излучения боковых лепестков. Секторные антенны BTS Для создания секторных антенн (sectorized antenna) необходимо выполнить два основ- ных условия: - в вертикальной плоскости диаграмма направленности должна быть типа F(0) ~ cosec20; - в горизонтальной плоскости: F(cp) должна иметь однолепестковый характер (напри- мер, иметь вид кардиоиды) или более узкую диаграмму направленности. Для этого целесообразно использовать уголковые отражатели, которые формируют ДН в гори- зонтальной плоскости F(cp) в определенном секторе излучения. В качестве примера можно указать на уголковую рефлекторную антенну (CRA — Corner Reflector An- tenna), у которой ширина диаграммы направленности по половинной мощности 2фд 5 зависит от частоты, угла апертуры фо, глубины J/X, и длины 1А уголка. На средней час- тоте /=900 МГц, при J/X = 0,28 и lAfk = 0,56 при угле апертуры ф0 = 120° ширина сформированного лепестка для такой антенны составляет 2ф° 5 > 60°, при ф0 = 225°- 2ф°5 ~ 120°, при фо = 180°- 2ф° 5 ~ 90°. Следует отметить, что варьируя отношением J/X, можно уменьшить уровень боковых лепестков, но при этом увеличивается угол 2ф° 5. Как показали эксперименты, эффектив- ным параметром для управления шириной главного лепестка в горизонтальной плоскости является не угол апертуры ф0, а длина уголка 1А. Так для двухчастотного секторного луча (GSM 900, 1800) изменение угла 2ф^5 от 60° до 120° может быть реализовано путем варьи- рования параметра /Л/Х: 2ф^ 5 = ty(lA/\), при ф0 = const. Как правило в качестве всенаправленных активных излучателей в секторных антеннах используют полуволновые вибраторы, диаграмма направленности в вертикальной плоско- сти которых F(0) г sin0, то есть отличается от необходимой cosec20. Это ухудшает условия равномерного радиопокрытия территории соты, при этом зона помех может возрастать.
82 ГЛАВА 3 Основы проектирования разнесенных антенн в BTS При проектировании разнесенных антенн в BTS главными параметрами являются: - коэффициент корреляции, определяющий условия приема, а значит и отношение сиг- нал/шум (C/N = CNR) и сигнал/помеха (С/7); - антенный интервал d/\ как отношение расстояния между разнесенными антеннами d и длиной волны К; - высота подъема антенной системы BTS над землей (h\). Если уровень принимаемого сигнала в блоке приемных антенн подчиняется распреде- лению Релея, то соотношение между коэффициентом корреляции разнесенных антенн и Рис. 3.9. Зависимость отношения сигнал/шум от коэффициента корреляции CNR(r) при разнесении антенн BTS Как следует из графика рис. 3.9, максимальное значение CNR = 9,5 дБ при радиусе кор- реляции г = 0, а при радиусе корреляции г = 0,6 - CNR = 8 дБ. Таким образом, при проектировании разнесенных антенн целесообразно получить ко- эффициент корреляции г = 0,6, при этом CNR-8 дБ. Для обеспечения данных значений коэффициента корреляции г и отношения CNR необ- ходимо выбрать конфигурацию антенной системы при г = 0,6. Рассмотрим наиболее часто используемую антенную систему в виде пространственно раз- несенных антенн в горизонтальной плоскости. На рис. 3.10 показана зависимость коэффици- ента корреляции r(d/k) от антенного интервала d/\ при двух значениях высот антенн BTS: h\ = 120 м и h\ = 45 м, при условии гауссовского распределения принимаемых сигналов. Из графиков рис. 3.10 следует: - с увеличением высоты подъема антенн hx растет величина г при d/\ = const (напри- мер, при d/\ = 5, hx = 45 м - г = 0,4, при d/\ = 5,hi = 120 м - г = 0,6); - при стандартной девиации sh = 1 зависимость г (d/K) такова, что если г = 0,6, то d/\ - 7, то есть для GSM 900 величина расстояния между разнесенными антеннами составит d = 2,31 м; - следует отметить, что разнос dfk при г - 0,6 зависит от условий местности: город, предместье, лесной массив и т.п. Эксперименты показывают, что при CNR^ ЮдБ и г = 0,5 величина антенного интервала составляет dfk^ 10.
АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН 83 Рис. 3.10. Зависимость коэффициента корреляции г = г (D = d/k) от отношения расстояния разнесения антенн к рабочей длине волны — d/k Интермодуляционные проблемы в антеннах BTS Так как в антенных системах BTS мобильной сотовой связи используется электронное пере- ключение режимов «передача/прием», это приводит к тому, что многочисленные передаю- щие радиоканалы из-за нелинейных эффектов в металлических гетеросоединениях (напри- мер, коннекторы в сочленениях: фидер — вход антенны) проникают в приемные тракты, вызывая интермодуляционные помехи, при этом для телефонных систем мощность таких помех должна быть менее (-10 дБ/мкВт). Пассивная интермодуляция PIM (Passive Intermodulation) приводит к тому, что возника- ют комбинационные помеховые частотные составляющие: fa = mfi ± nfp где т и п положи- тельные нечетные числа, finfi — i-я и ;-я частоты передаваемых радиосигналов, fa — час- тоты интермодуляционных волн (т + и)-порядка. Рассмотрим появление PIM для стандарта GSM, используя рис. 3.11. 25 МГц прием 25 МГц передача Помеха 25 МГц 25 МГц ........... 125 МГц iiiHiiiiiii i i i i li i i i i ti i i i i i 915 Рис. 3.11. PIM для стандарта GSM
84 ГЛАВА 3 Для случая т = п = 3 частота интермодуляционных волн составит: fiM3 = 3fi ~ 3fj = 3(960 - 935) = 75 МГц, Для случая т = п = 5 частота интермодуляционных волн составит: fiM5 = 5(960 - 935) = 125 МГц. Итак, чем выше порядок (т + п) PIM, тем выше уровень помех, при этом, оценка связи между порядком PIM и излучаемой мощностью антенной системы, показывает, что мощ- ность помех определяется в виде Р~ 10 дБ/(т + л), то есть в данном случае: при (т + п) = (3 + 3) = 6, Р ~ 10/6 = 1,7 дБ, при (т + п) = (5 + 5) = 10, Р = 10/10 = 1 дБ, третий и пятый порядки PIM становятся мешающими факторами, приводящими к изменению соот- ношения С/N и СИ, что резко ухудшает условия приема сигналов от MS и может привести к падению мощности радиосвязи. Поэтому на практике применяются следующие меры подавления эффекта PIM: - для антенных излучателей вместо проводного элемента используется печатная плата; - для соединений между излучателем и фланцем используется плотная фиксация посе- ребренных материалов со специальными проводящими прокладками (возможно ис- пользование сварки); - вводится запрет в использовании алюминия или никеля в контактах на стыках; - выявляются и устраняются окиси, ржавчина и т.д. 3.5. Особенности распространения радиоволн Как было отмечено выше, в стандарте GSM используются дециметровые волны (900 МГц (К = 0,333 м), 1800 МГц (К = 0,167 м), 1900 МГц (К = 0,158 м)). Следует отметить, что метровые (VHF), дециметровые и сантиметровые (UHF) электро- магнитные волны от ионизированных слоев атмосферы практически не отражаются и в них не рассеиваются и, поэтому, как ионосферные волны распространяться не могут. Волны этих диапазонов распространяются в основном в виде земных волн (дифракция таких волн выражена слабо) на небольшие расстояния, а на большие — за счет тропосферного рассея- ния на неоднородностях и, в меньшей степени, за счет направленного действия тропосфер- ных волноводов. Радиоволны дециметрового диапазона почти не преломляются в ионизированных слоях атмосферы и свободно пронизывают их, то есть распространяются как прямые вол- ны и поэтому находят применение в космической связи; практически не испытывают мо- лекулярного поглощения, поглощения в гидрометеорах (дождь, снег), то есть в земных условиях дециметровые волны могут распространяться лишь прямолинейно в пределах прямой видимости. Распространяясь в пределах прямой видимости, электромагнитные волны в системах сотовой мобильной связи испытывают многочисленные отражения от окружающих объек- тов и поглощения в них. Картина многолучевого распространения, показанная на рис. 3.12, свидетельствует о суперпозиции в точке приема MS нескольких, точнее множества сигна- лов, пришедших по различным путям и имеющим различные амплитуды, фазы, времена распространения, плоскости поляризации и пр. Результирующий сигнал в точке приема ввиду этого резко меняется и может быть как выше среднего (медианного) уровня, так и ниже, причем замирания сигнала, образующиеся при взаимной компенсации сигналов вследствие неблагоприятного сочетания их амплитуд и фаз, могут быть достаточно глубокими. Искажения результирующего сигнала имеют ме-
АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН 85 сто в том случае, когда более или менее синфазные составляющие сигналов с соизмеримы- ми амплитудами имеют настолько отличные разности хода, что символы одного сигнала на- кладываются на соседние символы другого, при этом возникает межсимвольная интерфе- ренция. MS Рис. 3.12. Многолучевое распространение радиоволн Как показано на рис. 3.13, зависимость напряженности поля от расстояния между BTS и MS имеет убывающий характер, при этом напряженность поля имеет как быстрые, так и медленные замирания относительно среднего (медианного) значения, то есть среднее значе- ние подвержено затуханию, а мгновенные значения — замираниям. В частном случае для изотропных передающей и приемной антенн BTS и MS отноше- ние мощности в точке приема PR к мощности в точке передачи Р; (при отсутствии помех) можно записать в виде: PR /РТ = (Х/4лг)2 = (с / 4л?г/)2, (3.60) где с = 3-108 м/с — скорость электромагнитных волн в вакууме, f— рабочая частота, г — расстояние между BTS и MS. При/= 900 МГц, г = 10 км: Pr/Pt = (2,6-10-6)2, Ря/РгдБ~-50 дБ. Таким образом, величина затухания обратно пропорциональна квадрату частоты сигна- ла и квадрату расстояния между BTS и MS. В случае направленных антенн необходимо учесть коэффициенты усиления передаю- щей и приемной антенн, что приводит к следующей формуле: PR/PT= GtGr (3.61) где GT и Gr — коэффициенты усиления передающей и приемной антенн. Колебания уровней (замирания) принимаемого сигнала имеют две составляющие — быструю и медленную.
86 ГЛАВА 3 Рис. 3.13. Зависимость напряженности электромагнитного поля от расстояния между BTS и MS Быстрые замирания, являющиеся прямым следствием многолучевого распространения радиоволн, часто называют релеевскими, так как они описываются релеевскими законами распределения. Замирания из-за многолучевости обусловлены сигналами, отраженными от внешних объектов. В результате этого в точке приема возникают условия: - несколько однотипных сигналов, сдвинутых по фазе, складываются так, что результи- рующий сигнал ослабляется; - при одинаковом уровне основного и отраженных сигналов, но их противофазности, результирующий сигнал близок к нулю, что вызывает прерывание связи. Диапазон изменений уровня сигнала при быстрых замираниях может достигать 40 дБ, из которых — приблизительно 10 дБ — это превышение над средним уровнем и 30 дБ — провалы ниже среднего уровня, причем глубокие провалы встречаются реже, чем менее глубокие. При неподвижной мобильной станции MS интенсивность принимаемого сигнала практически не меняется. При движении MS периодичность флуктуаций в пространстве со- ставляет около полуволны Х/2, то есть порядка 16,5 см (на частоте 900 МГц). Период флуктуаций зависит от скорости перемещения MS, например, при скорости У= 50 км/час период флуктуаций Гф ~10 мс, а при V = 100 км/ч — Гф~ 5 мс. Частота замираний глубиной (30... 10) дБ при скорости V-50 км/ч составляет 5...50 провалов в секунду, соответственно, а средняя длительность замираний ниже уровня (30... 10) дБ при скорости V = 50 км/ч — порядка (0,2.. .2) мс. Медленные замирания обусловлены эффектом тени, который вызывается различными препятствиями (здания, лесные массивы, горы и т.п), нарушающими прямую видимость ме- жду BTS и MS. Медленные замирания подчиняются логарифмически нормальному закону распределения. Интенсивность медленных замираний не превышает (5... 10) дБ, а их перио- дичность соответствует перемещению MS на десятки метров. Фактически медленные зами- рания представляют собой изменения среднего уровня сигнала при перемещении MS, на ко- торые накладываются быстрые замирания, вследствие многолучевости.
АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН 87 Для борьбы с быстрыми замираниями в стандарте GSM используют скачки по частоте, то есть расширение спектра, при этом для уменьшения межсимвольных искажений приме- няются эквалайзеры — адаптивные фильтры. Для борьбы с последствиями многолучевого распространения, а именно для устранения ошибок, обусловленными как замиранием сиг- налов, так и межсимвольной интерференцией, используется помехоустойчивое канальное кодирование: блочное и сверточное кодирование, а также перемежение. Рассмотрим особенности распространения дециметровых волн и расчет полей в точках приема при известных параметрах излучения и расстояния между передатчиком и приемни- ком для случая сотовой сети. Распространение радиоволн в свободном пространстве в пределах прямой видимости (однолучевая модель распространения) Постановка задачи. Пусть в свободном пространстве, заполненном однородной непогло- щающей средой (цг = 1, ег = 1, 0 = 0), помещен изотропный (omni, всенаправленный) излу- чатель (например, электрический диполь), для которого диаграмма направленности F(q>) = 1. Пусть мощность излучения изотропного излучателя Р±. Ставится задача: опреде- лить напряженность электрического поля в произвольной точке приема М. Решение задачи. 1. Определим плотность потока мощности (интенсивность излучения) на расстоянии г от изотропного излучателя в виде: П=Р1/5=Р1/4лг2. (3.62) 2. Учитывая, что в точке М вектор Умова-Пойнтинга определится в виде П = Е2т I2ZO = PJ4M-2, (3.63) где Ет — амплитуда напряженности электрического поля, Zo= 120л — волновое сопротив- ление среды, 3. Найдем величину амплитуды напряженности электрического поля Ет в виде: Ет = (3.64) то есть данная формула определяет величину амплитуды напряженности электрического поля в точке приема, которая в данном случае зависит от мощности излучения передающей изотропной антенны Рг и расстояния г, до точки приема. Усложним задачу, допустив, что заменим изотропную передающую антенну на направ- ленную, то есть плотность потока мощности определим в виде: П=Р1О1/4лг2, (3.65) где G\ = T]iZ>i — коэффициент усиления передающей антенны, т| i и G\ — КПД и КНД на- правленной антенны. Тогда выражение (3.64) запишется в виде: Ет = (бОР^О172^. (3.66) На практике часто используют другой вид формулы (3.66): Ет = 245(P1G1)1/2/r, (3.67) где РДкВт), г (км), Ет (мВ/м). Итак, полученные выражения позволяют провести оценочные расчеты амплитуды на- пряженности в точке приема Ет(г) для одного электромагнитного луча (для случая, когда определяется Ет в направлении максимума излучения).
88 ГЛАВА 3 В произвольном направлении: Е2(0,ф)=Еш-Г(0,ф), (3.68) где Г(0,ф) — диаграмма направленности передающей антенны. Для того, чтобы рассчитать мощность на выходе приемной антенны для данного случая, необходимо учесть, что приемная антенна направленная и имеет эффективную апертуру: Лэ2 = С2х2/4л, (3.69) где G2— коэффициент усиления приемной антенны. Проведем следующие расчеты: - найдем мощность электромагнитного поля в точке приема в виде: Р2 = ПЛэ2 = (PiGi/WXGzk2/^) = PiGjG2 Х2/(4лг)2; (3.70) - учитывая затухание в фидере приемной антенны, определим мощность на входе при- емника в виде: pr = p2eat = [^GjG2X2 /(4лг)2]е‘“', (3.71) где а и / — коэффициент затухания и длина фидерной линии. Таким образом, величины Е2 и Рг в точке приема определяются мощностью излучения передающей антенны Рь направленными свойствами передающей и приемной антенн (Gi и G2), расстоянием между передатчиком и приемником, рабочей длиной волны, а также пара- метрами фидера. Если электромагнитные волны распространяются в диэлектрической среде с диэлектри- ческой проницаемостью гг (но в среде без потерь), то величина волнового сопротивления равна Zb = 120л/(ег)1/2 (3.72) и величины Е2 и Рг будут зависеть от диэлектрических свойств среды распространения (то есть от диэлектрической проницаемости гг среды). Распространение радиоволн в среде с неизменяющимися параметрами Усложним задачу: пусть радиоволны распространяются в среде, которая характеризуется функцией ослабления W(t) = const. Если величина W определена теоретически или экспериментально, то для однолучевой модели амплитуда электрического поля и мощность сигнала на входе приемника запишутся: Ет = 245[(P1G1)V2/r]W, (3.73) Р2 = [PxGxG2\2l(4nr)2}W2. (3.74) Часто пользуются формулой для Р2, записанной в децибелах: Р2 = Р1ДБ + G. + G2 + 20 Igki - 201g(4nri) + ЖдБ. (3.75) При Xi = Х/Хо, = г/г0, Хо = го = /м> Рх и Р2 записываются в дБ относительно: Pq = 1 Вт или 1 мВт (Рдб = 101g P/Pq). Рассмотрим простейший численный пример. Определим мощность на входе приемника при следующих условиях: мощность пере- датчика Р\т= Ю Вт, ослабление фидера передатчика — антенна: е"а/«0,8, коэфициенты усиления передающей и приемной антенн G\ = G2 = 1,64, рабочая длина волны X = 33,3 см, расстояние между BTS и MS г = 10 км, множитель ослабления W« -20 дБ, ослабление фи- дера приемной антенны: е-а/« 0,8.
АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН 89 Численный расчет. Определим мощность P2r выраженную в ваттах (3.71) и в децибелах (3.72): P2R = [ВД G2A.2 /(4nr)2]W2e’a*,'*le'a*2'*2 = 1,2-10"10Вт, то есть Pw = -129,2 дБм. Если чувствительность приемника Pmin “ Ю~12 Вт (то есть Р-щ = -130 дБм), то условия приема будут с трудом обеспечены, так как уровень сигнала близок к чувствительности и ниже допустимого запаса по мощности (^ (3...6) дБ). Определим напряженность поля в точке приема при указанных выше условиях и при учете, что действующая длина приемной антенны hg~6 см, ее диаграмма направленности F2(0) = sin0 (при этом луч приходит при 0 = 30°), а чувствительность приемника Vmin=0,l мкВ. Численный расчет. Воспользуемся формулами (3.54) и (3.73): V2 = hg-Em2(F2(Q)/42) = уб0Р!О1)1/2/г]1У-Г(й)-е'0’5<аф''*|+аф2'ф2> (1/^2 ) = 106-Ю"6 В, то есть V2 = 106 мкВ » Vmin = 0,1 мкВ, то есть условия приема обеспечены. Таким образом, рассмотренные выше примеры позволяют на практике проводить оцен- ки условий устойчивой мобильной радиосвязи для однолучевой модели, когда пренебрега- ют отражением от земли, влиянием строений, лесных массивов и пр. Двухлучевая модель распространения радиоволн дециметрового диапазона На рис. 3.14 показаны условия прямолинейного распространения электромагнитных волн дециметрового диапазона. Рис. 3.14. Прямолинейное распространение радиоволн При этом дальность прямой видимости г0 определяется по формуле Го = ад, R3) ([Й1]1/2 + [й2]1/2), км (3.74) где hi и h2 — высоты передающей и приемной антенн (выраженные в метрах), £(§, F3) — коэффициент, зависящий от условий атмосферной рефракции (то есть от изменений траек-
90 ГЛАВА 3 тории распространения за счет изменения коэффициента преломления атмосферы) и от ра- диуса земли R3. Если рефракция отсутствует или пренебрежительно мала, то величина А:(§, В3) = 3,57. При нормальной атмосферной рефракции, когда луч изгибается к поверхности земли, даль- ность прямой видимости увеличивается и величина kfi-, В3) = 4,12. Для увеличения дально- сти распространения дециметрового диапазона волн обычно передающие антенны поднима- ют на определенную высоту, например, для антенн базовых станций BTS — hx = 20... 100 м, для телевизионных антенн — h\ = 40...400 м, для антенн радиорелейных линий связи — /ii = (20...80) м. Высоты поднятия приемных антенн колеблются в широких пределах (от 2 до 80 м). В системах мобильной связи высота поднятия приемных антенн лежит в пре- делах от 1 м до 3 м. Для определения напряженности поля в точке приема при заданных мощности излуче- ния передающей антенны ее коэффициента усиления высоты поднятия h\ и расстоя- ния г j\q точки приема исходят из следующих допущений: на рис. 3.15 показаны два луча, которые распространяются от передающей антенны к приемной: а) первый луч — прямого распространения; б) второй луч возникает за счет отражения от земли (из множества обра- зованных лучей у2 = Yi)« Рис. 3.15. Двухлучевое распространение радиоволн Таким образом, в точке приема оказываются только два луча, которые приходят в нее с различными амплитудами и фазами. В этом и состоит идея двухлучевой модели распро- странения радиоволн. В зависимости от соотношения расстояния г и расстояния прямой ви- димости г0 = 3,57 ([hi]1/2 + [h2]1/2), где hx и /г2 выражены в м, а г0 в км, возможны следующие формулы для определения напряженности поля в точке приема, за счет интерференции двух лучей: а) в общем случае амплитудное значение результирующей напряженности электриче- ского поля определится по формуле (рис. 3.15): £и = 245^/'^G1 /1 + Я2 +27?cos(<|) + —Аг) , мВ/м, (3.74) где R — модуль коэффициента отражения электромагнитных волн заданного диапазона от земли; ф — угол потери фазы при отражении; Аг — разность хода лучей: прямого 1 и отра- женного 2 (Аг = [(АС + СВ) - АВ]), (Pi в кВт, г в км, К и Аг в м). Таким образом, по сравнению с однолучевой моделью, амплитудное значение напря- женности электрического поля зависит от множителя ослабления: F(R, ф, Аг) = II + R2 + 2R соз(ф + — Аг), X (3.75)
АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН 91 который, в свою очередь, зависит от модуля коэффициента отражения R, угла потери фазы ф при отражении и разности хода лучей Аг. Для определения R и ф необходимо знать угол скольжения у, вид поляризации электромагнитной волны и электрические постоянные (ди- электрическая проницаемость и электропроводность) отражающей поверхности. Приближенное выражение для Аг определяется по формуле: Ar = (3.76) где т — коэффициент, зависящий от отношения высоты приемной антенны (или точки приема) над землей й2 и высоты поднятия передающей антенны h\ (при h\ > h2), а также па- раметра q = rKZR-htf12, (3.77) при этом коэффициент q) определяется из графиков рис. 3.16. Рассмотрим подробнее формулу (3.75), записанную в виде: F(R, ф, Аг) = /1 + 7?2 +2jRcos| ф+ . V \ J (3.78) Так как с расстоянием г меняется, угол скольжения у зависит от расстояния г, причем множитель ослабления F(R, ф, Аг) проходит последовательно через ряд максимумов: когда (L , 4л/гД^ л cos ф +---— = +1 и ряд минимумов: когда cos ф +----— = -1, при этом значения F в V Xr J V ) точках максимума равны: F = 1 + R, а в точках минимума: F = 1-R. Таким образом, величину F при F = 1 + R можно называть множителем ослабления ус- ловно, так как при R = 0,8 F = 1,8 > 1. Тх т-,/ \ 1 1Tf ~ Изменение F(г) в зависимости от аргумента косинуса ф +-— = Ф носит колебатель- V ный характер, при этом если Фтах = 2л;, первый максимум наблюдается при г 4^ 1 lmax X (2л-ф)
92 ГЛАВА 3 При увеличении г аргумент косинуса будет изменяться в пределах от 2л; до л, а сам множитель F будет монотонно уменьшаться, в пределе стремясь к нулю. Таким образом, при г < rlmax наблюдаются колебания величины F в пределах Fmax = 1 + R до Fmin = 1-7?. Определим точки максимумов и минимумов множителя F: ± 4xhh2 л - условия максимумов: ф +---— = 2пл , п = 1, 2, 3, ..., rk = var; Чтах 4лА1/г9 - условия минимумов: ф + — = (2к - 1)л,k = 1, 2, 3, ..., гк = var. 4min Рассмотрим численный пример. Пусть ф = л, 7? = 0,8, X, = 0,316 м, hi = 72 м, Л2 = 2 м. Тогда: - условия максимумов запишутся: 4л/^/г2 1822,8 ^тах ” к(2л-1)л ” k(2n-l) " (2/1-1) ’ при этом в зависимости от величины п значения расстояний, на которых будут наблюдаться условия максимума, составят: при п = 2г2тах = 607,6 м, п = Зг3тах = 364,56 м, п = 4r4max = = 260,4 м, п = 5г5тах = 202,5 м, п = 6г6тах = 165,7 м, п = Югютах = 95,9 м, и т.д.; - условия минимумов запишутся: 2hji2 911,4 Г‘™п ” к(к-1) ~ к-1 ’ при этом в зависимости от величины к значения расстояний, на которых будут наблюдаться условия минимума, составят: при к = 2r2min = 911,4 м, к = 3r3min = 455,7 м, к = 4r4min = 303,8 м, к = lOriomin = 101,26 м. Таким образом, согласно выражению (3.78) амплитудное значение результирующей на- пряженности электрического поля для двухлучевой модели на расстояниях г < rimax претерпе- вает изменения, называемыми интерференционными максимумами и минимумами, то есть в некоторых точках пространства условия приема будет соответствовать F = 1 + 7?, а в других — F= 1-7?. Численный пример по расчету напряженности электрического поля в точке приема для двухлучевой модели распространения радиоволн. Постановка задачи. Определить напряженность электрического поля в точке приема при следующих условиях: мощность излучения передающей антенны BTS Pi = 55 Вт, коэф- фициент усиления передающей антенны BTS Gi = 11, рабочая длина волны (f= 950 МГц) к = 0,316 м, высота поднятия передающей антенны BTS hi = 72 м; высота точки приема над землей h2 = 2 м, радиоволны распространяются над сухой почвой (ег = 4, а = 0,001 сим/м), поляризация — вертикальная, величины расстояний до точки приема г меняются дискрет- но: г, = 100 м; 1 км, 5 км, 8 км, 10 км (а угол скольжения: у, = (hi + /z2)/r - (0,74; 0,074; 0,015; 0,00925; 0,0074). Решение задачи. Разность хода лучей: Аг = 2/11/1^/ составит Аг, = 2,88; 0,288; 0,0576; 0,036; 0,0288. По графикам работы [3.1], при ег = 4, а = 0,001 сим/м и у 0,074 для вертикальной по- ляризации: 7? = 0,68 и ф = л; = 180° значение множителя ослабления найдется в виде: Ft = /1 + 7?2 + 27?cosl ф + — а его численные значения составят:
АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН 93 Fi = 0,81, F2 = 0,56, F3 = 0,946, F4 = 0,66, F5 = 0,56. To есть при вертикальной поляризации, если 0 = 0max, амплитудное значение напряженно- сти электрического поля найдется в виде: г 24570,055-11 г Fmi — Ft, ri и численные значения составят: ЕтХ = 1543,6 мВ/м, Ет2 = 106,7 мВ/м, Ет3 = 36 мВ/м, £ш4 = 15,7 мВ/м, Ет5 = 10,67 мВ/м. При малых углах скольжения у и при условии г 2> 4hMK (3.79) когда R « 1, а ф « л, формула (3.74) упрощается: = 245>/P^fi..2 sin (3.80) то есть формула (3.80) характеризует интерференционную структуру электромагнитного поля, при этом максимумы наблюдаются при sin < ^max = 1, а минимумы при . (2тстЕК sin ----— = о, 4/пЛД 2/п/гД то есть при г =------, п - 1, 2, ..., и г . =----—, к = 1, 2, 3, ..., Р тах Х(2м-1) т,п первый максимум наблюдается на расстоянии, равном: rmaxl =----—, X, • 1 ZmhJi? а первый минимум на расстоянии, равном: rminl =-. X Численный пример. При т = 1, h\ = 72 м, h2 = 2 м, К = 0,316 м: Птах = 1822,8 м, rlmin = 911,4 м. Таким образом, интерференционные формулы (3.74) и (3.80) характеризуют не только изменение уровня электромагнитного поля в различных точках от передающей антенны вдоль координаты г, но и пространственное изменение, приводя к многолепестковым диа- граммам направленности в вертикальной плоскости, h.h Для условий О,8го > г > 18-^ X расчет амплитудного значения напряженности электрического поля Ет целесообразно про- водить по формуле Введенского: = 6’08VPw>rGi mhJh , мВ/м г2 к (3.81) (3.82) В зоне тени, когда г > г0, Ет целесообразно рассчитывать по приближенной формуле: Em = 245>/P^gi , мВ/м, (з,8з) Г где W(f) — дифракционный множитель ослабления, определяемый по графику (рис. 3.17) на частоте 1000 МГц.
94 ГЛАВА 3 Рис. 3.17. Зависимость дифракционного множителя ослабления от расстояния Обобщим полученные результаты. Как следует из выражений (3.74) и (3.80), амплитуда напряженности электрического по- ля в общем случае является функцией ряда параметров: Ет = Em(Pzl,Gl,h1,h2,r,'k,R,^,^r). (3.84) Для определения условий устойчивого приема на практике обычно задаются следующи- ми параметрами: Pzl,G1,hl,h2,r,'k,R,ф, Аг, и определяют функцию: (3.85) Кроме того, на практике очень часто необходимо знание плотности потока мощности в точке приема, величина которого (среднее значение за период): „ Ет2 1 ТГ 2 „ 120л П-—2- = -Ят2г„,где Z„ лгу т tf 7 D / 2ZB 2 V£r Рассмотрим некоторые численные примеры по расчету Ет и П, как функций от расстоя- ния г, при кг = const. Постановка задачи. Пусть основные параметры задачи имеют следующие значения: мощность излучения антенны BTS Р^\ = 50 Вт; высота поднятия антенны BTS = 50 м; сред- няя рабочая частота f= 900 МГц (к = 0,333 м); коэффициент усиления антенны BTS Gi = 1,64; высота поднятия приемной антенны й2 = 2 м; диаграммы направленности передающей и при- емной антенны: в вертикальной плоскости Fy? = sinO, в горизонтальной плоскости: FHp = 1; расстояние г от BTS до точек приема меняется дискретно: г = 0,1; 1,0; 10; 35 км. Решение задачи. Условия излучения передающей антенны в дальней зоне: г » rg = 5,3 см — соблюдают- ся. Расстояние прямой видимости при отсутствии тропосферной рефракции составит: r0 = 3,57(7^+ >/^)-3,57(>/50+ 5/2)-30,24 км. При г < О,8го, то есть при г < 24 км, величина Ет найдется по формуле (3.74) (при г = 20 Е 2 км; R = 0,8; ф = 160°; Дг = 0,11 м): Ет = 4,82 мВ/м, П2 = -=- = 0,03 мкВт/м2. 2го
АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН 95 4/l/i 4-50-2 При г =--------------= 1201 м = 1,2 км, При R « 1, ф « л, найдем Ет по формуле (3.80): к 0,333 Ет =45,54 мВ/м. П2 =2,75 мкВт/м2. hh При О,8го > г > 18 , то есть 24 > г > 5,4 км, то есть г = 10 км: X Ет =7,58 мВ/м. П2 =0,076 мкВт/м2. При г - 100 км > 35 км: Ет = 0,07 мВ/м, П2 = 13 -10"12 Вт/м2= 13 пВт/м2. Из численного расчета зависимостей Ет (г) и П2 (г) следует: при мощностях Р^\ - 50 Вт BTS в диапазоне расстояний 35 > г > 1 км от BTS значения амплитуд напряженности элек- трического поля для двухлучевой модели лежат в пределах: Ет - (2...5) мВ/м, а значения плотностей потока мощности: П2 = (0,01...2,75) мкВт/м2. 3.6. Параметры систем радиосвязи Под коэффициентом усиления системы радиосвязи понимают отношение мощности пере- датчика к пороговой чувствительности приемника: Gs-PПРД /РЛРА/min, (3.86) или в децибеллах: Gs = РПрд -Рдрмтт, (3.87) при РПРД = 101g , РПРМпйа = 101g . 1 мВт мВт Воспользуемся выражением (3.81) (для однолучевой модели) и определим величину Gs в виде: Gs = 22 + 201g(r/r0) - 2Olg(X/Xo) + 0,436(аф1/ф1 + аф2/ф2) - lOlgGi - 101gG2, (3.88) где r0 = 1 м, Ко = 1 м, афь аф2 — коэффициенты затухания фидеров соединяющих выход пе- редатчика с выходом антенны и выхода приемной антенны с выходом приемника, соответ- ственно, /фь /ф2 — длины фидеров, Gx и G2 — коэффициенты усиления передающей и при- емной антенн. Следует отметить,что выражение (3.88) справедливо при величине Рпрмтт минимальной принимаемой мощности, необходимой для достижения приемлемого уровня выходного сигнала и максимального значения вероятности ошибки на бит (BER). Для сетей мобильной телефонной связи BER принимается равной BER = 3-10-2, для каналов передачи данных в таких системах BER = 10-6. Для более сложных случаев, когда имеет место рас- пространение радиоволн непрямой видимости, выражение (3.88) усложняется, и в нем до- бавляются дополнительные члены, характеризующие потери при непрямой видимости. Численный пример. Пусть г = 10 км, G\ - G2 = 1,64, К = 0,333 м, аф1 = аф2 = 0,1 дБ/м, /Ф1 = 10 м, /ф2 = 1 см, тогда: Gs = 107,69 дБ, то есть при Рцрд - 50 Вт, величина чувствитель- ности приемника должна быть: Рпрмтт - -60,69 дБм. Максимальная зона обслуживания Выражение для дальности радиосвязи гтах (или максимальное расстояние, на котором мо- жет осуществляться обслуживание при распространении радиоволн в свободном простран- стве в пределах прямой видимости) можно получить из выражения:
96 ГЛАВА 3 Р//тт1п/Рпрд = [(?! G2 Х2/(4л rmax)2] . (3.89) Гтах = [Р/7РДС1 G2 k2/(4n)2-POTA/min]1/2- е"0’5<аф|/ф'+аф2'*2). (3.90) Рассмотрим численный пример. Пусть Рпрд- 50 Вт, Gi = G2 = 1,64, к = 0,333 м, AzPMmin = 10’4 мкВт (-100 дБ/м), аф1 = аф2 = 0,1 дБ/м, 1ф1 = 10 м, /ф2 = 1 см, тогда: гтах « « 18,6 км. Таким образом, выражение (3.90) может быть использовано для оценочных расчетов максимального радиуса соты для высоко поднятых антенн при распространении радиоволн в пределах прямой видимости. Расчет медианного значения мощности принимаемого сигнала Для расчета медианного значения мощности сигнала, принимаемого антенной мобильной станции в городских условиях, можно использовать следующее уравнение, в котором все величины приведены в децибелах (дБ) [3.6]: 4=JP0-^(AO + H1(/11,r) + H2(/l2,r) + /Csl+KS2+K;s+K(, (3.91) где РР —вычисленное значение мощности принимаемого сигнала, Р$ = PiGiG2 (Х/4лт)2 — мощность в точке приема при передаче в свободном пространстве, Am(fr) — фактор измене- ния медианного значения мощности в городе относительно затухания в свободном про- странстве при эффективной высоте антенны центральной станции hi = 200 м и высоте ан- тенны на мобильной станции h2 = 3 м. Зависимость Am(f,r) для диапазона частот [3.9]: на частоте /= 900 МГц: на г = 1 км — Ат = 20 дБ, на г = 10 км — Ат = 30 дБ, г = 30 км — Ат = 35 дБ, на частоте /= 2000 МГц: на г = 1 км — Ат = 23 дБ, на г = 10 км — Ат = 33 дБ, на г = 30 км —Ат = 40 дБ; Hi(hb г) — фактор «высота-усиление» в децибелах для мобиль- ной станции с h2 = 3 м, движущейся в городе (этот фактор является функцией расстояния), например, на частоте 900 МГц, при hi = 100 м и г = 1 км Н\ > -10 дБ); KSi — поправочный коэффициент для пригородной зоны и открытой местности (на f = 900 МГц в пригородной зоне Ksi **Ю дБ, для открытой местности KSi = 10 дБ); KS2 — поправочный коэффициент «для земной поверхности с наклоном», который для расстояний 10 км и среднем угле на- клона 0 = lOYKsi ~ 2 дБ на частоте f= 900 МГц; К® — поправочный коэффициент для уча- стка поверхности «земля-море», который позволяет скорректировать значение затухания сигнала, когда на его пути встречается вода (при отношении гВодаЛ*суша 40% К\$ ~ 2 дБ, при Гвода/Гсуша 80% K\s ~ 10 дБ); Kt — поправочный коэффициент для холмистой местности (при Ah ~ (10...40) м, Kt -[()...(-!())] дБ, при Ah ~ 100 м, Kt —20 дБ). В дополнение к этим попра- вочным коэффициентам можно использовать и другие, учитывающие такие факторы, как, например, влияние одиночных горных хребтов, ориентацию улиц относительно местополо- жения центральной станции, наличие или отсутствие листвы на деревьях, влияние атмосфе- ры, холмистость местности и положение мобильной станции относительно медианного зна- чения высоты. Эти факторы с учетом того, что поправочные коэффициенты и основные ко- эффициенты Ат, Н19 Н2 являются усредненными величинами, полученными эксперимен- тальным путем, указывают на то, что возможно расхождение между измеренными и теоре- тическими рассчитанными значениями. Численный пример. Постановка задачи. Пусть f= 900 МГц, Pi = 55 Вт, Gi = 11,1, G2 = 1, г = (0,1...35) км, Am(f, г); при г = 1 км —А„;(900,1) = 20 дБ, при г = 10 км —Aw(900,10) = 30 дБ, при г = 35 км —
АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН 97 Aw(900,35) = 35 дБ, величина фактора: Hi(/zBts, г): Hi(100 м, 10 км) = -15 дБ, факторы: H2(hMS, г) = Я2(3,1) = -2 дБ, KS1 (900,1) = 10 дБ, KS2 (900,10) ~ 2 дБ, ~ 2 дБ, Kt - -5 дБ. Численный расчет. Л tv _ М2 Вт Г м Р 0 42 2. П'^(дБм) = 101g= 101g-^—4---------------101g(0,42-106 /г\„). 1 Г ’ 1 Вт/м2 Вт/м2 з. nMS = 10lg(0,42 • 106 / г 2т ) - А, (900, г) + (+(-15) + (-2) -10 - 2 - 2 - 5) = = 10 lg(0,42 • 106 / г2 ) - Ат (900, г) - 36. 4. При г = 1 км: nMS = 101g(0,42106) - 20 - 36 = 0,23 дБ/Вт/м2. 5. При г = 10 км: nMS = 101g(0,42- 10б/100) - 56 * -20 дБ/Вт/м2. Таким образом, при изменении расстояния от г = 1 км до 10 км изменение плотности потока мощности составит ДПМ8 = -20 дБ/Вт/м2, что соответствует экспериментальным данным. Модель многолучевого распространения радиоволн Модель распространения, стандартизированная Group Special Mobile, была разработана для стандарта глобальной цифровой сотовой сети [3.4], при этом была предложена схема много- отводного имитатора релеевско/райссовских замираний (рис. 3.18). Рис. 3.18. Модель многолучевого распространения, стандартизированная Group Special Mobile В приведенной структурной схеме: ПРД — передатчик, ПРМ — приемник, АБГШ — аддитивный белый гауссовский шум. В стандарте GSM специфицировано до 12 отводов, при этом в сумматоре складываются сигналы с различной амплитудой, фазой и временем рассеяния, а также с сигналом помехи в виде аддитивного белого (гауссовского) шума, то есть _z-0 -уоп, с (3.92) 4-632
98 ГЛАВА 3 где Ri — амплитуда огибающей высокочастотного сигнала, ср, — его фаза и т, — время рас- сеяния огибающей радиосигнала, RA — белый гауссовский шум. В имитаторе GSM, показанном на рис. 3.18, для каждого отвода определяются условия распространения электромагнитных волн на трассе непрямой видимости (NLOS — Not Line-Of-Sight) с амплитудами, распределенными по закону Релея, меняющимися в соответ- ствии с доплеровским спектром. Отдельная трасса прямой видимости [LOS — Line-Of- Sight] моделируется с применением райссовской функции распределения. Для систем GSM специфицированы четыре вида доплеровских спектров, которые используются для модели- рования и испытаний систем GSM [3.4]: 1) CLASS — классический доплеровский спектр, который может использоваться для трасс с задержками, не превышающими 500 нс: S(f) = A/^l-(f/fd)2 для/G[-fd,f\, (3.93) где А = А (/Ь, hb, hms) = 69,55 + 26,16 lg(/b//) - 13,82 lghb/h0 - a^/ho) (3.94) потери из формулы Окумуры (Okumura), fd = vf0/c — доплеровский сдвиг частоты, /0 — не- сущая частота высокочастотного сигнала, f— текущая частота, hms — высоты поднятия антенн BTS и MS, a(hmslho) — параметр, h$ — 1 м,/— МГц. 2) GAUS1 —сумма двух функций, используется для значений дополнительной задерж- ки, лежащих в диапазоне от 500 нс до 2 мкс: (GAUSl)S(f) = G (A; -0,8/d; 0,05 fd) + G (А2; -0,4/d; 0,1 fd\ (3.95) где A — определяется по формуле (3.94), G(A, fa, /2) = A exp [HZ-/1 )2/2/22] (3.96) гауссовская функция, fa = -0,8 fd или — 0,4 /d; fa = 0,05 fd или 0,1 /d; Ai — на 10 дБ меньше A. 3) GA US2 —сумма двух функций, использующаяся для трасс с задержками, превышаю- щими 2 мкс: (GAUS2)S(J) = G (В; 0,7 fd; 0,1 Л) + G (B^-O^fa; №fd), (3.97) где В - B(hb} = 44,9 - 6,55 lg/ib (3.98) Bl — на 15 дБ меньше В, G (В, fa, fa) = В exp H/-/i)72/22] (3.99) гауссовская функция, fa = 0,7 fd или -0,4 fd; fa = 0,1 fd или 0,15 fd. 4) RISE — сумма классического доплеровского спектра и одной дискретной составляю- щей, соответствующей прямому лучу. Этот спектр используется для самой короткой трассы модели GSM: (RISE) S(f) = 0,41/2< / Ji-(///J2 +0,916(7 - Л) для/е[-д/Д (3.100) где b(f-fd) — дельта функция. Имитационная модель распространения радиоволн в условиях холмистой местности для системы GSM приведена в табл. 3.1. В данной модели устанавливаются параметры: относи- тельное время, средняя относительная мощность и доплеровский спектр для 12 отводов. Таблица 3.1. Имитационная модель распространения радиоволн Номер отвода Относительное время, мкс Средняя относительная мощность, дБ Доплеровский спектр 1 0,0 -10,0 CLASS 2 о,1 -8,0 CLASS 3 0,3 -6,0 CLASS 4 0,5 -4,0 CLASS 5 0,7 0,0 GAUS1
АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН 99 Таблица 3.1 (окончание) Номер отвода Относительное время, мкс Средняя относительная мощность, дБ Доплеровский спектр 6 1,0 0,0 GAUS1 7 1,3 -4,0 GAUS1 8 15,0 -8,0 GAUS2 9 15,2 -9,0 GAUS2 10 15,7 -10,0 GAUS2 11 17,2 -12,0 GAUS2 12 20,0 -14,0 GAUS2 Уровень электромагнитного излучения антеннами BTS в пределах соты Рассмотрим простейшую методику численного расчета плотности потока мощности, как функции от расстояния от антенны передатчика базовой станции, при заданных: высоте подъема антенны (/и), диаграмме направленности Fi(0), коэффициенте усиления антенны Gi, множителе ослабления W и высоте точки приема (h2). Пусть в первом приближении рас- чет напряженности электрического поля в точке приема будет проводиться для однолуче- вой модели, тогда действующие значения напряженности электрического поля (при верти- кальной поляризации) и направленных свойств F(0) = sin0 антенны базовой станции, при F(89,51°) = 1 запишется: Е\ = 173 [Свте Рквт/г (km)]1/2 WF(0), (3.101) а величина плотности потока мощности (Power Density — PD): П = Ei2/120n (Вт/м2). (3.102) Рассмотрим численный пример (рис. 3.19). Рис. 3.19. Определение плотности потока мощности, излучаемой антенной BTS, в произвольной точке приема 4*
100 ГЛАВА 3 Постановка задачи. Пусть необходимо определить плотность потока мощности в точке приема П (г, 0) при следующих допущениях: Рг = 55 Вт — мощность излучения передаю- щей антенны BTS; Gr = 11,1 — коэффициент усиления передающей антенны BTS; Wz 1 (для однолучевой беспоглощающей модели); F(0) — меняется в зависимости от угла 0 сле- дующим образом: а) при г = 10 км, F(0 = 89,51°) = 1; б) при г = 1 км, F(0 = 86°) = 0,998; в) при г = 0,1 км, F(0 = 54°) = 0,81; г) при г = 0,01 км, F(0 = 8°) = 0,14. Численный расчет. 1) На расстоянии равном г - 35 км (максимальный радиус соты стандарта GSM) величина напряженности электрического поля будет равна Ei = Ех = 173 [Gbts-^kbt/г (km)]1/2-W-F(0) = 3,86 мВ/м, а плотность потока мощности П! = Е^/ЗГЛ - 3,96-10-6 мкВт/см2. Для этого случая П (дБ/Вт/м2) = 101g(n/l Вт/м2) = 101g(39,610-8) = -64 дБ/Вт/м2. 2) При г = 10 км: Ei = 13,5 мВ/м, П (г = 10 км) = 0,485-10"3 мкВт/см2, П3 = -60,3 дБ/Вт/м2, то есть прирост PD составит — АП = П2 - П1 = 4 дБ; 3) При г = 1 км, F(0) = 0,998: Ех = 134,9 мВ/м, П3(г = 1 км) = 4,83-10’3 мкВт/м2, П3 = -43,16 дБ/Вт/м2, то есть прирост PD составит — АП = П3 - П2 = 17,14 дБ. 4) При г = 0,1 км, F(0) = 0,81: Ех = 1094,9 мВ/м, П (г = 0,1 км) = 0,31797 мкВт/см2, П4 = -24,976 дБ/Вт/м2, то есть прирост PD составит АП = П4 - П3 = 18,18 дБ. 5) При г = 0,01 км, F(0) = 0,14: Ei = 1892,36 мВ/м, П (г = 0,01 км) = 0,95 мкВт/см2, П5 = -20,2 дБ/Вт/м2, то есть прирост PD составит АП = П5 - П4 = 5 дБ. Как следует из расчетных данных, значения плотности потока мощности П (г, 0) даже при г = 0,1 км не превышают величины 1 мкВт/см2. При увеличении расстояния г от 1 до 10 км изменение величины плотности потока мощности составляет АП = -17,14 дБ, а при увеличении расстояния г от 10 до 35 км соот- ветственно — АП = -21 дБ. Экспериментальные исследования зависимости мощности принимаемого сигнала от расстояния до базовой станции в условиях города Одной из главных проблем в оценке условий распространения радиоволн является описа- ние процессов ослабления мощности принимаемого сигнала при удалении приемной стан- ции от передатчика центральной станции. В реальном случае уровень принимаемого сигна- ла будет заметно флуктуировать из-за изменений высоты зданий, ширины улиц и характера местности. Поведение медианного значения мощности принимаемого сигнала, как показали эксперименты [3.7-3.9], таково, что уровень сигнала уменьшается более быстро, чем растет расстояние между мобильным объектом и центральной станцией, то есть формула для опре- деления мощности в точке приема: Р2 = Pi-GiG2(X./4nr)2, (3.103) которую используют для оценки мощности принимаемого сигнала при передаче в свобод- ном пространстве, уже не может быть использована даже для грубых оценок в городских условиях. На рис. 3.20 показаны зависимости мощности принимаемого сигнала [по отношению к уровню 0 дБ (относительно 1 мВт)] от расстояния Р2(г), усредненную по экспериментам
АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН 101 для трех городов: Филадельфия [3.8] (/*=836 МГц, hx = 150 м, h2 = 3 м), Нью-Йорк [3.7] (/*= 922 МГц, = 140 м), Токио [3.9] (/*= 922 МГц, hx = 140 м, h2 = 3 м), при этом все изме- рения были проведены на частотах, близких к/= 900 МГц, и с достаточно высоко располо- женными антеннами BTS. Рис. 3.20. Зависимости мощности принимаемого сигнала Р2(г) [0 дБ (по отношению к уровню 1 мВт)] от расстояния г: 1 — РРВ в свободном пространстве; 2 — РРВ в городской зоне Как следует из графиков рис. 3.20, измерения показали следующие особенности функ- ции Р2(г)\ - резкое падение медианы значения мощности принимаемого сигнала с увеличением расстояния; - большее затухание сигнала по сравнению с соответствующим затуханием в свобод- ном пространстве. Измерения позволяют допустить, что мощность принимаемого сигнала примерно одина- ково изменяется в различных городах по закону 1/гп, где п — определяется эксперименталь- но и лежит в пределах: 2 < п < 4 в зависимости от расстояния г до мобильной станции, то есть Р2экс = Л-<7г<72(Х/4л)2/г". (3.104) Изменение затухания принимаемого радиосигнала в зависимости от рабочей частоты BTS В городских условиях затухание сигнала возрастает с ростом рабочей частоты. Зависимость мощности принимаемого сигнала от расстояния при постоянной высоте передающей и при- емной антенн имеет характер [3.6]: Р2(/)-Ртеа-1/Г, где Pmed — медианное значение мощности принимаемого сигнала, f— рабочая частота, п — показатель степени. На рис. 3.21 показаны кривые изменения показателя п(г) при /i = 1000 МГц и f2 = 2000 МГц, из которых следует, что значение п сохраняет почти постоянную величину для рас- стояний от базовой станции, не превышающих г 10 км (для/i = 1000 МГц при увеличении г уменьшение мощности сигнала с частотой становится более быстрым).
