Автор: Весоловский К.
Теги: электротехника общая радиотехника радиосвязь подвижная радиосвязь
ISBN: 5-93517-248-8
Год: 2006
Текст
Весоловский Кшиштоф
СИСТЕМЫ
ПОДВИЖНОЙ
РАДИОСВЯЗИ
radiokomunikacji
fl/Pnnnjpi wyMeMe
IU UIIUIIIU I memeiualdaalnlaae
Warszawa
Весоловский Кшиштоф
СИСТЕМЫ
1 lUADrlAnUyi
РАДИОСВЯЗИ
Перевод с польского Н. И. Рудинского
Под редакцией А. И. Ледовского
Москва
Горячая линия - Телеком
2006
СИСТЕМЫ
ПОДВИЖНОЙ
РАДИОСВЯЗИ
УДК 621.396
ББК 32.84
В 38
Весоловский Кшиштоф
В 38 Системы подвижной радиосвязи / Пер. с польск. И. Д. Рудинского;
под ред. А. И Ведовского. - М.: Горячая линия-Телеком, 2006. - 536 с.
ISBN 5-93517-248-8.
Систематизированы сведения по системам подвижной связи (СПС). Рас-
смотрен широкий круг вопросов - от теоретических основ кодирования речи
и распространения радиоволн до построения систем подвижной радиосвязи в
увязке с концепцией взаимодействия открытых систем. Приведена информация
о пейджинговых и транкинговых системах, бесшнуровой телефонии, системах
спутниковой и сотовой связи различных стандартов, беспроводных локальных
сетей (WLAN), интеллектуальных антеннах. Рассмотрены обобщенные струк-
турные схемы различных СПС, вопросы организации физических и логических
каналов.
Для научных и инженерно-технических работников, занимающихся вопро-
сами подвижной связи, будет полезна студентам и аспирантам соответствующих
специальностей.
ББК 32.84
Адрес издательства в Интернет inrir. TI-.CHBOOK.Rl'
Справочное издание
Весоловский Кшиштоф
СИСТЕМЫ ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ
Научный редактор Л. И. Дедовской
Редактор В. Н. Михин
Корректор Е. Н. Мартынова
Компьютерная верстка Е. В. Кормаковой
Обложка художника В. Г. Ситникова
ДР № 071825 о г 16 марта 1999 г.
Подписано в печать 02 10.05. Формат 70’100/16.
Усл. печ. л 48.5 Тираж 2000 экг Изд № 6248
Заказ № 3098
Отпечатано в полном соответствии
с качеством предоставленных диапозитивов
в ППП «Типография «Наука»
121099, Москва, Шубинский пер., 6
ISBN 5-93517-248-8 (рус.) Copyright © by Wydawnictwa Komunikacji
ISBN 83-206-1309-4 (польск.) i Lqcznosci sp. z o.o. Warszawa, 1998, 2003
© И. Д. Рудинский, перевод с польск., 2006
© Оформление издательства
«Горячая линия—Телеком», 2006
От редактора
Уважаемый читатель!
Перед Вами прекрасный учебник по системам подвижной
связи (СПС). Книга несколько раз переиздавалась в Польше, была
издана в США и других странах. Она относится к той категории
учебно-справочной литературы, дефицит которой остро ощущает-
ся в последние годы.
Автор обсуждает практически всю тематику подвижной связи -
от теоретических основ кодирования речи и распространения ра-
диоволн до действующих систем подвижной радиосвязи в увязке с
концепцией взаимодействия открытых систем.
В книге Вы найдете информацию о пейджинговых и транкин-
говых системах, бесшнуровой телефонии, системах спутниковой и
сотовой связи различных стандартов, беспроводных локальных вы-
числительных сетей (WLAN) и интеллектуальных антеннах. Рас-
смотрены обобщенные структурные схемы различных СПС, вопро-
сы организации физических и логических каналов и многое другое.
Широкий, во многом энциклопедический, охват тематики,
удачная компоновка и хорошая подача материала позволяют реко-
мендовать книгу всем, кто интересуется вопросами подвижной
связи - студентам и преподавателям, дилетантам и специалистам.
Переводчик и редактор постарались, сколь это возможно, доне-
сти до Вас авторскую подачу материала, обеспечив терминологиче-
ское сопряжение с нормативными документами РФ в отрасли связи.
Насколько нам это удалось - судить Вам.
Благодарим всех, кто помогал и поддерживал нас в этом нелег-
ком труде.
Научный редактор А.И. Дедовской
(Главный инженер проектов ООО «СвязъСтройПроект-7'»)
От автора
Уважаемые читатели русского издания книги
«Системы подвижной радиосвязи»!
Благодаря доброй воле издательства «Горячая линия Телеком»,
усилиям профессора И.Д. Рудинского и огромной работе Н.И. Ру-
динского по переводу текста на русский язык Вы получаете доступ
к книге, которая в польской и английской версиях используется сту-
дентами факультетов электроники и телекоммуникации, а также
инженерно-техническими работниками телекоммуникационных
компаний разных стран для знакомства с важнейшими системами
мобильной радиосвязи. Благодаря предыдущему изданию этой
книги издательством «John Wiley & Sons» она доступна в универси-
тетских библиотеках англоязычных стран как в традиционной, так
и в электронной версиях. Искренне надеюсь, что теперь моя книга
будет благожелательно встречена и российскими читателями.
Технический прогресс в сфере мобильной радиосвязи огромен,
поэтому нельзя удивляться факту, что содержание этой книги (с уче-
том длительности ее написания и выпуска) не может охватить все
важнейшие достижения в этой области. Однако я надеюсь, что чита-
тель найдет в книге множество полезных сведений, которые помогут
понять основы функционирования различных сотовых систем.
В процессе моей учебы и профессиональной педагогической де-
ятельности в техническом университете я множество раз пользовал-
ся русскоязычной научной литературой. Отдельную полку в моей
библиотеке занимают книги, написанные российскими учеными и
инженерами. Пусть эта книга станет, в каком-то смысле, знаком бла-
годарности за те знания, которые я получил из этих источников.
Кшиштоф Весоловский
Политехнический университет г. Познань,
Февраль 2006 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Системы подвижной связи - это одна из наиболее динамично раз-
вивающихся областей телекоммуникации. Ожидается, что в течение
следующих десяти лет не менее половины всех устанавливаемых сое-
динений станут частично или полностью беспроводными. Системы по-
движной радиосвязи перешли из разряда дорогих игрушек для богатых
пользователей в массовый сектор рынка. Быстрое развитие сети Интер-
нет, ее приложений и новых услуг создало благоприятную почву для
дальнейшего развития мобильных систем. Теория и практика этих сис-
тем являются темой лекционных курсов в академических учреждениях
и интересуют инженеров и техников, работающих в сфере телекомму-
никаций. Обширный список литературы ведущих издательств мира по-
священ некоторым аспектам систем подвижной связи. Книга, которую
Вы держите в руках - попытка дополнить этот список. Она возникла из
тезисов лекций для студентов, изучающих телекоммуникационные
технологии в Технологическом университете г. Познань (Республика
Польша) и доросла до книги, изданной Варшавском издательством
WKiL в 1998-1999 гг.
Раздел 1 посвящен общей теории цифровых систем связи. Современ-
ные системы подвижной радиосвязи в большинстве своем являются
цифровыми и имеют много общего с остальными цифровыми системами
связи, например, в плане способов передачи данных, коллективного до-
ступа и обработки сигнала. Материал, представленный в этом разделе,
предназначен для читателей, изучавших теорию цифровой связи несколь-
ко лет назад или не изучавших ее вовсе.
В этом же разделе описана модель цифровой системы связи, принци-
пы кодирования речи, основы канального кодирования, представлен об-
зор методов цифровой модуляции в системах подвижной связи, рассмот-
рены принципы организации систем с расширенным спектром, методы
многостанционного и произвольного доступа, эталонная модель OS1
8
Системы подвижной радиосвязи
(модель взаимодействия открытых систем), а также представлена общая
информация о протоколе Х.25 и системе сигнализации ОКС №7.
В разделе 2 представлены характеристики основных типов систем по-
движной связи: сотовая телефония, бесшнуровая телефония, транкинго-
вые системы, беспроводные локальные вычислительные сети и персональ-
ные системы подвижной спутниковой связи.
В разделе 3 рассмотрены характеристики радиоканала подвижной
связи. От общей информации об антеннах и распространении сигнала в
свободном пространстве мы переходим к влиянию эффекта многолучево-
го распространения принимаемого сигнала. Затем представим модель ра-
диоканала в виде трансверсального фильтра с изменяющимися во време-
ни коэффициентами отвода и смоделируем доплеровский эффект. Рас-
смотрим модели каналов, используемых в системах GSM.
Значительная часть раздела посвящена прогнозированию потерь при
распространении радиоволн и описанию наиболее популярных моделей
распространения сигнала. После обсуждения влияния передаваемых
узко- и широкополосных сигналов на свойства канала уделим внимание и
вопросам разнесенного приема.
Раздел 4 посвящен пейджинговым системам. Приводится общая
классификация пейджинговых сетей. Мы остановимся на популярном
протоколе POCSAG, европейской пейджинговой системе ERMES и се-
мействе протоколов FLEX.
Центральная тема раздела 5 - концепция сотовой системы. Здесь мы
обсудим упрощенную структуру классической сотовой системы связи,
представим основные элементы теории передачи данных применительно
к сотовым системам и рассмотрим такие способы увеличения емкости се-
ти, как разбиение на секторы, дробление сот и организация микросотовых
зон. Приведем правила распределения каналов в сотах и некоторые стра-
тегии, применяемые на практике.
Несмотря на то, что аналоговые сотовые системы первого поколения
постепенно теряют свою актуальность и скоро будут иметь исключитель-
но историческое значение, они заслуживают общего описания, которое и
приведено в разделе 6. Рассмотрены два показательных примера: сканди-
навская система NMT и американская система AMPS.
Раздел 7 посвящен GSM как важнейшему стандарту сотовой связи в
Европе. Мы рассмотрим системные аспекты и архитектуру GSM. Приве-
дем основные параметры системы радиопередачи, опишем логические
каналы, временную иерархию GSM, ее пакетную структуру и кадровую
организацию. Обсудим процедуры установления соединения, типы хэн-
довера, а также средства обеспечения конфиденциальности и идентифи-
кации пользователя. И, наконец, рассмотрим различные модификации и
производные стандарта GSM.
Предисловие
9
Раздел 8 охватывает некоторые аспекты физического уровня GSM.
Рассмотрим конструкцию типовой мобильной станции, а также кодирова-
ние и декодирование речи по трем возможным алгоритмам. Затем остано-
вимся на применяемом в стандарте GSM методе модуляции GMSK и
принципе последовательного детектирования данных, используемого в
GSM-приемнике.
В разделе 9 мы обсудим принципы передачи данных в стандарте GSM.
Сначала рассмотрим стандартную передачу данных в режиме коммутации
каналов, при котором достигается скорость 14.4 кбит'с. Получим общее
представление о порядке пересылки SMS. Затем обсудим систему HSCSD,
которая работает в режиме коммутации каналов и существенно расширяет
возможности передачи данных. И, наконец, доберемся до системы GPRS, в
основе которой лежит режим коммутации пакетов. Рассмотрим архитекту-
ру GPRS, физический уровень ее организации, управление передачей дан-
ных, предлагаемые услуги и архитектуру протокола. В самом конце разде-
ла обсудим систему EDGE - Enhanced Data rate for Global Evolution, при-
чем наибольшее внимание уделим физическому уровню ее организации.
В разделе 10 представлены основные особенности работы систем
CDMA. Мы рассмотрим типовые последовательности, применяемые для
расширения спектра, а также структурные схемы передатчика и приемни-
ка. Особое внимание уделим RAKE приемнику и общим принципам ра-
боты приемников совместного детектирования. Познакомим с общими
свойствами систем CDMA.
В разделе 11 мы рассмотрим наиболее популярную систему стандар-
та CDMA - IS-95. Обратим особое внимание на физический уровень пря-
мой и обратной (восходящей и нисходящей) передачи данных и отметим
некоторые усовершенствования стандарта IS-95.
Раздел 12 представляет транкинговые системы. Мы начнем его с са-
мой идеи транкинга. Далее рассмотрим стандарт MPT 1327 и перейдем к
системе TETRA. Мы изучим ее архитектуру, предоставляемые сервисы и
физический уровень организации.
Раздел 13 описывает основные типы цифровой беспроводной телефо-
нии. Сконцентрируемся на стандарте DECT. Коротко затронем американ-
скую систему PACS и японскую PHS.
В разделе 14 будут представлены основные правила функционирова-
ния систем абонентского радиодоступа («последней мили»), привлекающих
к себе все большее внимание благодаря быстрому развитию технологий
подвижной связи.
Раздел 15 посвящен спутниковым системам персональной радиосвя-
зи. Представлена общая классификация таких систем. Кратко описана
система INMARSAT. Особое внимание уделено системам Iridium.
10
Системы подвижной радиосвязи
GLOBALSTAR, ICO и перспективным системам широкополосного досту-
па Teledesic и Skybridge.
В разделе 16 представлены общие свойства и правила функциониро-
вания беспроводных локальных вычислительных сетей (WLAN). Рас-
смотрим наиболее важные стандарты WLAN такие, как HIPERLAN/1 и 2,
а также некоторые версии стандарта IEEE 802.11. Кратко затронем систе-
му Bluetooth, имеющую шанс стать популярным стандартом бытовых бес-
проводных соединений.
И, наконец, в разделе 17 перейдем к системам подвижной связи тре-
тьего поколения. Мы изучим основные свойства систем UMTS (Universal
Mobile Telecommunications System). Сосредоточимся на двух основных ра-
диоинтерфейсах - WCDMA FDD и WCDMA TDD. Рассмотрим архитек-
туру системы, физический уровень организации и некоторые базовые
системные процедуры. Приведем краткое описание системы CDMA2000,
выросшей из стандарта IS-95. Завершим раздел презентацией идеи Soft-
ware Radio, могущей стать весьма полезной в мире несовместимых радио-
интерфейсов.
Последний раздел книги посвящен общему описанию технологии
«интеллектуальных антенн» и ее применению в сотовой телефонии. Взаи-
мосвязь очевидна, поскольку именно «умные антенны» нашли примене-
ние в третьем поколении систем подвижной связи.
Приведенное выше описание разделов книги говорит о том, что на-
стоящее издание стремится обсудить наиболее важные аспекты подвиж-
ной связи. Сделать это более подробно невозможно ввиду ограниченного
объема книги. Почти каждый ее раздел мог бы стать или уже стал темой
отдельной книги. Мы надеемся, что читатель это осознает и при необхо-
димости обратится к более специализированным изданиям.
Эта книга не состоялась бы без участия многих людей. Преж-
де всего, я хотел бы поблагодарить за ценные комментарии профес-
сора Здислава Кахлицкого и доктора Томаша Косило — рецензен-
тов польского издания. Я очень признателен главному редактору
издательства John Wiley & Sons, Ltd. Марку Хаммонду, помощнику
редактора Саре Хинтон и производственному редактору Зое Пин-
нок, которые были чрезвычайно терпеливы и оказали неоценимую
помощь. Существенное влияние на окончательный вид книги ока-
зала миссис Кристина Цешелъска, которая выступила в роли язы-
кового консультанта и как специалист-электротехник с изрядной
долей критики вычитала английский перевод. И, наконец, эта кни-
га не вышла бы без поддержки моей семьи, особенно моей жены
Марии и моего отца Александра.
Кшиштоф Весоловский
Глава 1
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ
ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ
1.1. ВВЕДЕНИЕ
Предлагаемый раздел - введение в цифровые системы связи. Автор полага-
ет, что весьма немногие читатели в последние годы занимались изучением тео-
рии цифровой связи. Материал, представленный в разделе, позволит им понять
проблемы современных систем подвижной связи.
Отрасль развивается стремительно. Многие технические решения, приме-
няемые в современных системах подвижной связи, несколько лет назад были
предметом теоретических дискуссий, а их реализация в рамках существующих
технических средств казалась невозможной. Сегодня эти решения применяются
в популярных мобильных телефонах.
Цель данного раздела - дать общий обзор основных способов цифровой пе-
редачи данных по каналам связи, методов цифровой модуляции и структур циф-
ровых приемников систем подвижной связи. Мы кратко затронем основные пра-
вила обнаружения и коррекции ошибок, а также методы, направленные на улуч-
шение качества передачи цифровых данных по каналам с дисперсией1 свойств.
Ознакомимся с эталонной моделью взаимодействия открытых систем OSI (Open
System Interconnection). Она будет использоваться нами для упорядоченного опи-
сания цифровых систем и сетей связи. Кроме того, эта модель удобна при рас-
смотрении взаимодействия между системами на одном или нескольких ее уров-
нях. Мы обсудим также избранные протоколы обмена информацией на верхних
уровнях модели OSI.
Канал связи с переменными во времени параметрами (прим. ред.).
12
Системы подвижной радиосвязи
Автор оставляет читателю выбор - подробно познакомиться с теоретиче-
ским материалом, представленным в этом разделе, просто освежить свои знания,
либо пропустить этот раздел и перейти к следующим.
1.2. МОДЕЛЬ ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ
Рассмотрим общую модель цифровой системы связи, представленную на
рис. 1.1.
Рис. 1.1. Модель цифровой системы связи
Источник генерирует сообщения, представляющие собой либо непрерыв-
ные функции от времени, либо потоки дискретных сигналов. Пример непрерыв-
ного во времени сообщения - волновой сигнал, передающий человеческую речь.
Чтобы передать такой аналоговый сигнал через цифровую систему связи, его не-
обходимо преобразовать в цифровую форму. Делается это путем его дискретиза-
ции и последующим квантованием каждого фрагмента. Для этого аналого-циф-
ровой преобразователь (АЦП) разбивает аналоговый сигнал на отсчеты (выборки)
с частотой дискретизации f, а затем производит замену каждого отсчета на
двоичный блок, определяемый амплитудой фрагмента.