102 ГЛАВА 3 Рис. 3.21. Кривые изменения показателя л(г) при fi = 1000 МГц и = 2000 МГц Зависимость мощности принимаемого радиосигнала от высоты поднятия антенн BTS и MS Выше были приведены формулы для расчета напряженности электрического поля Eg и плотности потока мощности П в точке приема для случая распространения радиоволн над плоской поверхностью земли, в которых функция F зависела от высот поднятия антенн ба- зовой и мобильной радиостанций. Потери мощности при передаче над плоской земной поверхностью приближенно опи- сываются соотношением [3.15]: Pr = Pl-Gl-G2(hx-h2/r2)\ (3.105) из которого следует, что увеличение мощности принимаемого сигнала на 6 дБ соответству- ет увеличению в 2 раза высоты поднятия антенн — либо BTS — Ль либо MS — h2. В реальных условиях антенна на подвижном объекте обычно скрыта, а антенна на базо- вой станции возвышается над местностью. Как показал Окамура [3.6], изменение напряженности электрического поля принимае- мого сигнала с расстоянием и высотой антенны, по существу, одинаково для всех частот в диапазоне от 200 до 2000 МГц. Для расстояний между антеннами BTS и MS, не превыщающих г <, 10 км, мощность принимаемого сигнала изменяется почти пропорционально квадрату высоты поднятия ан- тенны базовой станции (6 дБ на октаву). Высота антенны на мобильном объекте h2 не пре- вышает обычно 4 м. Изменение высоты поднятия антенны мобильной станции от h2 =1,5 м до h2=3 м, то есть h2/h2 = 2, приводит к росту фактора «высота-усиление» на 3 дБ (по мощности это соответствует возрастанию в 2 раза). 3.7. Влияние лесных массивов на распространение радиоволн Общие положения Существует большое количество факторов, влияющих на распространение радиоволн сквозь деревья и над ними: зависимость от густоты кроны (лето-зима), различия высоты
АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН 103 деревьев, влажности, размеров листьев, расположения деревьев, их породы и т.д.; зависи- мость от диапазона радиоволн и связанного с этим влияния ветвей, стволов, листьев на ос- лабление и рассеяние радиоволн. Возможность сопоставительной оценки экспериментальных данных между собой и с теоретическими результатами по распространению радиоволн различных диапазонов в лес- ных массивах чрезвычайно сложны ввиду того, что многие эксперименты проводились без должного эталонирования как по характеристикам измерительной аппаратуры, так и по пара- метрам лесных массивов, а математические модели распространения достаточно громоздки. Рассмотрим влияние лесных массивов на условия распространения радиоволн децимет- рового диапазона, используемого в системах сотовой мобильной связи. Как известно, при проектировании сотовой системы мобильной связи возникает про- блема равномерного радиопокрытия территорий, которые могут включать значительные площади, покрытые лесной растительностью [3.13]. В связи с этим необходимо иметь дос- таточно точную информацию о влиянии лесов на условия распространения радиосигналов дециметрового диапазона между BTS и MS. Как показано в работах [3.9, 3.25], главными причинами изменения электромагнитного поля, распространяющегося сквозь лесной массив, в точке приема являются: - процессы затухания за счет потерь энергии в стволах, ветвях, листьях и пр.; - процессы дифракции на элементах структуры деревьев, что приводит к флуктуациям амплитуды и фазы радиосигнала, к изменению его спектра при ветровых нагрузках на деревья; - результирующее электромагнитное поле в точке приема представляет собой интерфе- ренционное поле, составляющими которого являются: рассеянные после дифракции компоненты поля; возникающие дополнительные (например, ортогональные) составляющие электро- магнитного поля, приводящие к кросс-поляризации принимаемого сигнала; отражение поля от подстилающей поверхности леса, приводящее к дополнитель- ным флуктуациям радиосигнала; изменение плотности лесных массивов с изменением времени года, приводящее к изменению удельного коэффициента затухания; изменение влажности леса с изменением погодных условий; изменение положения элементов деревьев в зависимости от ветровой нагрузки, при- водящие к флуктуациям поля; изменение положения мобильной станции MS относительно BTS и лесного массива и др. В рекомендациях (Recommendation ITU) R.P.833.3 [3.16] главным параметром, оцени- вающим интегральный эффект влияния леса на радиосигнал, является удельный коэффи- циент затухания а (дБ/м). Если оценить влияние рассмотренных выше причин, эффективный погонный коэффи- циент затухания в лесу может быть выражен в виде функционала: а = a{k,iF,fFXP,L/KhF/k,hA/K,D/k,Uw /Uf,Fs //,х}, (3.106) где \ = c/f —рабочая длина волны (f—частота); ef —комплексная диэлектрическая про- ницаемость элементов леса (знак F — forest); ef — комплексная диэлектрическая прони- цаемость деревьев; fF — объемная концентрация деревьев (густота леса); — угол, ха- рактеризующий поляризацию электромагнитной волны, излученной антенной BTS; L — длина радиопути в лесном массиве; hF — высота деревьев; hA — высота поднятия антенны
104 ГЛАВА 3 (для BTS — для MS — h2); D — расстояние между MS и BTS; Uw — скорость ветра (вне леса); UF — эффективная скорость ветра в лесу; Fs — частота колебаний стволов, веток и листьев под действием ветровой нагрузки; х — критерий, характеризующий условия переиз- лучения электромагнитных волн деревьями при увеличении их влажности (в условиях дождя, снега, тумана). Радиопрозрачность лесных массивов В зависимости от диапазона рабочих частот лесные массивы могут быть [3.9, 3.19, 3.22, 3.25]: - радиопрозрачными на частотах f < 10 МГц, при этом интегральный погонный ко- эффициент затухания (damping coefficient или attenuation coefficient) составляет а < (ЮЛ-КГ3) дБ/м; - полупрозрачными в диапазоне частот 10 <f <100 МГц, при этом интегральный по- гонный коэффициент затухания лежит в пределах (10~3 < а < 10-2) дБ/м; - сильно поглощающей средой в диапазоне частот 100 < f < 2000 МГц, при этом инте- гральный погонный коэффициент затухания лежит в пределах 10-2 < а < 10-1 дБ/м; - практически радионепрозрачной средой на частотах f > 2 ГГц, при этом интеграль- ный погонный коэффициент затухания превышает а > 10-1 дБ/м. Следует отметить, что для системы сотовой мобильной связи стандарта GSM 900/1800/1900 лесные массивы при сквозном распространении радиоволн представляют собой сильно поглощающие среды. Зависимость затухания от электрических параметров лесных массивов В работах [3.9, 3.10] получены выражения для определения эффективной комплексной ди- электрической проницаемости неоднородной среды путем интегрирования уравнений Максвелла по объемам больших масштабов неоднородностей. Затем из уравнений при соот- ветствующих приближениях можно получить величину эффективного коэффициента зату- хания ат в зависимости от вида модели. Модель I неоднородной среды (рис. 3.22) — лес представляет собой сложную структуру. Рис. 3.22. Модель I неоднородной среды
АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН 105 При допущении, что лесной массив представляет собой вертикально ориентированную в пространстве слоистую структуру, для которой при вертикальной поляризации электро- магнитных волн эффективная комплексная диэлектрическая проницаемость определяется [3.25]: ~ £1 (1 ~ fp ) + ^F * fp ’ ИЛИ ^- = l + (£f El а величина эффективного коэффициента затухания: ” «а/Ёл ’ л/Ё? • a/A2+bi2 ’ sin[i arctg(B1 /Д )], где Д =1 + (е^ - l)fF,l J Рассмотрим численный пример: пусть f = 1000 МГц, Cj «1, е^=7. е" « 0,7, fF = 0,02, тогда awl = -0,0207 Нп/м или аш1 « -0,18 дБ/м. При длине радиолуча в лесу £ = 100 м, рабочее затухание составит: ат = = “18 дБ. т ml (3.107) (3.108) (3.109) (3.110) Модель II неоднородной среды (рис. 3.23) — лес представляет собой набор сфер (при fda 0,25). Рис. 3.23. Модель II неоднородной среды При допущении, что деревья весной и летом имеют квазисферическую форму, эффек- тивная комплексная диэлектрическая проницаемость лесного массива имеет вид [3.25]: е = е т J (3.111) а величина эффективного погонного коэффициента затухания аш определяется из выражения: • sin< ^[arctg(B /А) - arctg(D/С)] j>, (3.112)
106 ГЛАВА 3 где А = t'F(l + 3fF) + (2-3fF); B = e"(1 + 3/f); С = sF + 2; D = zf. J (3.113) Рассмотрим численный пример: пусть f =1000 МГц, Cj = 1, =7, е" =0,7, fF =0,02, тогда: аш2 =-0,378 дБ/м, то есть при длине радиолуча! = 100 м рабочее затухание составит — ат = am2L = -37,8 дБ. Как следует из выражений (3.109) и (3.111), для частоты f = 100 МГц величины ат будут иметь: аш1(100) = -0,018 дБ/м (для Модели I), аш2(100) = -0,0378 дБ/м (для Модели II), то есть лесной массив является радиополупрозрачной средой. Для частоты радиосигнала/= 10 МГц величины: awl(10) =-0,0018 дБ/м, аш2(Ю) = = -0,00378 дБ/м, то есть лес является практически радиопрозрачной средой. Таким образом, рассмотренные выше две простые модели распространения радиоволн в лесном массиве позволяют рассчитать пределы, в которых могут лежать реальные значения величин am(f), полученные экспериментальным путем. Сопоставительный анализ результатов моделирования и экспериментов Проведение экспериментальных исследований по распространению радиоволн в лесах тре- буют сложной и дорогостоящей аппаратуры (спектроанализаторов) и, кроме того, в зависи- мости от времени года, погодных условий, расположения передающей и приемной антенн, вида поляризации ЭМВ, плотности лесного массива и т.д. — дают большой разброс значе- ний эффективных коэффициентов затухания затуханий am(f). Поэтому в табл. 3.2 для сопоставления величин am(f), следующих из теории [формулы (3.109) и (3.111)], и экспериментальных (на соответствующих фиксированных частотах) данных, а также значений am(f), принятых в стандартах [3.18], сведены численно рассчитан- ные величины am(f) и значения am(f), полученные экспериментальным путем, и принятые стандартные величины [3.9, 3.16, 3.18, 3.19, 3.24]. Сопоставительный анализ значений am(f) табл. 3.2 показал следующее. До значений частот /<10МГц лесные массивы можно считать радиопрозрачными («,„(/)<;-0,00378 дБ/м). В диапазоне частот 10 < f < 100 МГц лесные массивы полупрозрачны, при этом на час- тоте 82 МГц— теоретическое значение ат меньше экспериментального: аш2 =-0,03 дБ/м, а атЭ = -0,0525 дБ/м [3.22]. Следует отметить, что в работе [3.22] нет указаний о времени года, погодных условиях и густоте леса. Для густого лиственного леса на частоте f =100 МГц в работе [3.21] получены значе- ния а: т - для вертикально поляризованных электромагнитных волн: av =-0,06 дБ/м; - для горизонтально поляризованных: ah = -0,03 дБ/м.
АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН 107 Таблица 3.2. Результаты моделирования, экспериментов и значения принятые в стандартах /, МГц Теория Эксперимент Стандарты Модель I Модель II -аш, дБ/м Источник -am, дБ/м Источник 10 0,0018 0,00378 82 0,01435 0,03 0,0525 [3.22] 100 0,018 0,0378 av = 0,06; ah = 0,03 [3.21] 0,093 [3.18] 200 0,036 0,0756 210 0,0378 0,079 0,0785 [3-9] 300 0,0545 0,1145 од [3.22] 450 0,081 0,17 500 0,09 0,189 540 0,0972 0,204 av = 0,2; ah = 0,18 [3.21] 0,25 [3.18] 900 0,162 0,34 1000 0,18 0,378 1200 0,216 0,4536 OLv=OLh = 0,35 [3-21] 1800 0,324 0,68 1900 0,342 0,718 2000 0,36 0,756 3000 0,54 1,134 3200 0,576 1,21 av = ah = 0,5 [3.20] 5000 0,9 1,89 9600 1,728 3,63 10000 1,8 3,78 15000 2,7 5,67 30000 5,4 11,34 Это значит, что лесной массив, как полупрозрачная среда, более резко влияет на рас- пространение вертикально поляризованных электромагнитных волн (ЭМВ) (влияние ство- лов деревьев), при этом значения ат при эксперименте близки к теоретическим значениям Модели II (то есть из формулы (3.111) получается среднее между -0,06 дБ/м и -0,03 дБ/м). Более высокие значения ат приведены в работе [3.18], в которой нет указаний на густоту леса и его параметры. На частоте f = 210 МГц значения ат из экспериментов [3.9] очень близки к значениям ат , полученным на основании Модели II, то есть аш(210) s -0,079 дБ/м. На частоте/= 300 МГц теоретическое значение ат на основании Модели II достаточно близко к экспериментальному ат s -0,1 дБ/м [3.22], что обнадеживает в возможном практи- ческом использовании формулы (3.111).
108 ГЛАВА 3 На частоте 540 МГц Модель II позволяет определить ат, близким для значений — av= -0,2 дБ/м [3.25] и av= -0,25 дБ/м [3.18]. Значение aw = -0,25 дБ/м, по-видимому, получено в работе [3.18] для леса с большей плотностью (концентрацией) лесной растительности, то есть fF > 0,02. Следует отметить, что в работе [3.21] получены два значения коэффициентов затуха- ния ат: для вертикально поляризованной ЭМВ величина av=-0,2 дБ/м больше значения сц = -0,18 дБ/м для горизонтально поляризованной электромагнитной волны. Это физиче- ски просто объяснимо, так как в структуре леса основными поглощающими элементами де- ревьев являются вертикальные стволы, влияние которых резко сказывается именно на вер- тикальной составляющей напряженности электрического поля. В диапазоне частот от 100 до 540 МГц лес становится все более активно поглощающей средой. Так, для длины радиолуча в лесу L = 100 м рабочее затухание на частоте 540 МГц «(540) = -aw(540) Z = -0,2400 = -20 дБ, а при L = 1000 м => «(540) = -200 дБ. В диапазоне частот, используемых в системе мобильной сотовой связи стандарта GSM 900/1800/1900, известны только экспериментально найденные значения эффективных коэффициентов затухания на фиксированной частоте /= 1200 МГц [3.21], при этом av = оц = -0,35 дБ/м, что является близкой к средней величине между теоретическими значе- ниями, следующими из Моделей I и II: а = -0,335 дБ/м. Поэтому, можно допустить, что на частоте 900 МГц ат < -[0,25...0,3] дБ/м, на частоте 1800 МГц — ат — -0,5 дБ/m, на частоте 1900 МГц ат & -0,53 дБ/м. Таким образом, лесные массивы для радиоволн в системах мобильной связи являются сильно поглощающими средами. Например, при длине радиолуча Г = 100 м эффективное рабочее затухание составит на час- тоте 900 МГц а(900) = -0,3 100 = -30 дБ, на частоте 1800 МГц а(1800) = -0,5 100 = -50 дБ; а при L = 1000 м соответственно а(900) = -300 дБ, а а(1800) = -500 дБ. На частотах, близких к 3200 МГц, среднее теоретическое значение коэффициента зату- хания составит а « -0,893 дБ/м, что превышает экспериментально найденное [3.20] значе- ние av = ah = -0,5 дБ/м, то есть лес становится практически радионепрозрачной средой (на- пример, при длине радиолуча L = 100 м — эффективное рабочее затухание составит а(3200) = -0,893 100 = -89,3 дБ, а при£ = 1000 м — а(3200) = -893 дБ). В диапазоне сантиметровых волн (от 3000 до 10000 МГц) средняя величина а возрас- тает от -0,837 до -2,79 дБ/м, и лесной массив становится сплошной сильно поглощающей средой, отражающей и рассеивающей радиоволны (даже при fF^ 0,02). В миллиметровом диапазоне волн (от 10 ГГц до 30 ГГц) рост теоретического среднего а составляет от -2,79 до -8,37 дБ/м, и лесной массив при распространении радиосигналов вызывает падение их величины: при длине радиолуча всего L = 10 м — а(30 ГГц) = -83,7 дБ, при L = 100 м — а(30 ГГц) = -837 дБ, то есть лес — практически радионепрозрачная среда при больших длинах радиолучей. На рис. 3.24 приведены зависимости эффективного значения коэффициента затухания от рабочей частоты — am(f): - прямая 1 построена на основе Модели I (при fF = 0,02, iF = 7(1 - 0,1/)); - прямая 2 построена на основе Модели II, при тех же значениях fFn £F; - экспериментальные значения am(f) взяты из табл. 3.2.
АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН 109 Рис. 3.24. Зависимость эффективного значения коэффициента затухания от рабочей частоты: х — Модель I; О — Модель II; А, V— экспериментальные данные Следует отметить, что зависимость am(f) (рис. 3.24) дает возможность проводить оце- ночные расчеты эффективного рабочего затухания в лесных массивах при изменении длины радиолуча. Влияние вида поляризации ЭМВ на затухание в лесных массивах Пространственная структура лесных массивов, а именно, вертикальное расположение ство- лов деревьев, наклонное расположение ветвей и случайное пространственное положение листьев, определяет влияние структуры леса на эффективный коэффициент затухания ЭМВ различной поляризации. При падении ЭМВ на деревья одновременно происходит несколько физических процессов: а) возникновение токов во влажных стволах, ветвях и листьях с последующим переиз- лучением вторичных ЭМВ, приводящих к процессам отражения, рассеяния и интегрального поглощения в элементах и в целом в лесных массивах; б) дифракционные процессы на деревьях и в лесных массивах в целом, приводящие к флуктуациям амплитуды и фазы результирующей ЭМВ в точке приема. Все эти явления приводят к тому, что в соответствующем диапазоне радиочастот коэф- фициент затухания будет меняться в зависимости от вида поляризации ЭМВ, падающих на лесной массив. В диапазоне длин волн hf/ZQ X (80 см X, 1 м) лес является полупрозрачной средой, и в зависимости от вида поляризации величина ат будет изменяться: - при вертикальной поляризации ЭМВ величина av растет по абсолютной величине с уменьшением рабочей длины волны к (с ростом частоты), так как возникающие в вертикальных стволах деревьев токи приводят к росту диссипативных потерь элек- тромагнитной энергии, при этом переизлученное вторичное поле может быть проти- вофазно первичному; - при горизонтальной поляризации ЭМВ Eh влияние стволов деревьев выражено сла- бее, в то время как влияние веток и листьев возрастает, однако общий их вклад в про- цесс затухания ниже, что и приводит к неравенству |cxv| > |«ь|;
110 ГЛАВА 3 - при наклонном падении ЭМВ на лесной массив может возникнуть (а в реальных усло- виях так и происходит) кросс-поляризация, при этом, если составляющие ЭМВ Е = Ev + Eh, в точке приема плоскость поляризации изменяется на определенный угол, что в конечном счете изменяет уровень принимаемого радиосигнала. Как следует из табл. 3.2, эксперименты показали: - на частоте 100 МГц [3.21] для лесного массива в виде рощи значения ат для верти- кально поляризованной ЭМВ — av = -0,06 дБ/м, а для горизонтально поляризованной ЭМВ — щ = -0,03 дБ/м; - на частоте 540 МГц [3.21], соответственно, av = -0,2 дБ/м, а ал = -0,18 дБ/м, то есть с ростом частоты значения av и ал начинают приближаться друг к другу, и, по-видимому, с частот порядка 900... 1000 МГц их значения практически одинаковые, то есть av ~ ah. Это подтверждается тем, что на частоте /= 1200 МГц величины av = ah = -0,35 дБ/м [3.21] и на/= 3200 МГц — av = ah = -0,5 дБ/м [3.20]. Таким образом, в реальных условиях в диапазоне рабочих частот, используемых в сис- теме сотовой мобильной связи стандарта GSM, ЭМВ в точке приема эллиптически поляри- зованы, при этом вертикальная составляющая Е более резко падает с увеличением радио- пути в лесном массиве. Уровни электромагнитного поля в точках приема в пространстве лесных дорог При нахождении мобильной станции MS в пространстве лесной дороги (рис. 3.25) в зависи- мости от высоты поднятия антенны BTS hi возможно распространение радиоволн по сле- дующим основным траекториям: - поле радиолуча 1, распространяясь в лесном массиве по радиопути £ь затухает по за- кону e-aL1 (где «1 в Нп/м) и в точке приема MS (при высоте поднятия антенны MS h2= (1,5...2) м) может быть по уровню недостаточно для уверенного приема радио- сигнала (t/in < t/rec); - поле радиолуча 2, дифрагируя на кромке леса (точка 2), попадает в точку приема MS (рис. 3.25 и 3.26). Рис. 3.25. Распространение радиоволн над лесом в точке местоположения мобильной станции на дороге среди растительности
АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН 111 Для оценки изменения уровня ЭМП радиолуча 2 можно воспользоваться теорией ди- фракции на клине (рис. 3.26), согласно которой в пределах теневой зоны за острым краем напряженность электрического поля EMs можно представить в виде: Ем5/Е2=А-<Л (3.114) где Е2 — напряженность электрического поля на остром крае (в точке 2); А — фазовый угол относительно направления пути распространения радиоволны; А —относительная амплиту- да, при этом выражения для Л и А могут быть записаны с использованием интегралов Фре- неля [3.14]: А = (s +1/ 2)/[72 • sin(A + л / 4)] , Д = {l/rg((s +1/ 2) /(с +1 / 2)1} - л / 4, К) где с= jcos[(Tt/2)- v2]dv, о К) s = Jsin[(jr / 2) • v2 ]dv, о (3.115) (3.116) (3.117) (3.118) и J2 1 1 ° d2 h=H-h2 — разность между высотой клина (средняя высота леса hf ) и высотой поднятия антенны MS /z2, di и d2 — расстояния до полуплоскости от BTS и от полуплоскости до MS, к — рабочая длина волны. Как известно [3.14], изменение нормированного значения напряженности электрическо- го поля Ems/^2 от расстояния d2 носит колебательный и экспоненциально убывающий ха- рактер, то есть в определенных точках могут наблюдаться максимумы и минимумы уровня радиосигнала, а далее его падение с расстоянием. Для определения коэффициента ослабления воспользуемся следующим приближением [3.20]: 6 = 2018(£М5"/Е2),дБ, (3.119) (3.120)
112 ГЛАВА 3 где Е2 — напряженность электрического поля в точке 2, Ems'* — напряженность электриче- ского поля после дифракции в точке расположения MS (6 < 0 дБ). При |&| > 12 дБ величину & можно приближенно определить в виде: |д| ® 20^[7^7/(0,36-й)], дБ, (3.121) где d2 — расстояние от полуплоскости, проходящей через вершину клина (точка 2) до точки приема MS; h = Н - h2; f— рабочая частота в МГц. Например, при /= 900 МГц, d2= 20 м, h2 = 2 м, Н = 20 м, h = 18 м, величина |&| = 26,32 дБ, при d2 = 30 м — |&| = 28 дБ. Следует отметить, что в работе [3.20] формула (3.121) получена в предположении, что: - расстояние BTS до лесного массива Rr намного больше d2 (R\ »d2); - положение MS относительно кромки лесного массива h2 < Н; - за нулевой уровень сигнала, который бы существовал на вершине клина при отсутст- вии препятствия, принимается & = 0, то есть при Ems** = Е2 (клин отсутствует); - учитывается только прямая электромагнитная волна, распространяющаяся по радио- лучу 2 (не учитывается электромагнитное поле, отраженное от земли). В табл. 3.3 и на рис. 3.27 приведены функциональные зависимости b(f,d2) при h = const. Таблица 3.3. Функциональная зависимость b(f,d2) при h = const f, МГц </2,м 10 20 30 100 13,77 16,78 18,54 450 20,3 23,3 25,07 900 23,3 26,32 28,08 1800 26,32 29,33 31,09 1900 26,56 29,57 31,32 Рис. 3.27. Зависимость коэффициента 6 от расстояния и частоты
АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН 113 Из табл. 3.3 и рис. 3.27 следует: 1. Уровни напряженности электрического поля в точке приема MS падают при удале- нии от кромки лесного массива, при этом при росте величины d2 в 2 раза изменение AS со- ставляет 3 дБ, а при удалении Ad2 = 30 - 20 = 10 м, AS = 1,76 дБ (на частоте 900 МГц). 2. Порядок падения уровня сигнала в зоне тени за счет дифракции составляет на 900 МГц от 23,3 до 28,0 дБ по сравнению с уровнем сигнала в точке 2, то есть относительно Ё при свободном распространении. 3) С увеличением высоты поднятия антенны /i2 MS, то есть уменьшением h = Н - /г2, ве- личина S растет, что физически объяснимо, так как величина Е^ приближается к Е2. Рассмотрим особенности изменения уровней принимаемого сигнала при перемещении мобильной станции относительно лесного массива, как показано на рис. 3.28. Лес Дорога Рис. 3.28. Распространение радиолучей сквозь лесной массив к дороге При перемещении мобильной станции из точки 1 в точку 2 и далее в точку 3, как пока- зали эксперименты [3.21], уровень напряженности электрического поля резко меняется, причем наиболее глубокие изменения (до 29 дБ) наблюдались для вертикальной составляю- щей Ev. Данное явление необходимо учитывать при обеспечении равномерности радиопокры- тия макросот с лесными массивами. Влияние высоты подъема антенн BTS на условия распространения радиоволн в лесных массивах При распространении радиоволн в свободном пространстве высоту поднятия антенн BTS приближенно можно найти из простой формулы, учитывающей сферичность земли и разме- ры эллипсоида Френеля:
114 ГЛАВА 3 his = (D/4,12)2 + 4,47л/Р , м, (3.122) где D — расстояние между антеннами BTS и MS в км, при условии, что высота поднятия антенны MS hi 3 м. Например, для макросоты с максимальным радиусом 7?тах ^35 км = Dmax, величина his ~ 98,6 » 100 м. Однако при значительных площадях покрытых лесными массивами, являющимися для дециметровых волн сильно поглощающими средами, естественно необходимо увеличивать высоту hi, чтобы радиопуть, проходящих радиолучей в лесу L, был как можно короче. По- этому для данного случая должны соблюдаться два условия: hi > hisnhi »hf, (3.123) то есть из второго условия при средней высоте деревьев 20 м величина hi г* khf, где k — коэффициент увеличения hi при hf. Для случая распространения радиоволн в свободном пространстве над плоской поверх- ностью земли мощность принимаемого сигнала определяется в виде: Pr = PtGtGr(/ii/i2/^2)2, (3.124) где Рги Pt — мощности в точках приема и передачи, Gt и Gr — коэффициенты усиления антенн BTS и MS, hi и h2 — высоты поднятия антенн BTS и MS, D — расстояние между антеннами BTS и MS. Из выражения (3.124) следует, что при увеличении hi в 2 раза мощность в точке приема возрастает в 4 раза (то есть на 101g 4 = 6 дБ). То же самое происходит при увеличении h2 в два раза. В реальных условиях антенна мобильной станции не поднимается над землей выше, чем h2 <> 3 м, поэтому представляет значительный интерес оценить влияние высоты hi при вариациях расстояния D на величину мощности в точке приема Рг с учетом влияния лесных массивов. Рассмотрим рис. 3.29 а, б. На рис. 3.29, а показан случай, при котором высота поднятия антенны hi « hi = 2hf= = 40 м, а на рис. 3.29, б hi = 5hf = 100 м. Как видно из сопоставления радиопутей от BTS и MS (при одинаковых значениях D), во втором случае длина радиопути в лесном массиве L” меньше £/, чем в первом случае, при этом угол скольжения в первом случае 81 < 02 меньше, чем во втором. Возникает задача: при заданных значениях: h2 « (2...3) м, рабочей частоте f, чувстви- тельности приемных устройств Pr min, коэффициенте затухания в лесу а на данной рабочей частоте, предельном значении уровня радиосигнала на границе соты Pr(Dmax) и расстоянии между BTS и MS — D, определить необходимое значение hi, при котором обеспечивается устойчивая и надежная радиосвязь. Приближенное решение поставленной задачи. 1) Определим уровень радиосигнала на границе соты в соответствии со стандартом GSM (7?max = Dmax = 35 км) из выражения: Лфтах) = PtGtGr (Х/4л Dmax2)2, (3.125) соответствующем условиям распространения радиосигнала в свободном пространстве. 2) Величина Pr(Dmax) должна быть больше величины чувствительности приемника на величину запаса по мощности б (б г* 6 дБ/м) Pr(Dщах) г Pr min ИЛИ Pr min + 6 S Ргфтах), (3.126)
АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН 115 Рис. 3.29. Влияние высоты поднятия антенн BTS на величину мощности сигнала в точке приема: а) = 2hf = 40 м; б) h. = 5hf = 100 м 3) При допущении, что в лесном массиве MS находится на расстоянии, при котором угол скольжения 0 = arctg (/i] - h2)/D 5°, (3.127) полагаем, чтоL} = £cos0, при cos 5° 1. (3.128) 4) При допущении, что максимальное рабочее затухание на радиопути в лесу не должно превышать по абсолютной величине уровень [(Л-min + б)] * [ятах] = [а(/)£1тах], (3.129) получим значение ^тах<Лтт+б]/[а]. (3.130) 5) Высоту hi в этом случае можно определить из уравнения: hi =/iz+(£>-£i)tg0, (3.131) где 0 = arctg (hf- h2)/Li (3.132) Численный пример. Пусть Pt = 50 Вт, Gt = Gr = 1, hf= 20 м, X = 0,33 м (f= 900 МГц), a(900) = -0,3 дБ/м, Лmin = -100 дБм, величина!) меняется дискретно: 1,10, 20, 30 км.
116 ГЛАВА 3 Проведем численный расчет в соответствии с рассмотренным выше приближенным ал- горитмом. 1. Определим по формуле (3.125): ЛРтах = 30 КМ) = 2,81-Ю”8 МВТ, или Pr(Dmax) = -75,5 дБм, то есть P^Dmax) = -75,5 > Pr min = -100 дБм. Это значит, что при таком превышении сигнала над чувствительностью приемника в точке приема обеспечивается устойчивая радиосвязь. 2. Преобразуем формулу (3.125) относительно дБм к виду: Pr = Pt + Gt + Gr + 201g(/h/l м) + 20lg(/i2/l м) - 40lg(D/l м) (3.133) и проведем численный расчет функции РГ(Р), сведя результаты в табл. 3.4. Таблица 3.4. Результаты расчета РГ(О), дБм D, км м 40 50 100 200 1 -35 -33 -27 -21 5 -63 -61 -55 -49 10 -75 -73 -67 -61 15 -82 -80 -74 -68 20 -87 -85 -79 -73 25 -91 -89 -83 -77 30 -94 -92 -86 -80 35 -97 -95 -89 -83 40 -99 -97 -91 -85 На рис. 3.30 показаны кривые зависимости Pr (D, hi), которые позволяют выбрать необ- ходимую высоту hi антенн BTS для обеспечения условий устойчивой радиосвязи при рас- пространении электромагнитных волн в свободном пространстве. Рис. 3.30. Зависимость мощности в точке приема для различных условий распространения: X — 40 м, □ — 50 м, О — 100 м, А — 200 м
АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН 117 Уровень (-100 + 5) дБм при 6 « 6 дБм, то есть Рдоп = -94 дБм, является допустимым минимальным сигналом, при котором еще соблюдаются условия надежной радиосвязи. Следует отметить, что при увеличении на октаву высоты hx (фактор «усиление-высота» со- ответствует росту Рг на 6 дБм, а при увеличении на октаву расстояния D (фактор «ослабле- ние-дальность» соответствует падению Рг на 12 дБм (что соответствует обратно пропор- циональному изменению D4). В соответствии с рис. 3.29, а, б, если в точке 1 на расстоянии D1 уровень Pr(Dl) соот- ветствует значению Р2(^1) графика рис. 3.30, при заданной Ль то при распространении внутри леса на радиопути L} резкое падение Pr(D} пропорционально е"01*'1 (где а [Нп/м]), и вместо кривой Pi(D} для свободного распространения радиосигнала мощность Рг(Р) резко уменьшается. В данном случае при a (f= 900) = -0,3 дБ/м можно определить дополнитель- ное ослабление, численные значения которого сведены в табл. 3.5. Таблица 3.5. Дополнительное ослабление Pr(D) Ь1,м 10 20 50 100 150 200 250 300 aLb дБ -3 -6 -15 -30 -45 -60 -75 -90 Таким образом, при заданном можно найти уровень Р2 (D) в точке приема внутри лесного массива. Например, при = 100 м, aLi = -30 дБм, то есть при D = 20 км (точка 1, рис. 3.29, а), в точке 2 приема: Pr (hi= 100 м) = -79 + (-30) = -109 дБм, а это значит, что радиосвязь не- возможна: -109 дБм < -100 дБм, и только при < 50 м, когда Pr(h\ = 100 м) = -79 + (-15) = = -94 дБм, возможна реализация устойчивой радиосвязи. Таким образом, условие устойчивой радиосвязи имеет вид: Л (А Л1) + аЦ ;>Prmin+ 6. (3.134) Изменение спектра радиосигнала при распространении в лесном массиве при ветровых нагрузках При ветровых нагрузках на лесные массивы стволы, ветви и листья деревьев совершают сложные пространственные колебания под действием изменяющегося во времени воздуш- ного давления. Распределение воздушного потока вдоль длины лесного массива имеет следующие осо- бенности (рис. 3.31). Рис. 3.31. Распределение воздушного потока вдоль длины лесного массива: область / — опушка леса (передняя кромка леса); область II — область основного ветрового потока и диффузии внутри леса; область III — тыльная кромка леса
118 ГЛАВА 3 При скорости набегания воздушного потока Uq на лесной массив поток воздуха начина- ет обтекать кромку леса, поднимаясь к кронам деревьев, и на расстоянии (50...80) м от кромки скорость ветра возрастает, далее движение воздушного потока над кронами деревь- ев (при малом сопротивлении) как бы расщепляется, при этом часть этого потока диффун- дирует внутрь лесного массива. Как показали эксперименты, скорость потока внутри леса имеет порядок Uf~ 1 м/с, а над лесом — может достигать 10...20 и более метров в секунду. На тыльной кромке стороне леса происходит срыв линий тока воздушного потока и вихре- образование. Поток воздуха внутри леса, ввиду значительного аэродинамического сопротивления, имеет скорость Uf ~ (0,02...0,03)^уже на расстоянии 200...250 м от передней кромки леса, но может, как отмечалось выше, достигать 1 м/с. Срыв линий тока воздушного потока происходит примерно на расстоянии £ш ~15hy (при hf = 20 м £ш~ = 300 м). При сквозном распространении радиоволны колебания элементов леса приводят к изме- нению коэффициента затухания а и фазового коэффициента |3 с применением эффективной диэлектрической проницаемости, а значит амплитуды и фазы радиосигнала в точки приема. В результате воздействия ветра на лес происходит изменение спектра радиосигнала, распространяющегося в лесу. К доплеровским частотам, возникающим при движении мо- бильных станций относительно BTS, добавляются низкочастотные составляющие, возни- кающие вследствие действия ветра на элементы леса. Автором не обнаружены работы, в которых бы были описаны эксперименты по влия- нию ветровых нагрузок на изменения спектров радиосигналов, распространяющихся между BTS и MS в системах сотовой мобильной связи. В работе [3.21] исследуются изменения спектров монохроматических радиосигналов при отражении от лесных массивов, элементы которых колеблются под действием ветра, при малых углах скольжения (0 < 5...6°), при этом для усредненной зависимости энергети- ческого спектра S(F) от частоты (в диапазоне от 0 до 100 Гц) характерны следующие облас- ти (рис. 3.32): S(Fs< 10 Гц) (-10) дБ — описывается гауссовым законом (то есть распределение скоро- стей движения близко к нормальному); S(Fs> 10 Гц) — форма S(Fs) может быть описана степенным законом S(Fs) -1/F4, при- чем степенной закон изменения S(Fs) сохраняется вплоть до частоты Fs 200 Гц. Рис. 3.32. Усредненная зависимость энергетического спектра S(F) от частоты
АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН 119 Зависимость ширины спектров (характеризующих изменение Fs при изменении скорости ветра Uw) в зависимости от Uw представлена на рис. 3.33 [3.21], из которого следует, что ос- новной вклад в формирование спектра отраженного сигнала вносят ветви и вершины деревь- ев, так как график FS(UW) построен как зависимость ширины спектра при определенном значе- нии дисперсии и функции корреляции для заданной скорости ветра Uw. Как отмечается в работе [3.21], при отражении радиосигналов от колеблющихся эле- ментов леса наблюдалась существенная деполяризация сигналов, слабая корреляция между элементами матрицы обратного рассеяния, то есть элементарные отражатели, формирую- щие отраженный радиосигнал, имеют размеры малые или соизмеримые с длиной волны. 5 10 15 (4,мс Рис. 3.33. Зависимость доплеровской частоты от скорости ветровой нагрузки на лесной массив Таким образом, в системах сотовой мобильной связи, в которых используется децимет- ровый диапазон волн, необходимо учитывать, что в лесном массиве с ветровой нагрузкой в спектре принимаемого радиосигнала могут появиться низкочастотные составляющие, кото- рые могут вызвать искажения при демодуляции. Таким образом, прохождение радиоволн сквозь лесные массивы сопровождается, как это следует из предыдущего рассмотрения, не только интегральным затуханием энергии волны, но и изменением плоскости поляризации, результирующей амплитуды и фазы волны в точке приема, изменением ее спектра, при этом все эти явления также меняются в зависимо- сти от времени года, погодных условий, расположения BTS и MS, высоты антенны BTS и т.п. Полученные результаты доказывают сильное влияние лесных массивов на затухание ра- диоволн, вызывая кросс-поляризацию, изменение спектра принимаемых сигналов (так на- зываемое «уширение полосы частот») при ветровых нагрузках и пр. Эти результаты состав- ляют основу для получения фундаментального физического представления о том, как про- текают процессы поглощения радиоволн дециметрового диапазона в лесных массивах, и могут быть использованы при проектировании сотовых систем мобильной связи (по раз- делу — радиопокрытие территории). Так как для стандарта GSM сотовой мобильной связи используются волны на частотах 900, 1800 и 1900 МГц, попытаемся обобщить экспериментальные данные по влиянию лес- ных массивов при сквозном распространении радиоволн этих диапазонов. Мак Патри и Форд [3.21] исследовали коэффициент ослабления при распространении радиоволн через толщу леса глубиной L ~ 85 м (лес — лиственный, время — летнее, дере-
120 ГЛАВА 3 вья полностью покрыты листьями) на частоте/= 1200 МГц для вертикальной поляризации радиоволн и получили значения погонного коэффициента затухания для вертикально поля- ризованной волны порядка ав ~ 0,35 дБ/м, а для горизонтально поляризованной — аг ~ 0,1 дБ/м, при этом с ростом частоты растет затухание: - /= 1200 МГц а ~ (0,25-0,35) дБ/м; - f= 3260 МГц а ~ (0,4-0,5) дБ/м. Эксперименты, проведенные по оценке фактора кроссполяризации (равного отношению амплитуды напряженности электрического поля вертикально поляризованной волны к го- ризонтально поляризованной XPD = Emv/Emt^ показали, что на частотах 900, 1000 МГц ве- личина XPD изменяется в пределах -10 < XPD < 0 дБ, при изменении высот деревьев от 3 до 16 м и изменении длины радиолуча от 150 до 1000 м. Деполяризация радиоволн в лесах проявляется в зависимости от отношения высоты приемной антенны мобильной станции к длине волны h^K так как Emv резко ослабляется (наводятся токи в вертикальных стволах деревьев), a Emh — менее ослаблена, поэтому фак- тор кроссполяризации XPD < 0 дБ. В диапазоне частот от 500 МГц до 3000 МГц и для расстояний, превышающих более чем в 5 раз высоту деревьев, экспериментальные результаты достаточно хорошо согласуют- ся с теоретическими расчетами для модели дифракции на идеальном остром клине в пред- положении, что расстояние и высоты выбраны одними и теми же. Таким образом, лесные массивы на частотах, используемых в стандарте GSM, оказыва- ют следующее влияние на условие распространения радиоволн: - величина эффективного коэффициента погонного затухания достаточно велика и ле- жит в пределах а (800...2000 МГц) « (от 0,2 до 0,4) дБ/м; - распространение радиоволн всегда сопровождается кроссполяризацией при факторе кроссполяризации, лежащем в пределах: XPD « от 0 до (-10) дБ; - проявляется резкое изменение эффективного рабочего затухания в зависимости от вы- соты расположения приемной антенны и ее ориентации в пространстве и др.
Глава 4 МОБИЛЬНЫЕ СТАНЦИИ Мобильные станции — MS (Mobile Station) — (мобильные телефоны, сотовые радиотеле- фоны и т.д) в пределах каждого класса модели в определенном стандарте сотовой мобиль- ной связи различаются между собой не только количеством сервисных услуг, но и пара- метрами приемно-передающих трактов, конструкцией, внешним видом, блоком управле- ния и т.п. На мировом рынке существует большое количество и многообразие мобильных стан- ций, однако все они имеют следующие типовые блоки (рис. 4.1): - блок управления, в который входят дисплей и клавиатура (иногда туда включают микрофон и телефон); - приемо-передающий блок; - антенный блок с коммутатором каналов и диапазонов; - логический блок (мозговой центр MS) включает цифровой сигнальный процессор DSP (Digital Signal Processor), иногда называемый CPU (Central Processing Unit), co своей оперативной и постоянной памятью (DSP Memory), часто в его состав включа- ют эквалайзер, канальный и речевой кодеки, ADC, DAC и др.; - идентификационный пользовательский модуль S/М-карта (Subscriber Identity Module). Рис. 4.1. Типовые блоки мобильной станции 4.1. Структурная схема мобильной станции Структурная схема цифровой мобильной станции, в данном случае цифрового мобильного радиотелефона, работающего в стандарте GSM, представлена на рис. 4.2. Как было отмечено выше (рис. 4.1), все четыре основных блока (и SIM-карта) на рис. 4.2 развернуты более под- робно по основным каскадам.
122 ГЛАВА 4 УПЧ2 ПАВ СМ2 УПЧ1 ПАВ СМ1 УВЧ ФПАВ Рис. 4.2. Структурная схема цифрового радиотелефона (MS) стандарта GSM 900 Рассмотрим основные блоки мобильной станции MS стандарта GSM. Антенный блок Антенный блок включает: - собственно антенну (в простейшем случае четвертьволновый вибратор (штырь), имеющей длину I - = 33,7/4 = 8,425 см, при этом антенна выполняет функции пе- редающей и приемной антенны (следует отметить, что антенну выполняют часто в ви- де спиральной укороченной антенны, по основным параметрам аналогичную стан- дартной полуволновой антенне); - антенный переключатель — электронный коммутатор, управляемый из CPU и под- ключающий вход антенны либо на выход передатчика, либо на вход приемника. В системах стандарта GSM передатчик и приемник работают не одновременно и режим передачи осуществляется только в течение 1/8 длительности кадра. Это значительно умень- шает расход энергии аккумуляторной батареи и увеличивает время функционирования как в режиме передачи (разговор), так и в режиме приема (ожидание). Кроме того, это приводит к снижению требований к высокочастотному фильтру приемника. Приемо-передающий блок Передатчик Рассмотрим основные блоки передатчика (ПРД), их назначение и функции. - Речевой сигнал, преобразованный микрофоном (Мк) в электрический аналоговый сиг- нал и усиленный усилителем низкой частоты (УНЧ), поступает в аналого-цифровой
МОБИЛЬНЫЕ СТАНЦИИ 123 преобразователь (АЦП —ADC —Analog-to-Digital Converter), на выходе которого ре- чевой сигнал преобразуется в цифровую форму и далее передача сигнала речи произ- водится в цифровой форме. - Кодер речи осуществляет кодирование речевого сигнала, то есть преобразование сиг- нала (имеющего цифровую форму) по определенным законам с целью сокращения его избыточности, то есть с целью сокращения объема информации, передаваемой по каналу связи. - Кодер канала добавляет в цифровой сигнал, получаемый с выхода кодера речи, допол- нительную (избыточную) информацию, предназначенную для защиты от ошибок при передаче сигнала по линии связи; с той же целью информация подвергается опреде- ленной переупаковке (перемежению); кроме того, кодер канала вводит в состав пере- даваемого сигнала информацию управления, поступающую от CPU. - I/Q генератор предназначен для формирования модулирующего сигнала из сформиро- ванного цифрового сигнала при непосредственном управлении от CPU. - Фазовый модулятор реализует гауссовскую манипуляцию с минимальным частот- ным сдвигом (GMSK — Gaussian Minimum Shift Keying), то есть реализует перенос цифрового сигнала в область радиочастотного канала. В стандарте GSM с модуля- цией GMSK произведение ВТЬ, определяющее частоту среза предмодуляционного гауссовского фильтра, равно ВТЬ = 0,3 (где В — полоса частотного спектра, Тъ — дли- тельность бита сообщения). Такое значение произведения ВТЬ достигается путем сложной аппаратурной реализации для увеличения требуемого отношения СИ (сиг- нал/помеха) и уменьшения влияния условий распространения радиоволн и неидеаль- ности аппаратуры. При GMSK обеспечивается высокий КПД усилителя мощности и приемлемая помехоустойчивость: вероятность ошибки Ре = Ю 3 при C/N = 30 дБ (C/N — сигнал/шум). - Смеситель (СМП) предназначен для переноса сигнала на выходе фазового модулятора с частотой /фм в диапазон частот 890...915 МГц под действием сигнала, поступающего с синтезатора частот (ftr), управляемого из CPU. - Фильтр сосредоточенной селекции (ФСС) (обычно выполняемый на кремниевом фильтре) настраивается на одну из выбираемых CPU несущих частот и реализует фильтрацию высших гармоник для уменьшения межканальных влияний. - Усилитель мощности (УМ) не только усиливает высокочастотный сигнал с выхода ФСС, но и под действием команд из CPU меняет коэффициент усиления (то есть ис- пользуется режим нелинейного усиления), тем самым в зависимости от расстояния между мобильной MS и базовой BTS станциями выходная мощность передатчика MS автоматически регулируется: чем ближе MS к BTS, тем меньше мощность передат- чика MS, тем меньше излучаемая антенной MS мощность. - Высокочастотный сигнал с выхода усилителя мощности через фильтр сосредоточен- ной селекции (ФСС) поступает в антенный коммутатор (АК) и в случае передачи ре- чевого сигнала CPU переключает АК в режим передачи. Следует отметить, что тракт: фазовый модулятор — смеситель - ФСС - УМ - ФСС — очень часто называют модемом GMSK (так как этот тракт в настоящее время реализован в виде однокристальной СБИС) и он используется в нескольких Европейских стандартах. Таким образом, аналоговая часть передатчика выполняет обычные функции переноса информации кодированного цифрового сигнала в область несущей частоты выбранного частотного канала передачи, а цифровая часть — с активным участием CPU — обработку и передачу информации (речь и т.п) в цифровой форме с добавлением информационных по- токов управления, защиты, адреса и т.п.
124 ГЛАВА 4 Приемник Рассмотрим основные каскады приемника, их назначение и функции. - Высокочастотный сигнал в диапазоне 935...960 МГц принимается антенной и через антенный коммутатор (включаемый CPU в режиме приема) поступает в высокочас- тотный фильтр (обычно фильтр поверхностной акустической волны (ФПАВ) — кера- мический фильтр), усиливается в высокочастотном малошумящем усилителе (МШУ). - Первый смеситель СМ1 позволяет сдвинуть сигнал в более низкочастотную область, при этом на второй вход СМ1 гетеродинный сигнал подается с синтезатора частот (управляемого от CPU), фильтр сосредоточенной селекции на ПАВ (ФСС1) выделяет сигнал на первой промежуточной частоте и далее этот сигнал усиливается в тракте усилителей первой промежуточной частоты УПЧ1. - Сигнал первой промежуточной частоты поступает на вход второго смесителя СМ2 (на второй вход СМ2 подается сигнал гетеродина 2 (генератор частот), далее ФСС2 на ПАВ выделяет сигнал второй промежуточной частоты, который усиливается УПЧ2 и поступает в блок демодуляции. - Блок демодуляции. В блоке сигнал вначале демодулируется в фазовом демодуляторе (ФДМ), при этом на вход канального эквалайзера он поступает в виде цифрового видеосигнала; (назначение канального эквалайзера состоит в компенсации той разно- сти хода между составляющими радиолучами при многолучевом распространении радиоволн, которая приводит к межсимвольной интерференции (эквалайзер по своей сути — это адаптивный фильтр, настраиваемый таким образом, чтобы сигнал на его выходе был по возможности в большей степени очищен от межсимвольных искаже- ний, содержащихся во входном сигнале)); далее цифровой сигнал попадает в декоде- ры канала и речевого сигнала. Декодер канала реализует процесс, обратный кодированию, и с учетом закодированной в кодере канала управляющей информации и речевого закодированного сигнала, декодиру- ет весь поток информации. Декодер речи декодирует цифровой поток речевой информации для дальнейшего преоб- разования ее из цифровой формы в аналоговую в цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП). Далее электрический сигнал аналоговой речевой информации подается на телефон. Та- ким образом, завершается прием информации, переданной базовой станцией BTS мобиль- ной MS. Управляющим устройством в MS является центральный управляющий процессор CPU, который имеет свою оперативную и постоянную память (МЕМ) и выполняет широкий спектр функций, которые будут рассмотрены ниже. Синтезатор частот (СЧ), являющийся задающим генератором колебаний высокой частоты (а именно, несущей частоты, зависящей от условий передачи или приема) для пере- дачи информации по радиоканалу. Синтезатор используется в работе как передающего уст- ройства (при передаче сигнала СЧ —* СМП в блок фазового модулятора), так и приемного (при передаче сигнала СЧ —* СМ, при этом СЧ играет роль первого гетеродина), переключа- ясь в разные области выделенной полосы частот для передачи и приема. Кроме указанных основных функций, СЧ, под действием управляющих сигналов от CPU, реализует процесс скачков по частоте (frequency hopping}, при этом в стандарте GSM используются медленные скачки с переключением по частоте в каждом очередном кадре. Учитывая, что в кадре каж- дому физическому каналу соответствует один слот, то для любого из физических каналов такая частота скачков эквивалентна смене частотных каналов с частотой слотов.
МОБИЛЬНЫЕ СТАНЦИИ 125 SIM-карта, придается к MS в виде съемного модуля, взаимодействует с CPU и опреде- ляет процедуру аутентификации MS. В заключение данного параграфа следует отметить, что структурная схема MS (рис. 4.2) является существенно упрощенной. На ней не показаны схемы контроля мощности на пере- дачу и прием и управление ею, схема управления частотой синтезатора частот для работы на определенном частотном канале, не развернуты схемы (даже на уровне структурных схем) кодеков каналов и речевых сигналов, возможные устройства шифрования/дешифро- вания сообщений. MS стандарта GSM включает также так называемый детектор речевой активности (VAD — Voice Activity Detector), который используется для реализации экономного расходо- вания энергии источника питания (при уменьшении средней мощности излучения антенны MS), снижения уровня помех, неизбежно создаваемых для других станций при работающем передатчике, а также включает работу передатчика на излучение только в определенные ин- тервалы времени, когда абонент говорит (то есть когда микрофон посылает аналоговые ре- чевые сигналы в тракт передачи). На время паузы (абонент молчит) в приемный тракт до- полнительно вводится так называемый комфортный шум. При необходимости в MS могут входить отдельные терминальные устройства (например, факсимильный аппарат), переклю- чаемые через специальные адаптеры с использованием соответствующих интерфейсов. 4.2. Особенности преобразования речевых сигналов в стандарте GSM Для аналого-цифрового преобразования речевых сигналов в стандарте GSM используются АЦП. Рассмотрим кратко основные характеристики речевых сигналов (согласно рекомендациям МККТТ) в стандарте GSM и особенности их аналого-цифрового преобразования: - диапазон частот речевого сигнала ограничен: 300...3400 Гц; - длительность звуков речевого сигнала составляет от нескольких десятков до несколь- ких сотен миллисекунд, при среднем значении 130 мс; - для гласных звуков среднее значение длительности составляет 210 мс, для соглас- ных — 92 мс; - спектр мощности речевого сигнала имеет максимум вблизи частоты 400 Гц и спадает на более высоких частотах со скоростью около 9 дБ на октаву; - при телефонном разговоре уровень речевого сигнала изменяется в диапазоне 35...40 дБ, при этом уровень согласных в среднем на 20 дБ ниже уровня гласных; - в аналого-цифровом преобразовании и цифровой обработке сигнала речи ограничива- ются частотным интервалом обычного аналогового телефона 300...3400 Гц, при этом при кодировании речевого сигнала учитывают квазистационарный гауссовский про- цесс, у которого спектрально-корреляционные характеристики постоянны на интервале 20...30 мс. Дополнительно следует отметить следующее: - слуховое ощущение громкости приблизительно пропорционально логарифму интен- сивности (~ In I, где I — интенсивность звука); - пороговое для слуха изменение уровня звука не превышает 1 дБ; - человеческое ухо слабочувствительно к точности передачи фазовых соотношений спектральных составляющих сигнала;
126 ГЛАВА 4 - постоянная времени слуха в среднем составляет: при нарастании сигнала — 20...30 мс; при спаде — 100.. .200 мс. Возвращаясь к рассмотрению процесса преобразования аналогового речевого сигнала в цифровую форму, рассмотрим более подробно особенности процессов дискретизации и квантования в стандарте GSM. Дискретизация речевого сигнала На два входа дискретизатора подаются два сигнала: - Ui(t) — аналоговый сигнал (речь); - U&) — сигнал от генератора тактовых импульсов. В соответствии с теоремой дискретизации (Котельникова-Шеннона), если для функции Ui(t) спектральной составляющей наивысшей частоты является/тах (в случае речевого сиг- нала /тах = 3400 Гц), то мгновенные отсчеты, взятые с частотой fd > 2fmaK, содержат в себе практически всю информацию исходного сообщения (то есть fd> 2-3400 = 6800 Гц). Как известно, применение теоремы дискретизации для телефонии, где речевой сигнал (или факсимильный сигнал) ограничен частотой/тах = 3400 Гц, частоту дискретизации вы- бирают равной fd= 8000 Гц, то есть период дискретизации составляет Td = 1/fd =125 мкс. Таким образом, на выходе дискретизатора, как умножителя сигналов: Ui(fyUd(f) = Uz(0> получается сигнал U2(t). Квантование сигнала U2(t) В стандартных АЦП, используемых в цифровой телефонии, обычно число уровней квантования (при приемлемом отношении сигнал/шум) выбирают равным 256 = 28, то есть каждому уровню аналогового сигнала будет соответствовать цифровой сигнал (/3 (в соот- ветствующий момент дискретизации) в виде 8-разрядного двоичного кода. В стандарте GSM используется 8 бит цифровой информации на один квантованный отсчет. Частота генератора сигнала квантования Uk должна соответствовать: 8 кГц-8 = 64 кГц, а период Ть = 1/64-103 = 15,625 мкс, то есть сохраняется стандарт на скорость передачи информации на выходе АЦП —64 кбит/с по одному телефонному каналу. Следует отметить, что в системах сотовой мобильной связи стандарта GSM использу- ются 16-битовые сигма-дельта АЦП, при этом скорость цифрового выходного потока со- ставляет 128 кбит/с. Рассмотрим особенности цифро-аналогового преобразования речевых сигналов в стан- дарте GSM. Как известно, преобразование цифрового потока, несущего информацию о речевых сиг- налах и поступающего из декодера речи, реализуется цифро-аналоговыми преобразователя- ми (ЦАП). Современные ЦАП в мобильных станциях выполняются в виде интегральных микро- схем. Широкое применение находят 16/18/20/22/24-битовые ЦАП на одной интегральной микросхеме. В системах сотовой мобильной связи используются такого рода ЦАП, входной цифровой поток в которых имеет скорость 128 кбит/с. Такие ЦАП преобразуют цифровые потоки в речевые сигналы, которые в передающей части были преобразованы в цифровые сигналы в АЦП при 16-битовом сигма-дельта преобразовании. Более подробно особенности схемного решения и принципы работы АЦП и ЦАП в системах мобильной связи можно найти в литературе [4.9, 4.11].
МОБИЛЬНЫЕ СТАНЦИИ 127 4.3. Кодирование речевых сигналов Применение в различных системах радиосвязи изощренных алгоритмов кодирования отно- сительно узкополосных сигналов речи (300...3400 Гц) и широкополосных факсимильных звуковых сигналов (от 10 Гц до 20 кГц), сигналов изображения (до 15 МГц) становится все более эффективным и экономичным с точки зрения затрат [4.1]. Появление маломощных сверхбыстродействующих интегральных микросхем (СБИС) привело к использованию алгоритмов кодирования в мобильных телефонных аппаратах и движению по пути к цифровому радиовещанию. Назначение большинства из этих алгорит- мов — аналого-цифровое преобразование аналогового сигнала источника в цифровой сиг- нал с возможно меньшим количеством битов и его обработка, для передачи в форме цифро- вых данных и/или запоминания, или же синтеза и восстановления пораженного шумом и помехами ограниченного по полосе или искаженного сигнала. При этом сжатие (компрес- сия) цифровых данных может быть достигнута за счет устранения избыточности сигнала, преобразованного из аналоговой формы в цифровую. Кодер речевого сигнала является первым элементом цифрового участка передающего тракта, следующим после АЦП (рис. 4.2). Основной задачей кодера является предельно возможное сжатие сигнала речи, пред- ставленного в цифровой форме, то есть предельно возможное устранение избыточности ре- чевого сигнала при сохранении приемлемого качества передаваемой речи. Компромисс между степенью сжатия и сохранения качества обычно отыскивается экс- периментально, а проблема получения высокой степени сжатия без чрезмерного снижения качества составляет основную трудность при разработке кодера. В приемном устройстве (рис. 4.2) перед ЦАП размещен декодер (decoder) речевого сиг- нала. Задачей декодера является восстановление цифрового сигнала речи, с присущей ему естественной избыточностью, по принятому кодированному сигналу. Сочетание кодера и декодера обычно называют кодеком (coder/decoder = codec). Кодек речевого сигнала В стандарте GSM обработка речевого сигнала осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи DTX (Discontinuous Transmission), которая обеспечивает вклю- чение передатчика только тогда, когда пользователь начинает разговор и отключает его в паузах и в конце разговора. Система DTX управляется детектором активности речи VAD (Voice Activity Detection), 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 состав системы DTX входит устройство формирования комфортного шума, которое включается и прослушивается в паузах речи (когда передатчик отключен). Система прерывистой передачи речи также включает в себя устройство для экстраполя- ции фрагментов речи, потерянных из-за ошибок в канале. Структурная схема процесса обработки речевого сигнала показана на рис. 4.3. Основным устройством в данной схеме является кодек речи. В соответствии со стандартом GSM каждый радиоканал используется для организации восьми цифровых каналов с TDMA. Значит, если это будут стандартные ИКМ-каналы, то потребуется скорость передачи 8x64 = 512 кбит/с. Такую скорость передачи пользователь- ской информации по одному радиоканалу обеспечить невозможно.
128 ГЛАВА 4 Рис. 4.3. Структурная схема процесса обработки речевого сигнала в стандарте GSM Выход из данной ситуации может быть найден, с одной стороны, в увеличении плотно- сти передаваемой информации, а с другой — в применении более сложных способов коди- рования речевых сигналов, требующих меньшего объема информации. Снижение требуемой скорости цифрового потока каждого канала за счет использования более сложных способов кодирования должно осуществляться без значительного ухудше- ния качества. Наиболее низкая скорость передачи информации — (1...3) кбит/с требуется при использовании вокодеров, однако, качество передачи речи в этом случае достаточно низкое, при декодировании получается «синтетический» речевой сигнал. Высокое качество передачи речи при незначительном снижении требований к скорости можно получить при использовании различных модификаций ИКМ, но более сложной аппаратной реализации. Для того, чтобы иметь высокое качество передачи речи при более низких требованиях к скорости передачи информации, в GSM используется способ кодирования, объединяющий вокодеры и дифференциальную ИКМ, который получил название дифференциального коди- рования. Вокодерное преобразование основано на использовании особенностей речевых ор- ганов человека. Звуковые колебания, излучаемые голосовыми связками, формируются да- лее в «фильтрах», образуемых горлом, ртом и носом. Зная в каждый момент спектр частот и параметры таких «фильтров», можно восстановить исходный сигнал. Учитывая инерцион- ность голосовых органов человека, можно считать, что за небольшой промежуток времени (порядка 10...30 мс) они не изменяют своего состояния, то есть остаются постоянными час- тоты и параметры «фильтров». Следовательно, если брать отрезки речевого сигнала по 20 мс, частоту основного тона и параметры фильтра речеобразующего тракта, то по ним легко можно восстановить исходный сигнал. Так, например, при кодировании с линейным пред- сказанием определяется и передается следующая информация: - параметры модели речеобразующего тракта; - характер возбуждения (гласный или звонкий согласный звуки в сопоставлении с глу- хими звуками);
МОБИЛЬНЫЕ СТАНЦИИ 129 - период основного тона; - коэффициент усиления. В фиксированные промежутки времени голосовые органы человека не остаются в фик- сированном положении, их возбуждения носят более комплексный характер, чем передавае- мые характер возбуждения и период основного тона. Это приводит к значительному ухуд- шению качества. Дифференциальная ИКМ учитывает корреляцию дискретных отчетов АИМ сигнала. При этом кодируются не сами дискретные отсчеты, а разность амплитуд поступившего и предыдущего дискретных отсчетов. Поскольку диапазон изменения амплитуд разности дис- кретных отсчетов меньше диапазона изменения амплитуд самих дискретных отсчетов, для их кодирования требуется меньшее число разрядов. Таким образом, дифференциальное кодирование подразумевает деление речевого сиг- нала на отрезки в 20 мс с предыдущим их кодированием. Кодек стандарта GSM В стандарте GSM в системе кодирования речевых сигналов используется метод линей- ного предсказания с возбуждением регулярной последовательностью импульсов и долго- временным предсказанием, то есть метод RPE-LTP. Упрощенная блок-схема кодека в стандарте GSM представлена на рис. 4.4. Рис. 4.4. Схема кодека речевого сигнала в стандарте GSM Кодер Кодер, представленный на рис. 4.4, состоит из шести основных блоков Б.1...Б.6 [4.4]. Рассмотрим последовательно назначение указанных блоков. Б.1 — блок предварительной обработки осуществляет следующие функции: - предсказание входного цифрового сигнала sn (после АЦП) при помощи цифрового фильтра, подчеркивающего верхние частоты; 5 - 632
130 ГЛАВА 4 - разделение входного сигнала sn на сегменты по 160 выборок (20 мс); - взвешивание каждого из сегментов окном Хемминга («косинус на пьедестале» — ам- плитуда сигнала плавно спадает от центра окна к краям). Б.2 — фильтр-анализатор STP: с выхода блока Б.1 сигнал фильтруется решетчатым фильтром-анализатором кратковременного линейного предсказания и по его выходному сигналу — остатку предсказания STP дп — оцениваются параметры долговременного пред- сказания LTP: коэффициент предсказания g и временная задержка d в блоке Б.5. Б.З — блок оценки параметров фильтра STP: для каждого 20 мс сегмента оцениваются параметры фильтра-анализатора STP — 8 коэффициентов частичной корреляции (i = 1...8), при порядке предсказания М= 8 (i = которые для передачи по каналу свя- зи преобразуются в логарифмические отношения площадей LAR ri9 причем для функции ло- гарифма используется кусочно-линейная аппроксимация. Б.4 — фильтр-анализатор LTP: сигнал остатка предсказания фильтруется фильтром- анализатором LTP долговременного линейного предсказания, при этом формируется оста- ток предсказания LTP — vn. Б.5 — блок оценки параметров фильтра LTP: в блоке по остатку STP — 6П оцениваются параметры долговременного предсказания g и d. При этом выборочный сегмент остатка кратковременного предсказания, имеющий 160 выборок, разделяется на четыре подсегмен- та по 40 выборок в каждом, и параметры g и d оцениваются для каждого подсегмента в от- дельности, причем для оценки величины временной задержки d для текущего подсегмента используется скользящий подсегмент из 40 выборок, перемещающийся в пределах предше- ствующих 128 выборок сигнала остатка предсказания 6П. Б.6 — блок оценки параметров сигнала возбуждения: выходной сигнал фильтра-анали- затора LTP — остаток предсказания vn — фильтруется сглаживающим фильтром и по нему формируются параметры возбуждения, в отдельности для каждого из 40 выборочных под- сегментов. Сигнал возбуждения одного подсегмента состоит из 13 импульсов, следующих через равные промежутки времени (втрое большие, чем интервалы дискретизации сигнала после АЦП — то есть исходного сигнала), и имеющих различные амплитуды. Для форми- рования сигнала возбуждения 40 импульсов подсегмента сглаженного остатка vn обрабаты- ваются следующим образом: - последний сороковой импульс отбрасывается; - первые 39 импульсов разбиваются на три последовательности: в первой последовательности — импульсы 1, 4.. .37; во второй — импульсы 2, 5, ..., 38; в третьей — импульсы 3, 6, ..., 39. В качестве сигнала возбуждения выбирается та из последовательностей, энергия кото- рой больше. Амплитуды импульсов нормируются по отношению к импульсу с наибольшей амплитудой и нормированные амплитуды кодируются тремя битами каждая при линейной шкале квантования. Абсолютное значение наибольшей амплитуды кодируется шестью би- тами в логарифмическом масштабе. Положение начального импульса 13-элементной после- довательности кодируется двумя битами, то есть задается номер последовательности, вы- бранной в качестве сигнала возбуждения для данного подсегмента. Таким образом, выходная информация кодера речевого сигнала для одного 20 мс сег- мента речи включает: - параметры фильтра-анализатора STP — 8 коэффициентов логарифмического отноше- ния площадей LAR г, (/ = 1.. .8) — один набор на весь сегмент; - параметры фильтра-анализатора LTP — коэффициент долговременного предсказания g и временную задержку d для каждого из 4-х подсегментов;
МОБИЛЬНЫЕ СТАНЦИИ 131 - параметры сигнала возбуждения — номер последовательности и, максимальная ам- плитуда В, нормированные амплитуды bi (1...13) импульсов последовательности — для каждого из 4-х подсегментов. Число бит, отводимых на кодирование передаваемых параметров, приведено в табл. 4.1. Таблица 4.1. Кодирование выходной информации кодера речи стандарта GSM Передаваемые параметры Число бит Примечания Параметры фильтра STP (LAR r,(i = 1...8)) 36 Г ь Г 2 по 6 бит Г з, Г 4 — по 5 бит г 5, г 6 — по 4 бита Г 7, Г 8 — по 3 бита Параметры фильтра LPT (коэффициент g и время задержки d для каждого из под- сегментов) 36 g — 2 бита d — 7 бит Параметры сигнала возбуждения (п — номер последовательности, В — максимальная амплитуда, bj — амплитуды импульсов (i = 1... 13) для каждого из 4-х подсегментов) 188 п — 2 бита В — 6 бит bi — 3 бита Всего за 20 миллисекунд в сегменте 260 Всего для одного 20-миллисекундного сегмента речи передается 260 бит информации, то есть кодер речи осуществляет сжатие информации почти в 5 раз (1280/260 = 4,92, где 1280 = 160x8 — число бит в методе линейного предсказания). Декодер Рассмотрим принцип декодирования информации, поступающей по каналу связи в соот- ветствии со схемой рис. 4.4. 1. Блок формирования сигнала возбуждения 1.Б, используя принятые параметры сигна- ла возбуждения, восстанавливает 13-импульсную последовательность сигнала возбуждения для каждого из подсегментов сигнала речи, включая амплитуды импульсов и их расположе- ние во времени, то есть сигнал у'п — как остаток долговременного предсказания поступает на вход 2.Б — фильтра-синтезатора LTP. 2. Сформированный таким образом сигнал возбуждения у'п фильтруется фильтром-син- тезатором долговременного предсказания LTP, на выходе которого получается восстановлен- ный остаток кратковременного предсказания 5^. Следует отметить, что на второй вход фильтра LTP поступают сигналы, передающие параметры долговременного линейного пред- сказания, а именно коэффициент долговременного предсказания g и временная задержка d. 3. Сигнал — остаток кратновременного предсказания — поступает на решетчатый фильтр-синтезатор STP, который реализует фильтрацию сигнала Ь’п, причем параметры фильтра предварительно преобразуются из LAR rz в коэффициенты частичной корреляции 4. В 4.Б — блоке фильтрации выходной сигнал с фильтра-синтезатора STP фильтруется в (блоке пост-фильтрации) цифровым фильтром, восстанавливающим амплитудные соотноше- ния частотных составляющих речевого сигнала, то есть в кодере блок Б.1 вносит компенси- рующие предыскажения, а в блоке 4.Б декодера восстанавливается цифровой сигнал речи. Таким образом, после декодирования получается цифровой речевой сигнал S'n -> Sn. 5*
132 ГЛАВА 4 Оценка качества речевого кодирования Как следует из рассмотрения функционирования кодека GSM, создание экономичного и со- вершенного кодека речи является сложным процессом, связанным с непрерывными поиска- ми новых технических решений. При оценке качества кодирования кодеков оцениваются разборчивость речи и качество синтеза (качество звучания) речи. Для оценки разборчивости речи используется метод DRT (Diagnostic Rhyme Test) — диагностический рифмованный текст. В этом методе подбираются пары близких по звуча- нию слов, отличающихся отдельными согласными (типа «дом» — «том», «кол» — «гол»), которые многократно произносятся несколькими дикторами, и по результатам испытаний оценивается доля искажений. Метод позволяет получить оценку разборчивости отдельных согласных и общую оценку разборчивости речи. Для оценки качества звучания используется критерий DAM (Diagnostic Acceptability Measure) — диагностическая мера приемлемости. Испытания заключаются в чтении не- сколькими дикторами (мужчинами и женщинами) ряда специально подобранных фраз, которые прослушиваются на выходе тракта связи рядом экспертов, выставляющих свои оценки по пятибальной шкале. Результатом является средняя субъективная оценка или средняя оценка MOS (Mean Opinion Score). Хотя метод оценки качества звучания по кри- терию MOS является субъективным, его результаты достаточно объективны и использу- ются на практике. В качестве примера в табл. 4.2 приведены результаты оценки четырех типов кодеков по критерию MOS. Таблица 4.2. Оценка качества речевых сигналов 4 типов кодеков по критерию MOS Тип кодека Темп передачи цифровой информации, кбит/с Оценка MOS РСМ (ИКМ) 64 4,12 ADPCM 32 3,78 RPE-LPT GSM-standards 13 3,58 VSELP D-AMPS standards 8 3,44 Близкие к шкале MOS результаты дает объективный метод оценки качества с использо- ванием понятия кепстрального расстояния CD (Cepstrum Distance). Следует отметить, что при разработке стандарта GSM были исследованы шесть типов кодеков, после чего выбор был остановлен на кодеке RPE-LTP. Работы по совершенствованию кодеков в стандарте GSM продолжаются: - введено полускоростное кодирование (6,5 кбит/с), - предлагаются новые усовершенствования полноскоростного кодека [4.6, 4.7]. 4.4. Кодер канала Кодер канала следует после кодера речи (рис. 4.2) и предшествует модулятору. Главной его задачей является помехоустойчивое кодирование речевого сигнала, то есть такое кодирование, которое позволяет обнаруживать и в значительной мере исправлять
МОБИЛЬНЫЕ СТАНЦИИ 133 ошибки, возникающие при распространении сигналов по радиоканалу от передатчика к приемнику, например, от передатчика MS к приемнику BTS и наоборот. Помехоустойчивое кодирование осуществляется за счет введения в состав передаваемо- го сигнала достаточно большого объема избыточной информации, при этом может реализо- ваться кодирование с упреждающей коррекцией ошибок — FEC coding (Forward Error Correcting coding). В сотовых системах связи помехоустойчивое кодирование выполняется в виде трех процедур [4.4]: - блочного кодирования (block coding); - сверточного кодирования (convolutional coding); - перемежения (interleaving). Кроме того, кодер канала выполняет еще ряд функций: - добавляет управляющую информацию, которая, в свою очередь, подвергается поме- хоустойчивому кодированию; - упаковывает подготовленную к передаче информацию и сжимает ее во времени; - осуществляет шифрование передаваемой информации. Последовательность этих функций показана на рис. 4.5. Рис. 4.5. Последовательность функций, выполняемых в кодере канала Прежде, чем будут рассмотрены кодер и декодер канала стандарта GSM, познакомимся с основными принципами блочного и сверточного кодирования, перемежения, а также шифрования информации. Блочное кодирование Входная информация при блочном кодировании разделяется на блоки, содержащие по к символов каждый, которые по определенному закону преобразуются кодером в и-символь- ные блоки, причем выбирается п>к. Отношение кодирующих символов R = к/п носит название скорости кодирования — coding rate. Величина R < 1 является мерой избыточности, вносимой кодером. При рационально построенном кодере меньшая скорость кодирования, то есть большая избыточность, соответствует более высокой помехоустойчивости.