Именно так в стандартной телефонии эту операцию выполняет кодер, исполь-
зующий импульсно-кодовую модуляцию (ИКМ, англ. Pulse-Code Modulation -
PCM). Он производит дискретизацию поступающего с микрофона аналогового
сигнала с частотой fs = 8 кГц и, применяя стандартизованную нелинейную ха-
рактеристику, сопоставляет каждому фрагменту 8-битную последовательность.
При выполнении квантования с заданным шагом часть информации, содержа-
щейся в исходном сигнале, утрачивается. В результате появляется так называе-
мый шум квантования.
Нелинейный квантователь, сопоставляющий фрагментам речевого сигнала
двоичные последовательности, определим, как кодер источника". Благодаря то-
В случае передачи речевого сигнала, кодер источника принято называть речевым коде-
ром (прим. ред.).
Глава 1. Элементы теории иифровых систем связи
13
му, что нелинейность характеристик преобразования учитывает динамические
свойства человеческого уха, для представления каждой отдельной выборки до-
статочно 8-битного кодового слова. При использовании линейного анало-
го-цифрового преобразования сравнимое качество достижимо при длине слова
в 12-13 бит.
Другой пример кодера речевого сигнала - это кодер дифференциальной им-
пульсно-кодовой модуляции (ДИКМ, англ. Differential Pulse-Code Modulation -
DPCM). Принцип действия этого кодера основан на четкой взаимосвязи между
соседними отсчетами голосового сигнала, поэтому кодируется только их раз-
ность. Более совершенные методы кодирования речи будут рассмотрены в разде-
ле 1.3 и в разделах, посвященных системам GSM и беспроводной телефонии.
Рассмотрим компьютерный терминал как источник дискретных сигналов.
Буквенно-цифровые символы, генерируемые им, можно рассматривать как про-
стейшие сообщения. Обычно они представляют собой 8-битные блоки в широко
распространенном алфавите ASCII. Несмотря на свою популярность, алфавит
ASCII не обеспечивает эффективного кодирования буквенно-цифровых симво-
лов. Некоторые символы встречаются очень часто, другие - редко.
Хороший кодер источника «подгоняет» длину двоичных последовательно-
стей под статистические свойства источника сообщений. Для более эффективно-
го представления генерируемой источником информации все чаще применяется
ее сжатие. Эффективность проявляется в уменьшении среднего количества би-
тов, используемых для кодирования одного сообщения.
Некоторые физические явления, происходящие в каналах связи, приводят к
возникновению ошибок приемника. Эти ошибки можно представить разностью
между переданной и восстановленной из принятого сигнала двоичными после-
довательностями. Для того чтобы исправить или, по крайней мере, обнаружить
ошибки, применяются канальный кодер в передатчике и канальный декодер в
приемнике. К информационным блокам добавляется определенное число вы-
бранных особым образом дополнительных битов. Значения этих битов рассчи-
тываются путем сложения по модулю двух информационных битов, подбираемых
таким образом, чтобы между ними существовала алгебраическая взаимосвязь,
позволяющая скорректировать или хотя бы обнаружить возможные ошибки. Тог-
да, при обнаружении ошибки, сам сигнал ложности принятой последовательно-
сти является индикатором необходимости повторной ее передачи. Обнаружение
и коррекция ошибок широко применяются в системах подвижной связи.
Модулятор - это блок, генерирующий синусоидальный сигнал (несущую),
параметры которого (частота, амплитуда и/или фаза) являются функциями по-
данной на его вход цифровой последовательности. В результате модуляции несу-
щий информацию сигнал переносится в соответствующую часть радиодиапазо-
на и приобретает четко сформированные спектральные параметры. Это свойство
сигнала - важнейшее для систем подвижной связи. Здесь необходимо эффектив-
но использовать выделенные спектральные ресурсы, чтобы не искажать сигна-
лы, передаваемые пользователями соседних областей спектра. Каждая система
14
Системы подвижной радиосвязи
должна использовать максимально возможное количество своих собственных
каналов в выделенном ей частотном диапазоне.
Электромагнитный спектр - ценный и ограниченный ресурс. На протяже-
нии последних лет появилось множество новых систем подвижной связи, а на
рынке - новые услуги. В результате создается все новое и новое оборудование
для систем, работающих во все более высоких диапазонах частот. Применяю гея
все более и более сложные технологии. Распределение частот электромагнитно-
го спектра между радиосистемами является предметом международных перего-
воров и соглашений.
Понятие многостанционного3 доступа к среде передачи тесно связано со
свойствами канала и применяемыми методами модуляции сигнала. Многостан-
ционный доступ может быть реализован различными способами.
Первый из них - это разделение выделенного системе диапазона на опреде-
ленное количество каналов - неперекрывающихся узких полос, которые выделя-
ются различным пользователям (как правило, только для активного в данный
момент абонента). Этот метод доступа к каналу связи называется многостанци-
онным доступом с частотным разделением каналов (англ. Frequency Division
Multiple Access - FDMA).
При другом способе реализации все пользователи работают на одной несу-
щей частоте, но в разное время. Такой подход называется многостанционным
доступом с временным разделением каналов (англ. Time Division Multiple Access -
TDMA).
Третий метод называется многостанционным доступом с кодовым разделе-
нием каналов (англ. Code Division Multiple Access - CDMA). Передающие устрой-
ства могут генерировать сигналы, которые занимают весь диапазон системы на
все время соединения; однако благодаря применению особых сигнальных (кодо-
вых) последовательностей, уникально идентифицирующих каждого пользовате-
ля, приемник может извлечь сигнал отдельно взятого пользователя из суммы
сигналов, одновременно поступающих из различных источников.
Возможны комбинации описанных выше методов многостанционного
доступа.
Высокочастотный узел (ВЧ блок) работает в радиочастотном диапазоне и
усиливает радиосигнал до требуемого уровня. Ширина полосы сигнала зависит
от выбранного типа модуляции и используемого метода многостанционного до-
ступа. Обычным требованием к применяемому в системе подвижной связи
усилителю ВЧявляется ограничение энергопотребления. Например, мобильный
телефон должен потреблять как можно меньше энергии для того, чтобы увели-
чить время работы между перезарядками батареи. Поэтому усилитель ВЧ дол-
жен обладать большим динамическим диапазоном и вынужден функциониро-
3 В отечественной литературе можно встретить также термины множественный или
коллективный доступ (прим. ред.).
Глава 1. Элементы теории цифровых систем связи
15
вать в нелинейной области своих характеристик. Прямым следствием этого фак-
та становится выбор методов цифровой модуляции, используемых в системах
подвижной связи. Компенсировать нелинейные искажения, вносимые усилите-
лем ВЧ, позволяет применение методов модуляции с постоянной или слабо ме-
няющейся огибающей.
В системах подвижной связи передатчик излучает сигнал в пространство с
помощью антенны. Свойства канала тесно связаны с типами передающей и при-
емной антенн. Особенно важную роль играют параметры направленного дейст-
вия и усиления антенны. Характеристики антенны определяют рабочий диапа-
зон системы и ее эффективность. Несмотря на практическую важность, теория
антенн выходит за рамки данной книги. Читатель может ознакомиться с ней в из-
даниях, полностью посвященных антеннам, например [1] и [2].
Преобразования, производимые в приемнике, имеют обратное соответствие
процессам, происходящим в передатчике. После усиления и фильтрации в каска-
дах ВЧ блока принятый сигнал демодулируется. Характер преобразования зави-
сит от применяемого метода цифровой модуляции и параметров канала. Сильное
влияние на выбор типа применяемого демодулятора оказывает фактор стоимост-
ной реализации приемника. Основная задача демодулятора - выделить последо-
вательность импульсов из модулированного сигнала, полученного после ВЧ об-
работки. На основе этих импульсов детектор выделяет из принятого сигнала
переданные символы данных и преобразует их в двоичные последовательности.
Канальный декодер, используя добавленные канальным кодером резервные
биты, а также дополнительную информацию о достоверности принятого сигна-
ла, определяет кодовую последовательность. Из полученной кодовой последова-
тельности выделяется двоичная информационная составляющая. Именно она
является основной целью декодирования.
В качестве примеров канальных декодеров можно привести блок декомпрес-
сии, восстанавливающий оригинальную информацию из сжатых данных, и син-
тезатор речи, генерирующий голосовой сигнал. В последнем случае декодиро-
ванный сигнал претерпевает преобразование цифра - аналог и попадает через
усилитель и громкоговоритель в приемник сообщений - ухо пользователя.
В следующих разделах мы рассмотрим процессы, происходящие во время
передачи сигнала по каналам подвижной связи.
1.3. РЕЧЕВЫЕ КОДЕРЫ И ДЕКОДЕРЫ
Передача речи - наиболее распространенная коммуникационная услуга.
В аналоговых системах сигнал, представляющий человеческую речь, модулиру-
ет один из параметров синусоидального сигнала, таких, как амплитуда или час-
тота. В системах подвижной связи второго поколения речевой сигнал передается
в цифровом виде. Поэтому его эффективное цифровое представление играет
здесь особенно важную роль.
16
Системы подвижной радиосвязи
Импульсно-кодовая модуляций (ИКМ) - самый старый метод цифрового ко-
дирования речи. На рис. 1.2 представлена базовая схема кодера и декодера ИКМ.
Кодер ИКМ состоит из фильтра защиты от перекрытия спектров, диск-
ретизатора и квантователя с переменным шагом. Фильтр защиты от перекры-
тия спектров ограничивает полосу пропускания входного сигнала таким обра-
зом, чтобы частота сигнала не превышала половину частоты дискретизации/,.
На практике фильтр защиты от перекрытия спектров обрезает все частоты вы-
ше 4 кГц, а дискретизатор разделяет входной сигнал на фрагменты с частотой
дискретизации 8 кГц. Квантователь с переменным шагом можно теоретически
разложить на нелинейную безынерционную схему сжатия сигнала и линейный
квантователь. Характеристики нелинейной схемы стандартизованы рекомен-
дациями Международного телекоммуникационного союза (ITU-T) и описыва-
ются формулой
Лх) =
Ах
1 + 1п А
1+ In Ах
1 + In А
при
при
(Г1)
где для 8-битного квантователя константа А = 87,6.
Такой квантователь, выполняющий дискретизацию с частотой 8 кГц, обес-
печивает скорость передачи результирующего потока двоичных данных, равную
64 кбит/с. Заметим, что для небольших амплитуд исходного сигнала характери-
стика линейна, а для амплитуд, превышающих значение 1/А, она становится ло-
гарифмической. Декодер ИКМ имеет свойства, описываемые обратной к (1.1)
функцией. Таким образом, последовательное включение обеих нелинейностей
оказывается линейным. В результате форма обрабатываемого сигнала не иска-
жается. В передатчике реализована функция компрессии динамического диапа-
4 Такое название - дань традиции. На самом деле ИКМ - это не метод модуляции, а про-
цедура кодирования исходного сигнала.
Глава 1. Элементы теории иифровых систем связи
17
зона5. При этом сигналы с малой амплитудой усиливаются значительно сильнее,
чем сигналы с высокой амплитудой. В результате отношение уровня сигнала к
уровню шума квантования практически постоянно во всем диапазоне амплитуд
квантуемого сигнала. В случае линейного квантования это отношение изменя-
лось бы линейно, в зависимости от уровня исходного сигнала.
ИКМ-кодирование речи использовалось в некоторых ранних реализациях
систем беспроводного доступа как альтернатива абонентской линии. Его отно-
сительно редкое применение вызвано более низкой спектральной эффективно-
стью представления речевого сигнала - двоичного потока 64 кбит/с, по сравне-
нию с использованием аналоговой частотной модуляции. В последнее время
ИКМ-кодирование речи с логарифмическими характеристиками (1.1) и (1.2)
применяется де-факто в стандарте Bluetooth [20].
В США и Канаде используется другой стандарт сжатия, сходный с представ-
ленным формулой (1.1). Нормированная амплитудная характеристика входного
и выходного сигналов выражается формулой
1п(1 + цЫ)
/(x) = sgn(x)-— ---, (1.2)
1п( 1 +ц)
где ц = 255.
Речевой сигнал характеризуется сильной автокорреляцией. Это означает,
что две соседних выборки не могут сильно отличаться друг от друга. Соответст-
венно, если кодировать только разность между ними, то можно снизить скорость
передачи двоичных данных, представляющих речевой сигнал. Более того, зна-
ние нескольких последовательных отсчетов и их корреляционных свойств по-
зволяет предсказать последующий отсчет. Заметим, что на протяжении некото-
рого ограниченного промежутка времени речевой сигнал можно считать квази-
стационарным. Таким образом, вместо кодирования следующих друг за другом
отсчетов или даже их разности, можно кодировать разность между текущим и
предсказанным значением, которое предсказатель6 * В вычисляет на основе инфор-
мации о нескольких предыдущих фрагментах. На рис. 1.3 изображены кодер и
декодер дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (ДИКМ, англ. Diffe-
rential Pulse-Code Modulation - DPCM), реализующие эту идею. Для облегчения
восприятия идеи ДИКМ в схеме опущены фильтр защиты от перекрытия спек-
тров передатчика и сглаживающий фильтр приемника.
Из изображенной на рис. 1.3 схемы следует, что в кодере ДИКМ дискретизи-
руется разность между входным сигналом хп и выходным сигналом предсказы-
5 Речь идет о компандировании - сжатии динамического диапазона сигнала перед пере-
дачей с последующим восстановлением исходной формы сигнала на приемной стороне
(прим. ред.).
В силу неустоявшейся терминологии можно встретить также экстриполятор или пре-
диктор (прим. ред.).
18
Системы подвижной радиосвязи
Рис. 1.3. Кодер и декодер ЛИКМ
вающего устройства хп, который представляет собой взвешенную сумму послед-
них р фрагментов, каждый из которых в свою очередь является суммой выход-
ных сигналов предсказателя и квантователя. Другими словами, еп = хп - хп, где
И Хл_, =Х„_, (1.3)
Выражение (1.3) описывает работу предсказателя. Функционально он может
быть реализован в виде цифрового фильтра с конечной импульсной характери-
стикой (КИХ-фильтр, англ. Finite Impulse Response filter - FIR filter). Квантован-
ная форма e„ ошибки предсказания en посылается на приемник.
ДИКМ-декодер формирует выходной сигнал в виде суммы предсказанного
значения и квантованной ошибки предсказания, которые поступают с ДИКМ-ко-
дера. Как правило, коэффициенты предсказания выбираются таким образом,
чтобы минимизировать среднеквадратичную ошибку между фрагментом сигна-
ла и предсказанным значением. Эти коэффициенты представляют собой реше-
ние системы линейных уравнений, полученных из условия минимизации следу-
ющего выражения
(1-4)
=E[xl]-2^aiE[x,,xi,_i] + £ J,
где Д.] обозначает усреднение по ансамблю.
Предположим стационарность сигнала хп, обозначим значения автокорреля-
ционной функции сигнала хп как г =Е[х„_,хи_ ], возьмем первую производ-
ную функции (1.4) и приравняем ее к нулю. В результате получим систему
уравнений
р для 7 = 1, ...,р.
(1.5)
Глава 1. Элементы теории иифровых систем связи
19
Отметим, что предположение о стационарности сигнала имеет смысл только
на коротких промежутках времени. Решение системы уравнений (1.5) представ-
ляет собой набор коэффициентов предсказания д,, (/= 1. ...,р). причем мы полу-
чили усредненные значения этих коэффициентов. Периодическое обновление
коэффициентов способно существенно улучшить работу предсказателя; впро-
чем, в этом случае коэффициенты пришлось бы пересылать на приемное устрой-
ство либо вычислять их адаптивно на основе принятых сигналов.
Адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляции (АДИКМ,
англ. Adaptive Differential Pulse-Code Modulation - ADPCM} представляет собой
существенно улучшенный вариант ИКМ-и ДИКМ-кодирования. В 1984 г. ITU-T
стандартизовала этот метод Рекомендацией G.721, позднее замененной Рекомен-
дацией G.726. Стоит заметить, что этот метод кодирования сигнала применяется
в некоторых распространенных системах подвижной связи, в частности, в бес-
шнуровой телефонии и системах абонентского доступа. Субъективно качество
речи при применении АДИКМ-кодирования слабо отличается от обычной
ИКМ-обработки сигнала.
АДИКМ-кодирование сочетает в себе два усовершенствования метода ИКМ -
ранее описанное дифференциальное кодирование и, кроме того, адаптивное
квантование. Обобщенная схема АДИКМ-кодера и декодера представлена на
рис. 1.4.
АДИКМ-кодер АДИКМ-декодер
Рис. 1.4. Схема кодера и декодера ААИКМ
Аналоговый сигнал дискретизируется и линейно обрабатывается в 12-бит-
ном квантователе. Обозначим результирующий выходной сигнал как ,vn. На сле-
дующем этапе вычисляется разность еа = хп - хп между реальным значением хп
и его предсказанным значением хп. Представленный 12-битным словом разно-
стный сигнал еп обрабатывается в квантователе, имеющим логарифмическую
(по основанию 2) характеристику и 16 порогов квантования. В результате полу-
чаем 4-битовое представление ошибки отсчета. При частоте дискретизации 8 кГц
скорость цифрового потока на выходе АДИКМ-кодера будет равна 32 кбит/с.
20
Системы подвижной радиосвязи
4-битовый разностный сигнал ёп определяет порог квантования, используемый
как в адаптивном квантователе, так и в схеме, восстанавливающей линейную
квантованную форму ошибки ёп. Ошибка добавляется к сигналу х„, снимаемому
с выхода адаптивного предсказателя. Эта сумма в следующий момент времени
направляется на вход предсказателя. Корректировка коэффициентов предсказа-
ния производится на основании выходного сигнала адаптивного обратного кван-
тователя (см. рис. 1.4).
Некоторые блоки АДИКМ-декодера идентичны блокам АДИКМ-кодера.