134 ГЛАВА 4 Повышению помехоустойчивости способствует также увеличение длины блока на вы- ходе кодера. Обычно блочный кодер с параметрами к, п обозначается (п, к), где первым символом п — обозначают число символов в выходном блоке кодера, а к — число символов во входном блоке. В системах сотовой связи используются двоичные символы входной и выходной после- довательностей . Кодеры, «работающие» с такими последовательностями, называют двоичными блочными кодерами. В качестве примера на рис. 4.6 представлена схема двоичного блочного кодера (5, 4) [п = 5, к = 4, R = к/п = 0,8]. Рис. 4.6. Двоичный блочный кодер (5, 4) Каждый бит блока выходной информации (на выходе сумматоров по модулю 2) получа- ется как сумма по модулю 2 нескольких бит (от одного до к) входного блока, для чего ис- пользуется п сумматоров по модулю 2, алгоритм работы которых показан в табл. 4.3. Таблица 4.3. Алгоритм работы блочного кодера (5, 4) Первое слагаемое Второе слагаемое Сумма 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Следует отметить, что один из сумматоров (второй справа) является вырожденным, так как на его вход поступает лишь одно слагаемое. На рис. 4.7 показана схема систематического блочного кодера [4.4]. Как видно из сравнения рис. 4.6 и 4.7, отличительной особенностью систематического кодера является то, что в состав блока выходной информации включается блок входной ин- формации. Тривиальные сумматоры, соответствующие формированию этой части выходно- го блока, не показаны. Простейший систематический двоичный блочный кодер (рис. 4.8) — реализует операцию кодирования, состоящую в том, что на выход, кроме копии входного, поступает лишь один избыточный бит, который является суммой по модулю 2 всех бит входного блока.
МОБИЛЬНЫЕ СТАНЦИИ 135 1234567 к=7 Блок входной информации Блок выходной информации 12345678 л = 8 Рис. 4.7. Систематический блочный кодер 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 Рис. 4.8. Побайтовый контроль четности Этот избыточный бит называется кодом контроля четности, так как число символов в выходном блоке, с учетом контрольного бита, четное п = 8. Для 8-битового блока двоич- ной информации схема рис. 4.7 может быть названа схемой побайтного контроля четно- сти. Используя схему рис. 4.7, рассмотрим возможность обнаружения ошибок при помощи блочного кода, а затем — возможность коррекции ошибок. Побайтовое обнаружение ошибки На рис. 4.8 показаны семь блоков выходной информации кодера рис. 4.7, причем по- следний бит в каждом байтовом блоке является кодом четности (то есть матрица входной информации 7x7, при этом 8 столбец — состоит из битов контроля четности). При наличии одиночной ошибки в любом из 7-ми блоков, включая и ошибку в коде четности (8 столбец), нарушается правило формирования кода четности, на основании чего и обнаруживается ошиб- ка (например, в строке 4, если в 8 столбце появляется 1, то это свидетельствует о том, что в строке 4 один из символов ошибочен, но какой — на это матрица рис. 4.8 ответа не дает). Итак, ошибка локализуется лишь с точностью до байта, а потому не может быть ис- правлена, ибо неизвестно, какой именно бит в байте ошибочен. Тем более, если ошибка воз-
136 ГЛАВА 4 никла среди 7 символов байта и в 8 символе. Таким образом, контроль четности по стро- кам не дает возможности найти ошибку конкретного бита в матрице, но позволяет обна- ружить одиночные ошибки в байтах. Побайтовое обнаружение и исправление ошибки в блочном кодере Рассмотрим рис. 4.9, на котором помимо контроля четности по строкам для всей приве- денной информации рис. 4.8 введен еще контроль четности по столбцам (нижняя 8-я строка). одиночной ошибки в блочном кодере При наличии одиночной ошибки в этой 8x8 = 64-битовой матрице можно указать не только строку, содержащую ошибку, но и столбец с ошибкой, а значит — ошибочный бит, лежащий на пересечении строки и столбца (например, если обнаружена ошибка в 4 строке (1 в 8 столбце), 8-байтовой последовательности, а также в 4-ом столбце (1 в 8 строке), то, таким образом, обнаружен ошибочный бит в 4 строке 4-го столбца матрицы). Итак, если обнаружен ошибочный бит, то он может быть элементарно исправлен: если в данном примере — 4 строка — 4 столбца — ошибка — 0, то вместо него ставится 1 (или на- оборот). Таким образом, матрица рис. 4.9 позволяет, при ее реализации в виде систематических байтовых кодеров [рис. 4.9 — (п, к) = (64, 49)] обнаружить и исправить одиночные ошибки. Однако, кратные ошибки этой схемой исправить невозможно. Для коррекции кратных ошибок применяются более совершенные и сложные схемы блочных кодеров. Сверточное кодирование На рис. 4.10 показана схема сверточного кодера (4, 2, 5), где п = 4, к = 2, К = 5, R = k/n = 0,5. При сверточном кодировании величина к последовательных символов (в данной схеме К = 5) входной информационной последовательности по к = 2 бит в каждом символе участ- вует в образовании л-битовых (п = 4) символов выходной последовательности при п > к, причем на каждый символ входной последовательности приходится по одному символу вы- ходной последовательности.
МОБИЛЬНЫЕ СТАНЦИИ 137 Рис. 4.10. Схема сверточного кодера (4, 2, 5) Каждый бит выходной последовательности получается как результат суммирования по модулю 2 (от двух до Кк бит, то есть от 2 до 5x2 = 10 бит) К (К = 5) входных символов, для чего используется п (п = 4) сумматоров по модулю 2. Итак, для данной схемы рис. 4.10 — сверточного кодера типа (и, к, К), где параметры кодера: п — число сумматоров по модулю 2, число бит выходной последовательности: п = 4; к — число бит в каждом символе входной информационной последовательности: к = 2; К — число символов входной информационной последовательности или длина огра- ничения. Параметр К определяет длину сдвигового регистра (в символах), содержимое которого участвует в формировании одного выходного символа (сдвиговый регистр на 5 символов), вид кодера запишется (4, 2, 5) = (п, к, К), при скорости кодирования R-k/n- 2/4 = 0,5. Сле- дует отметить, что после того, как очередной выходной символ сформирован (например, на рис. 4.10 сформирован первый и = 4 битовый символ), входная последовательность из со- стояния К(0, 1) = 5, К(0, 0) = 4, К(1, 0) = 3, К(1, 1) = 2, К(0, 1) = 1 сдвигается на один символ вправо, то есть вместо К = 5 имеем К(0, 1) = 4, вместо К = 4 имеем К(0, 0) = 3, вместо К = 3 имеем К(1, 0) = 2, вместо К = 2 имеем К(1, 1) = 1 и в результате чего символ К(0, 1) = 1 вы- ходит за пределы регистра. Символы 2...5 далее перемещаются вправо, каждый на место соседнего, в результате чего по каждому шагу смещения символов входной информационной последовательности формируется новый выходной п-битовый символ, то есть в данном случае 10-битовая вход- ная информационная последовательность «сворачивается» в 4-битовую выходную последо- вательность, а из 5 входных символов (по 2 бита в каждом) формируется один выходной п = 4-битовый символ. Если число бит в символах сдвигового регистра входной информационной последова- тельности к = 1, то есть символы однобитовые (а не двухбитовые, как на рис. 4.10), то такой сверточный кодер называется двоичным. На рис. 4.11 показана в качестве примера возможная схема двоичного сверточного ко- дера (4,1, 5). Завершая рассмотрение основных принципов сверточного кодирования, необходимо отметить, что название сверточного кода обязано тому, что он может рассматриваться как свертка импульсной характеристики кодера и входной информационной последователь- ности.
138 ГЛАВА 4 Рис. 4.11. Схема двоичного сверточного кодера (4, 1,5) Перемежение Перемежение (interleaving) представляет собой такое изменение порядка следования символов информационной последовательности, то есть такую перестановку символов, при которой стоявшие рядом символы оказываются разделенными несколькими другими симво- лами. Перемежение, как процедура перестановки символов, предпринимается с целью пре- образования групповых ошибок (пакетов ошибок) в одиночные ошибки, с которыми проще бороться с помощью блочного и сверточного кодирования. Использование перемежения — одна из характерных особенностей систем сотовой мо- бильной связи, и это является следствием неизбежных глубоких замираний радиосигналов в условиях многолучевого распространения радиоволн, которые практически всегда имеют место, особенно в условиях плотной городской застройки, лесных массивов и пр. При этом группа следующих один за другим символов, попадающих на интервал глубо- кого замирания сигнала, с большой вероятностью оказывается ошибочной. Если же перед передачей информационной последовательности в радиоканал она под- вергается процедуре перемежения, а на приемном конце восстанавливается прежний поря- док следования символов, то пакеты ошибок с большой вероятностью рассыпаются на оди- ночные ошибки. Существует несколько схем перемежения и их модификиции [4.4]: диагональная; блоч- ная; сверточная и другие. Рассмотрим кратко диагональную и блочную схемы перемежения, лежащие в основе схем, применяемых в сотовых системах мобильной связи. Следует отметить, что в стандарте GSM применяется сложная схема блочно-диагональ- ного перемежения. Диагональная схема перемежения В диагональной схеме перемежения входная информация делится на блоки, а блоки — на субблоки, при этом в выходной последовательности субблоки, например, второй полови- ны предыдущего блока, чередуются с субблоками первой половины следующего блока. На рис. 4.12 показана схема диагонального перемежения, где каждый блок состоит из 6 субблоков ai, второй — из субблоков Ь» третий — из субблоков Каждый субблок может состоять либо из нескольких символов, либо из одного символа и даже из одного бита. Как видно из рис. 4.12, выходная последовательность субблоков bi блока 2 перемежается с второй частью блока 3 и второй частью блока 1. Приведенная схема диагонального перемежения вносит малую задержку, но расставля- ет соседние символы лишь через один, то есть рассредоточение ошибочных символов груп- пы получается сравнительно небольшим.
МОБИЛЬНЫЕ СТАНЦИИ 139 Блок 1 ср св ю со а4 со св а2 а1 Субблоки а, Блок 2 Субблоки Ь, ^5 ьз ь2 Ь, Блок 3 Вход-> ••• с6 С5 С4 Сз с2 С1 Субблоки с, • •• Ь6 с3 Ь5 с2 Ь4 с.| а6 b2 а5 Ь2а4 Ь. > Выход Рис. 4.12. Схема диагонального перемежения Блочная схема перемежения На рис. 4.13 представлена схема блочного перемежения. Рис. 4.13. Схема блочного перемежения При блочном перемежении входная информация также делится на блоки, по м-суббло- ков (или символов) в каждом блоке, в выходной последовательности чередуются субблоки ки последовательных блоков. Работу этой схемы можно представить в виде: - записи блоков входной последовательности — в качестве строк матрицы размерности кхп, - считывания информации, которое производится по столбцам. Таким образом, если входная последовательность в этом примере имеет вид: - «ь «2? «л? — ЬП9 к\ч ^2? • • •> кП9 то выходная последовательность будет: - «1? Ьъ къ ~ «2? Ь2, к2, ^л? ^л? • • •> ^л«
140 ГЛАВА 4 Субблоки, или символы, в частном случае, также могут состоять из одного бита. Схема блочного перемежения вносит большую задержку, чем схема диагонального перемежения, но значительно сильнее рассредоточивает символы группы ошибок. Общим недостатком обеих рассмотренных схем является жесткая периодичность следо- вания переставленных символов в пределах интервала перемежения. Кодек канала стандарта GSM В кодеке канала кодируются/декодируются как речевая информация, так и информация каналов управления, то есть информация каналов трафика ТСН и информация каналов управления ССН. В то время как в информации канала трафика кодируется лишь часть битов, информа- ция каналов управления кодируется в полном обьеме. Рассмотрим кодирование сегмента речевого сигнала (см. табл. 4.1), полученного на вы- ходе кодера речи и имеющего: - параметр фильтра STP — 36 бит, - параметр фильтра LTP — 36 бит, - параметр сигнала возбуждения (СВ) — 188 бит, то есть за 20 мс передаются в сегменте речевого сигнала 260 бит. В кодере канала 260 бит информации разделяются на 2 класса (рис. 4.14): - класс 1 — в него включено 182 бита, защищаемых помехоустойчивым кодированием; - класс 2 — в него включены оставшиеся 260 - 182 = 78 бит, которые передаются без помехоустойчивого кодирования. Рис. 4.14. Схема кодирования сегмента речевого сигнала В свою очередь класс 1 делится на: - подкласс 1а, к которому относятся параметры фильтра кратковременного предсказа- ния STP (36 бит) и часть информации (14 бит) о параметрах фильтра долговременного предсказания LTP, то есть в подклассе 1а выделяется 50 = (36 + 14) бит существенной речевой информации, которая подвергается наиболее мощному помехозащищенному кодированию; - подкласс 1в, в который включены остальные 182-50 = 132 бита, кодируется слабее, чем информация подкласса 1а. В подкласс 1в включаются 22 бита информации о па- раметрах фильтра LTP и ПО бит о параметрах сигнала возбуждения. Итак, распределение цифровой информации (бит) по подклассам 1а, 1в и классу 2 реа- лизовано (рис. 4.14) для сегмента речи в виде: 1а — 50 бит; 1в — 132 бит; 2 — 78 бит.
МОБИЛЬНЫЕ СТАНЦИИ 141 Кодирование информации подкласса 1а 1. Информация 50 бит кодируется блочным кодом — укороченным систематическим циклическим кодом (п, к) = (53, 50), то есть 3-битовый код четности позволяет обнаружи- вать ошибки. На выходе блочного кодера, таким образом, цифровая последовательность имеет 53 бита (избыточные 3 бита). 2. В специальном блоке информация подклассов 1а (53 бита) и 1в (132 бита) переупако- вывается, располагаясь в такой последовательности: - биты с четными индексами; - код четности подкласса 1а; - биты с нечетными индексами в обратной последовательности; - четыре добавочных нулевых бита, то есть всего 53 + 132 + 4 = 189 бит. 3. Цифровая последовательность в 189 бит подается на вход сверточного кодера (кодера свертки) (и, к, К) = (2, 1, 5), имеющего скорость кодирования R-k/n- 0,5 и длину ограни- чения К = 5. В результате сверточного кодирования на выходе кодера получается цифровая последовательность в 189x2 = 378 бит. Окончательно цифровые последовательности сегмента речи по блоку 1 — 378 бит и блоку 2 — 78 бит совместно составляют 456 бит, то есть скорость потока информации речи на выходе кодера канала равна 456/201(Г3 = 22,8 кбит/с. Однако процесс кодирования речи перед подачей цифровых сигналов на модулятор на этом не завершается,. В стандарте GSM используется достаточно сложная и совершенная схема блочного диа- гонального перемежения (рис. 4.15). Полученные 456 бит информации одного 20-мил л исекундного сегмента речи разбива- ются на 8 подсегментов по 57 бит каждый (456/8 = 57). Рис. 4.15. Схема блочного диагонального перемежения
142 ГЛАВА 4 Далее в блоке перемежения реализуется алгоритм перемежения, обладающий свойства- ми квазислучайности, так что смежные биты исходной последовательности разделяется не- постоянным числом бит, причем после перемежения 57 бит одного подсегмента распреде- ляются между смежными восемью подсегментами таким образом, что смежными с каждым конкретным битом оказываются соответствующие ему по положению биты, отстоящие от него до перестановки на 4 подсегмента, причем на четные и нечетные (после перестановки) битовые позиции подсегмента ставятся биты из смежных сегментов. Как показано в работе [4.8], таблица перемежения для речевой последовательности бит имеет вид: Номер кадра F0 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 а0, Ь4 а„Ь6 а2, Ь6 аз> Ь7 а4, Ьо а6, Ь, ав, Ь2 а7, Ь3 Биты речевой 114 114 114 114 114 114 114 114 биты последовательности После перемежения (рис. 4.15) 456 бит информации одного речевого сегмента распре- деляются по одноименным слотам (временным интервалам) четырех последовательных кадров канала трафика: два поля по 57 бит в слоте и каждое 57-битовое поле снабжается до- полнительным скрытым флажком S, помечающим информацию речи (в отличие от инфор- мации управления канала, например, быстрого совмещенного канала управления FACCH, информация которого кодируется иначе). Итак, длина слота канала трафика, с учетом добавления вспомогательной и служебной информации, составляет 3 + 57+1 + 26 + 1+ 57 + 3 + 8,25 = 156,25 бит, и поскольку инфор- мация одного 20-миллисекундного сегмента речи занимает по одному слоту в четырех по- следующих кадрах, скорость результирующего потока цифровой информации составляет (4х156,25)/20х1(Г3 = 625/20х10’3 = 31,25 кбит/с. Эта информация (а именно 4x156,25 = 625 бит) сжимается во времени в 8 раз, так что на протяжении одного кадра длительностью 4,615 мс передается информация восьми времен- ных слотов, в результате чего частота битовой последовательности возрастает до (8x31,25) = 250 кбит/с. На каждые 12 кадров канала трафика, несущих речевую информацию (в мультикадре канала трафика информационными речевыми кадрами являются 1-12 и 14-25, в 13* кадре передается канал управления SACCH, а кадр 26* — пустой, для резервирования) добавля- ется по одному кадру с информацией управления канала SACCH (имеющую скорость 20,833 кбит/с). Таким образом, скорость информационной битовой последовательности (по речевому сигналу) на выходе кодера канала составляет: 250 + 20,833 = 270,833 кбит/с. Следует отметить, что выше была рассмотрена процедура работы кодера канала только по помехоустойчивому кодированию речевой информации. Информация же каналов управления подвергается блочному и сверточному кодирова- нию в полном обьеме. Так, для кодирования информации каналов: медленного совмещенного канала управле- ния SACCH; быстрого совмещенного канала управления FACCH; канала вызова РСН; кана- ла разрешения доступа AGCH; выделенных закрепленных каналов управления SDCCH ис- пользуются блочный кодер (и, к) = (224, 184), сверточный кодер (и, к, К) = (2, 1, 5), а также схема перемежения, аналогичная схеме перемежения по речевому каналу. В каналах синхронизации SCH и случайного доступа RACH используются другие схе- мы блочного кодирования, а также сверточные кодеры (2, 1, 5), отличающиеся от сверточ- ных кодеров перечисленных выше каналов управления.
МОБИЛЬНЫЕ СТАНЦИИ 143 При передаче компьютерных данных используются более сложные схемы сверточного кодирования и перемежения, обеспечивающие соответственно и более высокое качество пе- редачи информации. В заключение рассмотрения кодера канала стандарта GSM в табл. 4.4 [4.4] приведены основные характеристики систем кодирования речи стандартов GSM и D-AMPS (США). По- следняя строка таблицы показывает эффективность использования полосы частот, которая ха- рактеризуется скоростью передачи информации на выходе кодера канала, приходящейся на 1 Гц полосы, занимаемой частотным каналом 270,833-103/(200-103) = 1,354 (бит/с)/Гц). Таблица 4.4. Характеристики систем кодирования речи в стандартах GSM и D-AMPS Характеристика GSM D-AMPS Метод кодирования RPE-LTP VSELP Длительность кодируемого сегмента речи, мс 20 20 Частота битовой последовательности на входе кодера речи, кбит/с 64 64 Частота битовой последовательности на выходе кодера речи, кбит/с 13 7,95 Дополнительный поток информации для защиты от ошибок (блочное и сверточное кодирование), кбит/с 9,8 5,05 Дополнительный поток управляющей и служебной информации (до сжатия ТОМА), кбит/с 8,45 3,2 Коэффициент сжатия (для реализации ТОМА) 8 3 Дополнительный поток управляющей информации (после сжатия ТОМА), кбит/с 20,833 - Скорость передачи информации в канале (частота битовой последовательности на выходе кодера канала), кбит/с 270,833 48,5 Полоса канала, кГц 200 30 Эффективность использования полосы частот, (бит/с)/Гц 1,35 1,62 Декодер канала Процесс декодирования информации после демодуляции выполняется в порядке, обрат- ном кодированию (см. рис. 4.5): 1) снимается сжатие информации во времени, то есть информация возрастает во време- ни в 8 раз; 2) снимается перемежение, то есть восстанавливается последовательность битов после шифрования информации; 3) реализуется дешифрование информации; 4) реализуется разделение информационных потоков речи и управляющей информации; 5) при декодировании информации речи процесс идет следующими этапами: - в начале (после эквалайзера) выполняется сверточное декодирование информации (класса 1), при этом исправляются ошибки в пределах возможностей кода свертки; - далее по коду четности проверяется наличие остаточных ошибок в информации под- класса 1а, и, если такие ошибки обнаруживаются, информация данного сегмента не идет в последующую обработку, а заменяется интерполированной информацией смежных сегментов; 6) реализуется блочное декодирование речевой информации;
144 ГЛАВА 4 7) реализуется сверточное и блочное декодирование управляющей информации, кото- рая далее поступает в CPU. После сверточного и блочного декодирования речевой инфор- мации сигналы (цифровая последовательность) подаются на вход декодера речи. 4.5. GMSK-модуляция GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying} — гауссовская модуляция (точнее манипуляция) с минимальным частотным сдвигом (shift keying — манипуляция переключения сдвигом или переключения скачком), используемая в стандарте GSM, по сути есть не что иное, как дво- ичная цифровая частотная модуляция (ЧМ} с гауссовской предварительной фильтрацией (полоса гауссовского фильтра равна В = 81,3 кГц}. Как известно, частотная модуляция является наиболее часто используемым видом ана- логовой модуляции. Для передачи данных была разработана цифровая ЧМ, известная как частотная манипуляция FSK (Frequency Shift Keying}. Индекс модуляции систем FSK может быть установлен заранее и определяет режим узкополосной или широкополосной передачи. Для демодуляции большого класса сигналов с FSK могут использоваться простые некоге- рентные демодуляторы. Однако для таких демодуляторов необходимо более высокое отно- шение мощностей несущая/шум (CNR — Carrier-to-Noise-Ratio}, чем для систем с когерент- ной демодуляцией. Если в передатчике частотная девиация осуществляется согласно выражению [4.1]: bfpp=2bf=f2-fi = ll(2Tb\ (4.1) где Ть — длительность бита входной цифрой последовательности (при дичм = !Sfpp Ть = 1/2), то можно реализовать когерентную модуляцию/демодуляцию сигналов с минимальным час- тотным сдвигом MSK (Minimum Shift Keying}. На рис. 4.16 показана возможность получения частотной модуляции с помощью частот- ного генератора, управляемого напряжением (ГУН). /1=/о-Д/ 1/27; _L /о Генератор, управляемый напряжением (ГУН) /г “ /о + Kf Л = 1/Л Рис. 4.16. Частотная модуляции с помощью частотного генератора, управляемого напряжением (ГУН) Модулятор ЧМ1, использующий ГУН с девиацией частоты, определяемой по формуле (4.1), — возможный вариант формирования радиосигналов с MSK.
МОБИЛЬНЫЕ СТАНЦИИ 145 Логическому состоянию «1» соответствует частота /2? а логическому состоянию «О» (уровень напряжения цифровых данных Uo = -1В) — частота Девиация частоты для когерентной FSK определяется выражением (4.1), при этом меж- ду передаваемыми частотами и битовой скоростью необходимо обеспечить соотношение когерентности, которому соответствует индекс частотной модуляции, определяемый выра- жением: /ичм=Д/рр-Ть=0,5. (4.2) Как следует из названия модуляции GMSK, по сути термин «гауссовская» соответству- ет дополнительной фильтрации спектра модулирующей битовой последовательности отно- сительно узкополосным гауссовским фильтром, имеющим отклик на прямоугольные им- пульсы при ВТЬ = 0,3 (рис. 4.17). Рис. 4.17. Отклик g(f) гауссовского фильтра на прямоугольный импульс при значении ВТь = 0,3: В — полоса гауссовского фильтра на уровне 3 дБ, Ть — длительность бита) Итак, гауссовский узкополосный фильтр, используемый в модуляции GSMK стандарта GSM, имеет параметры: произведение полосы на длительность одного бита равно — ВТЬ = 0,3. При ВТЬ=> 00, данное значение соответствует MSK. Меньшие значения ВТЬ приво- дят к более компактному спектру, но и к увеличению уровня искажений. Поэтому значение ВТЬ = 0,3 было выбрано из компромиссных соображений: достаточно высокая спектральная эффективность (то есть эффективность использования полосы частот В, (бит/с)/Гц, которая для GSM равна 1,35) и требуемая характеристика вероятности ошибки на бит (то есть величины BER — пороговой вероятности ошибки на бит), которая для кодеков адаптивной дельта-модуляции может допускать значения BER 10-2, а для системы с ИКМ — BER 10-4. Для более детального изучения метода модуляции GSMK рассмотрим метод MSK, а по- том учтем влияние гауссовского фильтра на результирующий модулирующий сигнал. Метод MSK Метод MSK обычно рассматривают как метод квадратурной фазовой манипуляции со смещением OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying) [4.1, 4.4], но с заменой (в MSK) прямоугольных модулирующих импульсов [(длительностью 2ТЬ) в OQPSK] на полуволно- вые отрезки синусоид или косинусоид (длительностью также 2ТЬ). Рассмотрим структурную схему модема (модулятор/демодулятор) MSK, приведенную на рис. 4.18 [4.1].
146 ГЛАВА 4 Передатчик Приемник Канал передачи Q(0 Q(0 Модулятор MSK Демодулятор MSK Рис. 4.18. Схема модема MSK Следует отметить, что в схеме (рис. 4.18) используются следующие обозначения: ® — перемножитель (балансный модулятор или сигнальный процессор); ГЧ — генератор немодулированной несущей частоты (/о); ФВ на 90° — фазовращатель на 90°; © — сумматор, реализующий суммирование (точ- нее вычитание) двух членов выражения (4.6); ФИ — формирователь импульсов; ВС — входной сигнал. Модулятор MSK 1. Получим квадратурное представление сигналов FSK применительно к MSK. Частотно-манипулированный сигнал Sfsk(0 можно рассматривать как гармонический сигнал (синусоидальный или косинусоидальный), частота которого может принимать два значения: /1=/о-А/и/2 = /о+А/. (4.3) При этом он может быть представлен в виде: Sfsk(0 = A-cos-[2rc(/o ± А/)Г] = A cos(±2jc-A/z) cos(2jc/oO - A-sin(±2rc-A/z)-sin(2jv/o0> (4.4) где А — амплитуда сигнала SFsk(0- При когерентной демодуляции (рис. 4.18) частота девиации Д/выбирается из условия: Д/= 1/(47),), (4.5) где Ть длительность бита. Тогда сигнал MSK может быть записан следующим образом: Smsk(0 = A-cos(±nt/27)>)-cos (2л?/о0 -Asin(±jtr/27),)sin (2л fot), (4.6) при (п - 1)ТЬ «s Г «s пТь. Выражение (4.6) является квадратурным представлением сигналов FSK применительно к MSK.
МОБИЛЬНЫЕ СТАНЦИИ 147 2. На рис. 4.18 в схеме модулятора сигналов MSK оконечная его часть реализует выра- жение (4.6): сигнал немодулированной несущей с частотой /о перемножается (для этого в балансном смесителе выбран нелинейный режим, позволяющий реализовать перемноже- ние) с синфазным /(0 = «,cos(±nr/2Tb) (4.7) и квадратурным 2(0 = aQ ' sin(±rcf/2Tfc) (4.8) низкочастотными сигналами, несущими информацию цифрового потока с выхода кодера канала (рис. 4.2). 3. В канале Q(t) введение дополнительной задержки (Аг = Ть) позволяет сформировать в ФИ (формирователе импульсов) последовательность импульсов вида: cos[±rc (f - Tb)/2Tb] = sin(±rcf/27X). (4.9) 4. Итак, в формирователях импульсов ФИ должны формироваться импульсы в виде по- луволновых отрезков косинусоид и синусоид, длительностью 2ТЬ, являющихся модулирую- щими сигналами для модулятора MSK. Рассмотрим принципы формирования модулирующих сигналов (4.7) и (4.8). 5. С выхода кодера канала (см. рис. 4.2) подается цифровая последовательность, напри- мер, в виде биполярного кода NRZ (Non Return to Zero) — БВН (без возвращения к нулю), показанного на рис. 4.19. Этот сигнал подается на вход блока ППП (последовательно-параллельного преобразо- вателя), который разделяет цифровой поток на два потока: - Uj(t) — синфазный (нечетные биты); ~ ле(0 — квадратурный (четные биты). Эти потоки цифровых символов имеют символьную скорость, равную половине входной битовой последовательности, то есть если скорость битовой последовательности для кода NRZ равна FNRZ = 1/TS = Ц2ТЬ, тогда скорость потоков a^t) и aQ(t) будет равна Fnnn = V2Fnrz = 1/477,, а период символьной последовательности 7Ппп = ^Ть. Итак, в блоке ППП цифровой поток разделился на нечетные и четные биты, длитель- ность которых равна 2ТЬ, а их знаки определяются знаками входных битов. На рис. 4.19 показано построение нечетных и четных бит, растянутых во времени вдвое, при амплитудах 1-* (+1)В, 0-* (-1) В, обозначенных символами ai (нечетные) и aQ (чет- ные), при этом использование задержки для входящих сигналов (ВС) на Дг3 = Ть, приводит к смещению aQ(t) на время Ть. 6. На входы формирователей импульсов (ФИ) синусоидальной формы поступают нечет- ные Ui и четные aQ последовательности импульсов, которые в ФИ преобразуются в отрезки косинусоидальной и синусоидальной формы, которые и являются модулирующими сигна- лами, предварительно прошедшими блок ПРД/Ф (блок передающего ФНЧ (фильтра низких частот) или сигнального процессора MSK), где они окончательно формируются в сигналы /(0 = Ui cos ±л—— и Q(t) = flG-sin ±л—— . 2ТВ J < 2ТВ J Дальнейший процесс формирования модулирующих сигналов MSK описан выше в п. 1-4 данного параграфа.
148 ГЛАВА 4 Входная цифровая последовательность (NRZ код) О 7 27 37 47 57 67 77 87 97 10 Нечетные биты ап растянутые во времени вдвое Четные биты а(), растянутые во времени вдвое Рис. 4.19. Временные диаграммы сигнала и изменения фазы модулирующего сигнала при MSK 7. В зависимости от соотношения а, и aQ, а также знаков выражений «t cos t ±тс---- 2Т «g-sin ±л—— , происходит изменение фазы выходного сигнала S(t) скачками по 90°, а по \ ^в) частоте в соответствии с выражением (4.3). 8. Спектральная плотность высокочастотного модулированного сигнала определяется выражением [4.1]: GMSAf) = Pc 4r[l + cos2n(/-/0)Г;] л2[1-4т;2(/-/о)2]2 (4.Ю) где Рс — полная мощность модулированного сигнала; /0 — частота немодулированной несу- щей; Ts = 1/ fs = 2ТВ — длительность символа; Тв — длительность бита;/— несущая частота.
МОБИЛЬНЫЕ СТАНЦИИ 149 Ширина главного лепестка спектра сигналов MSK равна ±3/4 Тв, то есть при длительно- сти одного бита, равной Тв = 3,69 мкс, полоса частот fn = ±0,2 МГц, при этом спектр не- фильтрованного сигнала MSK спадает пропорционально/"4. Демодулятор MSK После прохождения высокочастотного тракта с двойным преобразованием несущей час- тоты (см. рис. 4.2), сигнал вместе с шумом попадает в демодулятор MSK (см. рис. 4.18) и поступает по трем цепям, включая: - две цепи в схеме перемножений по двум I(t) и Q(t) квадратурным сигналам; - цепь в блоке СВН (схеме восстановления несущей). Схема СВН выдает в перемножители сигналы восстановленной несущей f = /0 ± А/ , при этом используется задержка на 90° в фазовращателе сигнала, чтобы сформировать за- тем квадратурный сигнал Q(t). После перемножителей формируются сигналы I(t) и Q(t), которые затем пропускаются через приемные фильтры (ПРМ/Ф), в качестве которых могут быть использованы фильтры низких частот (ФНЧ). Сигналы I(t) и Q(t) затем поступают: - в пороговые решающие схемы (ПРС); - в схему восстановления тактовой частоты (СВТЧ). Схема СВТЧ выдает сигналы на ПРС для жесткой привязки всего демодулятора по так- товой частоте цифровой последовательности Ts и с входов ПРС на 2 входа ППП, а также из схемы СВТЧ поступают сигналы для формирования из регенерированных квадратурных сигналов I(t) и Q(t), и объединенных в последовательно-паралельном преобразователе, что- бы получить исходную цифровую последовательность. Модем (модулятор/демодулятор) GMSK Модулятор GMSK отличается от модулятора MSK только тем, что перед схемой ППП включен предмодуляционный гауссовский фильтр нижних частот (ГФНЧ) с амплитудно- частотной характеристикой в форме гауссовской кривой (см. рис. 4.17), который приводит к следующим изменением в MSK: - уменьшается ширина главного лепестка и уровни боковых лепестков спектральной плотности (формула (4.10)), что приводит к увеличению спектральной эффективности модулятора; - использование ГФНЧ сглаживает зависимость фазы от величины (пТв) при фазочас- тотной манипуляции в MSK; - выбор полосы ГФНЧ, равной В«0,3/Т/й для GMSK позволяет, с одной стороны, су- зить спектр цифрового сигнала, а с другой, увеличивает уровень межсимвольных ис- кажений (то есть взаимное наложение символов друг на друга). Рассмотрим частотную и импульсную характеристики ГФНЧ. На вход ГФНЧ подается цифровой поток сигналов БВН (NRZ): и{^±ияп[^\ (4.11) Иж-00 V -* D J где Un = ±1, Тв — длительность бита, П(г/7В) —прямоугольная функция: ( t fl 0 2S Г 2S Тд, П — М Тв ) [Of- вне этого интервала. (4.12)
150 ГЛАВА 4 Частотная и импульсная характеристики ГФНЧ определяются следующими выражения- ми [4.1]: G(f) - exp /У 1п2 В) 2 (4-13) 2л2 В2 2 ------г In 2 где В — ширина частотной полосы ГФНЧ по уровню ЗдБ. Сигнал на выходе ГФНЧ: fe(H)= ^Unr(t-nTB}, П—<Х> где r(t) = n(t/TB)g(O = | g(y)dv = В J— | exp-—— \dv = * V In 2 ; In 2 J 4 P +erf +7"’] • er/(r) = ~f= [exp(-v2)dv — интеграл вероятности, л/л о (4-14) (4-15) (4-16) (4.17) На рис. 4.17 показана импульсная характеристика ГФНЧ для значений ВТв: при ВТв = 0,3 и ВТв Таким образом, модулятор GMSK представляет собой соединение ГФНЧ и модулятора MSK. При когерентной демодуляции сигналов с GMSK, как и в MSK, используется квадра- турная структура, аналогичная сигналам с OQPSK, при этом демодулированные квадратурные низкочастотные сигналы/'(0 и Qf(t) описываются функциями cosq)(0 и sinq)(0, соответственно. Квадратурное представление модулированного сигнала с GMSK имеет следующий вид [4-1]: S(t) = cos ф(Г) cos 2jtfQt - sin ф(Г) sin 2jtfQt. (4.18) Демодулированные сигналы I'(f) и Qf(t) получаются перемножением принятого моду- лированного сигнала S'(t) на составляющие восстановленной несущей (в СВН) cosco0r и sin(o0f, соответственно, и подавлением высокочастотных спектральных составляющих с помощью ФНЧ. В моменты дискретизации получаем: со8ф(2иТ5) = ±1± А , при п = 1, 2, ..., (4.19) sin ф[(2и - Т)Т5 ] = ±1 ± А , при п = 1, 2, 3, ..., (4.20) где А — представляет собой составляющую межсимвольных искажений. Решающее правило определяется следующим образом: d J 1 (4.21) “ [-1 cosf<p(2n7;)l < 0, v 7 _ Г 1 SinM(2n-l)T,ll>0, d 1 — л (4.22) [-1 sinfqjf (2n -1)7; И < 0. v 7
МОБИЛЬНЫЕ СТАНЦИИ 151 С применением додетекторного полосового фильтра (ДЦПФ) (особенно гауссовского ДДПФ) при BiTB se 0,63, когерентно демодулированные низкочастотные составляющие cos[qp(£)l и sin[cp(Z)l содержат в себе значительно меньше составляющих межсимвольных искажений. Окончательно цифровой демодулированный поток, пройдя ФНЧ, попадает в соответст- вии со схемой рис. 4.2 на вход эквалайзера канала. Завершая рассмотрение модуляции GMSK, следует отметить ряд важных ее преиму- ществ: 1) достаточно высокая спектральная эффективность (эффективность использования по- лосы частот), равная: 270,883/200 = 1,354 (бит/с)/Гц, обусловленная использованием ГФНЧ с ВТв = 0,3; 2) низкий уровень помех по соседним частотным каналам; 3) приемлемая для практики помехоустойчивость: вероятность ошибки на бит Рс в 10“3 при отношении несущая/шум С/N = 30 дБ; 4) возможность использования когерентной и некогерентной демодуляции; 5) высокий коэффициент полезного действия усилителя мощности передатчика (благо- даря использованию нелинейного усилителя НЛУ). Модемы GMSK используются как в стандарте GSM, так и в других европейских стан- дартах. В настоящее время имеется техническая реализация модема GMSK в виде однокри- стальной СБИС [4.1]. 4.6. Высокочастотные тракты в мобильной станции К высокочастотным трактам в мобильной станции можно отнести: - высокочастотный тракт передающей части MS; - высокочастотный тракт приемной части MS. Передающий высокочастотный тракт мобильной станции Модулирующий сигнал GMSK поступает на вход смесителя СМП (см. рис. 4.2), на второй вход которого подаются высокочастотные колебания с синтезатора частот, что позволяет спектр сигнала GMSK сдвинуть вверх по шкале частот в область (890...915) МГц, при этом с помощью фильтра сосредоточенной селекции ФСС (полосового фильтра на базе керами- ческих фильтров), появившиеся при преобразовании сигналов в СМП высшие гармоники срезаются и далее высокочастотный (ВЧ) сигнал поступает в блок усилителя мощности УМ, параметры которого (усиление и длительность работы) управляются из CPU. В системе стандарта GSM передатчик и приемник работают неодновременно, при этом передача, то есть включение высокочастотного тракта передатчика, осуществляется только в течение 1/8 длительности кадра (то есть 4,615 мс/8 = 0,577 мс). Это резко снижает потери энергии в режиме передачи (при разговоре абонента) и уве- личивает время функционирования аккумуляторных батарей. Кроме того, в зависимости от положения MS относительно BTS, CPU принимает реше- ние об уровне мощности передатчика для устойчивой связи MS-BTS. Чем ближе MS к BTS, тем меньше усиление ВЧ-сигнала в УМ, тем меньше излучаемая антенной мощность.
152 ГЛАВА 4 ВЧ-сигнал, усиленный в УМ, далее поступает через керамический фильтр ФСС в антен- ный переключатель, который подключает антенну к выходу передатчика, как отмечалось выше, в течение 1/8 длительности кадра. Приемный высокочастотный тракт мобильной станции Принимаемый антенной радиосигнал в диапазоне частот (935...960) МГц от BTS через ан- тенный коммутатор в режиме приема поступает на вход фильтра высших частот (керамиче- ский фильтр поверхностной акустической волны — ПАВ), чтобы уменьшить влияние зер- кальных и соседних частотных каналов. Далее с фильтра ВЧ-сигнал усиливается малошумящим усилителем МШУ и поступает на вход первого преобразователя частоты (смесителя СМ1), на второй вход которого пода- ется ВЧ-сигнал с синтезатора частот. Спектр принятого ВЧ-сигнала, таким образом, сдвигается вниз по частотной шкале до первой промежуточной частоты, на которую настроен ФСС на ПАВ и далее на усилитель первой промежуточной частоты УПЧ1 (/tipi)- После усиления сигнал первой промежуточной частоты вновь подвергается преобразо- ванию по частоте и спектр частот в СМ2 сдвигается вниз по частотной шкале до второй промежуточной частоты (/прг)- Далее сигнал после фильтрации в ФСС ПАВ усиливается в УПЧ2 и подается на вход де- модулятора GMSK. Таким образом, высокочастотные тракты передачи и приема работают в зависимости от управления из CPU, центра коммутации (по сигналам управления) и обеспечивают дуплекс- ный режим разговора. Поток цифровых сигналов с выхода демодулятора GMSK, прежде чем поступить на де- кодирование, проходит процедуру эквалайзинга в эквалайзере канала. 4.7. Эквалайзер в мобильной станции Межсимвольные искажения в передаче цифровых сигналов возникают, главным образом, за счет появления разностей хода между отраженными радиоволнами при многолучевом их распространении. Стремление уменьшить, скомпенсировать эти искажения привели к разработке метода выравнивания — эквалайзинга (equalizing), смысл которого состоит в компенсации той раз- ности хода между составляющими лучами при многолучевом распространении радиоволн, которая и приводит к межсимвольным искажениям. Эквалайзер (equalizer) — по своей сути это адаптивный (приспосабливающийся) фильтр, настраиваемый таким образом, чтобы сигнал на его выходе был в возможно боль- шей степени очищен от межсимвольных искажений, содержащихся в принимаемом вход- ном сигнале. Простейшая реализация эквалайзера приведена на рис. 4.20. Эквалайзер в данной схеме представляет трансверсальный фильтр, подобный тому, кото- рый может использоваться в кодере речи, но с принципиально иным алгоритмом настройки. Рассмотрим принцип действия схемы рис. 4.20 и покажем условия частичного ослабле- ния только одного дополнительного сигнала (из многолучевого распространения выберем: главный луч и один мешающий, называемый копией главного, но радиоволна которого по времени сдвинута на т = Тв — длительность одного бита).
МОБИЛЬНЫЕ СТАНЦИИ 153 Рис. 4.20. Линейный эквалайзер на базе трансверсального фильтра с трехэлементной линией задержки при следующих условиях: т3 = Тв, Ci = 1/3, С2 = 1/9, С3 = 1/27) [4.4] На рис. 4.21 приведена временная диаграмма сигналов, последовательно распростра- няющихся вдоль линий задержек и умножителей. 1. Пусть на вход эквалайзера (рис. 4.20) поступает два сигнала: - основной цифровой сигнал So(t), - копия сигнала So(t) - SK(t), сдвинутая во времени на = Тв (длительность одного бита). Эти два сигнала подаются: на вход первой линии задержки (ЛЗ) и на вход сумматора. 2. При прохождении первой линии задержки (Л31) и после перемножения с сигналом Ci = 1/3 основной сигнал превращается в So(t - Тв)/3 (е), а помеховый в S^t - Тв)/3 (г). 3. При прохождении второй Л32: основной сигнал сдвигается на 2ТВ и уменьшается по величине в С2 = 1/9 раза, то есть So(t - 2Тв)/9 (Э), а копия сигнала: S^t - 2Тв)/9 (ё). 4. При прохождении третьей ЛЗЗ: основной сигнал сдвигается на ЗТВ и уменьшается по величине в С3 = 1/27 раза, а копия сигнала, имевшая величины 1 и 0 не столь большие, на рисунке не показана, SK(t - ЗТд)/27 «SK(t - 2Тв)/9. 5. Таким образом, в сумматор поступают 6 сигналов, сдвинутых во времени на величи- ны Дг = пТв, и в результате их суммирования на выход подается: - основной цифровой сигнал So(t), - ослабленная копия сигнала (помеха), начиная с момента времени Ц = 2ТВ и далее по временной шкале. Итак, в рассматриваемой схеме эквалайзера добавление каждого следующего элемента линии задержки с соответствующим значением коэффициента Cz, приводит к ослаблению искажающего сигнала втрое и к дополнительной задержке его во времени на т. Данная схема эквалайзера построена на основе трансверсального фильтра и является линейной, так же, как и соответствующая ей схема с решетчатым фильтром. Такой линейный эквалайзер достаточно прост по устройству, но имеет недостатки, про- являющиеся при больших искажениях сигналов. В реальных условиях все значительно сложнее, чем в приведенном примере. Число лучей естественно больше двух, задержки лучей едва ли будут кратны дискрету ЛЗ, и амплитуды помеховых сигналов не могут быть заранее определены или известны. Кроме того, при перемещении MS вся картина рис. 4.21 будет непрерывно меняться. Поэтому настройка фильтра эквалайзера должна производиться адаптивно, в соответст- вии с изменяющейся ситуацией, в отдельности для каждого сегмента речи, передаваемого в одном слоте радиоинтерфейса, с использованием обучающейся последовательности, пере- даваемой в каждом слоте.
154 ГЛАВА 4 So(0 Основной цифровой сигнал Копия сигнала t а) t б) SK(f- Та) t в) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 t г) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Sp(t-2TB) 9 t д) S0(t-2TB) t ж} Основной t цифровой сигнал Ослабленная t копия сигнала Рис. 4.21. Временная диаграмма сигналов, последовательно распространяющихся вдоль линий задержек и умножителей в эквалайзере Простейшим алгоритмом настройки трансверсального фильтра, минимизирующим среднеквадратическую ошибку на его выходе, является стохатический градиентный алго- ритм, в соответствии с которым вектор С коэффициентов фильтра обновляется в результате последовательного применения рекуррентной процедуры [4.4]: Ск +1 = ск + ц Qkxk, где к = 0,1, ... (4.23) при этом к — номер шага итерационного процесса настройки фильтра, х — вектор выбо- рок входного сигнала фильтра, е — сигнал ошибки, то есть разность между переданным
МОБИЛЬНЫЕ СТАНЦИИ 155 символом и его оценкой на выходе фильтра, ц — коэффициент пропорциональности (вели- чина шага), определяющий скорость сходимости итерационного процесса и запас устойчи- вости. Алгоритм (4.23) обладает медленной сходимостью. Более удобен на практике рекурсивный алгоритм минимума среднеквадратической ошибки, и, в частности, его эффективные в вычислительном отношении модификации, обеспечивающие более высокую скорость сходимости. Более подробное и детальное изложение материала об эквалайзерах можно найти в ра- ботах [4.9, 4.10]. В заключение рассмотрения эквалайзеров следует отметить, что более совершенными являются нелинейные эквалайзеры [4.4]: - схема с обратной связью по решению; - схема максимально правдоподобного обнаружения символов; - схема максимально правдоподобной оценки последовательности и др. Если в первой схеме могут использоваться трансверсальные и решетчатые фильтры, то во второй и третьей — трансверсальные. Общая длина линии задержки фильтров должна соответствовать той разности хода лу- чей, для которой желательно компенсировать искажения, а дискрет линии задержки (то есть тз) должен быть меньше длительности символа. Блок эквалайзера входит в состав приемника (см. рис. 4.2) и его устройство никак не влияет на состав и форму представления информации, передаваемой по радиоинтерфейсу и по кадрам TDMA. Поэтому схема и характеристики эквалайзера не только не регламентируются никакими стандартами, но вообще блок эквалайзера может не включаться в тракт приемника. Выбор схемы эквалайзера и его включения являются исключительно делом компании- изготовителя. 4.8. SIM-карта в мобильной станции. Аутентификация и идентификация Каждый абонент мобильной связи стандарта GSM на время пользования системой сотовой связи получает стандартный модуль подлинности абонента, так называемую SIM-карту (SIM —Subscriber Identity Module, SIM-card). В аппаратах (мобильных телефонах) стандарта GSM используется унифицированная сьемная SIM-карта, одинаковая для всех стандартов GSM: GSM 900, GSM 1800 и GSM 1900 и выполненная в двух вариантах: - стандартная (стандарт ISO) — размером 55x85 мм, типа банковой кредитной карты; - чаще, миниатюрная, «вставная» (plug-in) размером 15x25 мм. Толщина SIM-карты в обоих случаях менее 1 мм. MS без SIM-карты неработоспособен, хотя и в этом случае с него можно сделать экс- тренные вызовы по номеру 112 — международному номеру экстренной помощи. Модуль SIM вручается абоненту одновременно с мобильным телефоном и в принципе позволяет вести разговор с любого аппарата стандарта GSM, в том числе и с таксофонного. SIM-карта содержит следующую информацию: - PIN (Personal Identification Number) — персональный идентификационный номер або- нента, так называемый PIN-код;
156 ГЛАВА 4 - IMSI (International Mobile Subscriber Identity) — международный идентификатор або- нента мобильной связи; - Ki — индивидуальный ключ аутентификации абонента; - АЗ — индивидуальный алгоритм аутентификации абонента; - А8 — алгоритм вычисления ключа шифрования. После включения MS с установленной SIM-картой абонент обязан, прежде всего, снять блокировку последней — ввести PIN-код, известный только абоненту, который должен слу- жить защитой от несанкционированного использования SIM-карты, например, при ее утере. После трех неудачных попыток набора PIN-кода SIM-карта блокируется, и блокировка может быть снята либо набором дополнительного кода — персонального кода разблокиров- ки PUK (Personal Unblocking Key), либо по команде с центра коммутации. PIN-код может быть изменен по усмотрению абонента по соглашению с оператором со- товой сети. Кроме того, на SIM-карте имеется некоторый обьем доступной для абонента оператив- ной памяти, позволяющей записать до 100 номеров телефонов с комментариями (например, с именами абонентов) и до 10 текстов коротких сообщений. Когда SIM-карта вынимается из MS, она сохраняет всю содержащую на ней информа- цию: персональные идентификаторы; ключи; шифры и пароли, а также записанные абонен- том номера телефонов и сообщения, и может работать с другими MS стандарта GSM. Таким образом, SIM-карта как бы «персонализует» абонентский аппарат MS, в который она устанавливается. Аутентификация (authentication) — процедура подтверждения подлинности (наличия прав на пользование услугами сотовой связи) абонента системы мобильной связи. Идентификация (identification) — процедура отождествления мобильной станции, то есть процедура установления ее принадлежности к одной из групп, обладающих определен- ными признаками. Эта процедура используется для выявления утерянных, украденных или неисправных MS. Идея процедуры идентификации в цифровых системах сотовой связи заключается в шифровании некоторых паролей — идентификаторов с использованием квазислучайных чисел, периодически передаваемых на мобильную станцию MS с центра коммутации MSC, и индивидуального для каждой мобильной станции алгоритма шифрования. Такое шифрование, с использованием одних и тех же исходных данных и алгоритмов, производится как на мобильной станции, так и в центре коммутации (или в центре аутен- тификации), и аутентификация считается закончившейся успешно, если оба результата совпадают. Процедура аутентификации стандарта GSM схематически показана на рис. 4.22. Пунк- тиром отмечены элементы, непосредственно не относящиеся к процедуре аутентификации, но используемые для вычисления ключа шифрования Кс. Вычисление производится каж- дый раз при проведении аутентификации. Процедура аутентификации реализуется следующим образом: - сотовая сеть (из центра AUC) передает на MS некоторое случайное число R (RAND — Random Number), которое выдает датчик случайных чисел в AUC; - в аппаратуре сотового телефона MS с помощью индивидуального ключа и алгорит- ма аутентификации АЗ производится преобразование полученного числа (путем мате- матических вычислений) и вычисляется результат (SRES —Signed RESponse), то есть новое число Sb
МОБИЛЬНЫЕ СТАНЦИИ 157 - это число 51 мобильная станция посылает обратно в центр коммутации, в котором производится сравнение этого отклика Si со значением, вычисленным непосредствен- но в центре AUC — S2; - если оба значения Si и S2 совпадают, то центр коммутации выдает разрешение на по- лучение доступа MS к сотовой сети. - в противном случае связь прерывается, и индикатор мобильной станции показывает, что опознавание — аутентификация не состоялась. Центр аутентификации (AUC) SIM-карта Рис. 4.22. Схема процедуры аутентификации стандарта GSM [4.4]: R — (RAND — Random Number) — случайное число; АЗ — алгоритм аутентификации; А8 — алгоритм вычисления ключа шифрования; Кс — ключ шифрования; К, — ключ аутентификации; S (SRES — Signed RESponse) — зашифрованный отклик Следует отметить, что в MS, для обеспечения секретности передаваемой информации, последняя подвергается шифрованию. Алгоритм формирования и вычисления ключей шифрования А8 хранится в SIM-карте. Одновременно с вычислением отклика Si аппаратура MS определяет ключ шифрования Кс. Этот ключ не передается по радиоканалу, а вычисляется в AUC и в MS в блоках А8 одно- временно. При передаче со стороны центра аутентификации AUC случайной последова- тельности чисел R в ней содержится ключ шифрования Кс. Это число связано с действи- тельным значением Кс — ключа шифрования и позволяет избежать формирования непра- вильного ключа. Это число хранится в MS (SIM-карте) и содержится в каждом первом сооб- щении, передаваемом в сотовую сеть. Процедура идентификации заключается в сравнении идентификатора MS с номерами, содержащимися в соответствующих «черных списках» регистра аппаратуры сети, с целью изъятия из обращения украденных или неисправных MS. Идентификатор MS делается таким, чтобы его изменение или подделка были трудными и экономическими невыгодными.
158 ГЛАВА 4 4.9. Управление мощностью в системах стандарта GSM MS в _L PSE | ТХ уровень = 1/PSE~| Рис. 4.23. Управление мощностью в разомкнутой цепи реверсивной линии радиосвязи: PSE (Pilot Strength Estimation) — оценка уровня пилот-сигнала; ТХ (transmitter power) level — уровень мощности передатчика Канальная емкость любой сотовой систе- мы мобильной связи зависит главным об- разом от соканальных помех, уровень ко- торых может быть соизмерим с уровнем полезного сигнала. Поэтому, в сотовых системах применяют различные методы уменьшения уровня соканальных помех, главными из которых являются: - разнесение в пространстве сот с по- вторяющимися частотами; - аппаратурные методы подавления соканальных помех; - ортогональные методы сигнализации (по времени, частоте или кодам); - эффективное управление мощно- стью, которое минимизирует пере- даваемую мощность. В системах сотовой мобильной связи используются следующие виды систем управления мощностью. 1. Система управления мощностью открытой цепи (The Open Loop Power Control System, OLP) представлена на рис. 4.23. Управление мощностью в открытой цепи должно основываться на оценке состояния ра- диоканала. В реверсивной линии радиосвязи оценка состояния радиоканала реализуется путем изме- рения уровня мощности принимаемого пилот-сигнала от базовой станции BTS в прямой ли- нии (от BTS к MS) и установления уровня передаваемой мощности обратно пропорциональ- ной ТХ level = 1/PSE, то есть уровень ТХ (transmitter power) обратно пропорционален PSE (Pilot Strength Estimation) — оценке уровня пилот-сигнала. Используя оценку величины уста- навливаемой передаваемой мощности, базовая станция BTS обеспечивает средний уровень принимаемой MS мощности, при этом уровень излучаемой BTS мощности должен быть по- стоянным, независящим от вариаций состояния канала. При этом приближении предполагается, что в прямой и обратной линиях уровни сигна- лов сильно коррелированы. Прямая и обратные линии разделены по несущим частотам (то есть используются раз- личные рабочие частоты для прямой и обратной радиолиний), поэтому замирания будут иметь различный уровень, а долговременные канальные флуктуации, возникающие благо- даря затенениям и потерям при распространении радиоволн, имеют в основном один и тот же порядок. 2. Система управления мощностью закрытой цепи — The Closed Loop Power Control System (CLPCS). Система CLPCS базируется на метрике действительной линии радиосвязи, то есть на определении следующих параметров: - уровня принимаемого сигнала;
МОБИЛЬНЫЕ СТАНЦИИ 159 Рис. 4.24. Управление мощностью реверсивной (обратной) линии связи закрытой цепи — RLCLPC - отношения сигнал/шум в принимаемом сигнале; - коэффицента ошибок в битах BER (Bit Error Rate) принимаемого сигнала; - коэффициента кадровых ошибок (FER) принимаемого сигнала, или комбинации из перечисленных элементов метрики. В случае реверсивного управления мощно- стью радиолинии эта метрика может быть на- правлена в сторону MS, как база, для решения автономного управления мощностью, или мет- рика может быть оценена в BTS и передана по радиоканалу в MS в виде команды управления мощностью MS. На рис. 4.24 показан порядок движения ко- манд в BTS и в MS для управления мощностью реверсивной (обратной) линии связи закрытой цепи — RLCLPC (Reverse Link Closed Loop Power Control). Под действием сигнала от MS в BTS проис- ходят следующие операции: - оценка метрики — ME (Metric Estimation); - сравнение с эталонной метрикой — Com- pare with Reference Metric; - отношение к другим пользователям — Relate to Other Users; - команда на управление выходной мощно- стью — ISSUC РСС (Power Control Com- mand). Далее управляемая выходная мощность соз- дает в пространстве соты электромагнитное по- ле, которое принимается антеннами MS и далее в MS, где выполняются: - команда на управление принятой мощности — RPCC (Receive Power Control Com- mand); - уменьшение передаваемой от MS мощности в определенное число раз — In/Decre- ment Transmitted Power. Таким образом, в схеме рис. 4.24 реализуется процесс управления мощностью: MS- BTS-MS-BTS... ит.д. Следует отметить, что решение об управлении мощностью в реверсивной линии радио- связи выполняется на основе принятия решения в BTS. Решение может также быть основано на суммарном знании отдельных характеристик MS или группы характеристик MS, таких как для MS в секторе, соте или в любом кластере сотовой сети. Если же решение по управлению мощностью для отдельных MS реализуется в BTS или в службе коммутации для всех MS и базируется на знании характеристик всех других MS, в таком случае формируется система центрального управления мощностью, но более сложно реализуемая, более дорогая и с более высокими технологическими требованиями.
160 ГЛАВА 4 Рис. 4.25. Управление мощностью прямой линии связи закрытой цепи 3. Управление мощностью прямой линии свя- зи закрытой цепи — Forward Link Closed Loop Power Control. На рис. 4.25 показана схема реализации управ- ления мощностью в линии радиосвязи закрытой цепи: BTS - MS - BTS - MS... и т.д., при этом пи- лот-сигнал движется от BTS к MS и затем в MS реализуется следующая последовательность: - оценка метрики — ME (Metric Estimation); - передача метрики — ТМ (Transmit Metric). В BTS в свою очередь реализуется: - прием метрики — RM (Receive Metric); — сравнение с эталонной метрикой; - отношение к другим пользователям; - отношение к имеющимся средствам (ресурсам); - установка (корректировка) передаваемой мощности. В идеальном случае управление мощностью компенсирует потери при распространении, зате- нениях и быстрых замираниях. Существуют многочисленные факторы, кото- рые влияют на управление мощностью и препят- ствуют реализации идеального случая. К ним можно отнести: - скорость быстрых замираний; - ограниченное время задержки систем управления мощностью; - неидеальность оценок радиоканала; - ошибки в передаче команд управления мощностью; - ограниченность динамического диапазона и т.п. Все они способствуют ухудшению характе- ристик системы управления мощностью. Особенности управления мощностью в стандарте GSM Регулировка (управление) мощности в стандарте GSM включает следующие особенности: - в мобильных станциях MS используется только минимальный уровень мощности, не- обходимый для обеспечения надежной связи с BTS; - в GSM установлено 8 классов BTS и 5 классов MS по уровню выходной мощности пе- редатчиков, приведенных в табл. 4.5. Мощность передатчика BTS регулируется дискретно с шагом равным 2 дБ, Регулиро- вание мощности передатчика уменьшает межсотовые помехи и, таким образом, приводит к увеличению фактора повторения частот и емкости системы. Мощность передатчиков BTS может уменьшаться до минимального значения, равного -13 дБм (Pt - 20 мВт).
МОБИЛЬНЫЕ СТАНЦИИ 161 Таблица 4.5. Классы мощности BTS и MS Класс мощности BTS, Вт MS, Вт 1 320 20 2 160 8 3 80 5 4 40 2 5 20 0,8 6 10 — 7 5 — 8 2,5 - Для управления мощностью в MS используется система управления закрытой цепи от BTS. Диапазон выходной мощности MS разбит на 15 уровней с шагом по 2 дБ (то есть от 2 до 30 дБ). Любое изменение на один шаг в 2 дБ происходит в течение времени каждого слота (то есть в течение 577 мкс). Динамический диапазон принимаемого сигнала в BTS достигает 116 дБ и, таким обра- зом, проблема близкого и дальнего расстояний может быть также решена эксперименталь- ным путем. 6 - 632
Глава 5 БАЗОВЫЕ СТАНЦИИ 5.1. Общие положения Подсистема базовых станций BSS включает в себя базовые приемо-передающие станции BTS (число которых определяется количеством сот в пределах зоны обслуживания сотового оператора), связанные с контроллером базовых станций BSC. Именно BTS обеспечивают взаимодействие с мобильными станциями и передают информацию по линиям связи (ра- диорелейным или волоконно-оптическим) в BSC. При этом на линии BTSoMS реализуют- ся многочисленные операции, главными из которых являются: - установление связи; - передача (прием) речевой и управляющей информации; - определение местоположения мобильных станций и передача обслуживания; - роуминг; - управление мощностями BTS и MS; - аутентификация и идентификация и т.д. Рис. 5.1. Виды соединений BTS с BSC Топология сети BSS представляет собой несколько видов соединений BTScBSC (рис. 5.1): - точка-точка (point-to-point) при малых расстояниях между BTS и BSC (до 1 км); - многоотводная (многоточечная) система (сеть) (multidrop chain); - многоточечный контур (multi- drop loop). Две последних цепи используют- ся при расстояниях между BTS и BSC более нескольких километров, при этом взаимодействие между BTS и BSC реализуется с помощью стандар- та Е1 (скорость 2 Мбит/с). 5.2. Структурная схема базовой станции стандарта GSM На рис. 5.2 приведена структурная схема базовой приемопередающей станции в подсис- теме BSS. К основным особенностям базовой станции BTS (рис. 5.2), можно отнести следующие: - антенная система, состоящая из двух разнесенных антенных устройств, обеспечивает при этом переключение режима приема/передачи антенны с помощью электронного коммутатора;
БАЗОВЫЕ СТАНЦИИ 163 Рис. 5.2. Структурная схема базовой приемопередающей станции BTS в подсистеме BSS - наличие нескольких приемников и такого же числа передатчиков, позволяющих вести одновременную работу на нескольких каналах с разными частотами; - одноименные приемники и передатчики имеют общие перестраиваемые опорные ге- нераторы, обеспечивающие их согласованную перестройку при переходе с одного ка- нала на другой; - одновременную работу N приемников на антенную систему в режиме приема и на N передатчиков в режиме передачи обеспечивают, соответственно, делитель и сумма- тор, реализующие в случае приема — деление мощности принимаемого сигнала на N входов, а в случае передачи — суммирование выходных мощностей с N выходов; - приемники и передатчики BTS имеют ту же структурную схему, что и в мобильных станциях, за исключением того, что в них отсутствуют АЦП и ЦАП, так как и входные сигналы передатчиков и выходные сигналы приемников имеют цифровую форму; - блок сопряжения с линией связи реализует упаковку цифровой информации, переда- ваемой по линии связи на контроллер BSC и далее в центр коммутации MSC, и распа- ковку поступающей от него цифровой информации; - MSC и BSC обеспечивают управление работой всех BTS в зоне обслуживания, а так- же контроль работоспособности всех входящих в BSS блоков и узлов. В стандарте GSM обычно к BSC подключаются определенное число BTS (до шестна- дцати BTS на один BSC). В зависимости от используемой антенной системы в BTS возможны три варианта BTS (рис. 5.3): 6*
164 ГЛАВА 5 - всенаправленная антенная система BTS, обеспечивающая равномерное излучение в пределах соты (omnidirectional BTS); - антенная система BTS, когда в BTS используются антенны с диаграммами направлен- ности в 120° по азимутальному сектору в пределах соты, то есть 3 области излучения и приема (3 sectorized BTS); - в одной BTS имеется 6 секторов (по 60° в каждом) (6 sectorized BTS). Рис. 5.3. Три варианта антенных систем BTS На рис. 5.4 показана типовая башня BTS с антенной системой (два вибратора, разнесен- ные на d < 2 м (J/X, ~ 5) для мобильной связи, две антенны для радиорелейной связи, кроме того, на рис. 5.5 показан внешний вид, а на рис. 5.6 внутренняя компоновка аппаратуры в аппаратном контейнере связи, где размещены GSM-аппаратура для стандартов GSM 900, 1800, NMT-450, кондиционер, аппаратура радиорелейной линии связи RRL, система пита- ния и сигнализации.
БАЗОВЫЕ СТАНЦИИ 165 Рис. 5.4. Внешний вид башни и аппаратного контейнера BTS 00009 Рис. 5.5. Внешний вид аппаратного контейнера BTS
166 ГЛАВА 5 Рис. 5.6. Внутренняя компоновка аппаратуры GSM и NMT-450 в аппаратном контейнере связи BTS Высота расположения антенн BTS меняется в широких пределах: - на зданиях — от 20 до 40 м; - на башнях — дискретно — 45, 50, 60, 72,100 м. Обычно значения мощностей передатчиков BTS имеют порядок: - GSM 900 — Л ~ 50...55 Вт; - GSM 1800 — Pt~ 12 Вт. Коэффициенты усиления антенн BTS имеют значения Gt —50...55 дБ.
Глава 6 ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СИСТЕМ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 6.1. Установление связи Алгоритм функционирования систем сотовой мобильной связи Алгоритмы функционирования систем сотовой мобильной связи различных стандартов в основном схожи и характеризуются следующим. 1. Когда мобильная станция MS находится в режиме ожидания, ее приемное устройство постоянно сканирует либо все каналы системы, либо только управляющие каналы. 2. Для вызова абонента всеми базовыми станциями BTS сотовой сети по каналам управ- ления передаются сигналы вызова. 3. Мобильная станция MS вызываемого абонента при получении сигнала вызова отвеча- ет по одному из свободных каналов управления. 4. BTS, принявшие ответный сигнал, передают информацию о его параметрах в центр коммутации MSC, который переключает разговор на ту базовую станцию BTS, где зафикси- рован максимальный уровень сигнала мобильной станции MS вызываемого объекта. 5. Во время набора номера мобильная станция MS вызываемого абонента занимает один из свободных каналов BTS, уровень сигнала которой в данный момент максимален. 6. По мере удаления вызываемого абонента от BTS или в связи с ухудшением условий распространения радиоволн уровень сигнала уменьшается, что ведет к ухудшению качества связи. 7. Улучшение качества разговора достигается путем автоматического переключения вы- зываемого абонента на другой канал радиосвязи. Специальная процедура — handover — пе- редача управления вызовом или эстафетная передача позволяет переключить разговор на свободный канал другой базовой станции BTS, в зоне действия которой оказался в это вре- мя вызываемый абонент. Аналогичные действия предпринимаются при снижении качества связи из-за влияния помех или при возникновении неисправностей коммутационного обо- рудования. Для контроля таких ситуаций BTS снабжены специальными устройствами, периодически измеряющими уровни сигналов мобильных станций, передающих речевые сигналы, и сравнивающими эти уровни с допустимыми пределами. Если уровень сигнала от MS меньше выбранного допустимого уровня, то информация об этом автоматически пе- редается в центр коммутации MSC по служебному каналу связи. MSC выдает команду об изменении уровня сигнала мобильной станции на ближайшие к нему базовые станции BTS. После получения информации от BTS об уровне этого сигнала центр коммутации MSC переключает мобильную станцию MS на ту из базовых станций BTS, где уровень сиг- нала оказался наибольшим. В случае, если возникает ситуация, когда поток заявок на обслу- живание, поступающий от абонентов сотовой сети, превышает количество каналов, имею-
168 ГЛАВА 6 щихся на всех близко расположенных BTS, как временная мера (до освобождения одного из каналов) используется принцип эстафетной передачи внутри соты. При этом происходит поочередное подключение каналов в пределах одной и той же базовой станции BTS для обеспечения связью всех абонентов. Инициация и установление связи Центр коммутации MSC и базовые станции BTS работают круглосуточно и непрерывно, без выключений. При возникновении в них неисправностей работоспособность поддерживается за счет резервирования, с ремонтом (заменой) вышедших из строя блоков в ситуации, когда они переводятся в положение резервных. В работе мобильных станций перерывы и отклю- чения практически неизбежны, в том числе и для смены источников питания. Рассмотрим работу мобильной станции MS в пределах одной соты без передачи обслуживания. В этом случае можно выделить четыре режима работы MS: включение и инициация; режим ожида- ния; режим установления связи; режим ведения связи. 1. Включение и инициация После включения MS (то есть после включения источника питания) реализуется ини- циация — начальный запуск. В течение выполнения этого режима происходит настройка MS на работу в составе сотовой сети по сигналам, которые передаются регулярно от BTS по соответствующим каналам управления, после чего MS переходит в режим ожидания. В стандарте GSM мобильная станция сканирует все имеющиеся частотные каналы, на- страивается на канал с наиболее высоким уровнем сигнала и по наличию пачки коррекции частоты определяет, передается ли в этом частотном канале информация вещательного ка- нала управления — ВССН (Broad Cast Control CHannels). Если информация в канале ВССН отсутствует, то MS перестраивается на следующий по высокому уровню сигнала канал ВССН. Далее MS находит пачку синхронизации, синхронизируется с выбранным частот- ным каналом, расшифровывает дополнительную информацию о базовой станции BTS (в ча- стности 6-битовым кодом идентификации BTS) и принимает окончательное решение о про- должении поиска или о работе в данной соте. На этом завершается процесс инициации. 2. Режим ожидания В режиме ожидания MS отслеживает: - изменения информации системы, которые могут быть связаны как с изменением ре- жима работы сотовой системы, так и с перемещением самой мобильной станции MS; - команды системы, например, команду подтверждения своей работоспособности; - получение вызова со стороны сотовой сети; - получение вызова со стороны абонента. В стандарте GSM мобильная станция MS измеряет и периодически передает на BTS следующие параметры: - уровень сигнала BTS «своей» соты и до 16 смежных сот, измеряемый по сигналу ка- нала ВССН; - код качества принимаемого сигнала в рабочей соте — функцию оценки частоты бито- вой ошибки BER (Bit Error Rate) по принятому сигналу перед канальным декодирова- нием. Кроме того, мобильная станция MS может периодически, например, один раз в 10... 15 минут, подтверждать свою работоспособность, передавая соответствующие сигналы на BTS (подтверждение «регистрации» или уточнение местоположения). В центре коммутации MSC для каждой из включенных MS фиксируется сота, в которой она зарегистрирована, что облегчает организацию процедуры вызова подвижного абонента. Если MS не подтверждает свою работоспособность в течение определенного промежутка
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СИСТЕМ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 169 времени, например, пропускает два или три подтверждения «регистрации» подряд, то центр коммутации MSC считает эту MS выключенной, и поступающие на ее номер вызовы не пе- редаются. 3. Режим установления связи Если со стороны сотовой сети поступает вызов номера MS-z вызываемого абонента, центр коммутации MSC направляет этот вызов на базовую станцию BTS-z той соты, в которой «за- регистрирована» вызываемая MS-z, или на несколько BTS в окрестности этой соты с учетом взаимного перемещения вызываемого абонента за время, прошедшее с момента последней «регистрации», a BTS передают этот вызов по соответствующим каналам вызова. Мобильная станция MS-z отвечает на этот вызов через свою BTS-z, передавая одновременно данные, не- обходимые для проведения процедуры аутентификации. При положительном результате ау- тентификации назначается канал трафика и мобильной станции MS-z сообщается номер соот- ветствующего частотного канала. Мобильная станция MS-z настраивается на выделенный канал и совместно с BTS-z выполняет необходимые шаги по подготовке сеанса связи. В ре- жиме установления связи MS-z настраивается на заданный номер слота в кадре, уточняет за- держку во времени, подстраивает уровень выходной мощности передатчика и т.п. Выбор временной задержки производится с целью временного согласования слотов в кадре (напри- мер, в BTS-z) при организации связи с мобильными станциями MS, находящимися на раз- личных расстояниях от BTS-z. При этом временная задержка передаваемой мобильной стан- цией пачки бит регулируется по командам базовой станции. В стандарте GSM при выборе задержки используются пачки доступа. Задержка регулируется в пределах от 0 до 63 бит с дискретом 1 бит (3,69 мкс). В дальнейшем BTS-z отслеживает изменение расстояния до MS-z и корректирует величину задержки, выдавая соответствующие команды на MS-z. При малых геометрических размерах соты, то есть при малых величинах задержки (в пределах защитного бланка или защитного интервала), компенсация временной задержки может не производиться. В стандарте GSM производится также привязка MS-z к BTS-z по частоте с использованием пачки коррекции частоты и временная синхронизация MS-z с BTS-z с точно- стью до % бита, для чего в пачке синхронизации передаются: а) номер четвертей битов (QN — Quarter bit Number), в пределах от 0 до 624; б) номер бита (BN — Bit Number) в преде- лах от 0 до 156; в) номер слота (TN — Time slot Number) в пределах от 0 до 7; г) номер кадра (FN — Frame Number) в пределах от 0 до 2715648. Одновременно в пачке синхронизации пе- редается 3-битовый код (colour code —код цвета) сети сотовой связи и 3-битовый код базовой станции, составляющие в совокупности уникальный 6-битовый идентификатор базовой стан- ции (BSIC — Base Station Identifier Code). Далее BTS-z выдает сообщение о подаче сигнала вызова (звонка), который подтверждается мобильной станцией MS-z, и вызывающий абонент получает возможность услышать сигнал вызова. Когда вызываемый абонент отвечает на вы- зов, то есть «снимает трубку», нажимая соответствующую тастатуру на панели управления MS-j, мобильная станция MS-z выдает запрос на завершение соединения. С завершением со- единения начинается соответственно сеанс связи — абоненты ведут разговор. 4. Режим ведения разговора В процессе разговора MS производит обработку передаваемых и принимаемых сигна- лов, а также передаваемых одновременно с речью сигналов управления. По окончанию раз- говора происходит обмен служебными сообщениями между MS и BTS (запрос или коман- да), после чего передатчик MS выключается, и станция MS переходит в режим ожидания. В данном случае рассматривался алгоритм установления связи: стационарный ТА (телефон- ный аппарат) -> PSTN -> сотовая сеть -> MS-z. Если вызов инициируется со стороны мобильной станции MS-£, находящейся в соте с BTS-£, то есть абонент MS-£ набирает номер вызываемого абонента, убеждается в правиль-
170 ГЛАВА 6 ности набора по отображению на дисплее и нажимает соответствующую вызывную кнопку на панели управления, то мобильная станция MS-& передает через свою BTS-& сообщение с указанием вызываемого номера и данными для аутентификации мобильного абонента. После аутентификации BTS-& назначает канал трафика и последующие шаги по подготовке сеанса связи производятся таким образом, как и при поступлении вызова со стороны сотовой сети (то есть сеть сотовой связи-* MS-&). Далее MS-& сообщает в центр коммутации MSC о готов- ности MS-&, затем MSC передает вызов в сеть, а абонент мобильной станции MS-& получает возможность следить за ходом его выполнения (это выражается в том, что абонент MS-& слы- шит сигналы «вызов» или «занято»). Соединение завершается на стороне сети GSM. Эта процедура схематически иллюстрируется на рис. 6.1. BTS Рис. 6.1. Процедура установления связи между MS и PSTN Цифрами обозначается следующая последовательность операций установления связи. Луч 1: MS-i через канал случайного доступа RACH (Random Access CHannel) — запра- шивает выделенный закрепленный канал управления SDCCH (Standalone Dedicated Control CHannel) для установления связи. Луч 2\ контроллер базовой станции BSC через канал разрешения доступа AGCH (Access Grant CHannel) назначает канал SDCCH. Луч 3: (двунаправленный) — мобильная станция MS через канал SDCCH проводит ау- тентификацию и выдает запрос на вызов (с номером вызываемого абонента). Луч 4: центр коммутации MSC выдает команду в контроллер базовой станции BSC на назначение канала трафика ТСН (Traffic CHannel). Луч 5: центр коммутации MSC передает вызываемый номер в стационарную телефон- ную сеть общего пользования PSTN (Public Switched Telephone Network) и после ответа вы- зываемого абонента завершает соединение. Процесс разговора и завершения сеанса связи не отличается от предыдущего случая. Режим установления связи между мобильными абонентами MS-i и MS-&, а также режим ведения разговора между ними, объединяет вышерассмотренные алгоритмы: MS-z и MS-& находятся в сотовой системе одного оператора или в сотовой системе нескольких операто- ров, связь между ними устанавливается через центры коммутации MSC (без выхода в ста- ционарную телефонную сеть). 6.2. Аутентификация и индентификация Аутентификация (authentication — установление подлинности) — это процедура удостове- рения подлинности (наличие прав на пользование услугами сотовой связи) абонента систе- мы сотовой мобильной связи. Каждый абонент на время пользования системой связи полу-
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СИСТЕМ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 171 чает стандартный модуль подлинности абонента (SIM-карту). С помощью заложенной в SIM-карте информации в результате взаимного обмена данными между MS и сотовой сетью осуществляется полный цикл аутентификации и разрешается доступ абонента к сети. Процедура проверки сетью абонента реализуется следующим образом: - сеть передает случайный номер RAND на MS; - MS определяет значение отклика SRES, используя RAND, Ki и алгоритм АЗ: SRES = К [RAND]; - MS посылает вычисленное значение SRES в сотовую сеть, которая сверяет значение принятого SRES со значением SRES, вычисленного сетью. Если оба значения совпадают, то MS может осуществлять передачу сообщений, в про- тивном случае связь прерывается и индикатор MS должен показать, что опознание не со- стоялось. По причине секретности вычисление SRES происходит в рамках SIM-карты. Несекретная информация не подвергается обработке в модуле SIM. Идентификация (identification) — процедура опознания MS, то есть установление при- надлежности MS к одной из групп MS, обладающих определенными признаками и свойст- вами. Процедура идентификации в стандарте GSM состоит в сравнении идентификацион- ного номера, присвоенного данной MS, с номерами, содержащимися в так называемых «черных списках» регистра аппаратуры, для того, чтобы изьять из обращения украденные или технически неисправные MS. 6.3. Передача обслуживания BTS, находящиеся примерно в центрах сот, обслуживают все MS в пределах своих сот. Если MS перемещается в пределах соты А (рис. 6.2), то базовая станция BTS-a обслуживает все MS, находящиеся в соте А. Рис. 6.2. Передача обслуживания в пределах двух сот А и В При перемещении MS из соты А в соту В ее обслуживание передается от BTS-a к BTS-b. Этот процесс называется передачей обслуживания (handover).