Адаптация обратного квантователя производится на основе квантованной ошиб-
ки ёп точно так же, как это делается в кодере. Результирующая линейно кванто-
ванная ошибка ёп, добавленная к выходному сигналу адаптивного предсказателя,
дает наилучшее приближение хп сигнала, поступившего на вход АДИКМ-коде-
ра. Происходящие в передатчике и приемнике адаптационные процессы опреде-
ляются одними и теми же сигналами, поэтому пересылка результатов адаптации
с передатчика на приемник не требуется. Алгоритмы адаптации построены так,
что при обнаружении ошибок передачи в кодированном двоичном сигнале про-
исходит восстановление работы, не приводящее к сбою.
Подробные описания АДИКМ-кодера и декодера можно найти в Рекомен-
дациях G.721 и G.726 [3], а также в спецификации [4], описывающей реализа-
цию АДИКМ-кодера/декодера в процессоре сигналов с фиксированной точкой.
Более детальное рассмотрение этого вопроса выходит за рамки настоящего
раздела.
Следующий интересующий нас метод кодирования сигнала - дельта-моду-
ляция (ДМ, англ. Delta Modulation -DM). Дельта-модуляция считается частным
случаем ДИКМ-кодирования. В методе ДМ вычисляется разница между теку-
щим и предыдущим фрагментами. Затем эта разница подвергается квантованию
в одноразрядном (двухуровневом) квантователе. За упрощение схемы кодирова-
ния приходится платить необходимостью увеличения частоты дискретизации по
сравнению с минимально возможной частотой дискретизации, используемой в
ИКМ-кодере. В простейшем ДМ-кодере частота дискретизации представляет со-
бой компромисс между скоростью выходного потока данных и приемлемым
уровнем ошибок квантования. Наиболее значительные ошибки дискретизации
сигнала вызываются двумя явлениями - перегрузкой по крутизне и шумом дроб-
ления. Суть первого явления заключается в том, что при кодировании быстро из-
меняющегося сигнала возникают ошибки, обусловленные невозможностью из-
менения аппроксимирующего сигнала более чем на один шаг квантования. Фак-
тически, ДМ-кодер не успевает отслеживать быстрые изменения уровня сигнала
и генерирует линейно изменяющийся квантованный сигнал. Шум дробления
возникает при квантовании квазистационарного сигнала. При ДМ-кодировании
постоянного сигнала7 результат представляет собой неравномерно чередующие-
Как правило, при преобразовании сигнала малого уровня (прим. ред.).
Глава 1. Элементы теории иифровых систем связи
21
ся положительные и отрицательные двоичные импульсы8. Адаптация размера
шага квантования, выполняемая по методу адаптивной дельта-модуляции
(АДМ, англ. Adaptive Delta Modulation - ADM), устраняет перечисленные недо-
статки ценой усложнения структуры кодера и декодера.
Стандартный ДМ-кодер генерирует двоичный поток со скоростью передачи
данных 16 кбит/с. Такой метод представления речевого сигнала обычно приме-
няется в военном оборудовании. К сожалению, ДМ-кодирование не способно
обеспечить качество передачи, необходимое для коммерческого использования
метода в системах подвижной связи.
а)
е„
Рис. 1.5. Схема дельта-кодера (а), декодера с переменной крутизной (6)
и накопителя, используемого в кодере и декодере (в)
Вариант адаптивной дельта-модуляции, называемый дельта-модуляция с
переменной крутизной (англ. Continuous Variable-Slope Delta-modulation -
CVSD), обеспечивает намного лучшее качество передачи, даже по сравнению
со стандартным ИКМ-кодированием. CVSD-модуляция применяется в качестве
альтернативного метода кодирования речи в стандарте Bluetooth [20]. Она бы-
ла специально разработана для уменьшения эффектов перегрузки по крутизне.
На рис. 1.5 изображены схемы CVSD-кодера, декодера и накопителя, используе-
При этом вероятности ошибки квантования различны для разных отсчетов. Эффектив-
ной мерой снижения данного шума является применение квантования с неравномер-
ным шагом или сжатие динамического диапазона (прим. ред.).
22
Системы подвижной радиосвязи
мого в обоих блоках. Как и при обычной дельта-модуляции, объектом двухуров-
невого квантования становится разность между величиной входного сигнала хи
и величиной х„_| на выходе накопителя, который аппроксимирует предыдущий
фрагмент хл_(. Благодаря тому, что коэффициент h немного меньше единицы, на-
копитель медленно «забывает» свое содержимое (см. рис. 1.5в).
CVSD-модуляция может быть описана следующим набором уравнений
e„=sgn(ej, е„=хи-х„_,,
*„-i = hy^t, yn_, = saturation(y„_(),
=*„-1 +Д,А,>
(1.6)
где выражение saturationQ говорит само за себя (англ, saturation - насыщение).
Значение шага квантования Дп зависит от нескольких последних значений9
е„. На рис. 1.6 изображена типичная аппроксимация непрерывного сигнала кван-
тованным CVSD-сигналом, а также его двоичное представление еп [21]. Прием-
ник обладает способностью корректировать свой шаг квантования точно так же,
как это происходит в передатчике - исключительно на основании принятых зна-
чений е„.
Рис. 1.6. Типичная аппроксимация непрерывного сигнала квантованным
CVSD-сигналом ([18], © Ericsson Review)
Представленные методы кодирования речи, так или иначе, основывались на
кодировании фрагментов речи или различий между ними. К рассмотрению пред-
лагались все более и более изощренные методы, направленные на уменьшение
скорости потока двоичных данных. Однако существуют еще более эффективные
методы кодирования, используемые в системах подвижной сотовой связи. Эти
9 Т.е. от крутизны исходного сигнала. Шаг квантования изменяют в соответствии со ско-
ростью изменения мгновенных значений сигнала (прим. ред.).
Глава 1. Элементы теории иифровых систем связи
23
методы основаны на принципах кодирования с линейным предсказанием (англ.
Linear-Predictive Coding, LPC), а также векторного квантования ^.
Рассмотрим LPC-кодирование в обобщенном виде [5]. Кодирование речево-
го сигнала представляет собой анализ речи, в ходе которого задаются параметры
кодера и тип сигнала возбуждения. На следующем этапе эти параметры переда-
ются на приемник, где они используются декодером, выступающим в роли син-
тезатора речи.
Голосовой тракт можно представить как фильтр с регулярно обновляемыми
коэффициентами, возбуждаемый каждые 15-30 мс периодическим или шумопо-
добным сигналом. Речевой кодер производит синтез фильтра, моделирующего
голосовой тракт речевого сигнала - устанавливает тип возбуждения (шум или
последовательность импульсов) и его период. В качестве критерия синтеза
фильтра, как правило, используется минимизация среднеквадратичной ошибки,
представляющей собой взвешенную сумму квадратов разностей между фраг-
ментами входного речевого сигнала и фрагментами, синтезированными кодером
с заданными коэффициентами.
Период 1//ь
Рис. 1.7. Обобщенная схема кодера с линейным предсказанием
На рис. 1.7 показана обобщенная схема LPC-кодера [5]. Применяемый в ней
для моделирования голосового тракта фильтр - цифровой. Он обрабатывает от-
счеты входного сигнала в соответствии с выражением
х„ +Gvn, (1.7)
где G - прирост сигнала возбуждения vn,ak- коэффициенты фильтра.
10 Все предыдущие методы кодирования относятся к кодированию формы сигнала. Их
задача - обеспечить передачу точной информации о форме сигнала. В основе их рабо-
ты лежит скалярное квантование. Рассматриваемые далее вокодеры предназначены
для передачи исключительно речи и решают другую задачу - обеспечение сходства
звучания переданного сигнала с оригиналом (прим. ред.).
24
Системы подвижной радиосвязи
Рис. 1.8. LPC-кодер с решетчатым фильтром
На практике обычно используется решетчатый фильтр, в котором коэффи-
циенты фильтра ак замещаются коэффициентами аи., называемыми коэффици-
ентами отражения. Таким образом, синтезатор речи имеет вид, показанный на
рис. 1.8.
Из квазистационарности голосового сигнала следует, что параметры модели
с линейным предсказанием должны обновляться каждые 15-30 мс. Это время
определяет длину кадра речевого кодера. Кадр содержит двоичный блок, сфор-
мированный на выходе LPC-кодера. В примере [5] блок состоит из одного бита,
определяющего тип сигнала возбуждения, шести битов, определяющих период
сигнала возбуждения, и пяти битов, определяющих прирост G по логарифми-
ческой шкале. На кодирование каждого коэффициента отражения акк требуется
6 битов. Одновременно может применяться до 10 коэффициентов. Следователь-
но, стандартный кадр состоит из 72 битов, а скорость двоичного потока изменя-
ется от 2400 до 4800 кбит/с, в зависимости от периодичности кадров. Речевой
сигнал, восстановленный приемником, работающим по модели линейного пред-
сказания, имеет относительно низкое качество и «синтетическое» звучание. Поэ-
тому в коммерческих системах используются более продвинутые модели, кото-
рые позволяют добиться лучшего звучания. На рис. 1.9 представлена общая
схема кодера, использующего одну из таких моделей [6], называемую «анализ
через синтез» (англ, analysis-by-synthesis).
Входной
речевой сигнал
Рис. 1.9. Схема речевого кодера, использующего метод «анализ через синтез:
Глава 1. Элементы теории иифровых систем связи
25
Кодер «анализ через синтез» - это речевой синтезатор, который генерирует
сигнал, подобный объекту кодирования - речевому сигналу. Взвешенная раз-
ность между обоими сигналами представляет собой функцию стоимости, исполь-
зуемую для корректировки параметров речевого синтезатора. Синтезатор состо-
ит из генератора возбуждения, фильтра долговременного предсказания (англ.
Long-Term Prediction - LTP) и фильтра кратковременного предсказания (англ.
Short-Term Prediction - STP). STP-фильтр моделирует краткосрочную корреля-
цию речевого сигнала, т.е. восстанавливает огибающую спектра. LTP-фильтр от-
ражает долгосрочную корреляцию, т.е. формирует точную спектральную струк-
туру речевого сигнала. Как и в предыдущем примере, объектами передачи явля-
ются параметры LTP- и STP-фильтров, а также параметры сигнала возбуждения.
Структура речевого кодера, используемого в системе GSM, похожа на структуру
описанного выше кодера и будет более подробно рассмотрена в разделе 8.
Для описания следующего важного метода кодирования речи - линейного
предсказания с кодовым возбуждением (англ. Code-Excited Linear Prediction -
CELP) необходимо ввести понятие векторного квантования. При таком кванто-
вании подвергающийся обработке объект представляет собой блок из N последо-
вательных фрагментов сигнала. Квантователь использует таблицу выбранных
соответствующим образом представлений фрагмента сигнала, расположенных в
виде кодовой книги (англ. Codebook}. Квантователь ассоциирует блок из N фраг-
ментов входного сигнала с одним из кодовых слов. Критерием выбора кодового
слова часто становится минимизация среднеквадратичной ошибки между фраг-
ментами входного сигнала и кодового слова. Адрес кодового слова, выбранного в
ходе процедуры векторного квантования, передается на приемник. На рис. 1.10
изображен процесс кодирования. Декодер пользуется той же самой кодовой
книгой, что позволяет сгенерировать кодовое слово, которое наилучшим обра-
зом аппроксимирует закодированную последовательность фрагментов речево-
го сигнала.
Рис. 1.10. Принцип векторного квантования
26
Системы подвижной радиосвязи
VSELP-кодер
Генератор возбуждения
VSELP-декодер
Рис. 1.11. Схема VSELP-кодера (а) и декодера (б)
На рис. 1.11 изображен один из вариантов CELP-кодирования - линейное
предсказание с возбуждением векторной суммой (англ. Vector Sum Excited Linear
Prediction - VSELP\ который используется в сотовой системе второго поколения
IS-54B/136, работающей на территории США. Заметим, что VSELP-кодер пред-
ставляет собой модификацию схемы «анализ через синтез», изображенной на
рис. 1.9. Генератор возбуждения реализован по принципу выбора слова с .V эле-
ментами из двух кодовых книг с учетом соответствующих весовых коэффициен-
тов. Фильтр долговременного предсказания реализован в виде схемы с двумя вы-
ходами, в которой текущий отсчет суммируется с отсчетом, задержанным на L
шагов квантования и имеющим весовой коэффициент 6’3. Весовые коэффициен-
ты Ci, С2 и G3, индексы £, 7/, / и набор коэффициентов фильтра кратковременно-
го предсказания {at} выбираются таким образом, чтобы минимизировать сумму
квадратов разностей между синтезируемыми кодером фрагментами и взвешен-
ной последовательностью входных фрагментов хп. Необходимо отметить, что
Глава 1. Элементы теории иифровых систем связи
кодированию и декодированию подвергаются целые блоки отсчетов, получен-
ных при квантовании входного сигнала на протяжении примерно 20 мс. Оптими-
зированные параметры кодера пересылаются на декодер, и, поскольку кодер и
декодер используют идентичные кодовые книги, переданных данных достаточ-
но для синтеза кадра речевого сигнала в декодере. Двоичный поток, 1енерирус-
мый описанной системой, передается со скоростью около 8 кбит/с. Виды вычис-
лений, производимых в кодере и декодере, делают возможной программную
реализацию обоих блоков на стандартном цифровом процессоре обработки сиг-
налов, поскольку вычислительная сложность алгоритмов CELP-кодирования и
декодирования не превышает возможностей такого процессора.
1.4. КАНАЛЬНОЕ КОДИРОВАНИЕ
Применение упреждающей коррекции ошибоки (англ. Forward Error Cor-
rection -FEC) или обнаружение ошибок является одним из важнейших средств в
обеспечении достоверности передачи цифровых данных. В настоящем разделе
мы рассмотрим основные правила канального кодирования. Прежде всего, обсу-
дим простые модели канала, описывающие процессы, происходящие между ко-
дером и декодером.
1.4.1. Модели каналов для канального кодирования
На рис. 1.12 представлено несколько базовых моделей каналов, примени-
мых для анализа канального кодирования. Наиболее простая модель называется
двоичным12 симметричным каналом без памяти (рис. 1.12а). Входы и выходы
этого канала - двоичные. Переданные и принятые блоки данных соблюдают по-
битовый порядок и на входе, и на выходе модели канала. Каждый бит кодируе-
мой последовательности приходит на выход канала в неизменном виде с вероят-
ностью 1 -р. С вероятностьюр передаваемые биты инвертируются, т.е. возника-
ют битовые ошибки. Декодер принимает решение о переданной закодированной
последовательности с по принятой двоичной последовательности г. В процессе
принятия решения декодером могут применяться только те отношения алгебраи-
ческой независимости между отдельными би гами переданной последовательно-
сти, которые были установлены правилом кодирования. Отсутствие у рассмат-
риваемой модели памяти приводит к тому, что ошибки статистически становя тся
взаимно независимыми, т.е. возникновение ошибок в предшествующие момен-
ты времени никак не влияет на вероятность появления ошибок в текущий мо-
мент. Очень немногие реальные каналы передачи могут считаться действитель-
В ряде источников - прямого исправления ошибок (прим. ред.).
В ряде изданий - бинарный от англ, binary (прим. ред.).
28
Системы подвижной радиосвязи
Рис. 1.12. Модели каналов с точки зрения канального кодирования
но не имеющими памяти. В большинстве случаев ошибки возникают пакетами.
С другой стороны, существует множество алгоритмов декодирования, разрабо-
танных специально для исправления случайных ошибок, т.е. ориентированных
на каналы без памяти. С целью обеспечения достаточно высокой эффективности
коррекции ошибок предпринимаются дополнительные меры для разбиения па-
кетов ошибок в приемнике, в частности, метод перемежения (англ, interleaving)
данных. Его принципы будут объяснены далее в этом параграфе.
Вторая модель канала учитывает пакетную природу ошибок, возникающих
в канале передачи данных. Это значит, что появление одной ошибки в конкрет-
ный момент времени увеличивает вероятность появления ошибки в следующий
момент. В этом случае говорят, что канал обладает памятью о своих предыдущих
состояниях. Для таких ситуаций разработаны специальные коды и алгоритмы
декодирования.
Третья модель, аналогично первой, не имеет памяти, однако она отражает
ситуацию, когда на выход канала поступает не только двоичная информация. Это
означает, что декодер использует не только знания об алгебраических соотноше-
ниях между отдельными битами, но и дополнительную информацию, поступаю-
щую из канала и позволяющую оптимизировать процесс декодирования. На
рис. 1.13 изображен простейший пример такой модели. Двоичные символы
представлены биполярными импульсами с амплитудой ±Л. Они искажаются до-
полнительными статистически независимыми отсчетами гауссового шума.
Пусть импульс —А представляет двоичный символ «О», а импульс +А - двоич-
ный символ «1». Отсчетх представляется в виде суммы импульса и шума и обла-
дает плотностью распределения вероятности, обусловленной передаваемым
символом: +А или-А. В приемнике отсчетх квантуется в М-уровневом квантова-
теле, выдающем на выходе г. Если каждому возможному уровню квантования
поставить в соответствие число от 0 до М - 1, то мы получим модель канала с
двоичным входом и m-ичным выходом. При использовании двоичного квантова-
теля эта модель упрощается до уровня симметричного двоичного канала без
Глава 1. Элементы теории цифровых систем связи
29
памяти. Отметим, что в нашей модели сигнал на выходе канала измеряется на-
много точнее, чем в модели двоичного канала. Это позволяет нам использовать
дополнительную информацию, содержащуюся в принятом символе для повы-
шения качества декодирования, т.е. снизить вероятность принятия неверного ре-
шения о принимаемой кодированной последовательности. Ступенчатая линия
на рис. 1.13 обозначает последовательные уровни квантования. Декодирование,
при котором используется дополнительная информация канала, называется де-
кодированием с мягким решением. В противовес ему, декодирование с использо-
ванием только информации двоичных символов называется декодированием с
жестким решением. В большинстве применяемых в современной цифровой
сотовой телефонии алгоритмов декодирования используются мягкие решения.