172 ГЛАВА 6 Следует отметить, что передача обслуживания реализуется только в том случае, когда MS пересекает границу сот во время сеанса связи и связь (телефонный разговор) при этом не прерывается. Если MS находится в режиме ожидания, но перемещается из одной соты в другую, то MS просто отслеживает эти перемещения по информации сотовой сети, переда- ваемой по каналам управления и в нужный момент перестраивается на более сильный сиг- нал другой BTS. Процедура передачи обслуживания осуществляется технически следующим образом: при перемещении MS необходимость в передаче обслуживания возникает тогда, когда каче- ство канала связи, оцениваемое либо по уровню сигнала, либо по частоте битовой ошибки BER, падает ниже допустимого предела. В стандарте GSM данные параметры постоянно измеряются в MS как для своей соты, так и для ряда смежных сот (до 16 сот), а результаты измерений передаются в базовую стан- цию. По результатам этих измерений центр коммутации выбирает соту, в которую можно было бы передать обслуживание. Следует отметить, что организация передачи обслужива- ния основывается на измерениях, выполняемых на MS во временных слотах, свободных от передачи и приема информации. Кроме того, могут использоваться и результаты измерений, выполняемых на BSS. Это отражается в процедуре МАНО (Mobile Assisted Hand Over) — передаче обслуживания при использовании помощи самой MS. Обязательным условием пе- редачи обслуживания является более высокое качество канала связи в соте, по сравнению с сотой, где качество канала ниже, и из которой уже переместилась MS. Это говорит о том, что обслуживание передается из соты с худшим качеством канала связи в соту с лучшим ка- чеством, причем указанное различие должно быть не менее некоторой наперед заданной ве- личины. Это важно особенно при движении MS вдоль границ соседних сот, так как если не задать величину превышения, то сотовая система будет реализовывать многократную пере- дачу обслуживания от одной соты в другую и обратно, что увеличит загрузку всей системы нерациональной работой и снизит качество связи. Итак, центр коммутации MSC, приняв ре- шение о передаче обслуживания и выбрав новую соту, информирует об этом BTS новой со- ты, a MS через BTS старой соты выдает необходимые команды с указанием нового частот- ного диапазона, номера рабочего слота и т.п. MS перестраивается на новый канал и на- страивается на совместную работу с новой BTS, выполняя примерно те же этапы, что и при подготовке сеанса связи, после чего связь продолжается через новую базовую станцию в новой соте. Перерыв в телефонном разговоре при таких переключениях не превышает се- кунды и остается практически незамеченным для абонентов. 6.4. Роуминг Функция роуминга, как одна из важных функций систем сотовой мобильной связи, позволя- ет расширить возможности пользования сотовой связью на межрегиональном и междуна- родном уровне, вплоть до глобального уровня. Роуминг (roaming) — это функция или процедура предоставления услуг систем сотовой мобильной связи абоненту одного оператора в системе другого оператора. Для организации роуминга системы сотовой мобильной связи должны быть одного стандарта, а центры коммутации MSC мобильной связи должны быть соединены специаль- ными каналами связи для обмена данными о местонахождении абонента (роумера). Для обеспечения роуминга необходимо выполнение трех условий: 1) наличие в требуемых регионах систем сотовой мобильной связи CMCS (Cellular Mobile Communication System), совместимой co стандартом компании-оператора, у которой была приобретена MSZ;
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СИСТЕМ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 173 2) наличие соответствующих организационных и экономических соглашений о роумин- говом обслуживании абонентов; 3) наличие каналов связи между системами CMCS/ и CMCS7, обеспечивающими переда- чу звуковой и других видов информации для роуминговых абонентов. Различают три вида роуминга: 1) ручной, то есть обмен одной MS/ на другую MS7, (или смену SIM-карты); 2) полуавтоматический, когда абонент MS/ ставит в известность своего оператора CMCS/; 3) автоматический. Упрощенную схему организации автоматического роуминга можно представить сле- дующим образом: - абонент MS/ сотовой системы связи CMCS/, оказавшись на территории «чужой» сис- темы CMCS7, допускающей реализацию роуминга, инициирует вызов обычным обра- зом, как если бы он находился на территории «своей» системы CMCS,; - центр коммутации MSC7, убедившись, что в его домашнем регистре HLR7 этот або- нент не значится, воспринимает его как роумера MS/ (roamer — абонент, использую- щий услуги роуминга) и заносит его в гостевой регистр VLR7. Одновременно (или с некоторой задержкой) MSC7 запрашивает в домашнем регистре «родной» системы ро- умера, то есть в HLR/, относящиеся к нему сведения, необходимые для организации обслуживания (оговоренные подпиской виды услуг, пароли, шифры), и сообщает, в какой системе роумер MS/ находится в настоящее время. Последняя информация фик- сируется в домашнем регистре HLR/ «родной» системы роумера. После этого роумер MS/ пользуется сотовой связью как «домашней» системой: - исходящие от него вызовы обслуживаются обычным образом, с той только разницей, что относящиеся к нему сведения фиксируются не в домашнем регистре HLR/ (HLR7), а в гостевом VLR7; - поступающие на его номер вызовы переадресуются «домашней» системой CMCS/ в систему CMCS7, где роумер MS/ гостит. По возвращении роумера MS/ домой в домашнем регистре HLR/ стирается адрес той системы CMCS7, где роумер находился, а в гостевом регистре VLR7 той системы CMCS7 сти- раются сведения о MS/. Оплата услуг роуминга абонентом MS/ производится через домашнюю систему CMCS/, а оператор CMCS/ возмещает расходы компании-оператору CMCS7, оказавшему услуги ро- уминга, в соответствии с роуминговым соглашением. В стандарте GSM процедура роуминга заложена как обязательный элемент. Кроме того, в стандарте GSM имеется возможность роуминга с SIM-картами с перестановкой SIM-карт между мобильными станциями различных вариантов стандарта GSM (GSM 900/1800/1900), поскольку во всех трех вариантах стандарта GSM используются унифицированные SIM-карты. Процедура роуминга в стандарте GSM наиболее удобна для двух- и трехрежимных або- нентских терминалов. Роуминг в стандарте GSM Для реализации роуминга мобильному абоненту сети GSM присваиваются следующие основные номера и идентификаторы: 1. Международный идентификатор мобильного абонента — IMSI (International Mobile Subscriber Identity), который записывается в постоянное запоминающее устройство SIM-
174 ГЛАВА 6 карты. IMSI включает: код страны мобильной связи MCC (Mobile Country Code) — 3 знака, код сети оператора MNC (Mobile Network Code) —2 знака, номер абонента в сети оператора MSIN (Mobile Subscriber Identity Network) — 10 знаков. 2. Номер сети общего пользования — соответствует телефонной нумерации каждой сети оператора мобильной связи. 3. Временный роуминговый номер — MSRN (Mobile Station Roaming Number). Он выде- ляется при установлении входящего соединения к абоненту-роумеру на время установления соединения, но не более 30 с. Блок номеров MSRN выделяется из общей телефонной нуме- рации сети. Информация о местоположении абонента MS, должна обновляться в регистре HLR; каждые несколько минут. Для этой цели информация периодически передается в базу данных HLR; из базы данных VLR, MSC; узла коммутации, в котором временно находится MS,. Когда к вызываемому абоненту MS, поступает входящий вызов, регистр HLR, опреде- ляет, каким образом можно соединиться с абонентом MS, в зависимости от его текущего местоположения. По мере перемещения MS, из одной соты в другую содержимое HLR; по- стоянно обновляется. Такой механизм обеспечивает мобильному абоненту MS, абсолютно свободное передвижение в пределах всей сотовой сети CMCS, без риска потерять входящие вызовы. На рис. 6.3 показаны основные процедуры взаимодействия сетей GSM при роуминге. 1. Пусть роумер-абонент MS, попал в визитную сеть CMCS;. При этом MS, фиксируется ближайшей BTS;, идентификатор IMSI по радиоинтерфейсу через BTS, передается в MSC; и далее в регистр VLR;. 2. Далее осуществляется процедура обновления данных местоположения MSj: полученный IMSI, роумера-абонента MS, из VLR, через MSC, и по каналу связи (луч 2 — от MSQ -* MSC,) поступает в MSC, и далее в HLR, (по лучу 4). 3. HLR, проверяет право абонента MS, на роуминг и передает подтверждение на обнов- ление данных (HLR, -* луч 4 -* MSC, -* луч 2 -> MSC; -* луч 1 — VLR;). 4. Далее следует процедура запроса/передачи абонентских данных MS, (данных об ус- лугах, параметры аутентификации MS,): MSC; -* луч 2 —* MSC, —* луч 4 —* HLR, или MSC, -> луч 2 MSC, луч 6 -> AUC,.
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СИСТЕМ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM 175 5. Дополнительно осуществляются процедуры запроса/передачи временного роуминго- вого номера MSRN: MSCy —> луч 5 —* MSCZ —> луч 4 —* HLRZ или MSCy —> луч 5 —> MSCZ —> луч 6 —* AUCZ для установления соединения. 6. При входящем вызове от PSTN прохождение сигнала вызова: PSTNZ луч 3 MSQ луч 2 MSCy BTSy MSZ, а далее реализуется формирование канала связи стационарного телефонного аппарата в PSTNy и MSZ: либо через международную сеть (луч 7), либо через национальную или меж- дународную роуминговую сеть по номеру MSRN. 6.5. Управление мощностью передатчика Эффективная работа системы сотовой мобильной связи во многом определяется условиями выравнивания сигнала от различных MS на входе базовой станции. Чем выше точность вы- равнивания сигнала, тем больше зона покрытия системы. Как правило, прямой (uplink) ка- нал (от BTS к MS) менее подвержен искажениям сигнала за счет внутрисистемных помех и многолучевых замираний, то есть на BTS всегда существует запас по мощности. Основные проблемы возникают при регулировке мощности в обратном (downlink) кана- ле — от MS к BTS. Чем выше точность управления мощностью в MS, тем ниже уровень взаимных помех. Процесс регулирования (управления) мощностью передатчика MS в об- ратном канале (MS => BTS) может быть реализован различными способами (п. 4.9), при этом основная идея управления мощностью MS состоит в следующем: MS непрерывно пе- редает информацию об уровне ошибок в принимаемом сигнале. На основании этой инфор- мации BSC распределяет излучаемую мощность BTS между абонентами таким образом, чтобы в каждом случае обеспечить приемлемое качество речи. Абоненты, на пути к MS ко- торых радиосигнал испытывает большее затухание, получают возможность излучения сиг- нала их MS большей мощности. То есть основная цель управления мощностью в обратном канале состоит в оптимиза- ции условий радиопокрытия площади соты.
Глава 7 ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 7.1. Цели и задачи проектирования Целью проектирования является оптимальное построение сети сотовой мобильной связи по основному критерию: высокая эффективность — минимальная стоимость [7.1-7.3]. В связи с этим к задачам проектирования такой сети можно отнести: - определение мест установки базовых станций (BTS), - распределение частотных каналов между сотами, то есть составление схемы повтор- ного кластерного распределения частот в сотовой сети, - определение числа пользователей по рассчитанному трафику, - оптимизацию сотовой сети по минимальному числу сот (минимальной стоимости раз- вертывания сети) и высокой надежности связи. Естественно требования высокой эффективности и минимальной стоимости противо- речивы: если чрезмерно увеличить число сот (то есть уменьшить размеры сот, создав микро- или пикосоты), то это увеличит надежность связи (то есть увеличит качество свя- зи — заданное значение вероятности ошибки на бит), увеличит возможное число пользо- вателей, уменьшит максимальные значения выходных мощностей мобильных станций на краях сот (то есть уменьшит уровень электромагнитного облучения пользователей), но все это приведет к тому, что увеличится стоимость развертывания сотовой сети и в опре- деленной степени ее эксплуатация. В случае редкого расположения сот (малого их числа) при больших максимальных радиусах сот могут появиться «мертвые зоны», в которых не- возможно обслуживание пользователей, возрастут мощности излучения мобильных теле- фонов на краях сот (увеличится уровень электромагнитного облучения пользователей). Так как технология и параметры сотовой сети существенно зависят от условий местности (рельефа, лесных массивов, застройки и т.п), то при проектировании сотовой сети необхо- димо наличие: - топографических карт местности со всеми параметрами и характеристиками (неров- ностей, лесных массивов, густоты застройки); - характеристик намечаемой к использованию аппаратуры и результатов приближен- ной оценки энергетического баланса, а также результатов предвательного проектиро- вания сот сети и мест расположения базовых станций (радиопокрытие территории); - полученной схемы радиопокрытия территории с использованием соответствующих моделей распространения радиоволн и характеристик местности; при этом необходи- мо более точно рассчитать параметры электромагнитного поля в пределах обслужи- ваемой территории, позволяющие оценить качество радиопокрытия;
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 177 - составленного территориально-частотного плана (распределение частотных каналов по сотам в соответствии с принципом повторного использования частот) для разрабо- танной сотовой сети, а также оценок трафика и емкости для характерных участков, сот и сети в целом. Если по каким-либо показателям (качеству радиопокрытия, трафику, емкости) состав- ленная схема не удовлетворяет предъявленным к ней требованиям, производится повторная корректировка, и для уточненной схемы сотовой сети расчеты вновь повторяются. Таким образом, процесс проектирования сотовой сети является итерационным. Дополнительно к рассмотренному выше порядку проектирования необходимо добавить проведение экспериментальных измерений уровней электромагнитного поля (обычно плот- ности потока мощности или напряженности электрического поля в различных точках от ба- зовых станций) и по результатам измерений скорректировать вновь схему сотовой сети. Окончательное качество проекта оценивается уже на этапе эксплуатации сети, где также не- обходимы корректировки и доработка сети. Особенно это относится к начальному этапу эксплуатации развернутой оператором сотовой сети, когда реализуется настройка аппарату- ры и оптимизация сотовой сети. Этот этап является наиболее трудоемким. Ниже рассматривается первый оценочный этап проектирования сотовой сети мобиль- ной связи, в котором реализуются приближенные оценки радиопокрытия зоны обслужива- ния, частотного распределения (по кластерам и сотам), трафика и числа возможных абонен- тов (которые обслуживаются в сотах и во всей сотовой сети). 7.2. Методы проектирования В процессе проектирования сети сотовой мобильной связи решаются следующие основные задачи: - обеспечение радиопокрытия территории, на которой должны предоставляться пользо- вателям услуги мобильной связи; - построение сотовой сети, емкости которой будет достаточно для обслуживания созда- ваемого абонентами трафика с допустимым уровнем перегрузок; - оптимизация решения указанных выше задач (с использованием минимального числа сетевых подсистем и элементов) на протяжении всего жизненного цикла сотовой сети. Следует отметить, что на протяжении всего жизненного цикла сотовой сети число ее абонентов, объем трафика и его распределение по обсуживаемой территории постоянно из- меняются. Кроме того, существуют сезонные изменения объема трафика и его территори- ального распределения. Конфигурация сотовой сети должна адаптироваться к происходя- щим изменениям. Поэтому проектирование сотовой сети и является непрерывным процес- сом, в котором можно выделить несколько этапов: - проектирование радиопокрытия заданной территории; - проектирование частотного плана (частотное повторение) в зоне обслуживания; - проектирование емкости сети. 7.3. Принципы радиопокрытия зон обслуживания Общее число каналов, выделенных для сотовой системы радиосвязи с мобильными объек- тами, в ряде случаев может быть недостаточно для удовлетворительного обслуживания в пределах городского района при работе в режиме большой зоны обслуживания (при доста-
178 ГЛАВА 7 точно больших размерах сот). Число допустимых каналов, отнесенных к единице площади (N/S), может быть увеличено при одновременном использовании одних и тех же каналов в пределах небольших сот, расположенных в заданной зоне обслуживания, и при условии их достаточного пространственного разнесения во избежание значительных межканальных по- мех. Поэтому радиопокрытие зоны обслуживания может быть выполнено на основе исполь- зования: либо статистических параметров распространения радиосигналов в сотовых систе- мах связи; либо детерминированным путем, на основе знания параметров распространения радиосигналов для конкретного района, определенного непосредственно измерением или расчетным путем. Кроме того, в настоящее время используются разработанные компьютер- ные программы [7.1], которые позволяют определить границы макро- и микросот расчетны- ми методами, используя для этого различные модели распространения радиоволн и цифро- вые географические карты, на которых учтены рельеф и характер местности. Рассмотрим особенности статистического и детерминированного методов радиопокры- тия зон обслуживания, учитывая, что компьютерные методы, разрабатываемые различными фирмами, являются их «know-how» и обычно не публикуются. Статистический метод радиопокрытия зоны обслуживания Постановка задачи.: Пусть необходимо реализовать радиопокрытие зоны обслуживания для сотовой сети с небольшими смежными сотами в городских условиях. Рассмотрим две соты А и В (рис. 7.1) с базовыми станциями ВТ8Л и BTSfi, расположенными в центрах сот, представляющих собой окружности с радиусами RA и RB и равными максимальному ра- __________ диусу соты Ртах. / ~ \ Fa Центры сот А и В находятся на рас- Рис. 7.1. Пример радиопокрытия зоны обслуживания в городских условиях стоянии D, при этом между этими сотами находятся другие соты, рабочие радио- частоты в которых отличаются от рабо- чей частоты сот А и В — Пусть BTS имеют всенаправленные ан- тенны (работающие в режиме приема и передачи), для которых коэффициент усиления G = 0 дБ. Пусть средняя мощ- ность радиосигнала, принимаемого на границе соты (то есть в точках X и Y) от BTS, изменяется по закону ~ 1/Rn (где R — расстояние от BTS до MS), а ве- личина степенного коэффициента п — характеризует закон изменения плотно- сти потока мощности с расстоянием в за- висимости от условий распространения: для однолучевой модели распространения в сво- бодном пространстве величина п - 2; для многолучевой модели распространения в город- ских условиях (плотная застройка, высота антенны BTS hx 100 м) величина и ~ 4; для мно- голучевой модели распространения в условиях пригорода, лесных массивов, величина п обычно лежит в пределах 3 < п < 4. Приближенное решение задачи. 1. Если точка находится на линии, соединяющей точки А и В, то средняя мощность радиосигнала, принимаемого в точке X от ВТ8Л - Р* ~ 1/Rn, от BTSfi - Р/ = 1/(D - R)n.
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 179 Реально величина мощности принимаемого сигнала MS в точке X для системы базовых станций будет случайным процессом, содержащим быстро меняющуюся составляющую (распределенную по релеевскому закону) и медленно меняющуюся составляющую (распреде- ленную по логарифмически нормальному закону). Показанные на рис. 7.1 базовые станции BTSa и BTSb ведут передачу на одних и тех же частотах fA = fB. В этом случае отношение среднего уровня сигнала к среднему уровню помех запишется в виде [7.1]: ((S)/(I)) = [(D-R)/R]n, (7.1) принимая во внимание то, что замирания сигнала могут происходить как по закону Релея, так и по логарифмически нормальному закону, а также учитывая различные методы разне- сения, улучшающие условия приема. 2. В случае кластерной структуры сотовой сети при условии статистически независи- мых принимаемых сигналов в точке X от всех сот, с равными по частоте сигналами fA=fB = fi, отношение сигнал/помеха запишется в виде: (<5>/</>) = 1/[ЯТ(Ж)], (7.2) где суммирование идет в пределах от i = 1 до М, а величина М — общее число BTS в зоне обслуживания, Rt — расстояние от точки приема X до JVf-й базовой станции BTSW. Следует отметить, что выражение (7.2) справедливо при условии, что мощность сигнала, излучаемого BTSA, достаточна для обеспечения соответствующего отношения сигнал/помеха на расстоя- нии R и больше, чем от базовой станции BTSB, то есть в сотовой системе имеется ограниче- ние по уровню взаимных помех, а не по мощности сигнала и теплового шума. Так как радиопокрытие зоны обслуживания достигается с помощью повторного исполь- зования радиочастот (а в городских условиях в небольших по размеру сотах), то для случая аппроксимации круговой соты в виде шестиугольника, число сот на кластер определяется из простого выражения: AU=(l/3)(D/fl)2, (7.3) а величина коэффициента повторного использования частот имеет вид: С = VNc_k. (7.4) При этом Nc_k могут принимать только дискретные значения: 3, 4, 7, 9, 12, 13, опреде- ляемые из выражения: Nc^ = (k + l)2 — kl, (7.5) где к и I — целые числа (например: при k = 1,1 = 1, С = 3, при к = 2,1 = 1, С = 7, и т.д). Величину отношения D/R = q (коэффициент соканального повторения) обычно опреде- ляют из допустимых отношений сигнал/помеха S/I и характеристик системы связи. Дейст- вительные размеры зон обслуживания, а именно значения D, R, q (а значит и величина С), определяются на основе следующих факторов: 1) интенсивности предлагаемой нагрузки (трафика); 2) общего числа радиоканалов, выделенных для сотовой сети; 3) допустимой интенсивности отказов; 4) стратегии распределения каналов, принятой для управления системой. Если интенсивность нагрузки по всей рабочей зоне обслуживания сотовой системы с мобильными станциями равномерна, то проектирование сотовой сети с небольшими по раз- меру сотами (в пределах города) осуществляется относительно просто. Если же интенсив- ность нагрузки падает по мере приближения к черте города, то ввиду высокой стоимости оборудования BTS для минимизации стоимости системы связи на окраинах города увеличи- вают размеры сот (а значит и радиусы обслуживания), то есть величина q = D/R уже стано- вится переменной величиной. Поэтому возникает проблема согласования выбираемых раз-
180 ГЛАВА 7 меров сот и изменяющегося трафика. Таким образом, при статистическом способе радиопо- крытия зоны обслуживания сотовой системы связи должно быть выполнено условие: ((D - R)/R)n = (q- 1/ s (5//)доп. (7.6) Детерминированный метод радиопокрытия зоны обслуживания При детерминированном методе радиопокрытия зоны обслуживания базовые станции можно расположить так, чтобы минимизировать среднюю величину интервала использования ра- диоканала, то есть число сот на один кластер < ^) = (1/3)(Z>/T?)2min, и одновременно достичь удовлетворительного обслуживания в пределах всей зоны обслу- живания сотовой системы связи. Для оптимального расположения базовых станций необходимо знать средний уровень радиосигнала, излучаемого с мест возможного расположения базовых станций в любой точ- ке расположения мобильного объекта, вплоть до расстояний, дальше которых указанные ра- диосигналы уже не приводят к взаимным помехам. Информация об уровнях сигнала может быть получена в результате расчетов, измерений и/или прогнозирования. Области обслужи- вания, связанные с различными BTS, имеют различные формы и размеры. Оптимизация расположения сот и BTS в них приводит к минимизации числа BTS, требуемого для обслу- живания определенного числа каналов в пределах заданной зоны обслуживания. В месте расположения BTS может быть задано несколько зон обслуживания за счет использования направленных антенн. Это обстоятельство дает дополнительную свободу выбора форм и размеров зон обслуживания и в некоторых случаях может приводить к уменьшению интер- вала повторного использования частот С. Прежде чем реализовать эффективное радиопо- крытие территории детерминированным способом, следует произвести детальный учет не- обходимых определяющих факторов. Особое внимание должно быть уделено: - выбору местоположения BTS; - требуемому разносу частот между BTS; - уточнению данных об измеренных или рассчитанных уровнях радиосигнала. В зонах обслуживания с высокой плотностью размещения BTS, где разнос частот меж- ду BTS определяется межканальными помехами, а не ограничениями, связанными с шумом, возможно обслуживание пиковой нагрузки в пределах обычной соты обслуживаемой одной BTS с помощью радиоаппаратуры, расположенной на смежной BTS. Таким образом, детер- минированный метод, в первом приближении, может дать оценку радиопокрытия опреде- ленным числом сот заданной территории с учетом условий распространения радиоволн и повторного использованием частот. Результаты проектирования радиопокрытия заданной территории, полученные различ- ными методами, должны уточняться путем измерений характеристик радиоканала на этапе оптимизации сотовой сети, что повышает точность и эффективность проектирования. Численный пример расчета радиопокрытия зоны обслуживания Постановка задачи. Пусть площадь зоны радиопокрытия Sz = 64609 км2 (рис. 7.2). Пусть используется модель равномерного размещения макросот радиусами 7?тах в пре- делах зоны радиопокрытия. Пусть в сотовой системе мобильной связи используется стан- дарт GSM, то есть приняты следующие основные характеристики данного стандарта: мощ- ность излучения антенн BTS PBts ~ 55 Вт; пороговая чувствительность приемников MS
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 181 Pms ~ -ЮО дБм (то есть Рм ~ 10"13 Вт); максимальное количество каналов, организуемое в BTS, Nk=20; количество каналов на несущую NvK=8; максимальное количество каналов связи 124 при ширине полосы канала связи П/= 0,2 МГц и ширине полосы в диапазоне ра- бочих частот Птах = 25 МГц; вид модуляции GMSK при индексе ВТв — 0,3. Пусть допусти- мое отношение мощности сигнала к мощности соканальных помех (5//)доп 20 дБ, а пара- метр распространения радиоволн для мобильной связи [7.1] лежит в пределах 3 < п < 4. Коэффициенты усиления антенн BTS и MS равны 0 дБ (то есть используются всенаправлен- ные антенны). Затухания антенных фидеров не превышают 2,5 дБ. Зависимость коэффици- ента затухания при сквозном распространении электромагнитных волн в лесах составляет -10^' (где а ~ 0,2 дБ/м на частоте 900 МГц, / — длина пути распространения, при этом значение а одинаково как для горизонтально, так и вертикально поляризованных радио- волн), то есть потери при распространении могут составлять ~ до 200 дБ при / = 1000 м. Пусть средняя высота поднятия антенн: для BTS — = 72 м, а высота поднятия антенны мобильной станции над землей Л2 = 1,5 м. Рис. 7.2. Обслуживаемая оператором территория Численный расчет радиопокрытия зоны обслуживания с учетом введенных допущений в постановке задачи. 1. Определим максимальный радиус соты по формуле: Лтах = {[(PBTS-GBTS'GMs)/PMSmin)-10^'] 1/2}-(W)Az, (7-7) где Pbts = 55 Вт, GBTS = Gms = 1, ^MSmin = Ю’13 Вт, X (900 МГц) = 0,33 м, Af= io-“«1,s1-lO-cte2Ie2 = 10^’25 = 0,56. Тогда величина максимального радиуса соты для открытой местности найдется по фор- муле (7.7): 7?тах = 20 км.
182 ГЛАВА 7 При учете условий местности поправочный коэффициент затухания W = 10~^а1)/2, а вели- чина максимального радиуса соты может меняться в следующих пределах: от условий пря- мой видимости (LOS) 7?тах = 28 км до условий непрямой видимости (NLOS) 7?тах «20 км. 2. Максимальная площадь макросот определится: 5МС = л /?2тах = л(20)2 = 1256 км2. 3. Число макросот в зоне обслуживания составит: Mds = Sz/Sms = 64600/1256 s 51. 4. Определим коэффициент соканального повторения q\ [(D - flmax)/rmaxf = [(D/Rmax) - If = (q - 1)" s (5/7)доп, то есть (q - 1)" 102, при n = 3 величина q = 5,64, при n = 3,5 - q = 4,72. 5. Число сот в кластере (то есть порядок кластера) найдем из формулы (7.3): Nck = (1/3) q2 = 4,722/3 s 7 сот/кластер. 6. Число кластеров в зоне обслуживания найдется: Nk = Nc/Nck = 51/7 г 7 кластеров. Таким образом, параметры сотовой сети, полученные при расчетах, следующие: - зона обслуживания делится на 7 кластеров, в каждом из которых находится по 7 иден- тичных сот; - коэффициент повторного использования частот составляет: С = 1/Nck = 1/7 = 0,143. Далее возникает следующая проблема: распределить радиочастотные каналы в полу- ченной зоне обслуживания. 7.4. Распределение каналов в сотовой сети При распределении радиочастоных каналов в сотовой сети возможны два подхода [7.1]: - фиксированное распределение; - динамическое распределение. При фиксированном распределении каналов определенное их подмножество постоянно закрепляется за определенными сотами, при этом это подмножество каналов повторно ис- пользуется в сотах, разделенных между собой интервалом повторного использования. То есть закрепляются каналы в пределах кластеров и далее они повторяются от кластера к кластеру в пределах общей зоны обслуживания. Поэтому при детерминированном распре- делении число каналов определится следующим образом: а) общее число каналов, выделенных всей сотовой системе в пределах кластерной зо- ны обслуживания, которое, в свою очередь, определится как отношение полосы частот всей системы &fs (для стандарта GSM Afs = 25 МГц) к частотному разносу каналов fs (fs = 0,2 МГц): nsysk = (\fs I fs) -1 = 124 канала; б) число каналов на одну соту (при числе сот в кластере Nck = 7): nc = nsysk/Nck = = 124/7 = 17,7 «18 каналов. Выделяя два канала для системы управления (сигнализации), примем значение пс 20 каналов в соте; в) число каналов, выделяемых для всей зоны обслуживания, состоящей из 7 кластеров: nz = 7xnsysk = 868 каналов, то есть необходимо иметь 7 централей, обеспечивающих в сумме 868 каналов. Данное число каналов обеспечивает выбор свободного канала при перемеще- нии мобильной станции из подмножества каналов в соответствующих сотах и кластерах. При этом, если мобильная станция не пересекает соту обслуживания, то предполагаемая на- грузка для подмножества каналов равна произведению интенсивности новых вызовов А на
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 183 среднюю продолжительность разговора (xt) (продолжительность занятости канала). Это ус- ловие остается приблизительно справедливым, если произведение средней продолжитель- ности разговора на среднюю скорость движения мобильной станции VMS мало по сравне- нию с размерами соты: (x)(VMS) ^Ящах- Например, при скорости движения мобильной станции (Vms) = 1 км/час и средней про- должительности разговора, (xt) = 3 мин (то есть 3/60 = 0,05 часа), их произведение составит: 1 км/час • 0,05 час = 0,05 км «20 км, при (VMs) = 100 км/час • 0,05 час = 5 км «20 км. При пересечении границы соты и переходе мобильной станции на новую частоту, выделяемую новой базовой станцией BTS, необходимо учитывать следующие факторы: 1) средняя про- должительность разговора (х,) в каждой соте уменьшается, так как вызов, возникший в пре- делах соседней соты, освобождает канал преждевременно; 2) эффективная интенсивность поступления вызовов возрастает на величину интенсивности пересечения мобильными станциями границ сот, так как вызов, поступающий в новую соту, требует для своего обслу- живания канала в новой соте, точно так же как и заявка на обслуживание, возникшая в пре- делах этой новой соты. Некоторые разговоры абоненты вынуждены прекратить преждевре- менно из-за того, что входят в новую соту обслуживания, в которой могут отсутствовать свободные каналы. Это также уменьшает среднюю продолжительность разговора. Динамическое распределение каналов в сотовой системе связи предполагает, что любой канал может быть использован в любой соте обслуживания. Каналы распределяются при этом для обслуживания вызовов с учетом состояния системы на основе определенной стра- тегии распределения каналов, которая должна оптимизировать некоторые параметры систе- мы с учетом ограничения на повторное использование каналов. Поиск с целью выделения канала для определенной соты в определенный момент времени включает в себя перебор всех каналов, выделенных для системы, и нахождение свободного канала или множества каналов для MS в данной соте. Свободными считаются все неиспользованные каналы, рас- положенные на расстоянии от рассматриваемой соты, меньшем, чем допускается заданным отношением q = D/R. Если такой канал найти не удается, то в данной соте в этот момент времени нельзя обслуживать вызов. Поиск канала может осуществляться некоторым регу- лярным образом среди всех выделенных каналов или по случайному закону. Если в нали- чии оказывается более одного канала, то выбор канала должен быть сделан в соответствии с некоторой стратегией оптимизации. Эта стратегия может быть основана на таких критери- ях, как порядок поиска, взвешенное расстояние до остальных сот, использующих тот же са- мый канал, число использований канала при минимальном отношении D/R или даже на слу- чайном выборе. Некоторые стратегии и их основные характеристики описаны в работе [7.1]. В настоящее время в стандарте GSM из центра коммутации реализуется автоматиче- ский выбор каналов с использованием динамического распределения каналов. 7.5. Расчет бюджета радиолиний в системах сотовой мобильной связи Расчет бюджета радиолинии в сотовых системах связи, являющийся одной из важных задач при проектировании таких систем, зависит от быстрых многолучевых релеевских замира- ний, медленных логарифмически нормальных затенений, от потерь при распространении радиоволн с расстоянием и т.д. Главными параметрами при расчете являются мощности передатчиков (MS и BTS) и интервал повторного использования частот. Эти параметры определяются для заданного ка-
184 ГЛАВА 7 чества передачи, то есть для заданного значения вероятности ошибки на бит и допустимой надежности связи. В свою очередь, вероятность ошибки на бит — BER = хр(С/#) — являет- ся функцией от отношения сигнала к шуму и для GMSK (модуляции в стандарте GSM) со- ставляет ~ КГ3 при C/N = 30 дБ. Надежность радиосвязи определяется частью зоны обслужи- вания, в пределах которой не может поддерживаться требуемое качество связи. При проектировании сотовой системы мобильной связи требование к качеству передачи определяется из знания характеристики передачи в условиях воздействия только многолу- чевых релеевских замираний без учета логарифмически нормальных затенений [7.1]. На- дежность же связи определяется исходя из предположения логарифмически нормального затенения и изменения потерь при распространении в зависимости от расстояния. Надежность радиосвязи и энергетический запас по параметрам C/N и С/1 Как показано в работе [7.1], на каче- ство передачи, выраженное через значение BER, в сотовых системах наибольшее влияние оказывают теп- ловые шумы и соканальные помехи. На рис. 7.3 показана простая модель повторного использования каналов на обслуживаемой территории. Если предположить, что ло- кальными средними значениями полезного сигнала и помехи явля- ются значения х и v, соответствен- Рис. 7.3. Модель повторного использования но’ то при Д°пУЩении> чт0 X и v каналов на обслуживаемой территории подвергаются взаимно независимо- му логарифмически нормальному затенению, получим совместную функцию плотности распределения вероятности величин Хи v в виде [7.1]: ^(X,v) = -—-2--ехр 2ла xv 1 I 1 2 X 1 2v -----5- 1П2 —+ 1П----- 2<j l y vm (7-8) где a — стандартное отклонение, эмпирическое значение которого лежит в пределах (5 < а < 12) дБ для типичного городского района, х™ и ут — территориальные средние зна- чения величин х и v, определяемые формулами: Xm = =А2г-п, (7.9) при этом Ai, А2 — коэффициенты, ал — параметр распространения радиоволн (в городских условиях показатель п лежит в пределах 3 < п < 4). Если в выражении (7.8) провести замену / = Г, a x/v = А, то формулу (7.8) получим в виде: Ж(Г,А) = 1 ---5--ехР 2лсТЛ 1 . 2 Г . 2 Л -----г In ----+ 1п ---- 2а21 Г Лт \ т т (7.10) где Гт = Гт ), Лт = Лт (г1?г2) — территориальные средние величины C/N и С/1, соответ- ственно. Введем понятие о пороговых значениях (уровнях) для отношений сигнал/шум и
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 185 сигнал/помеха, как наименьших значениях С/N (Гпор) и C/I (Апор), при которых обеспечива- ется допустимое значение BER. После соответствующих преобразований [7.1], получим окончательное выражение, определяющее вероятность того, что Г Гпор или А <; Апор: Р Г^Г, 'пор>Л£Лпор] = |erf< л/2о 1 е +—erf 2 1п(гт/Гпор)/Т2а f е-'2 х V2o 1 х erf < Z +---f=— V2o >dt, (7.П) 2 00 2 где erf (х) = —= \е~и du — функция вероятности ошибок, л/л х Данное выражение позволяет в зависимости от того, как перераспределяются энергети- ческие запасы С/N и C/I, оценить возможные значения вероятности потери связи. Расчет по формуле (7.11) позволяет оценить энергетические запасы по соотношению сигнал/помеха S/I и сигнал/шум S/N, при этом, как показано в работе [7.2], надежность связи при наличии теплового шума и соканальных помех должна определяться исходя из масштаба системы и ее уровня качества. Например, когда допускается суммарное значение вероятности потери связи Рв - 0,1, то можно сделать расчет линии связи: либо для условий, когда запас по С/N ~ 15 дБ, а запас по СИ -12 дБ, то есть предполагать, что можно отдать приоритет теп- ловому шуму, либо для условий, когда C/N < 10 дБ, а СИ - 15 дБ, то есть предполагать, что можно отдать приоритет соканальным помехам, при этом первый вариант больше подходит для сотовой системы с большими размерами сот, а второй — для системы с малыми разме- рами сот и большой емкостью. Когда надежность связи определяется для соответствующих факторов отдельно, то энергетические запасы по С/У и СИ могут вычисляться отдельно. Например, если суммар- ная вероятность потери связи составляет Рв ~ 0,05 и из них 0,01 часть выделена на тепловой шум, а 0,04 части — связаны с соканальными помехами, то требуемые энергетические запа- сы по С/У и СИ определяются из решения уравнения (7.11). В данном примере значения С/У и СИ при Рв > 0,05 следующие: C/N - 15 дБ, СИ - 16 дБ. Основываясь на взаимосвязи между надежностью связи и энергетическими запасами, можно найти мощность передатчика и ин- тервал повторного использования каналов, которые являются основными параметрами при расчете линии мобильной связи. Пороговые значения для локального среднего С/N (Г) и ло- кального среднего СИ (А) устанавливаются с учетом требований к качеству передачи в ус- ловиях воздействия чисто релеевских замираний без учета логарифмически нормального за- тенения. Допустимые значения вероятности потери радиосвязи из-за воздействия теплового шума и соканальных помех могут быть определены отдельно, в зависимости от уровня сиг- нала и отношений С/У и СИ. В работе [7.1] показаны алгоритмы определения мощности пе- редатчика при заданных географических потерях связи, вероятности потери связи в преде- лах соты, на границе соты, при учете запаса по С/У, требуемой вероятности BER, порогово- го значения С/У и параметров линии радиосвязи (рис. 7.4), по формуле: „ rkTBNFL п _ nt____Г 1 ^BTS^MS (7.12)
186 ГЛАВА 7 где Гш — территориальное среднее значение сигнала и C/N, &TBNF — мощность шума при- емника, LP — потери мощности на расстоянии от BTS до MS, GBts и (7ms — коэффициенты усиления антенн BTS и MS, включающие потери в фидерах передатчика и приемника соот- ветственно. Рис. 7.4. Процедура определения требуемой мощности передатчика мобильной станции [7.1] Определение интервала повторного использования частот q = D/r Среднее территориальное значение сигнал/помеха C/1 (Aw) в наихудшей точке на грани- це соты радиусом г = R определяются в виде: =л(л)’ (7-13) то есть величина интервала повторного использования частот представляется в виде: q = D/R = l + [\m(R)f. (7.14) На рис. 7.5 показана зависимость q(CU), из которой следует, что при СИ (Aw) = 10 дБ и п = 3,5 величина q - 3, при Aw = 20 дБ и п = 4 величина q ~ 4, и т.д.
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 187 Таким образом, величина q = D/R —это нормированный к радиусу соты R минималь- ный интервал повторного использования каналов. Среднее территориальное значение СИ: Ат, дБ Рис. 7.5. Графики зависимости интервала повторного использования каналов от территориального среднего значения С/1 Пример расчета радиолинии цифровой микросотовой системы Постановка задачи. Пусть решается задача по определению мощности мобильной станции PMs и интервала повторного использования частот q = D/R при следующих условиях: - средняя частота диапазона рабочих частот/Ср = 900 МГц; - радиус соты R = 3 км; - стандартное отклонение для логарифмически нормального затенения а0 = 6 дБ; - постоянная распространения п = 3,5; - требуется обеспечить среднюю вероятность BER Рв = 10”3 и вероятность потери ра- диосвязи Рг_с = 10%, причем вводится допущение, что эти значения делятся поровну между тепловыми шумами и соканальными помехами по основному каналу приема; - вид модуляции и схема демодуляции: MSK с автокорреляционной демодуляцией; - требуемая ширина полосы частот В при скорости передачи 16 кбит/с равна 16 кГц. На рис. 7.6 показан алгоритм расчета мощности приемника PMS и коэффициента q, при дополнительных к вышерассмотренным условиям: - мощность шума на входе приемника MS Рш ~ £TBNF = -168 дБм/Гц, - потери мощности на длине R = 3 км —LP = 137 дБ, - произведение GBts ’^ms = 8 дБ. Как следует из полученных значений, величина PMs 1 Вт, a q = D/R 8,2, то есть чис- ло сот в кластере: Nck = cf/3 = 22 соты (многосотовый кластер).
188 ГЛАВА 7 Рис. 7.6. Пример расчета радиолинии цифровой мобильной связи [7.1]: 1 — п = 3,5; о0 = 6 дБ, 2 — MSK с автокорреляционной демодуляцией, двукратное разнесение, 3 — /cTNf = -168 дБм/Гц; В = 16 кГц ( = 42 дБГц); LP = 137 дБ (R = 3 км); Gt Gr = 8 дБ Следует отметить, что при расчете учитывались значения: ГПор 21 дБ, АПор 21 дБ, Гт/Гпор 6 дБ (шум), Ат/А1Юр 9 дБ (соканальная помеха), Гт 27 дБ, Ат 30 дБ, а также при оценке качества передачи учитывалось ее ухудшение на 2 дБ. При учете воздействия шести мешающих BTS, к среднему территориальному значению C/N = Ат = 30 дБ, необходимо добавить 8 дБ, то есть Ат = 38 дБ. Пространственное разнесение как средство борьбы с быстрыми релеевскими замира- ниями из-за многолучевости эффективно снижает допустимые локальные средние значения C/NnC/I. Метод разнесения по BTS, реализуемый путем эстафетной передачи управления и при- меняемый для устранения эффекта затенения, уменьшает требуемые запасы по С/N и C/I. 7.6. Емкость сотовой сети мобильной связи При проектировании сетей сотовой мобильной связи необходимо оценивать трафик (интен- сивность нагрузки) системы связи, позволяющий, в свою очередь, оценить число обслужи- ваемых абонентов в соте и во всей сети в целом. В связи с этим сотовая система мобильной связи, подобно любой системе телефонной связи, является примером системы массового обслуживания со случайным потоком заявок (вызовов), случайной продолжительностью их обслуживания и конечным числом каналов обслуживания (именно физических каналов радиосвязи). Воспользовавшись достаточно хорошо разработанной теорией телетрафика в телефонии, применим ее к системе сотовой мобильной связи.
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 189 Определения Рассмотрим основные величины, необходимые для построения математических моделей трафика: - средняя частота поступления вызовов (к), измеряемая числом вызовов в единицу времени ([к] = вызов/ч, вызов/с); поток вызовов достаточно полно можно характе- ризовать средней частотой поступления вызовов (интенсивностью поступления вы- зовов) к; - средняя продолжительность обслуживания одного вызова (средняя продолжитель- ность одного разговора) (7), измеряемая в единицах времени; - средняя интенсивность нагрузки (интенсивность трафика), равная произведению А = (Х)-(Т), измеряемая в эрлангах (Эрл). (7.15) Рассмотрим следующий пример. Пусть средняя частота поступления вызовов (к) = 20 вызовов/час, а средняя продолжительность обслуживания одного вызова (Т) = 0,2 часа, то- гда средняя интенсивность трафика равна А = 20-0,2 = 4 Эрланга, то есть средняя интенсив- ность нагрузки равна 4 вызовам. Обычно величину среднего трафика А оценивают для часа пик, то есть для часового интервала в период наибольшей нагрузки системы связи. Вероятностные характеристики в теории телетрафика Поступление вызовов, как и продолжительность обслуживания T(t), являются случайными величинами зависящими от времени. Теория вероятностей может быть использована для вывода соотношений, устанавливающих связь между тремя факторами: предполагаемой на- грузкой; числом каналов; показателем качества обслуживания. Вероятность поступления вызовов может быть описана распределением Пуассона, определяющим вероятность поступления А:-вызовов (дискретная случайная величина) за время Г: ° 6 Х>' ’ (7-16) при [(к) Г] > 0, к 0. При этом среднее число вызовов на интервале времени Г: < ^ = [(к>Г], (7.17) а дисперсия числа вызовов на том же интервале: Ak=[(X)t], (7.18) где (к) — средняя частота поступления вызовов. На рис. 7.7 приведен график распределения Пуассона для произведения (к) Г = 4, из ко- торого следует, что максимальная вероятность поступления вызовов наблюдается в области к = 4, то есть 4 вызова за время t. 0123456789 10 к Рис. 7.7. Распределение Пуассона вероятности поступления вызовов
190 ГЛАВА 7 Продолжительность обслуживания одного вызова (длительность занятости канала свя- зи) является непрерывной случайной величиной т(г), плотность распределения вероятностей которой описывается экспоненциальным законом распределения: со(т) = —е т/<п , при т О, V 7 (Т) (7.19) которому соответствует среднее значение (математическое ожидание) и дисперсия: т = (7), Ат = (7)2, то есть среднее значение совпадает со средней продолжительностью обслужива- ния одного вызова (7). На рис. 7.8 приведены зависимости со(т) при (7) = 0,3 (график 1) и (7) = 0,5 (график 2). Рис. 7.8. Экспоненциальный закон изменения плотности распределения вероятности длительности занятости канала при различных (7) Математические модели в системах сотовой мобильной связи В математических моделях трафика, как показано в работе [7.1], выполняются следующие условия: - поток вызовов подчиняется распределению Пуассона; - продолжительность обслуживания вызовов подчиняется экспоненциальному распре- делению, при этом различные модели отличаются одна от другой тем, какая участь постигает вызовы, поступающие в моменты времени, когда все каналы системы заня- ты. Эти вызовы могут аннулироваться (модель системы с отказами), либо становить- ся в очередь и ждать освобождения канала неопределенно долгое время, после чего обслуживаться в течение необходимого интервала времени (модель системы с ожи- данием)', - возможны промежуточные случаи, например, модели с ожиданием, но в течение огра- ниченных интервалов времени. Модель системы с отказами (lost-calls-cleared conditions — условия сбросов вызовов, получивших отказ), называется также моделью Эрланга В. В данной модели вероятность отказа (то есть вероятность поступления вызовов в момент, когда все каналы заняты) опре- деляется выражением: An/N\ N / X ’ «=0 (7.20) где N — число каналов, А = (Х)-(7) — трафик. Вероятность того, что все каналы свободны, для данной модели определяется выраже- нием:
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 191 РоВ (7.21) Вероятность того, что занято к каналов, определяется выражением: ^=^[^‘/(Л!)]. (7.22) Среднее число занятых каналов: W = Pofif[A"/(«-l)!]. (7.23) п-1 Модель системы с ожиданием называется моделью Эрланга С. В этой модели вероятность задержки (то есть вероятность того, что поступивший вызов не обслуживается немедленно, а становится в очередь) определяется формулой: Р, = [а" • N /(N - А) • N!], (7.24) где Рос = 1/ ^(а'7«!) + [an-N/(N-A)-n(] п-0 J (7-25) вероятность того, что все каналы свободны. Модель системы с ограничением времени ожидания, так называемая модель Эрланга А или модель Пуассона. В данной модели вызов, поступивший в момент занятости всех кана- лов, становится в очередь, но время ожидания не превышает среднего времени обслужива- ния (средней продолжительности разговора). Если за это время хотя бы один канал освобо- ждается, вызов занимает его на освободившуюся часть среднего времени обслуживания, по- сле чего сбрасывается. В такой системе вероятность отказа: Рл=Х[Ае-М!]. (7.26) n-N При расчетах емкости систем сотовой мобильной связи обычно используют модель Эр- ланга В. Это связано с тем, что при малых вероятностях отказа модели Эрланга В иС дают достаточно близкие результаты, при этом при вероятности отказа Рв > 0,1 сравнительно не- большое возрастание трафика (А > 40) приводит к резкому росту вероятности отказа, то есть к резкому ухудшению качества обслуживания. Поэтому расчет емкости системы сото- вой мобильной связи проводится для значений Рв в пределах от 0,01 до 0,05. В виду громоздкости выражения (7.20), определяющего вероятность блокирования вы- зова в системе с отказами, на практике обычно пользуются ее представлением в виде табл. 7.1 [7.4, 7.5]. Таблица 7.1. Модель Эрланга В (система с отказами) Число каналов N Вероятность отказа Рв = гр (A, 7V) 0,002 0,01 0,02 0,05 0,10 А — трафик (эрланг) 1 0,002 0,01 0,02 0,05 0,11 2 0,07 0,15 0,22 0,38 0,60 5 0,90 1,36 1,66 2,22 2,88 10 3,4 4,5 5,1 6,2 7,5
192 ГЛАВА 7 Таблица 7.1 (окончание) Число каналов N Вероятность отказа Рв = ф (A, 7V) 0,002 0,01 0,02 0,05 0,10 20 10,1 12,0 13,2 15,2 17,6 30 17,6 20,3 21,9 24,8 28,11 40 25,6 29,0 31,0 34,6 38,8 50 33,9 37,9 40,3 44,5 49,6 100 77,5 84,1 88,0 95,2 104,1 150 122,9 131,6 136,8 146,7 159,1 200 169,2 179,7 186,2 198,5 214,3 Методика использования модели Эрланга В для расчета емкости сотовой системы Постановка задачи. Рассчитать емкость сотовой мобильной системы (емкость одной соты и всей сотовой сети) при заданных: вероятности отказа Рв, числе каналов N и числе сот т. Решение задачи. 1. Так как функция Рв = ф (A, N) зависит от трафика А и числа каналов N, то при извест- ных двух параметрах всегда найдется третий: если, например, известны Рв (или выбрана) и N, то найдется величина А. 2. После определения величины трафика А по формуле (7.20) или из табл. 7.1 (после проведения оценки числа вызовов абонентов сотовой сети в среднем в час (Xi), а также средней продолжительности разговора (Ц)), рассчитывается число абонентов в одной соте: д 1=-, (7.27) А где А/ — трафик для одного абонента (А/ = (Х/)-(7))). Число абонентов в т сотах: д L = ml = т—. (7.28) А Рассмотрим численный пример. Постановка задачи. Пусть сотовая система мобильной связи состоит из 51 соты, в каж- дой из которых используется N физических каналов. Пусть вероятность отказа (для модели Эрланга В) Рв = 0,05. Пусть в процессе работы сети GSM в час пик каждый абонент делает в среднем один вызов в час, то есть (Xi) = 1 вызов/час. Пусть средняя продолжительность раз- говора абонентов (Т\) составляет 2 минуты, то есть (Т)/1 ч = 1/30 часа. В этом случае, тра- фик одного разговора составит: А/ = (Х/)-(7)) = 1-1/30 = 0,033 Эрл. Решение задачи. 1. При вероятности отказа Рв = 0,05 в соответствии с табл. 7.1 при числе каналов на соту пс = 20 значение трафика на соту составит Ас = 15,2 Эрл/соту. 2. Число абонентов, которое может быть обслужено в пределах одной соты, равное отношению трафика на соту к трафику на одного абонента, составит: mt = AJAi = 15,2/0,033 = 460 абонентов.
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 193 3. Число абонентов М, обслуживаемых всей совокупностью 51 сот, при числе каналов А = 20: М= 51-460 = 23490. Такова емкость рассматриваемой сотовой системы мобильной связи, рассчитанная в соот- ветствии с общепринятым подходом для часа наибольшей нагрузки по модели Эрланга В. Итак, в п.п. 7.3-7.6 были рассмотрены приближенные методы, используемые при проекти- ровании сотовых мобильных систем связи: - радиопокрытия зоны обслуживания; - распределения радиочастотных каналов; - расчета бюджета радиолиний; - расчета емкости сети. Для большей полноты изложения данной проблемы воспользуемся рекомендациями фирмы Nokia по методике проектирования сотовых сетей, изложенной в работе [7.9]. 7.7. Рекомендации по сетевому планированию и оптимизации При проектировании сотовой сети мобильной связи должны быть выполнены следующие основные операции [7.9]: оценка стоимости проектируемой сети; оценка емкости сети; оценка радиопокрытия и расположения элементов сотовой сети; оценка максимально до- пустимой плотности (степени услуг); оценка количества вызовов; оценка будущего разви- тия сотовой сети. По мнению специалистов фирмы NOKIA, главными этапами процесса планирования сети являются следующие: 1. Сбор информации по следующим разделам: - правила и законы; - ключевая информация относительно демографии, уровня доходов, прогноз расшире- ния территории обслуживания, поддержка услуг, маркетинговые исследования и т.д.; - наличие арендованных линий связи, наличие СВЧ-частот, требования соединений с другими системами; - номерные, адресные принципы и принципы маршрутизации; - топографические карты; - существующая инфраструктура, например, передающие сети и передающая среда. 2. Определение требуемых базовых параметров сети по радиопокрытию и емкости. Главной проблемой этого этапа планирования является оптимизация сети по крите- рию стоимость-эффективность. Чтобы реализовать на практике эту задачу, необходи- мы детальная информация о сотовой сети (рост стоимости этапа плана, защита, имеющая- ся в наличии, необходимая информационная инфраструктура), а также формулировка за- дач сети и требований к ее качеству. Результатом второго этапа является проект тополо- гии интегрированной сети, в котором должны быть показаны различные услуги и требуе- мая для ее реализации аппаратура. Кроме того, должен быть представлен первоначальный развернутый план реализации сети. Главная цель данного этапа — проиллюстрировать комплексный процесс планирования сотовой сети. Следует отметить также другие виды планирования: 727 - 632
194 ГЛАВА 7 - FTP (Fixed Transmission Planning) — планирование фиксированной передачи; - NAP (Network Access Planning) — планирование сетевого доступа; - DCN (Data Communication Network Planning) — планирование сети передачи данных; - INP (Intelligent Network Planning) — планирование интеллектуальной сети; - 3G и IP Network Planning — планирование развития сотовой системы третьего поко- ления (3G), использования сетевых протоколов IP и т.д., что должно быть включено в полный процесс проектирования сотовой сети. 3. Выбор MSC, BSC и мест расположения базовых станций. 4. Съемка местоположения для заданных MSC, BSC и базовых станций, другими слова- ми, оценка мест расположения MSC, BSC и BTS с учетом среды, окружающей эти системы. 5. Детальное планирование сотовой сети. В этот этап входят следующие операции: - компьютерное проектирование сети и инструменты для создания необходимого ра- диопокрытия территории; - анализ помех (соканальных, внешних, шумов); - частотное планирование; - планирование СВЧ-каналов; - документирование и пр. Фирмой NOKIA подготовлен комплект ТОТЕМ, включающий необходимые инструмен- ты для планирования сотовой сети. Ниже рассматриваются три области в планировании со- товой сети: - SNP (Switching Network Planning) — планирование коммутации сети; - CTNP (Cellular Transmission Network Planning) — планирование сотовой передающей сети; - RNP (Radio Network Planning) — планирование радиосети. Особенности планирования системы коммутации сети В процессе данного этапа планирования должны быть решены следующие задачи: - путем измерений и учета необходимой емкости сети (среднего времени разговоров, числа handovers, передач коротких сообщений и др.) оценивается объем переключе- ний; - устанавливается уровень сетевого исполнения в соответствии с заданной коммутаци- онной емкостью сети; - рассматривается реализация систем коммутации и сигнализации сети; - отрабатываются правила для маршрутизации, защиты, синхронизации и управления коммутацией; - определяются матрицы речевого и сигнального трафика; - оценивается необходимая аппаратура для реализации вышеприведенных задач. После того, как сотовая сеть размечена (рис. 7.9, 7.10), выполняется детальный план с выбранным числом входов (например, схема сети, план маршрутизации, цифровой анализ, детали управления, план нумерации, план загрузки и др.). Кроме того, специалист, плани- рующий систему коммутации сети, должен, помимо выполнения вышеперечисленных задач, рассмотреть возможный будущий расширенный план сети.
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 195 Рис. 7.9. Компьютерная карта территории Рис. 7.10. Компьтерная карта части сотовой сети Планирование сети передачи При планировании сотовой сети передачи главной проблемой является проработка исполь- зования линий связи СВЧ (или волоконно-оптических линий связи) в сети GSM, обеспечи- вающих, например, взаимодействие между BTS и BSC. Возможны несколько путей плани- рования: - установка собственных ретрансляционных линий связи СВЧ (радиорелейных линий связи СВЧ); - аренда уже существующих радиорелейных линий, вписывающихся по местоположе- нию и условиям устойчивой радиосвязи в разрабатываемую сотовую сеть; - прокладка волоконно-оптических линий связи. При выполнении данного пункта планирования сети необходимо учесть проблему со- единения и координации больших потоков различной информации. На данном этапе необ- ходимо разработать схему главной передающей сети для доступа BTS и сетевые узлы, что позволит получить четкое изображение сетевых соединений. Это также необходимо для определения требуемой емкости сети. Как принципы синхронизации, так и шлюзовые и коммутирующие соединения должны быть идентифицированы. При планировании СВЧ-каналов необходимо выбрать высокона- дежные широкополосные каналы, позволяющие обеспечить надежную связь между BTS и BSC. Кроме того, в сотовой сети вместо радиорелейных могут быть использованы волокон- но-оптические каналы. Планирование радиосети Тип и местоположение BTS зависят от характеристик окружающей среды. В условиях горо- да соты обычно меньше по размерам, чем в сельской местности. Кроме того, объем трафика также влияет на число радиоканалов в обычной соте. Так как в стандарте GSM максималь- ное теоретическое расстояние от BTS до края макросоты составляет 35 км, то к нему обыч- но адаптируется способность MS отправлять пакеты, которые должны прибывать в BTS в правильном слоте. Факторы, ограничивающие размеры сот: 1) с ростом рабочей частоты, то есть с уменьшением рабочей длины волны, размер соты уменьшается (размер соты GSM 900 больше, чем размеры сот для GSM 1800 и 1900); 7,7*
196 ГЛАВА 7 2) внешние условия: для открытых водных пространств затухание радиосигналов мень- ше, чем в лесных массивах или в городских условиях. Таким образом, при планировании радиосети в сотовой системе связи необходимо: - реализовать выбор радиоканалов путем создания собственных радиорелейных линий СВЧ, либо путем аренды уже существующих, либо прокладывая волоконно-оптиче- ские линии связи; - оформить детальный план сети, включающий результаты по предыдущему пункту, а также результаты измерений и тестирования радиопокрытия территории. Определение трафика и числа каналов в сотах Сота является базовым «конструктивным блоком» сети GSM. Одна сота по сути есть гео- графическая область, окружающая одну BTS, при этом размеры соты зависят от следующих факторов: - от окружающей среды; - от числа пользователей; - от диапазона рабочих частот; - от мощностей передатчиков BTS и т.д. Соты группируются вокруг контроллера базовой станции BSC. Средние размеры соты находятся из ответа на два фундаментальных вопроса: Как велик трафик каналов (ТСН — Traffic CHannel), который должен управлять в пределах соты? Какое множество трафиков каналов необходимо соте? Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо определить объем трафика в соте. Трафик можно рассчитать по простой формуле: . <Х>х(т> А =-------- (Эрл), 3600 где (k) (вызов/час) — среднее число вызовов в час; (т) — среднее время разговора (час). Количественно трафик не зависит от продолжительности наблюдения. Например, если ис- следование проводится в течение 15 минут, тогда в формуле для трафика А знаменатель вместо 3600 с, будет равен 900 с. Рассмотрим численный пример. Пусть в соте реализуется 540 вызовов в час, а средняя продолжительность разговоров составляет 100 с (100/60 = 1,66 мин), тогда объем трафика . 540x100 /гч ч составит: А =-------= 15 (Эрл). 3600 Если воспользоваться табл. 7.1 (модель Эрланга В) максимальной плотности трафика, то получим: число каналов = 20, при вероятности отказа Рв = 5%. Таким образом, в дан- ном случае величина GOS = 5% (Grade Of Service —качество обслуживания), определяемая вероятностью отказа, свидетельствует, что при времени наблюдения, равного 1 часу, 5-ти из 100 вызовов отказано в связи из-за недостатка ресурсов соты, при этом число каналов со- ставит 20. Так как в стандарте GSM каждый радиоканал поддерживает 8 (речевых) каналов, то можно сделать грубую оценку комплектации оборудованием BTS: если использовать в BTS три приемопередатчика (transceivers), то будет обеспечено Nk-c = 3x8 = 24 речевых канала, что больше расчетной величины, равной 20 каналам. Это обеспечивает некоторый запас по объему трафика, так как при = 24 и Рь = 5% величина трафика составит А = 19 Эрл (из табл. 7.1).
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 197 Повторное использование частоты Каждая подсистема базовых станций BSS имеет ограниченное число выделенных частот. Эти частоты должны быть распределены между каждой сотой, чтобы требуемая емкость се- ти удовлетворяла различным частям BSS. Рассмотрим следующий пример. На рис. 7.11 показана сотовая сеть. Рис. 7.11. Схема сотовой сети Рис. 7.12. Пример равномерного радиопокрытия территории при выбранном частотном плане Пусть проектировщик сети выбрал кластер порядка 9, то есть число выделенных частот составляет 9 (для BSS). На рис. 7.12 показано кластерное распределение частот с использо- ванием принципа частотного повторения. Следующим этапом является оценка LA (Local Area) — локальной области сети, которую выполняют в соответствии с характеристиками трафика каждой области. Окончательная фаза при планировании фиксированной сети со- стоит в оценке требуемого трафика и радиосети. 7 - 632
198 ГЛАВА 7 Оптимизация и развитие сети Планирование сети, описанное выше, является лишь первой частью длительного процесса улучшения создаваемой сотовой сети. При дальнейшем совершенствовании спроектирован- ной сотовой сети необходимо учитывать следующие факторы. 1. Увеличение числа абонентов требует расширения сети в данном месте и в данный пе- риод времени. 2. Учет стоимости сети для любого оператора является конкурентно-образующим пара- метром на рынке услуг мобильной связи. 3. Емкость сети, с одной стороны, необходимо минимизировать (обеспечивать необхо- димый трафик), а с другой, она не должна быть малой величиной, так как это ухудшит каче- ство обслуживания (grade of service) абонентов. То есть существуют противоречивые требования: - сеть должна обладать высоким качеством и иметь широкое радиопокрытие; - но в то же время для уменьшения стоимости сеть не должна быть избыточной. 4. Необходимость обеспечения качества услуг (quality of services) связана с требованиями уменьшения помех в радиоинтерфейсе и уменьшения числа вызывных сигналов в единицу времени при обеспечении оптимальной стоимости. 5. Для основных и дополнительных услуг настоящие и будущие требования должны быть обеспечены. В настоящее время большие капиталовложения реализуются в направлении использова- ния высокоскоростных сетей передачи данных, к которым относятся: - HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) — высокоскоростные цепи коммутации данных; - GPRS (General Packet Radio Services) — общая служба пакетной радиопередачи; - EDGE (Enhanced Date Rates for Global Evolution) — улучшенная передача данных для глобальной эволюции систем связи (384 кбит/с); - SDH (Synchronous Digital Hierarchy) — синхронная цифровая иерархия (использую- щая волоконно-оптические линии связи между узлами в сотовой сети) и т.д. Главной причиной внедрения высокоскоростных систем передачи данных является рост числа пользователей и связанный с ним рост трафика и объема разнообразных услуг в сис- темах сотовой мобильной связи. Поэтому для оптимизации и развития сотовой сети следует: 1) проводить полевые испытания созданной сети (достаточно дорогостоящие), которые позволили бы уточнить не только качество передачи информации, но и аппаратурные про- блемы, а также возможности сжатия (gathering) информации, увеличения числа пользовате- лей при неизменной структуре и аппаратном обеспечении сети и т.п. 2) использовать информацию, которая получена в NMS (рис. 7.13), по оценке усло- вий географического радиопокрытия (station тар), по уровню мощности BTS (serving BTS), по уровням излучений соседних станций (neighbor stations) для трех сетевых со- общений. Данная информация позволяет реализовать управление эксплуатационными характери- стиками сети из NMS (управления сетью), получить важную информацию о работоспособ- ности различных частей сотовой сети, что в конечном счете определяет возможные альтер- нативные решения для оператора сети.
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 199 Подсистема управления сетью NOKIA Условия географического радиопокрытия Уровни излучения соседних станций &h»4ow Help eTecommunicatlor>5 NMS/X for Windows • EXAMPLLNTJ Strvlna 8fS P*w«r Level ОмШу Pl«y Sew ch Vtew £ HcW .Irengih: 47. Carr 101 '|?~?km~>1?44-a 0214 45) | Dt 12:44:21 СССН. IMM ASSIGN UL 12:44:21 SDCCH. CM SERVICE REQUEST Dt 1244:21 SDCCH. AUTHENTICATION REQUEST UL 12:44:22 SDCCH. AUTHENTICATION RESP Dt 12:44:23 SDCCH. CIPHER MODE COMMAND UL 12:44:23 SDCCH. CIPHER MODE COMPLETE UL 12:44:23 SDCCH. SETUP Dt 12:44:23 SDCCH. TMSI REALLOC COMMMAND UL 12:44:23 SDCCH. SETUP UL 12:44:24 SDCCH. SETUP UL 12:44:24 SDCCH. TMS1REALLOC COMPLETE Уровень мощности BTS Три сетевых сообщения Рис. 7.13. Пример оценки условий географического радиопокрытия, уровня мощности BTS и уровня излучений соседних станций 7.8. Измерения и мониторинг в радиочастотных системах Существующие системы радиомониторинга К радиочастотным системам передачи информации относятся все средства радиосвязи, ис- пользующие в качестве среды передачи радиоэфир. Выделим среди них следующие, пред- ставляющие для нас интерес, основные типы: сотовые системы мобильной связи; радиоре- лейные и спутниковые системы. Так как в принципе структурные схемы этих систем практически одинаковы и включают каналообразующую аппаратуру, антенные системы, ретрансляторы, радиоэфир, то измери- тельные технологии для указанных типов практически одинаковы. Различия могут возни- кать только из-за различий используемых радиочастот и условий распространения радио- сигналов. Если для сотовых и радиорелейных систем передачи существенным фактором яв- ляется оценка параметров затухания, связанного с затуханиями при многолучевом распро- странении радиоволн, то для систем спутниковой связи большое значение имеет задержка распространения сигнала, при этом оценка влияния доплеровского сдвига по частоте оказы- вается более существенной для систем спутниковой радиосвязи. Основу радиочастотных измерений составляют: - измерения радиоэфира, связанные с анализом электромагнитной обстановки во всем спектре, используемом системой передачи; - измерения ретрансляторов (в сотовых сетях, в радиорелейных и спутниковых систе- мах связи); - исследования прохождения сигналов по каналам связи. Построение систем радиоконтроля очень важная проблема, требующая соглашения на межправительственном уровне и выполнения внутри страны. На рис. 7.14 показана структура национальной системы радиоконтроля [7.10], назначе- ния подсистем которой следующие. 7*
200 ГЛАВА 7 Рис. 7.14. Структура национальной системы радиоконтроля Подсистема управления спектром должна решать следующие задачи: 1) обеспечение планирования использования радиочастотного ресурса; 2) создание и постоянное обновление баз данных на право использования ресурсов; 3) управление финансовыми поступлениями за использование радиочастотного ресурса. Подсистема управления спектром включает в себя единую национальную базу данных (БД) состояния электромагнитной обстановки по регионам, базу данных по лицензиям (вы- данным операторам), а также рабочие места операторов центра контроля электромагнитной обстановки. Таким образом, подсистема управления спектром решает организационно-пра- вовые вопросы контроля радиочастотного ресурса любой страны. Подсистема мониторинга спектра решает технические задачи, к которым относятся: 1) поиск возможных источников и причин интерференции сигналов по всем используе- мым диапазонам частот; 2) проверка соответствия сигналов существующим нормам и лицензиям; 3) определения нелегальных передатчиков и источников информации. Подсистема мониторинга спектра включает в себя стационарные, мобильные и порта- тивные точки мониторинга спектра. Эти точки объединяются через сеть передачи данных, а информация концентрируется в центрах обработки информации, из которых затем переда- ется в главный центр обработки информации для окончательной обработки, хранения, пла- нирования и оптимизации использования радиочастотного ресурса. Таким образом, национальные системы радиоконтроля индивидуальны для каждой страны. Поэтому практически невозможно сравнить технические характеристики этих сис- тем. Можно только констатировать, что подобные системы созданы и стандартизованы ве- дущими фирмами Nokia, Siemens, Cisco, Ericsson, Hewlett-Packard и т.д. Тенденции в использовании радиочастотного ресурса и требования к национальным системам контроля радиоэфира включают [7.10]: - увеличение загрузки диапазонов VHF/UHF; увеличение количества сигналов при не- обходимости мобильного мониторинга диапазона VHF/UHF, так как системы имеют ограниченную зону действия; - использование цифровых методов модуляции [7.10] при необходимости применения цифровых приемников радиосигналов; - развертывание национальных и частных сетей радиосвязи при необходимости умень- шения интерференции от сетей различных операторов и нелегального использования радиочастотного спектра; - увеличение количества лицензий, замедление процесса лицензирования при переходе к технологии лицензирования на основе распределенных баз данных.
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 201 Следующие по уровню системы радиоконтроля — областного и местного значения, отличаются от национальной системы только размерами сети передачи данных. Системы радиоконтроля этого уровня строятся по принципу радиальной топологии с центром обра- ботки данных и связанными с ним стационарными и мобильными точками мониторинга спектра. Привязка к географическим координатам в точках мониторинга, как и в националь- ных системах радиоконтроля, может осуществляться спутниковыми системами (например, с использованием GPS —Global Position System). В мировой практике широкое распространение получил опыт применения региональ- ных систем управления контролем за использованием радиочастотного ресурса. К системам радиоконтроля за использованием радиочастотного ресурса можно отнести системы анали- за зон радиопокрытия в сотовых сетях мобильной связи. Операторы сетей беспроводной ра- диосвязи (сотовой мобильной связи, транкинговых сетей и др.) используют также системы для анализа загрузки выделенного им радиочастотного ресурса, а также для анализа зон уверенного приема сигналов базовых станций сотовой сети. Обычно таким системам прису- щи меньшая функциональность радиоизмерений и существенно меньшая стоимость. Для эффективной работы систем регионального контроля необходим анализ спектра в контро- лируемом диапазоне радиочастот, а также анализ зон уверенного приема/передачи, напри- мер, с помощью применения селективных приемников, настроенных на рабочий диапазон. В настоящее время функциональность систем анализа зон уверенного приема растет. В со- став таких систем включаются анализаторы спектра. В качестве примера упомянем специа- лизированную систему — модель Illuminator, которая реализует измерения и анализ зон ра- диопокрытия. В этой системе с помощью сканирующего радиоприемника и систем обработ- ки на базе портативных ПК проводятся измерения и контроль за радиоспектром и оценива- ется зона радиопокрытия территории. Помимо систем специального, областного и местного значения для измерений и радио- контроля используются системы радиоконтроля локального назначения. В системах контро- ля электромагнитной обстановки локального значения используются приборы, обычно ана- лизаторы спектра с необходимым набором антенн, для определения параметров радиоэфира при размещении источников радиосигналов. Такие системы используются обычно для ана- лиза базовых станций BTS систем сотовой мобильной связи перед установкой, радиорелей- ных станций, наземных станций спутниковой связи и т.д. Основными задачами локального анализа электромагнитной обстановки являются: 1) определение соответствия выделенного радиочастотного ресурса заданным техниче- ским условиям; 2) оптимизация размещения источников радиосигналов на заданной территории; 3) локализация возможных помех и источников интерференции сигнала, которые при- водят к нарушениям радиосвязи. Системы локального радиоконтроля (радиомониторинга) могут применяться на этапах как развертывания сотовой сети, так и на этапе эксплуатации сотовых систем для контроля использования выделенного ресурса и анализа электромагнитной обстановки в рабочем диапазоне системы. Основу локальной системы радиомониторинга составляют анализаторы спектра: - высокоточные стационарные анализаторы (например, фирм Anritsu, HP, Advantest), используемые в узловых станциях систем радиосвязи, - портативные анализаторы, используемые для настройки антенн абонентских термина- лов систем спутниковой связи, систем радиосвязи, а также для индикации и грубой локализации источников помех и интерференции, имеющие низкую точность, малый динамический диапазон и узкий спектр.
202 ГЛАВА 7 Радиочастотный тракт в системах передачи информации Как известно, в состав типичного радиочастотного тракта входят следующие компоненты (точнее каналообразующие устройства): источники и получатели информации, являющиеся, как правило, устройствами для передачи и приема аналоговой информации (например, ре- чевых сигналов и др); кодеры/декодеры (кодеки) — устройства, преобразующие цифровые сигналы в кодовые слова; модемы (модуляторы/демодуляторы); фильтры ПЧ (промежуточ- ной частоты); конверторы; фильтры РЧ (радиочастоты); антенные устройства, а также среда распространения (радиоэфир). К основным параметрам радиочастотного тракта можно отнести: 1) соотношения С/N (сигнал/шум) и С/I (сигнал/помеха); 2) параметр битовой ошибки — BER, который зависит от параметра C/N; 3) уровни мощности в пределах зоны обслуживания; 4) затухание радиосигналов при многолучевом распространении. Рассматривая эти параметры, можно выделить соответствующие им группы измерений участков радиочастотного тракта: - измерения и контроль зависимости параметра битовой ошибки BER от отношения сигнал/шум; - измерения и контроль уровней мощности радиосигналов в произвольных точках зоны радиопокрытия с учетом многолучевого распространения радиоволн; - измерения уровней деградации качества связи в радиочастотных системах передачи, которые могут быть вызваны фазовыми шумами передающего тракта и тепловым шу- мом приемника (при этом влияние этих факторов настолько велико, что измерения шумов обычно выделяются в отдельный класс измерений); - определение вероятности межсимвольной интерференции, что требует анализа фильт- ров ПЧ и РЧ; - контроль возможных нарушений работы модемов, приводящий к необходимости из- мерений параметров модуляции; - учет возможности нелинейности в усилительных элементах, требующий контроля усилителей и измерения характеристик усиления этих элементов и т.п. Для оценки эффективности работы цифровой радиочастотной системы передачи инфор- мации, как известно, необходимо знание зависимости параметра BER от отношения C/N — BER(C/7V). Этот параметр является характеристикой системы, так как не зависит от пара- метров рабочего сигнала, а зависит только от оборудования радиотракта и его размещения. Зависимость BER = f(C/N) является постоянной характеристикой каждого конкретного тракта, хотя может значительно меняться для разных трактов. Это обусловлено влиянием параметров, связанных с установкой и настройкой оборудования цифровой системы переда- чи. Зная зависимость BER от соотношения сигнал/шум и измеряя параметры сигнала в ра- диочастотном тракте, можно оценить вклад тех или иных участков и цепей в общее ухудше- ние качества в системе передачи информации. При проведении измерений радиочастотных систем передачи и цифровых радиоканалов сетей радиосвязи знание зависимости BER(C/7V) позволяет достаточно полно охарактеризовать инсталлированную систему с учетом особен- ностей установки. Рассмотрим используемые на практике соотношения С/N и С/I и их связь с мощностью сигнала на бит информации, а также функцию BER(GW) при различных величинах произ- ведения полосы на длительность одного бита — ВТв.