Рис. 1.13. Пример использования дополнительной информации с выхода
канала при декодировании с мягким (многоальтернативным) решением
Метод, основывающийся на М-уровневом квантовании - не единственный из
применяемых для улучшения качества декодирования. Существуют и другие
способы определения достоверности сигнала, основанные на декодировании с
мягким решением. Один из них - учет уровня мощности сигнала, переносящего
один бит информации.
1.4.2. Понятие избыточного кодирования
Как ранее упоминалось, для канального кодирования к информационной
последовательности добавляются биты, создающие информационную избы-
точность. Пусть кодируется ^-битная последовательность а. Предположим,
30
Системы подвижной радиосвязи
что источник информации может генерировать любую комбинацию битов в
/с-битном блоке. Таким образом, существует 2/l различных информационных
последовательностей. Добавляя к /<-битным информационным блокам и к
дополнительных битов, мы получим n-битные последовательности. Сущест-
вует всего 2" различных двоичных последовательностей длиной п, однако из
них выбираются только 21' последовательностей. Каждая из них представляет
собой одну из возможных информационных последовательностей а. Назовем
их кодовыми словами. Выбираются «-битные последовательности таким об-
разом, чтобы максимально отличаться друг от друга. Тогда, несмотря на воз-
можность ошибочного приема некоторых битов, декодер может с высокой
вероятностью сопоставить такую кодовую последовательность с принятой
последовательностью, отправленной передатчиком. Разница между двумя ко-
дированными последовательностями может быть измерена, исходя из числа
позиций, в которых биты любой пары кодовых последовательностей различны.
Это число называется расстоянием Хемминга между двумя последовательно-
стями. Можно доказать, что если двоичные ошибки возникают статистически
независимо друг от друга (это означает, что мы представляем канал симмет-
ричной двоичной моделью без памяти), то 2* кодовых слова длиной п следует
выбрать так, чтобы минимальное расстояние Хемминга между любой парой
из них, было бы максимально. Оптимальный декодер, работающий по прин-
ципу максимального правдоподобия, выделяет из 21' кодовых слов ту последо-
вательность, которая наиболее близка (в категориях расстояния Хемминга) к
переданной «-битной последовательности. Если минимум расстояния Хем-
минга dmm между кодирующими последовательностями максимизирован, то
кодирующая последовательность не может быть ошибочной более чем в
Z = [(t/min - 1) / 2] позициях13, и декодер, работающий по принципу максималь-
ного правдоподобия, может принять верное решение о принятой последова-
тельности.
Пусть на декодер с выхода канала поступают неквантованныс фрагменты
х, (/ = 1,..., и). Предположим, что отсчеты аддитивного шума являются гауссо-
выми и статистически независимыми. Можно доказать, что в случае модели
канала, изображенной на рис. 1.1 Зп и 1.12в, оптимальный декодер, определя-
ющий максимально правдоподобное кодовое слово, выберет кодирующую
последовательность с = (с,, с2,..., с„), которая наиболее близка (в категориях
расстояния Евклида) к принятой последовательности х = (х,, х2, ..., х„).
Другими словами, декодер выберет кодовое слово, которое удовлетворяет
критерию
min У (х, -с,)2.
С 76
(1.8)
13 [х] обозначает целую часть х.
Глава 1. Элементы теории иифровых систем связи
31
На практике, декодер работает не с истинными значениями отсчетов л;, а
с их квантованными представлениями. Более того, с точки зрения реализации,
намного проще вычислить расстояния между принятой последовательностью и
кодовым словом при помощи так называемого квазиоптимального способа - в
виде суммы модулей разностей между элементами обеих последовательностей,
т.е. декодер должен искать кодирующую последовательность с, удовлетворяю-
щую условию
min JJr,-с,|. (1.9)
с /=1
Декодер, использующий критерий (1.8), называется оптимальным декоде-
ром с мягким решением, работающим по принципу максимального правдоподо-
бия. На практике, при использовании критерия (1.9) вероятность возникновения
ошибок оказывается несколько выше.
Термин эффективность кодирования тесно связан с самим понятием коди-
рования. Для сравнения системы связи с канальным кодированием с системой
без оного, предположим, что в обеих системах передача последовательностей,
представляющих один и тот же A-битный информационный блок, производится
за одинаковый промежуток времени. Если в системе без кодирования энергия
одного бита равнаЕь, то в системе с кодированием она должна быть несколько
меньше за счет того, что требуется передать некоторое количество избыточных
битов. Таким образом, для /г-битной последовательности, представляющей
/с-битный информационный блок, энергия одного бита равна k/n Eh. Вероят-
ность ошибочного декодирования кодового слова является функцией отношения
энергии, приходящейся на один бит, к удельной мощности шума 7VU. Несмотря
Рис. 1.14. Иллюстрация эффективности кодирования
Показано влияние значения Eb/Nu на вероятность появления
ошибочного блока при использовании канального кодирования и без него
7-е кодированием; 2 - без кодирования
32
Системы поавижной ралиосвязи
на то, что энергия одного бита в системе с кодированием ниже, чем в системе
без кодирования, эффективность системы с кодированием оказывается более
высокой в том случае, когда отношение энергии, приходящейся на один бит, к
удельной мощности шума превышает определенное пороговое значение. Это по-
казано на рис. 1.14. С увеличением отношения Eh/N0 графики вероятностей
ошибочного распознавания блока в системах с кодированием и без кодирования
становятся все более параллельными и асимптотически сдвигаются относитель-
но друг друга на G дБ вдоль оси Eb/N0. Величина G называется асимптотиче-
ской эффективностью кодирования^.
1.4.3. Классификация кодов
Существует несколько критериев классификации канальных кодов. Первый
из них - функция, которую они выполняют. По этому признаку канальные коды
делятся на коды исправления ошибок и коды обнаружения ошибок. Разница меж-
ду этими двумя категориями объяснялась выше.
Второй критерий - это способ создания кодов. Как и в предыдущем подраз-
деле, представим, что двоичный информационный поток делится на А-битные
блоки а;, где j - номер блока. Если для каждого j кодовое слово с7 является функ-
цией исключительно текущего информационного блока а,, то такой код называ-
ется блочным кодом. Если кодовое слово с, является функцией текущего ин-
формационного блока а7 и нескольких предыдущих блоков а;_ь а7.т, • а, „ то
такой код называется сверточным кодом. С точки зрения теории логических
цепей кодер с блочным кодированием может быть реализован исключительно
на комбинаторных схемах (логических вентилях), в то время как кодер со свер-
точным кодированием является автоматом и требует наличия ячеек памяти.
Термин «сверточный код» возник благодаря тому, что двоичную последователь-
ность на выходе кодера можно считать дискретной сверткой входного двоично-
го потока с импульсным откликом кодера. Под понятием «импульсный отклик
кодера» подразумевается отклик кодера на одну «единицу», после которой сле-
дует поток «нулей».
Третий критерий классификации основан на количестве различных симво-
лов, из которых строятся кодовые слова. Символы, в основном, двоичные. Код, в
котором кодовые слова состоят из двоичных символов, называется двоичным ко-
дом. Все операции над элементами кодовых слов производятся на алгебраиче-
ском поле, состоящем из двух элементов - нуля и единицы. Таким образом, опе-
рация суммирования представляет собой сложение14 15 по модулю 2, а операция
перемножения - логическую конъюнкцию.
14 В ряде источников - выигрыш от кодирования (прим. ред.).
15 Напомним, что операцией по модулю Мназывается вычисление остатка от деления на М.
Глава 1. Элементы теории иифровых систем связи
33
В некоторых приложениях используются недвоичные коды. Первое число
или показатель его степени указывает количество различных символов, исполь-
зуемых для представления кодовых слов. Типичный пример применения недво-
ичных кодов - это исправление потока двоичных данных, искаженного пакетами
ошибок. Символы, составляющие кодовое слово недвоичного кода, выбираются
из набора цифр {0,..., (2'" - 1)}. Кодовое слово строится таким образом, чтобы со-
ставляющие его и следующие друг за другом символы представлялись м-битны-
ми блоками. В этом случае операция суммирования - сложение по модулю 2'", а
операция перемножения - конъюнкция по модулю 2'". Если размер пакета оши-
бок не превышает m битов, то будут искажены не более двух следующих друг за
другом недвоичных кодовых слов. То есть для того, чтобы исправить все пакеты
ошибок длиной m битов, достаточно применить недвоичный код, способный ис-
править, по крайней мере, два ошибочных символа.
Еще один критерий классификации лежит в основе подразделения кодов на
систематические и несистематические. При систематическом кодировании
информационные блоки представляются в явном виде, и за каждым блоком сле-
дует бит четности. При несистематическом кодировании кодовое слово выража-
ется суммой информационных символов, рассчитанной в соответствии с вы-
бранным правилом кодирования, то есть информационные блоки представляют-
ся в неявном виде.
1.4.4. Блочные коды и их полиномиальное описание
Существует несколько способов описания блочных16 кодов. Проще всего -
записать алгебраические уравнения для битов четности. Например, выражение
(л,, а2, а3, а4, (at + а2 +п3), (а} + а2 +п4), (ai + а3 +а4)) (ЕЮ)
описывает блочный код с длиной кодового слова п = 7 и количеством информа-
ционных битов к = 4. Условно обозначим этот код (7,4). Символ «+» обозначает
сложение по модулю 2. Из выражения (ЕЮ) видно, что первые четыре бита - не-
зависимые, в то время как каждый из оставшихся трех избыточных битов пред-
ставляет собой сумму выбранной комбинации независимых битов. Эти избыточ-
ные биты называются битами четности. Если обозначить биты четности как
а5 =(at +а2 + п3), а6 =(ai +а2 +а4), а2 =(ai + а3 + а4), (1.11)
то прямым следствием операции сложения по модулю 2 станет набор уравнений
а5 +«] +а2 +а3 =0, а6 +«] +а2 +а4 =0, а2 +«, +а3 +а4 =0, (Е12)
которые называются уравнениями четности. Декодер проверяет, удовлетворяют
ли элементы полученного блока этим уравнениям, и принимает решение о том,
Другой вариант термина - блоковый код (прим. ред.).
34
Системы подвижной радиосвязи
является ли этот блок кодовым словом. Приведенный метод эффективен только
для описания блочных кодов с короткими кодовыми словами.
На практике, в случае больших п и А, значительно удобнее записать метод ге-
нерации кодовых слов в полиномиальном представлении. Это возможно для
класса, так называемых, полиномиальных кодов. В этих кодах каждое кодовое
слово представляется полиномом, коэффициентами которого являются элемен-
ты кодового слова. Строго говоря, полином
с(х) = си_1х"'1 + с„_2х""2 + ...+с|л+с0 (1.13)
описывает кодовое слово (с„_,, с„_, с0). В двоичных кодах из всех 2" воз-
можных n-блоков (или, что то же самое, из различных полиномов степени не бо-
лее п - 1) в состав кода (п, А) входят только те кодовые слова, чьи полиномы де-
лятся на один и тот же определенный полином g(x) степени п - к, который назы-
вается порождающим полиномом|7. Деление полиномов производится стандарт-
ным образом. С учетом того, что коэффициенты полиномов принимают значения
О или 1, операция суммирования представляет собой сложение по модулю 2, а
операция перемножения-логическую конъюнкцию. Полином каждого кодового
слова кратен порождающему полиному g(x). Тогда оно может быть представлено
в виде произведения двух многочленов
c(x)=n(x)g(x), (1.14)
где g(x) - порождающий полином степени п - к, а степень а(х) не превышает к - 1.
Вид полинома п(х) зависит от информационных битов. Часто к информационных
битов размещаются в начале кодового слова. Это позволяет считать рассматрива-
емый код систематическим. Последовательность к информационных битов мож-
но представить в следующем полиномиальном виде
Ь(х) = Ьк_рск~' + bk_2xk~2 + ... + b]x + b0. (1.15)
Для того, чтобы создать кодовое слово с информационными битами
(fet_, > Ьк-7 > ’ > Ьо ), полином Ь(х) необходимо умножить на х"~к. Остается вы-
числить остальные п-к битов. Это эквивалентно отысканию такого полинома
р(х) степени не более п-к - 1, чтобы после суммирования с ним результат делил-
ся бы на порождающий полином g(x). Другими словами,
с(х) = х"~к fe(x) + р(х) = п(а) g(x). (116)
После сложения по модулю 2 полинома р(х) с обеими частями выражения
(1.16) получаем
х"~к b(x) = а(х) g(x) + p(x). (1.17)
Другое название - производящий полином (прим. ред.).
Глава 1. Элементы теории цифровых систем связи
35
Можно отметить, что полином р(х), степень которого ниже степени g(x).
представляет собой остаток от деления полинома х"~к Ь(х) на полином g(x). Учи-
тывая, что вычисление остатка от деления на полином g(x) может быть представ-
лено в виде операции по модулю g(x), получаем
р(х) = [х"~* fe(x)] mod g(x). (1.18)
Остаток от деления полинома кодового слова на порождающий полином ра-
вен нулю, иными словами,
c(x)modg(x) = 0. (1.19)
Заметим, что для данного полинома проверка деления на g(x) применяется,
если он описывает кодовое слово. Такой подход используется во многих детекто-
рах блочных кодов для обнаружения и коррекции ошибок в кодовых словах.
Важную роль играет подкласс полиномиальных кодов, называемый цикли-
ческими кодами. Характерная особенность этих кодов выражена в том, что если
последовательность (с(, с2,..., с„) - кодовое слово, то последовательность
(с„, с,, с2,..., с„_|) также является кодовым словом. Можно доказать, что порож-
дающий полином циклических кодов - это делимое полинома хп - I. На практи-
ке п = 2”' - 1. Среди циклических кодов особенно важное значение имеют коды
БЧХ 8 (англ. ВСН). При использовании этих кодов можно производить корректи-
ровку более чем одной ошибки, а минимальное расстояние между кодовыми сло-
вами длиной п в коде БЧХ больше, чем минимальное расстояние между кодовы-
ми словами той же длины в других кодах. Подробное рассмотрение этих кодов
выходит за рамки настоящего раздела. Читателя, интересующегося теорией ко-
дирования, мы отправляем к специализированной литературе, в частности [10] и
[11]. На страницах настоящего раздела мы покажем только общую идею кодов
БЧХ. Для этого нам понадобится ввести некоторые алгебраические понятия.
До настоящего момента в операциях над полиномиальными коэффициента-
ми участвовали только значения «0» и «1». Этот набор цифр с определенными
операциями сложения и умножения образует алгебраическую структуру, назы-
ваемую конечным полем, или полем Галуа, GF(2). Можно доказать, что конечное
поле существует для любого набора {0,1, ...,р-1], гаер -простое число. В этом
случае операции сложения и умножения представляют собой сложение и умно-
жение по модулю р.
Рассмотрим полиномиальное описание кодовых слов при р = 2. Мы знаем,
что каждый полином может быть представлен в виде произведения полиномов с
меньшими степенями. Если разложение полинома имеет вид
/(x) = (x-P,)(x-(32)...(x-₽J, (1.20) 18
18 Название кода БЧХ составлено из первых букв фамилий изобретателей кода: Боуза,
Чоудхури и Хоквенгема (англ. Bose-Chaudhuri-Hocquenghem code).
36
Системы подвижной радиосвязи
то величиныPj,P2, ...,РА. являются корнями полинома / (л). Однако, как это про-
исходит в полиномиальной алгебре на множестве вещественных чисел, корни
полинома не всегда принадлежат тому же самому множеству, которому принад-
лежат его коэффициенты19. Некоторые из них принадлежат надполю GF{p"‘),
количество элементов которого определяется степенью простого числа. Элемен-
тами поля GF(pm) являются все возможные полиномы степени меньше т. Они
составляют множество всех возможных остатков от деления полиномов на опре-
деленный неприводимый полиномр(х) степени т. Неприводимые полиномы ана-
логичны простым числам и сведены в таблицу. Операции сложения и умножения
на поле GF(p"‘) производятся над полиномами по модулю р(х). Это означает, что
результат сложения двух полиномов на поле GF(p"‘) представляет собой остаток
от деления их суммы на р(х). В каждом надполе существует элемент, который
обозначается а и называется порождающим, или примитивным элементом, т.е.
таким, что каждый ненулевой элемент можно представить в виде его степени.
Следовательно, каждый элементР, (г = 1,..., /<) в выражении (1.20) представляет-
ся в виде определенной степени а.
Напомним, что полиномиальные коды определяются порождающим поли-
номом g(x). Поскольку порождающий многочлен степени п - к полиномиального
кода (и, /с) можно представить в виде
g(x)=(%-pi)(x-p,)...(x-P„_A), (1.21)
то он эквивалентно определяется набором корней {Р,, Р2,..., Р„_А.}. Так как поли-
ном каждого кодового слова делится на порождающий полином, то у него есть
множество корней с подмножеством {Р,,Р2, ...,Р„_А }. Вместо явного определения
через порождающий полином некоторые коды описываются набором корней
полинома g(x). К этим кодам и относятся коды БЧХ. Существует следующее фор-
мальное определение кодов БЧХ:
Определение 1. Корректирующий t ошибок код БЧХ (п, к) с кодовыми сим-
волами, принадлежащими полю GF(p), является блочным кодом длиной п с кор-
нями порождающего полинома g(x) Р"‘Л, Р"'о+/, ..., Р"!°+2‘ . Р принадлежит полю
GF(pm). Если ft- порождающий элемент а поля GF(pm), то длина кодовых слов
равна п — р"' — 1. В противном случае п удовлетворяет условию^" =1 на поле
GF(pm). Параметр то выбирается при синтезе кода БЧХ.
Особенно важную роль играет подкласс кодов БЧХ с т = /»(| = 1. Такие коды
называются кодами Рида-Соломона (англ. Reed-Solomon). Они определены на
поле GF(p); длина блока составляет п =р - 1; корни порождающего полинома -а,
а2,..., а2', т.е. порождающий полином задается выражением
19 Корнями полинома с вещественными коэффициентами могут быть комплексные чис-
ла (прим. ред.).