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 203 Параметры, характеризующие уровень шумов при измерениях в цифровых радиоканалах При проектировании сотовых систем и измерениях в цифровых радиоканалах используются следующие основные параметры: - отношение средней мощности сигнала несущей к средней мощности шумов (этот па- раметр наиболее просто представляет отношение сигнал/шум); - для ряда измерений параметр С/N не подходит, так как он связан с измерением сред- них мощностей, в том числе и мощности шумов в определенном диапазоне частот; для исключения фактора диапазона при измерении шумов используется параметр — С/No, представляющий собой отношение мощности сигнала несущей к мощности шу- мов, нормированной к полосе 1 Гц; - для характеристики цифровых радиочастотных систем передачи используется третий параметр — Eb/NQ (отношение требуемой мощности на бит (Еь) к спектральной плот- ности шумаЛо, нормированной в полосе 1 Гц), связанный с отношением С/No, норми- рованным по скорости передачи данных в канале. Рассмотрим соотношения, существующие между рассмотренными выше параметрами Р-1]. 1) Энергия на бит Еь связана с параметром С (средней мощностью сигнала несущей) простым соотношением: EB=CTB=C/fB, (7.29) где fB — скорость передачи в битах в радиоканале, Тв — время передачи одного бита, кото- рое при учете параметров C/No и Eb/N0 можно представить в виде: р г 1 F С — или в децибелах = ——101g fB . (7.30) Таким образом, выражение (7.30) позволяет получить связь между отношениями Eb/NQ и C/Nq. Соотношение между Eb/NQ и С/N определится следующим простым соотношением между N и Nq: No (Вт/Гц) = N/Bn. Нормированная к полосе 1 Гц мощность шумов No (Вт/Гц) равна отношению мощности шумов N к ширине полосы шумов приемника В#. Подставляя данное соотношение в формулу (7.30) получим: Eb/N0 = (C/N) (BN/fB) (7.31) ЕС f или в децибелах: — =-101g—(7.32) М) N Вщ Если ширина полосы приемника равна скорости принимаемой информации, то есть Вш = fe, тогда EB/Na=C/N, (7.33) то есть отношение мощности на бит к нормированной мощности шумов в полосе 1 Гц будет равно отношению сигнал/шум (отношению средних мощностей сигнала к шуму). Энергетическая эффективность и характеристика вероятности ошибок на бит при воздействии аддитивного белого гауссовского шума (АБГШ) Энергетическая эффективность различных видов модуляции определяется с помощью сле- дующих выражений [7.1]:
204 ГЛАВА 7 РЕ = BER = ф! (C/7V) (7.34) или РЕ = BER = ф2 (Е./#о), (7.35) где РЕ — вероятность ошибки, BER — частота битовых ошибок, которые являются функ- циями отношений С/N или Eh/N{). Чем выше вероятность ошибки, тем ниже энергетическая эффективность, так как пере- даваемая мощность сигнала напрасно «тратится» при большом количестве искаженных дан- ных, чем меньше РЕ = BER, тем выше энергетическая эффективность. Для GMSK вероятность ошибки BER с нелинейным усилением при воздействии адди- тивного белого гауссовского шума (АБГШ) составит: когда BNTB = 0,3 при Eb/NQ - 12 дБ, РЕ = 210“5, при EbIN$ = 10 дБ, РЕ = 310-4, при Еь/Nq = 8 дБ, РЕ = 210“3. Для MSK, когда BNTB = оо при EhIN[} = 10 дБ, РЕ = 210“5, при Eb/Nv = 8 дБ, РЕ = 610-4, при Eb/No = 6 дБ, РЕ = 41(Г3. Следует отметить, что в стандарте GSM равенство BNTB = 0,3 приводит к увеличению тре- буемого отношения C/I при усилении влияния условий распространения радиоволн и неиде- альности аппаратуры. В этом случае РЕ = 10“3 при C/N = 30 дБ, при Eh/N{) = (C/N)x(BN/fB) = = С/#х0,3 = 9 дБ. Практическая зависимость BER =f(C/N) приведена на рис. 7.15. Рис. 7.15. Практическая зависимость BER(C//V) 7.9. Измерение параметров в радиочастотных системах Измерение функции BER (C/N) В современной измерительной методике BER используются различные схемы, из которых можно выделить две основные [7.1].
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 205 1. Использование перестраиваемого аттенюатора (рис. 7.16). Рис. 7.16. Схема метода перестраиваемого аттенюатора В этом методе в радиочастотный тракт приемника включается перестраиваемый атте- нюатор, с помощью которого вносится дополнительное затухание, а стабильность сигнала приема принимается постоянной в течение всего времени измерений. Уровни сигнала и шу- ма измеряют с помощью измерителя мощности, при этом измерение шумов в тракте проме- жуточной частоты приемника без фильтрации дает значение, большее реальной мощности шумов в рабочей полосе тракта. Поэтому при измерениях мощности используются допол- нительные фильтры, настроенные на рабочую полосу частот. Параметр ошибки BER измеряется анализатором цифровых каналов. Главным недостатком метода является допущение постоянной мощности полезного сигнала в течение всего периода измерений. В реальных условиях уровень полезного сигна- ла претерпевает значительные колебания вследствие многолучевого распространения ра- диоволн и изменения условий распространения. По этой причине отношение С/N может также изменяться, при этом даже изменение С/N на 1 дБ может вызвать изменение BER на порядок. Таким образом, данный метод не позволяет обеспечить требуемую точность изме- рений, особенно малых значений BER. 2. Интерференционный метод измерения BER(C/7V), схема которого показана на рис. 7.17, использует специальный прибор — анализатор/имитатор параметра С/N, который реализует измерение уровня мощности полезного сигнала С при внесении заданного уровня шумов N, что обеспечивает высокую точность определения параметра С/N. В данном мето- де анализатор/имитатор автоматически регулирует уровень вносимых шумов, при этом точ- ность измерений характеристики BER(C/7V) может достичь значений ~1(Г12 [7.1]. В заключе- ние данного рассмотрения функции BER (СIN) отметим следующее. 1. Сравнение теоретической и практической зависимостей BER(C/7V) показывают, что практические зависимости отличаются от теоретических тем, что для практических значе- ний BER требуется большее отношение С/N. Это связано с различными причинами ухудше- ния параметра в трактах промежуточной и радиочастоты. 2. На практике вклады трактов радио- и промежуточной частоты сравнимы между со- бой, при этом для систем передачи цифровой информации со скоростью до 90 Мбит/с на- блюдаются следующие значения уровней ухудшения параметра BER.
206 ГЛАВА 7 Антенна Эквалайзер Анализатор/имитатор С/Л/ BER-анализатор Рис. 7.17. Схема интерференционного метода измерения BER(C//V) Ухудшение в тракте промежуточной частоты ПЧ: - ошибки по фазе и амплитуде модулятора — 0,1 дБ; - межсимвольная интерференция, связанная с работой фильтров — 1,0 дБ; - присутствие фазовых шумов — 0,1 дБ; - процедуры дифференциального кодирования/декодирования — 0,3 дБ; - джиттер (дрожание фазы) — 0,1 дБ; - избыток полосы шумов демодулятора — 0,5 дБ; - другие причины (эффект старения, температурная нестабильность) — 0,4 дБ. Итак, в сумме в тракте ПЧ ухудшение величины BER может достигать 2,5 дБ. Ухудшение BER в тракте радиочастоты: - эффекты нелинейности — 1,5 дБ; - ухудшения, связанные с ограничением полосы пропускания канала и групповым вре- менем задержки — 0,3 дБ; - интерференция в смежных каналах — 1,0 дБ; - ухудшения, связанные с эффектами затухания и появлением эхо-сигнала — 0,2 дБ. Итого, в тракте радиочастоты РЧ ухудшение BER составит 3 дБ, то есть всего в системе передачи ухудшение BER может достичь ~ 5,5 дБ. Следует отметить, что в схемах рис. 7.16, 7.17 не рассматривалось назначение эквалай- зеров в цифровых радиотрактах. Измерения частоты и мощности в радиочастотных трактах Измерения частоты и мощности полезного радиосигнала реализуются на практике следую- щими методами: 1) используются частотомеры и измерители мощности, 2) используются анализаторы спектра с функциями маркерных измерений. Во втором методе маркер обеспечивает перемещение по спектральной характеристике с одновременным отображением значений параметров частоты и мощности полезного радио- сигнала. Для расширения возможностей измерений параметров мощности современные анализаторы спектра обеспечивают сглаживание спектральной характеристики, фильтрацию шумов и т.д. Анализ работы эквалайзеров По сравнению с кабельными системами радиоэфир, как среда передачи радиосигналов, имеет характеристики, случайно изменяющиеся во времени. В связи с широким использова- нием цифровых систем радиосвязи и повышенными требованиями к точности их передачи
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 207 в приемных устройствах включаются эквалайзеры, позволяющие резко снизить влияние многолучевого распространения (выравнивание сигналов) и времени групповой задержки (автоподстройка сигнала). При использовании цифровых методов модуляции высокочастот- ных сигналов разработчики столкнулись с трудностями точной настройки модемов и дру- гих каналообразующих устройств в составе радиочастотного тракта. В этом случае эквалай- зеры выступают и как элементы компенсации возможных нелинейностей в устройствах ра- диочастотного тракта передачи. В современных радиочастотных системах передачи инфор- мации встречаются два основных вида затуханий, связанных с факторами распространения радиосигнала по радиочастотному тракту. 1) Линейное затухание, представляющее собой частотно-независимое равномерное уменьшение амплитуды сигнала от факторов распределения сигнала. Линейное затухание обычно обусловлено природными факторами распространения электромагнитных волн: - при сквозном распространении в лесных массивах; - при распространении в атмосфере при наличии гидрометеоров (дождь, снег). 2) Затухание, обусловленное многолучевым распространением радиосигналов. Эти два фактора изменяют амплитуду полезного сигнала, приводя к изменению величи- ны отношения С/N, что в конечном счете влияет на параметр ошибки BER. Изменения в структуре полезного сигнала, связанные с этими двумя затуханиями, компенсируются эква- лайзерами. Как известно, в основе работы любого эквалайзера лежит использование узкопо- лосного режекторного фильтра для устранения нелинейности полезного сигнала. В качестве основного параметра измерений выступает зависимость глубины фильтрации от частоты при заданном параметре BER, получившая в различных обзорах название кривой М или кривой W (рис. 7.18). Рис. 7.18. Кривые М для случаев отсутствия и наличия эквалайзера Для получения кривой М обычно имитируются различные условия прохождения сигна- ла, которые компенсируются эквалайзером и в процессе компенсации строится кривая М. Схема измерений представлена на рис. 7.19. В результате измерений получаются диаграммы в виде двухсторонних кривых М, из ко- торых одна — безгистерезисная (показывающая способность фильтра эквалайзера обеспе- чить глубину фильтрации на заданной частоте, достаточную для выравнивания структуры полезного сигнала) и другая — гистерезисная (показывающая производительность фильтра при его реальной работе в случае необходимости сначала увеличения, а затем уменьшения параметра глубины фильтрации). На практике оба типа кривых существенны для анализа работы эквалайзера.
208 ГЛАВА 7 Антенна Эквалайзер Имитатор многолучевого BER-анализатор прохождения сигнала Рис. 7.19. Схема измерений кривых М Измерения параметров неравномерности фазочастотной характеристики и группового времени задержки Неравномерность фазочастотной характеристики (ФЧХ) радиочастотного тракта определя- ется групповым временем задержки (ГВЗ) из формулы: xgr = tftp/do), (7.36) где ф — фазовый сдвиг сигнала, dyldw — производная фазы по частоте. Фазовый сдвиг сигнала определится в виде интеграла: < p = -JV<Z(o. (7.37) Непосредственное измерение зависимости фазового сдвига от частоты ф((о) и после- дующее дифференцирование полученной зависимости реализуется, как правило, для систем с низким уровнем фазовых шумов, однако, для систем радиосвязи фазовые шумы в канале присутствуют, что и приводит к неравномерности ФЧХ и изменению ГВЗ. Обычно измере- ния ГВЗ проводится при проведении приемо-сдаточных испытаний радиосистем и учитыва- ют возможные отклонения в работе передатчика, приемника, антенных устройств и условий распространения радиосигнала. В работе [7.10] описаны две методики измерений ГВЗ, ос- нованных на использовании композитных радиосигналов. Измерения параметров устойчивости к линейному затуханию и затуханию, связанному с многолучевым распространением радиосигналов Параметры радиосигналов изменяются за счет линейного затухания и затухания, вызванного многолучевым распространением радиосигналов. При проведении заводских испытаний вво- дят допустимый предел линейного затухания, не превышающий 50 дБ для BER = 10~3. Для компенсации линейного затухания используют эквалайзеры в составе передатчика/прием- ника. Работу эквалайзера, компенсирующего линейное затухание, можно измерить, исполь- зуя перестраиваемые аттенюаторы. При измерении параметров устойчивости к затуханию, связанному с многолучевым распространением радиосигналов, возможно использование диаграммы состояний и глазко- вой диаграммы, которые отображают:
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 209 - диаграмма состояний — перекрестные помехи сигналов I и Q отображаются в виде эллипсов, - глазковая диаграмма — явление многолучевости отображается смещением центров «глаз» от центра к краям. Однако, и диаграмма состояний, и глазковая диаграмма не обеспечивают всей необхо- димой спецификации измерений. Для проведения практических измерений эффективности компенсации явления многолучевого прохождения сигналов используют методы, которые согласуются с методами компенсации. Так как прогнозировать появление фактора многолу- чевого распространения практически невозможно, учет воздействия этого фактора выпол- няют методами стрессового воздействия, то есть путем имитации явления многолучевого распространения сигнала. Как отмечено в работе [7.10], используются две модели имитации многолучевого распространения сигнала. 1. Двухлучевая модель. Принцип моделирования сводится к теоретически обоснованно- му предположению, что затухание связано с двухлучевой интерференцией, причем интер- ферирующий луч имеет задержку (для отраженного луча) во времени. Из характеристик неравномерности АЧХ (амплитудно-частотной характеристики) и ГВЗ для двухлучевого распространения радиосигнала следует [7.10]: - уменьшение амплитуды с изменением частоты; - изменение ГВЗ и АЧХ в случае минимальной фазы (когда основной радиолуч имеет большую амплитуду); - изменение АЧХ и ГВЗ в случае неминимальной фазы (когда результирующий луч по- сле интерференции двух лучей превосходит по амплитуде основной сигнал). 2. Трехлучевая модель. Так как двухлучевая модель не описывает явление амплитудной модуляции и возникновение слабых картин биений в пределах рабочего частотного диапа- зона, в результате чего амплитуда полезного сигнала отклоняется в пределах рабочего диа- пазона даже в случае, если узел биений находится вне рабочего диапазона, то используется трехлучевая модель, позволяющая учесть эффект смещения амплитуды. Обычно двухлуче- вая модель используется при проведении качественных измерений, а трехлучевая — для проведения точных измерений [7.10]. Анализ интермодуляционных помех При распространении радиосигналов в тракте возникают интермодуляционные взаимодей- ствия сигналов при мультиплексировании и демультиплексировании, а также при влиянии нелинейностей каналообразующих устройств в составе тракта. Обычно интермодуляцион- ные искажения имеют достаточно низкий уровень — менее 40 дБ относительно уровня по- лезного сигнала. Тем не менее, контроль интермодуляционных искажений и устранение их причин обеспечивает в ряде случаев решение проблемы интерференции в смежных каналах. Для анализа интермодуляций используют анализаторы спектра. Измерения характеристик каналообразующих радиочастотных трактов Помимо комплексных измерений на практике широко применяются измерения характери- стик каналообразующих радиочастотных трактов, знание которых необходимо при проек- тировании и эксплуатации радиотехнических систем передачи информации. Помимо изме- рений частоты и мощности в зоне обслуживания возникает необходимость измерения ан-
210 ГЛАВА 7 тенных систем, уровня тепловых шумов, стабильности частоты задающих генераторов, фа- зового джиттера, параметров модемов и усилительных трактов вместе с фильтрующими устройствами. Измерения антенных систем Антенно-фидерные устройства в составе радиочастотного тракта играют чрезвычайно важную роль. Основные параметры: мощность излучения, диаграмма направленности в со- ответствующих плоскостях, коэффициент усиления, импеданс и т.д., обычно рассчитывают- ся и измеряются на этапе производства антенн. В процессе эксплуатации важными парамет- рами являются - коэффициент бегущей волны (КБВ): КБВ = t/min/t/max, (7.38) - коэффициент стоячей волны (КСВ): КСВ = 1/КБВ, (7.39) - уровень возвратных потерь от антенного входа, где C7min и С7тах — минимальное и максимальное напряжения в фидерной линии. В случае идеального согласования тракта: выход передатчика — фидер — вход антен- ны, КБВ = 1 (так как вся энергия с выхода передатчика направляется в антенну и при этом £7min = t7max), в случае C7min = О, КСВ = сю КБВ = 0 — в фидере возникает режим стоячей вол- ны, что недопустимо. В реальном случае КСВ может принимать значения 1,1...2, то есть КБВ = 0,5...0,9. В ра- диотрактах систем цифровой передачи информации с цифровыми типами модуляции необ- ходим малый уровень возвратных потерь, то есть минимальное значение КСВ -1,1, когда Генератор СВЧ Направленный ответвитель Рис. 7.20. Схема измерения возвратных потерь режим в фидерной линии близок к высокой степени согласования. Например, для радиорелейных линий связи, использующих моду- ляцию 64 QAM, рекомендованным уровнем подавления возвратных потерь от антенны является 25 дБ и выше. Для измерения возвратных потерь обычно используют схему, приведенную на рис. 7.20. От генератора СВЧ-колебаний подается сигнал к антенне через пассивный направленный ответви- тель. При наличии отраженной от входа волны электромагнитные ко- лебания через направленный от- ветвитель попадают в анализатор спектра (или в селективный прием- ник), где и измеряется уровень отраженной мощности. Для уменьшения уровня отраженной мощности реализуют согласование антенно-фидерного тракта. При применении на практи- ке вместо анализатора спектра измерителя мощности точность измерений падает, так как вместе с отраженным сигналом измеритель мощности учитывает уровень шумов, связанных с внешними воздействиями на радиоканал в заданном диапазоне рабочих частот.
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 211 Измерения уровня собственных тепловых шумов элементов радиочастотного тракта При возрастании уровня шумов резко возрастают межсимвольные искажения цифровых сигналов и увеличивается величина BER. На диаграммах состояния и глазковых диаграм- мах это выражается в увеличении размеров точек отображения состояния и эффекта «за- крывания глаз». Измерение шумов различных устройств в составе радиочастотного тракта выполняется на этапе эксплуатации для локализации точки повышенного уровня шумов. Учитывая, что собственные шумы различных устройств радиочастотного тракта малы, для измерений используют дифференциальные методы. Для этого в тестируемый сигнал подме- шивают интерферирующий одночастотный сигнал и затем производят измерения шумов по разности интерферирующего сигнала и шума. Этот метод используется при измерении шу- мов малой мощности. В качестве примера на рис. 7.21 показаны результаты измерений шу- мов на фоне интерферирующего одночастотного сигнала для модуляции 16 QAM при отно- шении сигнал/помеха C/I = 15 дБ, при этом, как видно из рисунка, рост уровня шумов при- водит к увеличению размеров точек на диаграмме состояний и эффекту «закрывания глаза» на глазковой диаграмме. * -4- ♦ — ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ - ♦ --4 ♦ Рис. 7.21. Примеры диаграммы состояний и глазковой диаграммы при измерении шумов при С// = 15 дБ Измерения фазового джиттера Важным параметром измерений радиочастотных & ♦ ♦ систем передачи с цифровой модуляцией является ~ фазовое дрожание сигнала задающих генераторов Г ♦ 7 1 приемника/передатчика, так называемый джиттер 4 ф ♦ $ (jitter). Для анализа джиттера эффективно использу- ют диаграмму состояний, так как глазковая диаграм- эд ма к нему не чувствительна. Если в тракте возникает фазовое дрожание сигнала, то, как следует из рис. 7.22, происходит увеличение размеров точек Рис. 7.22. Пример диаграммы диаграммы состояний. Для устранения проблем, свя- состояний при измерении джиттера занных с наличием джиттера, обычно производят до- полнительные измерения параметров работы задающих генераторов и устраняют неисправ- ности. Измерения параметров модемов Для измерения параметров модема обычно используют анализаторы, обеспечивающие измерения сигналов в виде диаграмм состояния и глазковых диаграмм, которые дают наи-
212 ГЛАВА 7 более полную информацию о структуре и изменениях параметров цифровой модуляции. На рис. 7.23 в качестве примера показаны диаграмма состояний и глазковая диаграмма для случая квадратурной амплитудной модуляции с 16-ю состояниями 16 QAM, из которых следует: - размывание точек диаграммы состояний свидетельствует о влиянии шумов; - искажение размера «глаза» свидетельствует о возможных нарушениях в работе циф- рового канала (например, возникновение межсимвольных искажений). -4 е- < < ♦ * ♦ ♦ .4..-4..• Рис. 7.23. Пример диаграммы состояний и глазковой диаграммы для случая AM с 16-ю состояниями 16 QAM Рассмотрим следующие виды нарушений работы модемов и соответствующие им диа- граммы. 1. Потеря синхронизации в цифровом канале. Глобальная неисправность/отключение демодулятора или нарушение фазовой синхро- низации могут привести к нарушению согласования между модулятором и демодулятором и пропаданию сигнала в системе передачи. В этом случае диаграмма состояний представля- ет собой случайное распределение сигналов по соответствующим уровням модуляции, «глаз» глазковой диаграммы полностью закрывается (рис. 7.24). Рис. 7.24. Пример потери синхронизации в цифровом канале: диаграмма состояний представляет собой случайное распределение сигналов по соответствующим уровням модуляции, «глаз» глазковой диаграммы полностью закрывается 2. Нарушение установки параметров уровня модуляции/демодуляции. На рис. 7.25 показана диаграмма состояний, из которой следует, что при установлении уровней модуляции/демодуляции возникла несбалансированность по амплитуде сигнала. Изменения в диаграмме состояний могут свидетельствовать о нелинейностях модулятора или нарушении работы ЦАП.
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 213 > ' # #- Рис. 7.25. Пример нарушения установки параметров уровня модуляции/демодуляции .Ф' Ф~ W Ф л > ♦ ' Ж” * ф Л -ш-е ф 3. Нарушение ортогональности I и Q векторов демодулятора. Одной из распространенных неисправностей в работе модема является нарушение рабо- ты демодулятора, когда векторы I и Q полярных координат демодулятора не строго ортого- нальны. Это приводит к несоответствию состояний ортогональной сетке координат на диа- грамме состояний (рис. 7.26). Эта неисправность может сопровождаться или не сопровождаться ошибкой фазовой синхронизации в це- пи восстановления несущей. В случае отсутствия ошиб- ки результат воздействия этой неисправности на глазко- вую диаграмму сводится к закрыванию «глаза» на диа- грамме по сигналу I и отсутствию какого-либо измене- ния на диаграмме Q. При наличии ошибки «глаза» обо- их диаграмм будут закрыты. Необходимо отметить, что анализ одной только глазковой диаграммы не позволяет установить причину неисправности, поскольку эта диа- Рис. 7.26. Пример нарушения грамма полностью совпадает с глазковой диаграммой ортогональности при наличии высокого уровня аддитивных шумов в ка- I и О векторов демодулятора нале. Достоверное определение причины неисправности в этом случае может дать только диаграмма состояний. Устранение описанной неисправно- сти требует подстройки демодулятора в части ортогональности сигналов I и Q. На диаграм- ме состояний рис. 7.27 отмечено наличие ошибки фазовой синхронизации в 2,3 градуса. * * * » * ♦ <► t < < t t * < t W Рис. 7.27. Пример появления ошибки фазовой синхронизации Измерения параметров работы усилителей в составе радиочастотного тракта Основными измеряемыми параметрами работы усилителей в составе радиочастотного тракта являются: - шумы, вносимые усилителями; - параметры нелинейности усилительных участков.
214 ГЛАВА 7 Перегрузка по амплитуде может привести к переходу усилителя в нелинейный режим и, как следствие, резкому увеличению вероятности ошибки в цифровой системе передачи. Ис- пользование диаграмм состояний и глазковых диаграмм позволяет оценить причины сниже- ния параметров качества радиосвязи (нелинейные искажения приводят к расплыванию то- чек диаграммы состояний и закрытию «глаза» глазковой диаграммы). 7.10. Нормы на уровни электромагнитных излучений Электромагнитные излучения в среде обитания людей создаются как природными, так и ис- кусственными источниками. К природным источникам относятся: - электромагнитное излучение солнца, которое создает плотность потока мощности над атмосферой Земли 1400 Вт/м2 в широком спектре радиочастот, а на поверхности Земли — не более 100 Вт/м2; - электростатическое (до нескольких В/м) и магнитное поля (до 40 А/м), излучаемые земными источниками; - электромагнитные излучения, вызываемые природными явлениями на Земле, напри- мер, разряды молний, турбулентные течения в ионосфере и пр. Природные излучатели создают на протяжении всего существования человечества на Земле электромагнитный фон (менее 1 мкВт/см2), к которому человечество давно приспосо- билось. За последние 100 лет наблюдается рост уровня электромагнитного фона за счет бурного развития искусственных источников электромагнитных излучений, при этом их можно разделить на две большие группы: - радиотехнические системы: радио и телевещательные станции, радары, радионавига- ционные системы, радиорелейные линии связи, системы мобильной связи, технологи- ческие установки в промышленности, физиотерапевтические установки и пр.; - устройства, не предназначенью для излучения электромагнитной энергии в простран- ство, но в которых протекают электрические токи, являющиеся источниками паразит- ного электромагнитного поля: трансформаторные подстанции, высоковольтные ли- нии электропередач, электроплиты, электронагреватели, холодильники, телевизоры, микроволновые печи и т.д. Электромагнитные поля различных диапазонов длин волн биологически активны и мо- гут по разному воздействовать на живые организмы, в том числе и на людей. Человеческий организм осознано реагирует только на электромагнитные волны оптиче- ского диапазона (глаза, 1014 Гц), в то время как для других диапазонов волн у людей от- сутствуют чувствительные органы. Однако, как показывает практика и исследования, наи- более чувствительны к электромагнитным излучениям следующие органы: глаза, централь- ная нервная система, сердечно-сосудистая, гармональная и репродуктивная системы. Не- смотря на многочисленные исследования воздействия электромагнитных полей на здоровье человека, до настоящего времени существуют лишь разрозненные сведения о влиянии соот- ветствующих диапазонов электромагнитных волн при соответствующих потоках мощности и времени экспозиции. Поэтому для обеспечения безопасности во всех странах мира были разработаны и приняты стандарты норм безопасного воздействия электромагнитных излу- чений. В качестве параметров, с помощью которых оценивается воздействие электромагнитно- го поля на человеческий организм, были выбраны следущие:
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 215 - Power Density (PD) — плотность потока мощности П (мВт/см2); - Specific Absorption Rate (SAR) — удельная поглощательная способность (степень удельного поглощения): SAR (мВт/г, Вт/кг); - Maximum Permissible Exposure (МРЕ) — максимально возможная экспозиция (обычно выражаемая в единицах PD (мВт/см2); - время экспозиции t (мин). Величины SAR и PD связаны между собой следующим простым соотношением: d dW d( dW '\ dt dm dtydxpV} v v ,J (7.40) _ dw} - 1 _ p______p - Д dtypdV J pdV dt pdV pldS рГ где m — масса ткани, W — энергия электромагнитного поля, р — плотность ткани, V — объем ткани, Z — длина ткани, 5 — сечение ткани. Если принять, что р = 1 г/см3, Z = 1 см, 5=1 см2, то П = 1 мВт/см2, a [5AZ?] = 1 . Таким образом, возможно использование в качестве стандартных параметров величин PD и SAR, однако, величина SAR более подходит при оценках уровней воздействия элек- тромагнитного поля, которые вызывают процессы нагревания тканей, в то время как вели- чина PD позволяет проводить оценки воздействия слабых и сильных по интенсивности электромагнитных полей. Следует отметить, что обычно стандартные нормы безопасности делятся на две группы: - нормы безопасности для персонала, работающего с установками, излучающими элек- тромагнитные поля; - нормы безопасности для населения. Поэтому ниже будут рассмотрены стандартные нормы, принятые в Европейских стра- нах, США, Японии и России по двум указанным группам. Нормы безопасности для персонала Рассмотрим нормы безопасности нахождения в зоне электромагнитного излучения для пер- сонала, разработанные различными институтами и комитетами стран мира. 1. CENELEC (Committee European de Normalization Electro-technique) ES 59005, October 1998. По величине SAR в диапазоне частот от 30 МГц до 6 ГГц: - для тканей рук, ног, среднее значение SAR за время т 6 мин не должно превышать значения: SAR 20 мВт/г (для ткани т = 10 г); - для других тканей (а не конечностей) среднее значение SAR за т 6 мин не должно превышать SAR 10 мВт/г (для ткани т = 10 г); - для всего тела персонала, работающего в зоне излучения, при т 6 мин среднее значе- ние должно составлять SAR <>0,4 мВт/г. 2. ANSI/IEEE С95.1 — 1992 (ANSI — American National Standards Institute)/(IEEE — Institute of Electrical and Electronics Engineers): - в диапазоне частот 300...3000 МГц величина PD определяется по приближенной фор- муле — П \f (МГц)/300 (МГц)], при времени экспозиции т 6 мин, то есть для часто-
216 ГЛАВА 7 ты f = 900 МГц величина П <,3 мВт!см2, это допустимый уровень PD для персонала при контроле аппаратуры и уровня излучения; - для аналогичного случая только при неконтролируемом излучении величина PD со- ставит: П <> f /1500 = 900/1500 = 0,6 мВт/см2 при т 6 мин. 3. FCC (Federal Communication Commission), 1996: - МРЕ для случая контролируемой радиоаппаратуры в диапазоне частот 300... 1500 МГц величина PD определится по приближенной формуле: П f /300 = 900/300 = 3 мВт/см2 при т ^6 мин. 4. Стандарт Латвии LVS ENV 50166.2: Elektromagnetiska lauka iedarbiba uz cilveku. Augstas frekvences (10 kHz lidz 300 GHz): - МРЕ для диапазона 400...2000 МГц: П ^20,4f (МГц) = 20,4-900 = 18360 мВт/см2 (чрезвычайно большая величина, так как при П 100 мВт/см2 температура ткани че- ловека при т 6 мин. возрастает выше 41 °C). - допустимая норма PD в диапазоне 400...2000 МГц: П <>f /400 (МГц) = 900/400 = 2,25 мВт/см2 при времени экспозиции т 6 мин. Итак, допустимые значения электромагнитного облучения всего тела персонала в диа- пазоне частот, используемых мобильной связью не должны превышать при времени экспо- зиции т 6 мин: по PD: П < (0,6-3) мВт/см2; по SAR: SAR <0,4 мВт/г. Следует отметить, что в России для персонала, работающего в зоне электромагнитного излучения в течение времени т 20 мин, величина PD по стандарту не должна превышать П <, 1 мВт/см2. Нормы безопасности электромагнитного облучения для населения Нормы безопасности для населения обычно примерно в 5 (а лучше в 10 раз) должны быть меньше допустимых норм, принятых для обслуживающего персонала. Рассмотрим допусти- мые нормы безопасности электромагнитного облучения для населения, принятые в различ- ных стандартах. 1. CENELEC ES 59005,1998: - для тканей ног, рук и др. среднее значение SAR за время т 6 мин не должно превы- шать значения: SAR ^4 мВт/г (при т = 10 г); - для других тканей (мышцы и др.) среднее значение SAR за время т 6 мин не должно превышать значения: SAR <, 2 мВт/г (при т = 10 г); - для всего тела человека при т 6 мин среднее значение SAR ^0,08 мВт/г, то есть в 5 раз меньше (0,4/5 мВт/г), чем для персонала. Аналогичные значения SAR приняты в стандарте Латвии LVS ENC 50166.2:1995. 2. ANSI/IEEE С95.1-1992: в диапазоне частот 300...3000 МГц величина PD при времени экспозиции т 30 мин П <>f /1500 (МГц) = 900/1500 = 0,6 мВт/см2. 3. FCC, 1996: МРЕ для населения при неконтролируемой радиоаппаратуре: МРЕ = П = [f/1500 (МГц)] = 900/1500 = 0,6 мВт/см2 при х^ЗО мин. 4. Стандарт Латвии LVS ENC 50166.2:1995: для диапазона частот 400...2000 МГц величина PD при времени экспозиции т 6 мин определяется в виде П = /(МГц)/200 (МГц) Вт/м2, то есть - при f = 900 МГц: П <4,5 Вт/м2 = 0,45 мВт/см2 = 450 мкВт/см2; - при f - 1800 МГц: II <9 Вт/м2 -0,9 мВт/см2 = 900 мкВт/см2; - при f=l900 МГц: II <9,5 Вт/м2 = 0,95 мВт/см2 = 950 мкВт/см2.
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 217 5. Стандарт России. При непрерывном излучении и постоянном нахождении населения в электромагнитном поле в диапазоне частот 300 МГц...3000 ГГц: величина PD не должна превышать П 10 мкВт/см2. Таким образом, для населения безопасным уровнем электромагнитного излучения в диапазоне частот, используемых в системах сотовой мобильной связи (900... 1800 МГц), является: - no SAR ^0,08 мВт/г ^80 мкВт/г; - по PD П £ 10 мкВт/см2 (Россия); - по PD П 400...1000 мкВт/см2 (Европа, США). Следует отметить, что величины PD от 400 до 1000 мкВт/см2 достаточно большие для постоянного нахождения населения в зоне электромагнитного излучения. Они должны быть уменьшены на два порядка, т.е. от 4 до 10 мкВт/см2 [7.20]. Следует отметить, что в Италии уровень безопасного фона для населения должен составлять 1,5 мкВт/см2. Уровни электромагнитного излучения мобильных телефонов В табл. 7.2 приведены максимальные и минимальные значения SAR, экспериментально най- денные специалистами компании DoMode.com для мобильных телефонов, выпускаемых ведущими фирмами. Таблица 7.2. Экспериментальные значения SAR Модель телефона Max SAR Min SAR мВт/г мВт/г Nokia 5170 1,49 Nokia 8810 0,22 Nokia 3110 1,24 Nokia 6150 0,69 Qualcomm QCP-1960 1,41 Qualcomm QCP-1900 0,2634 Ericsson LX-588 1,51 0,42 (SH888) Ericsson A1228D 1,35 Siemens C-25 0,72 Bosch GSM-908 1,59 Philips Genie 900 1,52 Samsung Uproar 1,437 Motorola 1,5 0,24-0,39 Sony CMD-C1 0,55 Как следует из сопоставительного анализа и допустимых значений SAR, которые были рассмотрены выше, безопасный уровень по SAR должен составлять величину, не превы- шающую 80 мкВт/г. Значения SAR для мобильных телефонов лежат в пределах от 220 до 1600 мкВт/г, что свидетельствует о превышении от 3 до 20 раз безопасного фонового воздействия электро- магнитного поля.
218 ГЛАВА 7 Максимальная величина SAR ^1,6 мВт!г для мобильных телефонов превышает допус- тимые нормы, определяемые стандартами: - ANSI/IEEE: 900/1500 = 0,6 мВт/см2; 1900/1500 = 1,26 мВт/см2; - CENELEC: SAR *0,4 мВт/г. Поэтому, при использовании мобильных телефонов абонентами сотовой мобильной связи на границах сот (то есть на значительном удалении мобильных станций MS от базо- вых BTS, для стандарта GSM на расстояниях 10...30 км от BTS), когда передатчик мобиль- ной станции работает в режиме максимальной мощности, целесообразен короткий времен- ной режим разговора, не превышающий 1...2 минуты. 7.11. Математическая модель электромагнитного излучения мобильными и базовыми станциями Постановка задачи. Рассмотрим сотовую сеть станций GSM (рис. 7.28) и определим уро- вень электромагнитного излучения (плотность потока мощности) в произвольно выбранных точках А, В, С соты 0. Рис. 7.28. Модель сотовой сети Допустим, что основной вклад в создание электромагнитного поля в точках А, В, С соты 0 вносят антенны активно действующих базовых станций: BTSo в точке 0 и шести BTS окружающих центральную соту, а также работающие мобильные станции в рассматривае- мых сотах (при 1000 MS на одну соту). Решение задачи. Плотность потока мощности в выбранных точках центральной соты найдем при сле- дующих исходных данных:
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 219 а) Пусть каждая сота стандарта GSM имеет радиус 10 км, и в центре каждой соты стоит базовая станция BTS, максимальная мощность которой PBTS = 50 Вт и коэффициент усиле- ния антенны GBS = 1 дБ. б) Пусть мобильная станция сети GSM имеет максимальную мощность передатчика PMS = 2 Вт, а коэффициент усиления антенны GMS = 1 дБ. в) Пусть три точки А, В, С соты 0 находятся, соответственно, на расстоянии 0,02 км, 5 км и 10 км от базовой станции 0-ой соты. В каждой из них плотность потока мощности П (Вт/см2) определяется при условии, что все мобильные станции активны во всех близлежащих сотах. г) Определение величины П можно реализовать, разделив задачу на несколько частей: - первая — определяется величина ПМ8, обусловленная излучением антенн передатчи- ков действующих мобильных станций nMs= Е(^-^)/(4-я-г/), (7.41) где PMSj — мощность излучения антенны передатчика j-й MS, GMsj — коэффициент усиле- ния антенны j-й MS, г; — расстояние от j-й MS до выбранной точки А, В, С соты 0; - вторая — определяется величина плотности потока мощности ПВ8, обусловленная из- лучением антенн семи базовых станций nBS= i(PBS,-GB5,.)/(4-n-JR;2), (7.42) l-l где PBsi — мощность излучения антенны передатчика г-й BTS, GBsi — коэффициент усиле- ния антенны f-й BTS, rf- — расстояние от f-й BTS до выбранной точки А, В, С соты 0; - третья; так как плотности потоков мощности от каждого излучателя ищутся как сред- ние за период векторы, то следует геометрически их сложить в выбранной точке и найти модуль результирующего вектора Умова-Пойнтинга. В результате получим следующее окончательное выражение: n = [t(PMS1 ) + £(PMSl -GMSi)/(4-n-rf) + I 7-1 )-l 7 V/2 + Е(^-^,)/(4-л-^)| . (7.43) Результаты вычислений показывают: - в точке А при RA = 0,02 км величина П = 0,562 мкВт/см2; - в точке В при RB = 5 км величина П = 0,164 мкВт/см2; - в точке С при Rc = 10 км величина П = 0,164 мкВт/см2. Таким образом, величины плотности потока в точках А, В, С не превышают уровня фо- нового безопасного электромагнитного излучения, составляющего 1 мкВт/см2. Полученные результаты свидетельствуют, что в системе GSM при максимальном ра- диопокрытии зоны обслуживания базовыми и мобильными станциями интенсивности элек- тромагнитного излучения не превышают фоновый уровень, равный Пф = 1мкВт/см2. Таким образом, установка базовых станций стандарта GSM не приводит к увеличению уровня электромагнитного фона и не может вызвать негативные воздействия электромагнит- ного излучения на здоровье населения, проживающего вблизи базовых приемопередающих станций.
220 ГЛАВА 7 7.12. Экспериментальные исследования уровней излучения антенн BTS Затухания радиосигналов при распространении радиоволн по реальным траекториям обу- словлено сложным воздействием окружающей среды. Одно-, двух- и многолучевые модели распространения электромагнитных волн пригод- ны для специальных случаев, когда пути распространения можно описать точно. Поэтому для оценки реального распределения составляющих электромагнитного поля в пределах со- ты необходимо проводить экспериментальные исследования функций 77(г, /, h2\ Р (г, /, Ai, /г2) и Е {г, /, Ль /г2), то есть изменения плотности потока мощности, мощности и напря- женности электрического поля в точке приема от расстояния г, рабочей частоты /, высот поднятия антенн BTS — и MS — h2 над поверхностью земли или средним уровнем зем- ной поверхности. Так как эти функции меняются в зависимости от объектов, находящихся на пути распространения радиоволн, то введем понятия о следующих типах поверхностей: - открытые районы, участки с очень небольшим числом препятствий, таких как дере- вья или редкие строения (например, земля фермеров или открытые поля), - пригородные зоны: участки с одноэтажными домами, небольшими строениями и де- ревьями, часто находящимися поблизости от мобильных станций, - городские районы: участки, плотно застроенные высотными зданиями и многоэтаж- ными домами. В эту классификацию не попали переходные зоны, в которых условия распространения должны специально исследоваться. Введем понятие о квазигладкой поверхности, под которой будем понимать участок земли со средней высотой неровностей, не превышающей определенной величины (например, 20 м). Введение этого понятия позволяет считать конкретную местность «ровной» или «неров- ной» в соответствии с критерием Релея kr = 4зш0/к, (7.44) где о — стандартное отклонение поверхности от средней высоты поверхности, к — рабочая длина волны, 0 — угол падения электромагнитной волны в радианах относительно горизон- тали. Как показывают эксперименты: - если величина kr < 0,1, то можно считать поверхность гладкой; для этой поверхности можно пользоваться классическими моделями оценки потерь при распространении радиоволн; - если kr > 10, поверхность следует считать неровной, и в этом случае амплитуда отра- женной волны мала, а мощность принимаемого сигнала обратно пропорциональ