Глава 7. Элементы теории иифровых систем связи
37
g(x) = (.v-a)(.v-a’)...(x-a:!'), (1.22)
где t - число ошибочных символов, которые можно исправить.
Эти коды недвоичны, поскольку р, очевидно, больше 2 и является степенью
простого числа. Таким образом, код Рида-Соломона задан на надполе. Обычно
р = 2m. Это означает, что код оперирует 2"'-ичными символами. Каждый символ
представлен m-битным блоком, т.е. код способен исправлять пакеты ошибок.
По этой причине они широко используются в двухуровневых системах конкате-
национного кодирования, которые будут описаны ниже в этом разделе.
Мы уже упоминали, что коды могут использоваться как для исправления
ошибок, так и для их обнаружения. Представим, что при передаче п битов кодо-
вого слова с некоторые биты были переданы с ошибками, и вместо последова-
тельности с была принята последовательность г. Эту последовательнос ть можно
рассматривать как результат сложения по модулю 2 кодового слова с и неизвест-
ной ошибочной последовательности е, т.е. г = с + е. В полиномиальном представ-
лении мы получим г(х) = с(х) + е(х). Проверка, является ли г(х) кодовым поли-
номом, выглядит следующим образом
5(x) = r(x)modg(x) = [c(x)+e(x)]modg(x) = ц 23^
= с(х) mod g(x) + е(х) mod g(x) = е(х) mod g(x).
Обозначаемый л(х) остаток от деления г(х) на g(x) называется синдромом и,
как видно из равенства (1.23), определяется только полиномом ошибки е(х).
Выражение (1.23) является следствием следующих фактов:
• вычисление остатка от деления суммы двух полиномов на третий являет-
ся дизъюнктивной функцией;
• остаток от деления полинома кодового слова на порождающий полином
равен нулю (см. (1.19)).
В основе идеи декодирования часто лежит вычисление синдрома s(x) и опре-
деление е(х) на основе л(х). Последний этап наиболее сложен и требователен к
таким ресурсам декодера, как объем памяти, вычислительная мощность и т.д.
После нахождения полинома ошибки е(х) производится его сложение с по-
линомом г(х). Эта сумма представляет собой наиболее вероятный полином пере-
данного кодового слова.
В основе работы системы обнаружения ошибок с блочным кодированием
лежит вычисление кодером битов четности согласно выражению (1.18). Декодер
проверяет, делится ли полином г(х), описывающий последовательность г, на по-
рождающий полином g(x). Другими словами, он проверяет равенство нулю синд-
рома л(л') =r(x)mod g(x). Биты четности вычисляются описанным выше спосо-
бом. Их часто называют битами контроля с помощью циклического избыточного
кода (англ. Cycling Redundancy Check - CRC). На рис. 1.15 изображен пример це-
пи с вычислением CRC-битов (рис. 1.15а) и цепи с вычислением синдрома л(х)
(рис. 1.156). Обратим внимание на то, что конфигурация обеих цепей зависит
38
Системы подвижной радиосвязи
только от вида порождающего полинома и нс зависит от длины кодовых слов.
Следовательно, этот метод обнаружения ошибок может быть использован для
обработки очень длинных последовательностей. Заметим, что символ «+» на
рис. 1.15 обозначает сложение по модулю 2.
Рис. 1.15. Пример построения кодера и декодера с обнаружением ошибок
на основе кода, порождаемого полиномом g(x) = х8 + х' + хь + х4 +1
Кодер блочного кода (/7, к) работает следующим образом. Предполагается, что
перед началом работы во всех ячейках памяти содержатся только нули. На протя-
жении первых к тактов переключатели Р, и Р2 находятся в первом положении; та-
ким образом, информационные биты передаются прямо на выход и вход цепи,
производящей деление на g(x). Можно убедиться в том, что после к тактов коэффи-
циенты полинома g(x) находятся в ячейках памяти цепи, реализующей выражение
(1.18). Затем переключатели меняют положение. Обратная связь с цепью деления
nag(x) прерывается и содержимое ячеек памяти постепенно передается на выход.
Для обнаружения ошибок декодер блочного кода (л, /<) делит принятую по-
следовательность, представленную полиномом г(х), на порождающий много-
член g(x). После и тактов ячейки памяти этого устройства содержат коэффициен-
ты синдрома. Если принятая последовательность является кодовым словом, то в
памяти будут находиться только нули. Любое ненулевое содержимое сигнализи-
рует о том, что принятый двоичный блок был поврежден. Это событие распозна-
ется логической цепью. Она возвращает логическую единицу, если последова-
тельность представляет собой кодовое слово. В противном случае на выход
выдается логический ноль.
Можно легко показать [9], что подобное обнаружение ошибок представляет
собой очень надежный метод обнаружения пакетов ошибок с любой длиной Ь.
Глава 1. Элементы теории иифровых систем связи
39
Пакет ошибок длиной b - это последовательность ошибок, начинающаяся и за-
канчивающаяся логической единицей и содержащая произвольную комбинацию
нулей и единиц между ними. Можно доказать, что если порядок порождающего
полинома g(x) равен и - к, то будут обнаружены все пакеты ошибок длиной не бо-
лее и - к, а доля необнаруженных пакетов ошибок длиной более п - к среди всех
возможных пакетов ошибок будет составлять Как правило, длина
CRC-блока составляет 16 или 32 бита, и доля необнаруженных пакетов ошибок
среди всех пакетов ошибок длиной более 16 битов (или 32 битов) составляет 2 111
(или 2”32), что очень немного.
1.4.5. Обнаружение ошибок в блочном
кодировании - технология ARQ
Передача информационных последовательностей, дополненных
CRC-блоками для обнаружения ошибок, часто применяется в системах пере-
дачи данных, включая системы подвижной связи. В этом случае необходимо
создать канал обратной связи, по которому будет передаваться информация о
том, был переданный информационный блок принят или отвергнут. Если та-
кой канал не может быть реализован (например, из-за чрезмерных задержек в
сети), то остается единственный способ увеличения производительности пе-
редачи данных - применение достаточно строгой упреждающей коррекции
ошибок (FEC).
Рис. 1.16. Система передачи данных с повтором блоков
и каналом обратной связи
На рис. 1.16 представлена схема передачи данных при использовании канала
обратной связи. Основной поток данных передается с передатчика на прием-
ник”0 по основному каналу. К каждому блоку данных а7 добавляется CRC-блок.
Вместе они составляют кодовое слово с;. В приемнике вычисляется синдром
принятой последовательности iy В случае, если синдром равен нулю, приемник
посылает короткий блок с уведомлением об успешном приеме блока данных. 20
20 Под термином приемник -звесъ рассматривается приемопередающее устройство, на
которое передаются данные по основному (прямому) каналу (прим. ред.).
40
Системы подвижной радиосвязи
Это уведомление обычно обозначается АСК («подтвержден», англ Acknowled-
ged). В случае ненулевого синдрома, приемник посылает на передатчик сообще-
ние NAK («не подтвержден», англ. Not-Acknowledged). Тогда блок, прием кото-
рого был не подтвержден, передается на приемник повторно. Процедура обмена
информационными блоками производится автоматически и часто обозначается
ARQ (автоматический запрос на повторение, англ. Automatic-Repeat-Request).
Как правило, время, затрачиваемое на передачу блока данных по технологии
ARQ, случайно; оно зависит от числа повторов и способа организации обмена
информационными блоками. Зато качество переданных и подтвержденных бло-
ков данных является стабильно высоким по сравнению с качеством передачи по
схеме с FEC-кодированием. В случае FEC-кодирования, качество принятых дан-
ных варьируется, поскольку при превышении способностей декодера к коррек-
тировке ошибок он начинает выдавать ошибочные блоки. В любом случае, во из-
бежание перегрузок данные передаются с постоянными перерывами, что весьма
существенно для большинства приложений. Разработчик системы сам выбирает,
какое решение подходит ему более других.
Рис. 1.17. Примеры основных способов реализации ARQ
Глава 1. Элементы теории иифровых систем связи
41
Существует множество способов ARQ, отличающихся сложностью постро-
ения цепи и эффективностью передачи сопутствующих данных. Их можно раз-
делить на три группы [11] (рис. 1.17):
• старт-стопный, или передача с остановкой и ожиданием (ARQ с ожида-
нием, англ. SAW - stop-and-wait, рис. 1.17а);
• непрерывная передача ARQ с возвратом на N кадров (англ. GBN -
go-back-N, рис. 1.176);
• непрерывная передача ARQ с выборочным (селективным) повтором
(англ. SR - selective repeat, рис. 1.17в).
Первый тип стратегии ARQ прост в реализации, однако предполагает низ-
кую загрузку канала связи. Он подходит для коротких соединений со средними
скоростями передачи данных. Передатчик отсылает блок данных и ждет его под-
тверждения. Если приемник на основе CRC-блока и вычисления синдрома при-
нимает решение о том, что принятая последовательность является кодовым сло-
вом, то он отправляет сообщение АСК. Тогда передатчик посылает следующий
блок данных. В случае ошибочного приема блока данных на передатчик посыла-
ется сообщение NAK, и он повторяет передачу последнего блока данных. По-
вторная передача может происходить несколько раз. Если некоторое количество
повторных попыток передачи окажется неудачным, то соединение признается
ненадежным. Иными словами, канал связи не загружен в промежутках между
передачами следующих друг за другом блоками данных, что приводит к низкой
эффективности его использования. Эффективность использования канала можез
быть увеличена путем удлинения блока данных, однако в таком случае увеличит-
ся вероятность возникновения ошибок и, как следствие, частота повторной пере-
дачи блока. Тем не менее, передача с остановкой и ожиданием применяется в
широко распространенном протоколе двоичной синхронной передачи данных
(англ. Binary Synchronous Control, bisync), разработанном компанией IBM.
Передатчик с непрерывной ARQ-передачей и возвратом на N кадров посы-
лает блоки данных непрерывно. Он не ждет получения сообщения АСК. Однако
переданные блоки данных хранятся в буфере до получения подтверждения об их
приеме. Объем буфера зависит от размера блоков данных и предполагаемой
максимальной задержки, связанной с подтверждением приема. После получения
сообщения NAK передатчик снова посылает всю последовательность блоков
данных, начиная с поврежденного блока. При использовании такой стратегии у
приемника отпадает необходимость в буфере. Все блоки, следующие после по-
врежденного, считаются ошибочными до тех пор, пока не придет подтвержде-
ние успешного приема первого поврежденного блока. Такая процедура исполь-
зуется в другом известном протоколе передачи данных, называемом синхронным
управлением передачей данных (англ. Synchronous Data Link Control - SDLC).
Низкая эффективность этого способа передачи сказывается при больших циклах
задержки и высоких скоростях передачи данных и является следствием необхо-
42
Системы подвижной радиосвязи
димости повторно посылать неискаженные блоки данных, которым предшество-
вал один поврежденный блок.
В методе непрерывной ARQ-передачи с выборочным повтором этот недо-
статок устранен. Повторяются только те блоки данных, которые были поврежде-
ны в ходе передачи. Поскольку к конечному пользователю информационные
блоки должны приходить в правильном порядке, необходимо наличие буфера
как в передатчике, так и в приемнике. В буфере приемника блоки переставляют-
ся в таком порядке, чтобы образовалась изначальная последовательность дан-
ных. Обратим внимание на то, что в этом случае блоки данных должны иметь но-
мера. Это позволит расставлять их в требуемом порядке.
Более подробные сведения о процедурах ARQ можно найти в [11 ] и [19].
1.4.6. Сверточные коды
Сверточные коды представляют собой очень важный класс кодов с коррек-
цией ошибок. Они все чаще используются в цифровых системах связи. Одно из
их основных преимуществ - это простота процедуры кодирования и хорошо
известные технологии декодирования как с мягким, так и с жестким решением.
В терминах теории логических цепей кодер сверточных кодов (далее - сверточный
кодер) представляет собой автомат. Он обладает определенным числом состоя-
ний, в которые переходит в зависимости от входных информационных битов,
рассматривающихся в качестве управляющих сигналов. Выходной сигнал, пред-
Рис. 1.18. Пример сверточного кодера (а), соответствующая решетчатая
диаграмма (б) и путь на решетчатой диаграмме, соответствующий входной
последовательности 0101101101 (в)
Глава 1. Элементы теории цифровых систем связи
43
ставляющий собой кодовое слово, - результат перехода кодера из текущего со-
стояния в соседнее.
Рассмотрим простой пример сверточного кодера, изображенный на рис. 1.18.
Кодер имеет две ячейки памяти. Выходной сигнал кодера представляет собой
результат сложения по модулю 2 входного бита и выбранных битов, содержа-
щихся в ячейках памяти. Переключатель периодически посылает биты с после-
довательных выходов логических цепей прямо на выход кодера. Каждый из ло-
гических выходов выбирается в каждой трети входного цикла.
Стандартный способ описания автомата - это построение диаграммы со-
стояний. Состояние кодера определяется содержимым ячеек памяти. В случае
сверточных кодов, наиболее удобно описывать работу кодера при помощи ре-
шетчатой диаграммы (англ, trellis diagram}. Эта разновидность диаграмм
описывает возможные переходы кодера из состояний в и-й момент времени в со-
стояния в п + 1-й момент. Блоки битов на выходе, соответствующие конкретным
переходам между состояниями, изображены над линиями со стрелками, симво-
лизирующими эти переходы. Возбуждения, служащие причинами перехода меж-
ду состояниями, изображены непрерывными линиями в случае нулевого входно-
го сигнала и прерывистыми линиями в случае входного сигнала, равного логиче-
ской единице. Обратим внимание на то, что в рассматриваемом кодере со свер-
точным кодом каждому биту на входе соответствуют три бита на выходе, т.е. для
данного кода коэффициент кодирования21 составляет R = к/н = 1/3. На рис. 1.186
изображены все возможные переходы между состояниями в п-й момент. Можно
легко представить всю цепочку переходов, начиная с исходного момента време-
ни и заканчивая текущим. Таким образом, работа кодера может быть представле-
на блужданием между последовательными состояниями по определенному пути
на решетчатой диаграмме. Нам известно, что переходы между состояниями
определяются состоянием кодера и входным сигналом возбуждения. Заметим,
что если декодеру известно о состоянии кодера в нулевой момент (которое обыч-
но характеризуется нулями во всех ячейках памяти), то определение последова-
тельности информационных символов сводится к определению пути кодера на
решетчатой диаграмме в ходе процесса кодирования. Следовательно, в основе
алгоритма декодирования лежит нахождение наиболее вероятного пути кодера
на решетчатой диаграмме.
Существуют приложения, которым не подходят сверточные коды со скоро-
стью кодирования типа/? = 1/п. Им требуется, к примеру, скорость кодирования
4/5 или 2/3. Один из способов достижения этой цели - это выброс некоторых би-
тов, называемый перфорированием (англ, puncturing'). Такие коды называют со-
21 Англ, coding rate в русском языке имеет варианты перевода, сходные по смыслу ко-
эффициент кодирования, скорость кодирования и степень кодирования. Все они ха-
рактеризуют меру избыточности, вносимую кодом, т.е. относительную долю инфор-
мации, приходящуюся на один информационный символ. Мы будем использовать два
первых варианта перевода (прим. ред.).
44
Системы подвижной радиосвязи
вмесптмыми по скорости перфорированными сверточными кодами (англ Rale
Compatible Punctured Convolutional Codes. RCPC). На рис. 1.19 изображен при-
мер генерации RCPC-кода с коэффициентом кодирования R = 4/5. Закодирован-
ные сверточным кодом биты посылаются на выход с учетом так называемой
таблицы перфорирования. В изображенном на рис. 1.19 кодере используется
таблица следующего вида:
1110
10 0 1
(1.24)
Она показывает, что из четырех пар выходных битов кодера выбираются второй
и третий бит нижней строки и четвертый бит верхней строки.
/(х)
1, о, о, 1, 1
Рис. 1.19. RCPC-кодер со скоростью кодирования R - 4/5
Как и в случае декодера с блочными кодами, оптимальный в терминах мак-
симального правдоподобия декодер сверточных кодов выбирает наиболее близ-
кое к принимаемой последовательности кодовое слово. В декодировании с жест-
ким решением используется расстояние Хемминга. В декодировании с мягким
решением используется Евклидово расстояние. Как уже упоминалось, очень ча-
сто используются субоптимальные меры расстояния, позволяющие упростить
реализацию декодера.
Эффективный метод выбора декодированного кодового слова предложил в
1967 г. Эндрю Витерби [12] (Andrew Viterbi). Алгоритм Витерби ищет оптималь-
ную кодовую последовательность, которая ассоциируется с «кратчайшим» пу-
тем (в терминах выбранной меры расстояния) на решетчатой диаграмме. Этот
путь выбирается при помощи продолжения путей, начинающихся из известно-
го начального состояния, до каждого допустимого в текущий (zz-й) момент состо-
яния в решетке. Каждому переходу между состояниями на решетчатой диаграм-
ме ставится в соответствие определенная величина - расстояние между кодо-
вой последовательностью, соответствующей данному переходу, и принятой
последовательностью. Ключевой момент алгоритма заключается в том, что путь
в z-e состояние в п-1л момент состоит из перехода из одного из возможных в (п - 1 )-й
момент состояния (например, /с-го), из которого достижимо z-e состояние, и из
Глава 1. Элементы теории цифровых систем связи
45
кратчайшего пути к к-му состоянию в (п - 1)-й момент. Таким образом, выбор
кратчайшего пути к каждому состоянию представляет собой рекурсивную про-
цедуру - кратчайший путь определяется с учетом результатов поиска в преды-
дущий момент. В случае окончания кодовой последовательности, алгоритм
принимает решение о переданной кодовой последовательности, прослеживая
путь к состоянию, для которого мера расстояния минимальна. Иногда (как, на-
пример, в системе GSM) информационная последовательность дополняется не-
сколькими известными информационными символами, т.е. нулями. Так декодер
узнает номер конечного состояния или подмножество состояний, в которых мо-
жет закончиться путь на решетчатой диаграмме. Эта информация используется
при выборе кодовой последовательности декодером.
При непрерывной передаче данных необходимо принимать решения с ко-
нечной временной задержкой. Это становится возможным благодаря тому, что с
вероятностью, близкой к единице, кратчайшие пути к каждому состоянию содер-
жат общий маршрут вплоть до временного интервала, на D предшествующего
текущему. Это означает, что с начального момента и до (и - £>)-го временного ин-
тервала маршруты совпадают независимо от того, какое состояние в п-й момент
имеет минимальную меру расстояния (кратчайший путь). Следовательно, деко-
дер способен генерировать конечное решение о переданных символах с задерж-
кой, по крайней мере, на D шагов.
На рис. 1.20 приведен пример кратчайшего пути к каждому состоянию на ре-
шетчатой диаграмме для кодера, представленного на рис. 1.18, и конкретной
принятой последовательности. Для иллюстрации использована кодовая после-
довательность с рис. 1.18в, искаженная пятью двоичными ошибками. Значение
минимального расстояния до каждого состояния в данный момент указано над
этим состоянием. Имеется в виду расстояние Хемминга между принятой двоич-
ной последовательностью и кодовой последовательностью, соответствующей
кратчайшему пути в указанное состояние. На рис. 1.20в маршрут, соответствую-
щий кратчайшему расстоянию, обрамлен двойной линией. Это тот самый марш-
рут, который был бы выбран декодером, если бы ему пришлось принимать реше-
ние о переданной двоичной последовательности в данный момент. Обратим
внимание на то, что выбранный декодером путь совпадает с путем на рис. 1.18е,
т.е. декодер исправил в принятой последовательности вес ошибки.
Кроме алгоритма Витерби существуют другие методы декодирования свер-
точных кодов, например, алгоритм Фано (Fano), или алгебраическое декодиро-
вание. Однако алгоритм Витерби имеет огромное практическое значение - бла-
годаря ему сверточные коды стали доступными с точки зрения практической
реализации. Он используется в основных системах подвижной связи второго и
третьего поколения, таких, как GSM, IS-54/136, IS-95, UMTS и cdma2000.
В алгоритме Витерби, определяющем кодовую последовательность на осно-
ве минимального расстояния до принятой последовательности, используется
предположение о статистической независимости ошибок передачи. Другими
словами, реальный канал передачи моделируется каналом без памяти. В систе-
мах подвижной связи это предположение часто не соответствует действительно-
46
Системы подвижной радиосвязи
Рис. 1.20. Иллюстрация поиска кратчайшего пути к каждому состоянию
в п-й момент: после двух (а), пяти (б) и десяти тактов (в)
сти из-за свойств канала. Ошибки возникают пакетами, и это существенно сни-
жает производительность алгоритма Витерби. Решение этой проблемы лежит в
применении перемежения.
1.4.7. Рассеяние ошибок - использование перемежения
Использование перемежения в передатчике на выходе из FEC-кодера и де-
перемежения в приемнике перед декодером увеличивает производительность
большинства алгоритмов декодирования блочных и сверточных кодов. Смысл
перемежения заключается в том, что идущие друг за другом биты кодовой после-
довательности передаются по каналу не в том порядке, в котором они были сге-
нерированы. Такая модифицированная последовательность может быть искаже-
на пакетами ошибок, обусловленными особенностями передачи данных в канале
подвижной связи. В приемнике принятые биты переставляются; таким образом,
в случае появления ошибок, исходная кодовая последовательность может быть
восстановлена. Как мы видим, операции перемежения и деперемежения компле-
Глава 1. Элементы теории иифровых систем связи
47
ментарны друг другу. На практике деперемежение выделяет пакеты ошибок и
рассеивает их по всему обрабатываемому блоку. Таким образом, на выходе из де-
перемежителя ошибки становятся статистически квазинезависимыми. Переме-
жители делятся на две основные категории: блочные и сверточные.
В блочном перемежителе биты с выхода кодера записываются в виде дву-
мерной матрицы в заранее определенном порядке. Самый простой способ - за-
писать биты в виде последовательных строк. После заполнения всей матрицы
входными битами начинается фаза считывания. При этом биты считываются из
матрицы в порядке, отличном от порядка записи. Обычно считывание произво-
дится по последовательным столбцам. В приемнике входящие биты сохраняют-
ся в точно такой же двумерной матрице в том порядке, в котором они были счита-
ны в передатчике. По заполнении матрицы принятыми битами они считываются
в том же порядке, в котором были записаны в матрицу перемежителя. Запись по
строкам и считывание по столбцам - простейший способ рассеяния пакетов
ошибок. Можно определить иную последовательность записи и считывания в
перемежителе и деперемежителе. Оба процесса должны быть комплементарны
друг другу. Последовательность адресов и размер матрицы, определяющие так
называемую глубину перемежения, должны быть подобраны таким образом,
чтобы возникающие в канале пакеты ошибок после рассеивания выглядели слу-
чайными. На рис. 1.21 изображена простейшая схема перемежения с записью по
строкам и считыванием по столбцам в передатчике.
Направление записи
Перемежение
Пакетные
ошибки
Направление
считывания
Направление записи
Деперемежение
Рис. 1.21. Пример блочного перемежения и деперемежения
Обратим внимание на ключевую роль синхронизации для корректной рабо-
ты перемежителя и деперемежителя. Если временные рамки считывания пере-
датчика и приемника будут сдвинуты относительно друг друга, то порядок битов
на выходе из деперемежителя не даст приемлемых результатов. Поэтому переда-
ваемая последовательность часто начинается с короткого синхронизирующего
слова. Поскольку запись в матрицу и чтение из нее производятся одновременно,
количество матриц удваивается. Одна из них используется для хранения вход-
ных данных, тогда как вторая находится в фазе считывания данных, записанных
48
Системы подвижной радиосвязи
в нее в предыдущей фазе ранее. После завершения цикла записи/считывания
матрицы меняются своими функциями.
Как упоминалось ранее, существует второй способ рассеяния пакетов оши-
бок- сверточный перемежитель. Схема его работы изображена на рис. 1.22.
Рис. 1.22. Обобщенная схема сверточного перемежения и деперемежения
Двоичная последовательность побитно подается коммутатором на входы В
параллельных регистров. При этом z-й регистр (i = 1,..., В) задерживает входные
биты на (i - 1)М циклов. Выходные задержанные сигналы каждого регистра по-
следовательно подаются на выход перемежителя через второй коммутатор. Де-
перемежитель работает точно так же, как и перемежитель. Единственное отли-
чие заключается в том, что блоки распределяются по регистрам по уменьшению
длительности задержки, т.е. верхний регистр задерживает последовательность
на (В-циклов, а нижний не задерживает ее совсем. Как и в случае с блочным
перемежением, огромное значение имеет синхронная работа коммутаторов пе-
ремежителя и деперемежителя. При этом общая задержка, вносимая каскадом
каждого параллельного уровня перемежителя и деперемежителя, оказывается
постоянной и составляет (В - 1)Л/циклов.
Как упоминалось ранее, качество рассеяния ошибок зависит от глубины пе-
ремежения. Однако необходимо отметить, что пара перемежитель/деперемежи-
тель вносит существенную задержку, величина которой в некоторых системах
связи жестко ограничена.
1.4.8. Понятие каскадного кодирования
Передача оцифрованного речевого сигнала по каналам подвижной связи
предъявляет не слишком строгие требования к вероятности появления ошибоч-
ных битов (англ. Bit Error Rate - BER), которым в большинстве своем удовлетво-
ряют методы сверточного кодирования и перемежения. Однако другие приложе-
ния, такие, как передача данных и мультимедийной информации, требуют намно-
го меньшей частоты появления ошибок, чем передача речевого сигнала. Один из
Глава 1. Элементы теории иифровых систем связи
49
способов достижения очень низких частот появления ошибочных битов - это
применение каскадного кодирования.
Идея каскадного кодирования была представлена Форни (Forney) [22] в 1966 г.
(рис. 1.23). Канальное кодирование в передатчике реализуется двумя кодерами.
Первый называют кодером внешнего кода или внешним кодером. Пусть коэффи-
циент кодирования равен R = К/N, где К - это количество информационных би-
тов, a N- длина кодового слова. Кодер внутреннего кода, (или внутренний кодер)
с коэффициентом кодирования г = k/п рассматривает поступающие кодовые сло-
ва в качестве набора информационных битов. Можно легко показать, что сум-
марный коэффициент кодирования равен rR = кК/nN. В приемнике поток данных
с выхода канала становится объектом декодирования в декодере внутреннего ко-
да (внутреннем декодере), а информационные биты с его выхода отправляются
на вход декодера внешнего кода (внешнего декодера). Было разработано несколь-
ко различных реализаций внутренних и внешних кодов. Во многих приложениях
роль внутреннего кода играет сверточный код, а в качестве внешнего кода исполь-
зуется недвоичный код Рида-Соломона. Задача внутреннего кода - исправить как
можно больше ошибок, обусловленных каналом передачи данных. Однако некото-
рые комбинации ошибок не могут быть исправлены и приводят к появлению паке-
тов ошибок на выходе декодера сверточного кода. Тогда оставшиеся пакегы оши-
бок исправляет декодер внешнего кода.
R=K/N r=k/n
Рис. 1.23. Принцип каскадного кодирования
Конфигурацию, состоящую из кода Рида-Соломона в качестве внешнего
кода и сверточного кода в качестве внутреннего кода, часто называют классиче-
ской. Также широко распространена другая схема каскадного кодирования с дву-
мя параллельными сверточными кодами с перемежителем между внутренним и
внешним кодером. Эта схема называется турбо-кодированием и рассматривает-
ся в следующем подразделе.
1.4.9. Принцип турбо-кодирования
Идея турбо-кодирования впервые была представлена в 1993 г. [23]. Пример
кодера турбо-кода (турбо-кодер) изображен (см. рис. 1.24), а соответствующий
ему декодер турбо-кода (турбо-декодер) - на рис. 1.25. Турбо-кодер на рис. 1.24
состоит из двух кодеров рекурсивного систематического кода (англ. Recursive
Systematic Code - RSC), перемежителя и устройства уплотнения и перфорирова-
50
Системы подвижной радиосвязи
ния. Рекурсивный систематический код - это разновидность сверточного кода, в
котором входные информационные биты передаются непосредственно на выход,
а избыточные биты генерируются логической цепью, содержащий регистр
сдвига с обратной связью. Оказывается, что применение двух параллельных
О
Рекурсивный
систематический код
Рис. 1.24. Пример кодера турбо-кода (на основе [23], © 1993 IEEE)
Петля обратной связи
Деперемежение
Выход
dk
Рис. 1.25. Декодер турбо-кода, показанного на рис. 1.24
(на основе [23], © 1993 IEEE)
Глава 1. Элементы теории иифровых систем связи
51
RSC-кодсров с перемежителем перед вторым из них приводит к генерированию
кодов с «хорошими» свойствами, такими, как большое расстояние Хемминга
между кодовыми словами. Важную роль в производительности кода играет кон-
струкция перемежителя.
Обычно используются неравномерные (псевдослучайные, в отличие от
блочных или сверточных) перемежители. В них считывание и запись в память
производятся псевдослучайным образом. Как и в других перемежителях, про-
цессы считывания и записи комплементарны друг другу. Для достижения высо-
кой производительности кода память перемежителя должна быть велика, что
приводит к большим задержкам кодирования и декодирования. Использование
двух RSC-кодсров обусловливает наименьшую кодовую скорость всего кодера
R = 1/3 (для каждого входного бита генерируются три выходных бита). Однако ее
можно увеличить при помощи перфорирования кода.
Декодер турбо-кода состоит из двух декодеров с мягким входом / мягким вы-
ходом22, разделенных перемежителем. Выходной сигнал второго декодера по-
ступает обратно на вход первого декодера. Декодирование происходит итераци-
онным образом в цепи обратной связи. Оба декодера используют информацию о
состоянии канала, состоящую из мгновенного значения амплитуды и шумовых
отклонений. Оба декодера обрабатывают информационные сигналы, избыточ-
ные сигналы и значения логарифмических отношений правдоподобия23.
Эффективность турбо-декодера, выраженная как функция BER от Eb / Nu,
повышается с увеличением числа итераций в процессе декодирования. На
рис. 1.26 приведены графики для кода, представленного на рис. 1.24, используе-
мого для передачи данных по каналу с аддитивным белым гауссовым шумом
(АБГШ, англ. AWGN — additive white Gaussian noise). Обратим внимание на то,
что наибольший прирост производительности достигается в самом начале ите-
рационного процесса, а конечная производительность близка к пределу Шенно-
на (пропускной способности канала). В этом отношении турбо-кодирование
представляет собой существенный вклад в теорию кодирования. Турбо-коды мо-
гут быть использованы в системах, требующих очень низких BER и допускаю-
щих большую задержку, вносимую при декодировании.
22 В декодерах применяются мягкие решения.
23 Логарифмическое отношение правдоподобия (англ. Logarithm Likelihood Ratio LLR)
обозначено на рис. 1.25 выражением Л(<г/л). Оно определяется формулой
) = 1оеРг{</* =11наблюдение\
Рг {</л = 0| наблюдение)
где Рг {dk = 1| наблюдение) - апостериорная вероятность, определяющая вероят-
ность того, что информационный символе^ =1был передан при известном сигнале
наблюдения в приемнике. Переменные А(с74 )на рис. 1.25 обозначают вспомогатель-
ную информацию, генерируемую декодером. Более подробно этот вопрос рассмот-
рен в [23] и [29].
52
Системы подвижной радиосвязи
Рис. 1.26. Зависимость эффек-
тивности турбо-декодирования
от числа итераыий
([23], © 1993 IEEE)
1.5. ЦИФРОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ
В СИСТЕМАХ ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ
Рассмотрим следующий блок модели цифровой системы связи, изображен-
ной на рис. 1.1. Защищенный от возможных ошибок передачи двоичный поток
поступает на вход модулятора. Последний, на основании логических значений
двоичных данных, модифицирует один или несколько параметров выходного си-
нусоидального сигнала, такие, как фаза, частота или амплитуда.
Общая модель процессов, происходящих в модуляторе, характеризует вес
типы модуляций и описывается формулой
s(t) = х1 (7)cos2n fct — xc(Z)sin = Rc {x(Z)cxp(j2u fLt), (1.25)
где Re{.} - действительная часть комплексного аргумента, а функция
x(Z) = х‘ (7) + jxQ(ty, при этом х/(/)ихе(г)-сигналы, модулирующие косинусо-
идальную и синусоидальную составляющие несущей с частотой
Модулирующие сигналы называются соответственно синфазной и квадра-
турной составляющими. При соответствующем выборе этих сигналов можно
описать любую цифровую модуляцию. Благодаря использованию комплексного
сигнала x(t) каждая модуляция представляется в виде набора характеристиче-
ских точек на комплексной плоскости (так называемого созвездия), траектория
которых характеризует движение во времени по комплексной плоскости сигналь-
ной точки с координатами (х‘ (/), xQ (t)). Сигнал x(t) называют эквивалентным
модулирующим сигналом.
Глава 1. Элементы теории нифровых систем связи
53
Как уже упоминалось ранее, одним из требований к цифровой модуляции
для систем подвижной связи является наличие постоянной огибающей. Это свя-
зано с необходимостью получения максимально высокого уровня сигнала на
выходе нелинейного усилителя. Постоянная огибающая - это атрибут фазовой
(ФМ, англ. Phase Modulation - РМ) или частотной (ЧМ, англ. Frequency Modula-
tion - FM) модуляций, которые в общем виде описываются формулами
х' (f) = rcos<p(/) и A'e(f) = rsm(p(z).
Если
cp(t) = 2nkm ри(т)Л при |/«(0|</лпых
(1.26)
(1.27)
и т(/)- непрерывный сигнал, то формулы (1.26) и (1.27) характеризуют аналого-
вую частотную модуляцию. Множитель кП1 называется индексом ЧМмодуляции
и описывается формулой kFM = tsf im^. Здесь А/ - девиация частоты, т.е. мак-
симальное отклонение мгновенной частоты сигнала от несущей частоты. Анало-
говая часто тная модуляция применялась в первом поколении систем сотовой и
беспроводной телефонии для передачи аналоговых речевых сигналов. Однако
даже в таких системах управляющие сигналы были цифровыми, т.е. несущая
подвергалась цифровой модуляции. В случае частотной манипуляции (англ.
Frequency Shift Keying- FSK) мгновенная фаза задастся в виде функции времени
и передаваемого цифрового потока и описывается выражением
<p(Z) = 2 л/г J -iT)dt
при nT<t< (и + 1)7’,
(1.28)
где «7- - информационный символ (а7 = ±1), передаваемый в z-й интервал связи;
h = 2tyT -индекс модуляции FSK; Т - период модуляции, Sf -девиация частоты.
Информационные символы, как правило, двоичные (имеют значения ±1),
хотя в некоторых случаях используются многоуровневые символы. Функция g(t)
называется частотным импульсом и задаст изменение частоты во времени.
Заметим, что мгновенную частоту можно определить согласно формуле
/(/) = — -^-^- = h'^_lalg{t-iT) при пТ < i < (п + \)Т. (1.29)
2л dt
В свою очередь частотный импульс определяется по формуле
?(г)= j g^d'i
(1.30)
и определяет фазовый импульс и фазовый отклик на одиночный информацион-
ный импульс. В самом простом случае частотный импульс g{t) представляет со-
бой логическую функцию длиной Т и высотой ]/2Т. Тогда мгновенная частота
54
Системы подвижной радиосвязи
относительно несущей частоты f. равна ±Д/'. Частотный и фазовый импульсы
для этого случая иллюстрируются на рис. 1.27.
Рис. 1.27. Частотный и фазовыи импульсы при FSK с непрерывной фазой
Сигнал, описываемый выражениями (1.25) и (1.26), характеризуется непре-
рывностью фазы для любой интегрируемой формы частотного импульса g(/).
Эта особенность оказывает очень важное влияние на спектральные свойства мо-
дулируемого сигнала. На практике FSK - сигнал, генерируемый модулятором и
описываемый выражениями (1.25) и (1.26), с частотным импульсом, изображен-
ным на рис. 1.27, имеет непрерывную фазу. Примером же устройства, генериру-
ющего сигнал с разрывом фазы, служит модулятор FSK, реализованный в виде
двух нссинхронизированных синусоидальных генераторов с номинальными
частотами /( ±Д/, за которыми следует управляемая текущим информацион-
ным символом цепь переключения между выходными сигналами генераторов.
Генерируемый таким модулятором сигнал обладает плохими спектральными
свойствами.
Достаточно давно было обнаружено, что выбор частотного импульса или,
что то же самое, фазового импульса и значения индекса модуляции h оказывает
существенное влияние на спектральные свойства модулируемого сигнала. Мо-
дуляция с частотным импульсом, изображенным на рис. 1.27, при h = 1/2 являет-
ся частным случаем FSK. Этот вид модуляции получил название-манипуляция с
минимальным частотным сдвигом (англ. Minimum Shift Keying MSK).
Легко доказать, что MSK можно рассматривать как линейную модуляцию24,
в отличие от частотных манипуляций с индексом h, нс равным 1/2.
Проводились исследования влияния различных частотных импульсов на
спектральные свойства и возможности детектирования модулируемого сигнала.
Помимо требований к минимальной ширине спектра сигнала необходимо, чтобы
последовательности элементарных сигналов, обусловленные различными вход-
ными информационными последовательностями, максимально отличались друг
от друга в формате выбранной меры расстояния. Это достижимо при выборе
24 м
Модуляция считается линеинои, если модулирующий сигнал подчиняется правилу
суперпозиции.
Глава 1. Элементы теории иифровых систем связи
55
длины частотного импульса больше периода модуляции Т. К сожалению, подоб-
ное решение приведет к существенному усложнению структуры приемника,
поскольку для детектирования такого сигнала придется реализовать алгоритм
Витерби.
Одна из лучших двоичных модуляций, обладающая отличными спектраль-
ными свойствами, получается при использовании частотного импульса, который
определяется формулой
?(/) = —==—схр—1-—-krect —, (1.31)
J Т'
где * обозначает свертку, а функция rcct (t/T) описывает прямоугольный импульс
(логическую функцию) единичной высоты и длиной от-1/2Тдо \,2Т.
Частотная манипуляция с частотным импульсом (1.31) и с индексом модуля-
ции h = 1/2 называется гауссовой манипуляцией с минимальным частотным
сдвигом (англ. Gaussian Minimum Shift Keying - GMSK). В модуляторе c GMSK
сдвигом частотный импульс прямоугольной формы проходит через филы р с
гауссовой характеристикой. В выражении (1.31) параметр о = -Jin 2 / (2лйТ),
где В - полоса пропускания фильтра с гауссовой характеристикой по уровню
ЗдБ. Импульс g(f) обычно длится в течение нескольких периодов модуляции, так
что следующие друг за другом и соответствующие информационным символам
импульсы перекрываются, и для детектирования последовательности применя-
ется алгоритм Витерби. Модуляция GMSK подробно рассматривается в разделе,
посвященном физическому уровню системы GSM. GMSK применяется в GSM и
некоторых других системах благодаря относительно хорошим спектральным
свойствам, выражающимся в очень узком главном лепестке спектральной огиба-
ющей и очень низких, резко уменьшающихся уровнях боковых лепестков.
Постоянную огибающую сигналов с FSK- (MSK-, GMSK-) модуляцией
можно легко изобразить на комплексной плоскости. Из формул (1.25) и (1.26)
следует, что для перечисленных модуляций огибающая сигнала определяется
выражением
г(/) = -J(x;(/))2 +(хе(/))2 = r-Jcos2 ср(/) 4-sin2 <р( /) = г = const. (1.32)
Огибающая будет постоянна при любых углах (р( Г). На рис. 1.28 изображена оги-
бающая сигнала с MSK-модуляцией. Обратим внимание на то, что в этом случае
угол <р(() за один период модуляции меняет свое значение на ±л/2, а конечное
значение угла зависит нс только от текущего информационного символа, но и от
фазы, заданной последовательностью данных и переданной в предшествующий
период модуляции. В этом смысле MSK-модулятор обладает памятью.
Равномерность огибающей обычно нс сохраняется, если сигналы, модули-
рующие синфазные и квадратурные компоненты, формируются в результате ли-
нейной фильтрации информационных сигналов. Рассмотрим этот случай более
подробно (рис. 1.29).
56
Системы подвижной радиосвязи
Рис. 1.28. Огибаюшая MSK-модули-
рованного сигнала в синфазно-
квадратурной плоскости
Рис. 1.29. Линейный модулятор для двумерной модуляции
Двоичный поток данных (приходящий, как правило, с выхода кодера коррек-
ции или детектирования ошибок или с выхода перемежителя) направляется на
вход преобразователя, который преобразует блоки двоичной информации в пары
информационных символов - d'n и r/f. Эти информационные символы направля-
ются на фильтры модулирующего сигнала с импульсной характеристикой p(t) и
q(t). Сигналы, модулирующие синфазную и квадратурную составляющие опи-
сываются формулами
x‘(f) = '^'„pQ-nT), xQ(t) = ^d^qQ-nT). (1.33)
При помощи формул (1.33) можно описать различные типы линейных моду-
ляций. При выборе значений q(f) = 0, d'n =±1 и p(t) = гссЦг/Г) мы получим
двухуровневую фазовую модуляцию, называемую двоичной фазовой манипуля-
цией (англ. Binary Phase Shift Keying-BPSK). При выборе значений d'n = df = ±1,
a p(t) = q(t) = rect(Z/r)Mbi получим четырсхуровнсвую фазовую модуляцию, на-
зываемую квадратурной фазовой манипуляцией (англ. Quadrature Phase Shift
Keying - QPSKf Болес высокоуровневые модуляции, такие, как квадратурная
амплитудная модуляция (англ. Quadrature Amplitude Modulation - QAM), получа-
ются путем выбора многоуровневых информационных символов d'n и d^. На
рис. 1.30 изображены созвездия нескольких наиболее важных цифровых модуля-
ций. Стоит упомянуть, что квадратурные амплитудные модуляции до сих пор на-
Глава 1. Элементы теории цифровых систем связи
57
Рис. 1 30. Примеры сигнальных созвездии
a - BPSK, б - QPSK, в - 16-QAM, г - 64-QAM
прямую не применялись в системах подвижной связи из-за непостоянства огиба-
ющей и необходимости точно контролировать усиление в приемнике. Однако
они используются для модуляции поднесущих в модуляциях с несколькими не-
сущими. Этот вопрос будет рассмотрен в следующем подразделе.
Спектр и огибающая модулируемого сигнала могут быть определены выбо-
ром фильтров p(t) и q(t). Типичный передающий фильтр p(t), используемый в
цифровых системах связи, имеет спектральную характеристику, описываемую
формулой
при 0<|/|<Ь^,
1 -а । . 1 +cz ,, „
ПРИ ( 34
I /-1^ 1+а
при |/|>——.
Параметр а. называется коэффициентом спада (англ, roll-off factor), а его
значение лежит в пределах 0 < а < 1. В приемнике используется фильтр с такой
же характеристикой. Спектр сигнала, обработанного подобными фильтрами, ха-
рактеризуется слабыми боковыми лепестками и концентрацией энергии сигнала
в главном лепестке. Однако с точки зрения систем подвижной связи такой сигнал
обладает существенным недостатком. Его огибающая имеет переменный харак-
58
Системы подвижной радиосвязи
тер и может принимать мгновенные значения, близкие к нулю. На рис. 1.31 изоб-
ражено такое явление для квадратурной фазовой манипуляции для а = 0,35 и
характеристикой фильтра, соответствующей (1.34). Такой сигнал квадратурной
фазовой манипуляции нс очень хорошо защищен от нелинейных искажений
Значительное улучшение достигается при помощи задержки квадратурной ком-
поненты на половину периода модуляции, т.е. при q(t) = p(l - Т/2). Такой моди-
фицированный вариант квадратурной фазовой манипуляции называется квадра-
турной фазовой манипуляцией со сдвигом (англ. OJjset Quaternary Phase
Shift Keying - OQPSK)- Этот тип модуляции применяется во втором поколении
системы сотовой связи IS-95, которую мы рассмотрим в разделе 11. На рис. 1.316
показан на комплексной плоскости график изменения огибающей сигнала
OQPSK во времени.
Рис. 1.31. Огибаюшая модуляции QPSK (а) и OQPSK (б)
в синфазно-квадратурной плоскости
Существует иной способ уменьшения динамики огибающей - это добавле-
ние фазового сдвига л/4к дифференциальному сигналу квадратурной фазовой
манипуляции в каждый период модуляции. Такая модуляция, обозначаемая
л/4-DQPSK, применяется в некоторых системах подвижной связи, например, в
IS-54/136 и TETRA (более подробно эти вопросы будут рассмотрены в соответ-
ствующих параграфах).
В настоящее время в системах подвижной связи с модуляцией одной несу-
щей используются уровни модуляции нс выше 825. Более высокоуровневые
QAM-модуляции применяются в некоторых беспроводных ЛВС с модуляцией со
многими несущими, например в HypcrLAN/2 [24].
Проблема демодуляции тесно связана с модуляцией, применяемой в системе
подвижной связи. Демодуляции посвящено множество страниц в академических
25
Для радиоинтерфейса EDGE GSM была предложена модуляция 8F-PSK с соответст-
вующей формой спектра.
Глава 1. Элементы теории цифровых систем связи
59
учебниках по системам связи. Мы сделаем краткий обзор только важнейших ме-
тодов демодуляции, применяемых в системах подвижной связи.
Прием сигнала может быть когерентным (синхронным) или некогерентным
(асинхронным). Когерентный прием предусматривает наличие информации о
начале и конце периода модуляции {временной синхронизации)26 и о частоте и
фазе несущей {синхронизация по несущей). В когерентном приемнике использу-
ется вся информация о принимаемом сигнале, поэтому неудивительно, что среди
всех демодуляторов у когерентного приемника производительность, характери-
зуемая соотношением между BER и SNR27, наивысшая.
На рис. 1.32 изображен синхронный QPSK-присмник (предположим, что
фильтры в синфазной и квадратурной ветвях идентичны, т.е. />(/) = q{t)).
Рис. 1.32. Схема оптимального синхронного приемника сигналов QPSK
Принимаемый сигнал (обычно уже перенесенный на промежуточную частоту)
направляется на входы двух синхронных демодуляторов, состоящих из смесите-
лей и фильтров нижних частот. С одной стороны, эти фильтры представляют со-
бой неотъемлемую часть синхронного демодулятора (они обрезают спектральные
компоненты в районе удвоенной несущей частоты); с другой стороны, они согла-
сованы с передающими фильтрами. Можно доказать, что в случае передачи
сигнала по нсискажающсму каналу с аддитивным белым гауссовым шумом им-
пульсная характеристика приемного фильтра является зеркальным отражением
характеристики передающего фильтра. Возможен случай фильтров с симмет-
ричной формой спектра, описываемой, например, формулой (1.34). Тогда им-
пульсная характеристика приемных и передающих фильтров будет идентичной.
Изображенный на рис. 1.32 блок восстановления несущей и фазы исполь-
зует разницу между символьными решениями, генерируемыми решающим
устройством в синфазной и квадратурной ветвях, и сигналами, подаваемыми на
вход решающего устройства. Эта ошибка служит мерой фазовой разности между
26 Другое название - тактовая синхронизация (прим. ред.).
27 Отношение сигнал/шум (прим. ред.).
60
Системы подвижной радиосвязи
принятым и опорным сигналами, а скорость изменения ее значения является
функцией разности частот между обоими сигналами. Такой тип восстановления
несущей с применением схемы с обратной связью - не единственный. Существу-
ют другие схемы восстановления несущей, например, основанные на нелиней-
ной обработке принятого сигнала - искусственного формирования спектральной
линии, эквивалентной несущей частоте.
Разность между входным и выходным сигналами решающего устройства
также часто используется для коррекции в цепи восстановления синхронизации.
Вносимые типичным каналом передачи данных искажения, такие, как плос-
кие и селективные замирания, замирание вследствие многолучевого распростра-
нения, межсимвольная интерференция и дрожание фазы28 (см. раздел 3) - пред-
полагают применение настолько сложных схем синхронных приемников, что их
не всегда возможно реализовать. Это происходит в тех случаях, когда свойства
канала меняются настолько быстро, что цепь восстановления несущей не успе-
вает отслеживать изменения и генерирует оценки несущей частоты и фазы с недо-
статочным качеством. Решение этой проблемы - применение соответствующего
типа модуляции с некогерентным приемом. Мы проиллюстрируем эту разновид-
ность приема на трех примерах - некогерентный прием дифференциальной
квадратичной фазовой манипуляции (англ. Differential Quaternary Phase Shift
Keying - DQPSK) и два способа приема сигналов, модулированных частотной
манипуляцией FSK.
В первую очередь рассмотрим некогерентный DQPSK-приемник.
DQPSK-модулированный сигнал описывается формулой (1.25), в которой син-
фазная и квадратурная модулирующие компоненты задаются выражениями
x'(t)= ^d'np(t-nTf xQ(t)= ^d^p(t-nT). (1.35)
На этот раз 2-битный информационный блок представляется не символами
d'„ и^и не их аргументом фп =(<7' + jd®\ а фазовой разностью между двумя
последовательными периодами модуляции Дфп = фя -фя_(. Схема такого прием-
ника изображена на рис. 1.33.
Отсчеты с выходов синфазной и квадратурной цепей снимаются единожды
на каждый символ данных и пропорциональны, соответственно, косинусу и си-
нусу угла ф„ + 0. Здесь 0 характеризует разность между фазой несущей частоты
принятого сигнала и фазой опорного несущего сигнала, используемого в демоду-
ляторе. Синус и косинус угла фи_, +0, полученного в предыдущий период, хра-
нятся в ячейках памяти, так что приемник может использовать отсчеты и теку-
щего, и предыдущего периодов модуляции. Заметим, что в DQPSK-модуляции
достаточно знать, в каком квадранте синфазно-квадратурной плоскости находит-
28
Джиттер (прим. ред.).
Глава 1. Элементы теории иифровых систем связи
61
ся угол Дфя. Для этого достаточно выяснить знак функций sin Дфя и cos Дфя из
известных тригонометрических соотношений
созДфя =соз((ф„ +6)-(ф„_| +6)) =
= СО5(ф„ +0)сО5(фя_, + 0)+5Ш(фя +0)5Ш(Ф„_1 +0),
sin Дфя =зт((ф„ + 0)-(фя_, +0)) =
= 5Ш(фя + 0)сО8(ф„_1 +0)+СО8(ф„ +0)5Ш(фя_, +0).
(1.36)
(1.37)
Обратим внимание на то, что набор умножителей и сумматоров, изображен-
ных на рис. 1.33, реализует формулы (1.36) и (1.37). Приемник хорошо функцио-
нирует при допущении, что угол 0 слабо меняется между периодами модуляции,
т.е. дрожание фазы в периоде модуляции незначительно.
Рис. 1.33. Некогерентныи приемник DQPSK-сигналов
Рис. 1.34. Некогерентныи оптимальный FSK-приемник
Рассмотрим теперь некогерентный прием сигналов с частотной модуляцией,
широко применяемой в подвижной связи. Первый тип такого приемника изобра-
жен на рис. 1.34. Он называется некогерентным оптимальным FSK-приемником.
Принимаемый FSK-сигнал проходит через два полосовых фильтра, цент-
ральные частоты которых равны номинальным частотам fc ± Д/', характеризую-
щим логические информационные символы «0» и «1». Таким образом, на выходе
62
Системы подвижной радиосвязи
одного из полосовых фильтров получается синусоидальный сигнал, в го время
как на выходе другого — только шум. Детекторы огибающей выделяют огибаю-
щие в обеих ветвях. Для максимизации отношения сигнал/шум к выходам детек-
торов подключаются согласованные фильтры, точно такие же, как в синхронном
приемнике. Отсчеты с выходов согласованных фильтров снимаются один раз в
период модуляции и сравниваются друг с другом. Наибольший фрагмент соот-
ветствует наиболее вероятному информационному сигналу.
Другой, более простой способ некогерентного детектирования FSK-сигна-
лов — это прием на базе частотного дискриминатора. FSK-сигнал рассматривае i -
ся в качестве обычного ЧМ-сигнала, который модулируется потоком двоичных
импульсов, представляющих логическую информационную последователь-
ность. При этом значения мгновенной частоты на входе преобразуются в уровни
сигнала на выходе частотного дискриминатора. Последующими цепями прием-
ника обрабатывают непосредственно модулирующий сигнал.
В подвижной связи частотная дискриминация часто реализуется системой
фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ, англ. Phase Locked Loop - PLL). На
рис. 1.35 изображена блок-схема такого приемника.
FSK-
Рис. 1.35. FSK-приемник, основанный на частотной дискриминации
В структуре FSK-приемника с частотным дискриминатором важную роль
играет полосовой фильтр, который выделяет искомый FSK-сигнал. Для заданно-
го индекса модуляции h оптимальные характеристики полосового фильтра мож-
но определить, положив разность между двумя номинальными FSK-частотами
равной 2Д/ для периода модуляции Т. Это условие минимального уровня оши-
бок на выходе некогерентного приемника.
Обобщая сказанное, стоит обратить внимание на то, что качество детектиро-
вания в различных типах приемников может сильно различаться. Для заданного
отношения сигнал/шум наименьшую вероятность ошибочного приема обеспе-
чивает синхронный приемник, использующий всю возможную информацию о
принимаемом сигнале. Некогерентный приемник с оптимальным детектирова-
нием огибающей имеет несколько худшую производительность, а некогереит-
ный приемник с частотным дискриминатором характеризуется самой высокой
частотой появления ошибочных битов. Несмотря на отмеченный недостаток, по-
следний тип приемника благодаря своей простоте часто используется в традици-
онных системах связи.
Глава 1. Элементы теории цифровых систем связи
63
1.5.1. Многочастотная модуляция
До сих пор мы рассматривали случаи цифровой модуляции одной несущей.
Если скорость потока данных сравнима с шириной полосы пропускания канала,
либо временные замирания в канале (см. раздел 3) занимают существенную часть
периода модуляции, возникает межсимвольная интерференция (англ, intersvmbol
interference - ISI), которая значительно усложняет прием и уменьшает произво-
дительность системы. Существует несколько способов борьбы с межеимволь-
ной интерференцией, таких, как адаптивная компенсация канала и последовате-
льное детектирование данных. В последнем методе требуется реальная или рас-
четная импульсная характеристика канала. Альтернативой модуляции одной
несущей и усложненной процедурой приема служит многочастотнатГ4 .uoOy.w-
ция (модуляция нескольких несущих - англ, multicarrier modulation МС).
Вместо последовательной передачи быстрого потока данных с использова-
нием одной несущей поток разделяется на большое количество более медленных
потоков. Каждый из них модулирует отдельную несущую. Скорость передачи
данных по каждой поднесущей настолько мала, что межсимвольная интерферен-
ция затрагивает только очень небольшую часть информационных символов. Бо-
лее того, поднесущие частоты могут быть выбраны настолько близко друг к дру-
гу, что их спектры будут частично перекрываться. Несмотря на это, приемник
может детектировать информационные символы на каждой поднесущей по кор-
реляции многочастотного сигнала с необходимыми опорными тонами. Ниже
мы поясним принципы работы передатчика и приемника с МС-модуляцией, по-
скольку в последнее время она все чаще находит применение, особенно в бес-
проводных ЛВС.
В n-й период модуляции (пТ < t <(п + 1)Т) сигнал, модулирующий несколь-
ко несущих, описывается формулой
Л-1
ХО = X [°* ~ nT)cos2n(fL + kAfft - bk i:p(t - л7\)5Й12л( f\ +kAf)t\. (1.38)
л-=о
Как и ранее, p(f) описывает форму импульса, пара коэффициентов (пА н, Ьк „)
представляет собой информационные символы, модулирующие соответственно
синфазную и квадратурную компоненты к-й поднесущей, а А/ - величину час-
тотного разноса. Вид информационной пары зависит от типа модуляции, приме-
няемой на каждой отдельной поднесущей. При этом разработчик системы свобо-
ден в выборе индивидуальной модуляции для каждой из них. В реальных систе-
мах, использующих многоканальную модуляцию, применяются сигнальные
созвездия от системы BPSQ до 64-QAM. *
29
Встречается также название многоканальная модтляция (прим. ред.).
64
Системы подвижной радиосвязи
Выбор частотного разноса между поднесущими оказывает большое влияние
на работу системы с МС-модуляцией. Как мы уже упоминали, параметры моду-
ляции выбираются таким образом, чтобы длительность межсимвольной интер-
ференции, вносимой каналом, составляла малую долю по отношению к периоду
модуляции Т. Разделим Тна две части - так называемый защитный интервал Г, и
период ортогональности Tort, т.е. Т= Tg+ Тог1. Защитным интервалом называют
часть периода модуляции, в которой отклик канала на передаваемый информаци-
онный импульс еще не пришел в стационарное состояние. После окончания это-
го периода сигнал на выходе канала становится стабильным. Это явление проде-
монстрировано на рис. 1.36.
Рис. 1.36. Эквивалентный отклик канала (б) на прямоугольный импульс (а)
(иллюстрация защитного интервала и периода ортогональности)
Если разнос Af выбирается равным \./Torli то в течение времени Тиг, все под-
несущие будут взаимно ортогональны. Очень часто МС с подобным принципом
выбора величины разноса называют системой с ортогональным частотным
разделением каналов (англ. Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM).
Взаимная ортогональность поднесущих следует из того, что для любого / и к
f соя 2л| fc + к —— I/ cos 2л( fc + j —— |z
J Z T \
T_ \ \ Orl J \ k ort J
[ ТоП /2
[°
^/2
О
для к = /',
для к Фj,
(1.39)
для к - J,
для к Ф j,
(1.40)
и
Г 1 1
соя 2л fc +к- Г sin 2л f + j-- / kZZ = 0
v \ ^)) у \ ort ) J
для к и j.
(1.41)
Глава 1. Элементы теории иифровых систем связи
65
Рассмотрим работу приемника в первый период модуляции (л = 1). Опреде-
ление информационных символов («, ,, Ьк ,) для /с-й поднесущей можно произве-
сти, основываясь на формулах
jx(Z)j>(/)cos(2n(/'c + kAf)t)dt =ah , — jp2(i)dt,
rs “ T
T 1 '
j X0X0sm(2n(/; + kff)t)dt = bk] - J p2(t)dt.
T “ r
(1.42)
(1.43)
Правые части выражений (1.42) и (1.43) обусловлены тем, что форма импуль-
са p(t) часто прямоугольна или, по крайней мере, имеет постоянное значение в
период интегрирования, так что результаты корреляции многоканального сигна-
ла с опорными тонами пропорциональны информационным символам ак , и Ьк,.
Реализация передатчика и приемника с несколькими несущими на основе
формул (1.38), (1-42) и (1.43) соответственно может оказаться достаточно слож-
ной в случае большого количества поднесущих. К счастью, генерацию дискрет-
ных фрагментов сигнала, описываемого выражением (1.38), и корреляцию при-
нятых фрагментов с опорными тонами можно эффективно реализовать при
помощи быстрого преобразования Фурье (англ. Fast Fourier Transform - FFT).
Обозначим через N количество фрагментов сигнала, накопленных за период ор-
тогональности Tort. Тогда фрагменты л; = x(iTort/N),(i = G, 1) можно вы-
числить по формуле
< Т
= Relexp fluff
(1.44)
Коэффициент ехр^ /2л ff Jb формуле (1.44) выражает сдвиг МС-сигнала
относительно несущей fc, тогда как второй коэффициент описывает фрагменты
МС-модулированных сигналов в полосе частот группового спектра. Сравним
последний коэффициент с хорошо известной формулой обратного дискретного
преобразования Фурье (англ. Inverse Discrete Fourier Transform - IDFT)
N-\ / fa \
х(0=Е%(*)ехР 72л— •
л=о I N I
(1-45)
Если информационные символы (ak, + jbk,), модулирующие каждую под-
несущую, рассматриваются в качестве спектральных отсчетов, то фрагменты
сигнала с несколькими несущими могут генерироваться при помощи обратного
дискретного преобразования Фурье, т.е.
66
Системы подвижной радиосвязи
Х(к) = (а, । + jbk,) для к =0, 1,N - 1. (1-46)
Эффективный способ реализации обратного дискретного преобразования
Фурье - это алгоритм обратного быстрого преобразования Фурье (англ. Inverse
Fast Fourier Transform - IFFT). Возможность его применения возникает в случае,
когда количество фрагментов сигнала N является степенью числа 2, т.е. /V = 2'".
Таким образом, даже для нескольких сотен поднесущих генерирование сиг-
нала с многоканальной модуляцией может быть реализовано аппаратно или с
применением отдельного цифрового сигнального процессора.
Заметим, что N определяет не только число отсчетов сигнала в определенном
промежутке времени, но также и количество спектральных фрагментов, расстоя-
ние между которыми составляет \/Тог,. Таким образом, максимальное количест-
во поднесущих равно N= 2"'. Однако на практике обычно используются не все Л'
поднесущих. Некоторые из них остаются невостребованными, так как использу-
ются для организации защитных интервалов по обоим краям спектра сигнала.
В приведенных рассуждениях использовалось вычисление фрагментов сиг-
нала внутри периода ортогональности. Защитный интервал обычно заполняется
фрагментами, взятыми из конца периода. Такой набор отсчетов называется цик-
лическим префиксом. Его применение сильно упрощает процедуру синхрониза-
ции многоканального сигнала в приемнике, особенно если поднесущие прихо-
дят в приемник с различными задержками.
Рассмотрим реализацию приемного устройства. Пусть принимаемый сиг-
нал описывается выражением
Х0 = х(0Х0 + и(0> (1.47)
где х(/) - передаваемый сигнал, «(/) - аддитивный шум, a h(f) - импульсная харак-
теристика канала.
Обратим внимание на то, что импульсная характеристика канала намного
короче периода модуляции. Над принятым сигналом необходимо провести об-
ратное преобразование - демодуляцию. Обозначим демодулированный сигнал
как w(0 и рассмотрим его обработку в оставшейся части приемника.
Ядром приемника служит набор корреляторов, реализующих обработку в
соответствии с формулами (1.42) и (1.43) на временном интервале [Г„, 7]. Если
предположить, что функция p(f) постоянна в течение периода ортогональности,
для цифровой реализации корреляторов, в которых обрабатываются фрагменты
w(i) = w(iTorl/N) демодулированного сигнала w(z), получим формулу
хЗ1 ( ik )
FF(/c)= У w(i)exp -J2n— . (1.48)
Ft N J
В случае, когда на входы корреляционных устройств подается сигнал с опи-
сываемым формулой (1.45) спектром, на выходе каждого из N корреляционных
устройств формируются отсчеты W(k) (k = 0, ..., TV- 1). Из формулы (1.48), оче-
видно, следует, что выборки W(k) (к = 0, ..., N - 1) можно вычислить из времен-
Глава 1. Элементы теории иифровых систем связи
67
ных фрагментов iv(i') (z = 0, N- 1) при помощи дискретного преобразования
Фурье, которое эффективно реализуется через быстрое преобразование Фурье.
С учетом исходных сигналов и эквивалентного канала сигналы на выходе корре-
ляционных устройств можно описать формулой
W(k) = Г1(к)Х(к) + N(k) для к = 0,N - 1, (1.49)
где N(k) - шумовой фрагмент на выходе к-го корреляционного устройства;
77(A) - фрагмент передаточной функции канала.
Благодаря большому периоду модуляции и применению циклического пре-
фикса, канал каждой поднесущей можно представить в виде канала с коэффици-
ентом усиления |77(А)| и сдвигом фазы А-й поднесущей на argH(A). Для принятия
решения о передаваемой информации выход каждого корреляционного устрой-
ства должен быть модифицирован таким образом, чтобы компенсировать усиле-
ние и фазовый сдвиг, вносимые каналом передачи. Это реализуется умножением
выходного сигнала корреляционного устройства на комплексный коэффициент
С(А). Устройство, выполняющее эту функцию, называется жвмайзером. Таким
образом, сигнал на выходе эквалайзера описывается выражением
Z(A)=C(A)FF(A) для А = 0....М-1. (1.50)
Решения о переданной информации принимаются на основании фрагмен-
тов Z(A)
A +A.I =dec(Z(A)). (1.51)
Схемы передатчика и приемника, используемых в системе передачи с орто-
гональным частотным разделением каналов (OFDM), представлены на рис. 1.37,
который суммирует все рассуждения о OFDM-передатчике и приемнике. Систе-
ма передачи с ортогональным частотным разделением каналов очень гибка.
Как уже упоминалось, существует возможность индивидуального выбора типа
модуляции и установки соответствующего уровня сигнала для каждой поднесу-
щей. Более того, можно исключить некоторые сильно затухающие поднесущие.
Для оптимизации работы OFDM-системы с ортогональным частотным разделе-
нием каналов должна существовать обратная связь между приемником и пере-
датчиком. Доказано [5], что оптимальное распределение мощности по поднесу-
щим для достижения максимальной скорости передачи при заданной вероятно-
сти возникновения ошибок должно производиться с учетом характеристик канала
и подчиняться принципу «наполнения водой» (рис. 1.38).
Многочастотной модуляции30 уделяется много внимания в системах цифро-
вой связи. На ней основана высокоскоростная цифровая передача данных в
абонентском шлейфе в режиме асимметричной цифровой абонентской линии
30
Т.е. с использованием нескольких несущих (прим. ред.).
68
Системы подвижной радиосвязи
Рис. 1.37. Обобщенная схема системы OFDM
Рис. 1.38. Принцип «наполнения водой»
a - пример характеристики канала, б - распределение мощности сигнала по оси частот
(англ. Asymmetric Digital Subscriber Line - ADSL) [25]. Она также используется в
качестве альтернативной модуляции в сверхвысокоскоростной цифровой абонент-
ской линии (англ. Very High-Speed Digital Subscriber Line - VDSL) [26], в европей-
ском сегменте системы цифрового телевизионного вещания (англ. Digital Video
Broadcasting — DVB) [27] и в системе цифрового звукового радиовещания (англ.
Digital Audio Broadcasting - DAB) [28]. Кроме того, многочастотная модуляция
используется в скоростных беспроводных ЛВС, например в HyperLAN/2 [24].
Глава 1. Элементы теории иифровых систем связи
69
1.6. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИСТЕМ
Описанные выше виды цифровой модуляции были разработаны для того,
чтобы максимально использовать ограниченную полосу пропускания, выделен-
ную заданной цифровой системе связи. В своей фундаментальной работе [13],
определяющей основы информационной теории, Клод Шеннон (Claude Shannon]
вывел формулу для емкости канала, ограниченного до Ji'(в Гц), в котором сигнал
искажается аддитивным белым гауссовым шумом с удельной мощностью /Vo/2.
Эта формула имеет следующий вид
/ Р 'I
C = JKlogd 14-— L (1.52)
I )
где Рт. - средняя энергия входного сигнала.
Формула получена в результате выполнения процедуры оптимизации по от-
ношению к свойствам входного сигнала. Оказывается, что количество информа-
ции, которую можно переслать по каналу с аддитивным белым гауссовым шу-
мом, достигает своей верхней границы, называемой пропускной способностью
канала, в случае гауссового входного сигнала. Цифровой сигнал с МС-модуля-
цией будет иметь гауссово распределение только тогда, когда количество подне-
сущих велико. Многие другие сигналы с цифровой модуляцией имеют негауссо-
во распределение вероятности. В традиционных системах скорость передачи
данных достигает максимума и становится близка к предельной пропускной
способности канала при максимизации отношения сигнала к шуму, описываемо-
го выражением PaJWN0. Для решения этой труднодостижимой задачи прихо-
дится применять такие сложные методы, как решетчатое кодирование, примене-
ние эквалайзера и т.д.
Можно легко доказать, что такую же пропускную способность канала мож-
но получить, расширяя спектр сигнала (если подобное возможно с точки зрения
как распределения спектра, так и технической реализации) до тех пор, пока уро-
вень сигнала не станет ниже уровня шума. Это наблюдение и используется в сис-
темах с расширением спектра.
Рассмотрим самый распространенный тип системы с расширенным спектром,
обозначаемый в литературе DSSS (расширение спектра методом прямой после-
довательности, англ. Direct Sequence Spread Spectrum). В системе DSSS спектр
цифрового информационного сигнала расширяется путем прямого умножения
на псевдослучайную последовательность.
Пусть Ть - длительность информационного символа (бита). Для представле-
ния одного информационного символа используется двоичная последователь-
ность длиной М. Каждый элемент двоичной последовательности, называемый
чипом, длится 7).= ТрМ секунд. Последовательность выбирается таким образом,
чтобы стороннему наблюдателю она казалась случайной, т.е. с его точки зрения
ее свойства должны быть похожи на свойства шума. Поскольку длительность ко-
70
Системы поавижнои ралиосвязи
дового импульса в М раз меньше длительности информационного бита, то
спектр сигнала с представлением информационных битов в виде псевдослучай-
ной последовательности в М раз шире спектра первоначального информацион-
ного сигнала.
Из теории систем связи известно, что оптимальным для приема сигналов,
искаженных белым гауссовым шумом, является корреляционный приемник. Он
перемножает искаженный принятый сигнал с известным, синхронизированным
по отношению к принятому, опорным сигналом. В нашем случае опорный -
псевдослучайный сигнал, используемый в передатчике для представления ин-
формационных битов. На рис. 1.39 изображены передатчик и приемник системы
DS-SS. Предполагается, что двоичные информационные сигналы, приведенные
на рис. 1.39, имеют биполярное представление, т.е. поляризация псевдослучай-
ной последовательности (ПСП) информационными битами эквивалентна умно-
жению этой последовательности на -1 или +1.
Рис. 1.39. Обобщенная структура системы DS-SS
На основании схемы, представленной на рис. 1.39, можно сделать вывод о
том, что ПСП рассматривается в качестве элементарного сигнала, характеризую-
щего один информационный бит, в то время как та же самая последовательность
с обратной полярностью представляет собой логическое отрицание бита.
Эффект расширения спектра возможен и тогда, когда период псевдослучай-
ной последовательности превышает длительность одного информационного бита.
Система DS-SS представляет собой альтернативу системам с узкополосным
каналом. Рассмотрим преимущества этой системы. На протяжении многих лет
системы с раширением спектра применялись только в военных целях. Псевдо-
шумовой сигнал с мощностью, не превышающей уровня шума, очень трудно об-
наружить. Для возможности его распознавания приемник должен знать конкрет-
ную псевдослучайную последовательность, используемую в передатчике, и
быть с ним синхронизован. Между тем, в реальных системах используются псев-
дослучайные последовательности с периодом от нескольких десятков до многих
тысяч битов. Количество различных последовательностей тем больше, чем боль-
ше их период. Выбор последовательности производится таким образом, чтобы
ее автокорреляционная функция была приблизительно равна нулю независимо
Глава 1. Элементы теории иифровых систем связи
71
от временного сдвига между последовательностью и ее сдвинутой копией. Иск-
лючение составляет нулевой сдвиг, при котором автокорреляционная функция
принимает свое максимальное значение. В то же самое время функция взаимной
корреляции различных последовательностей одной и той же длины должна быть
равна нулю для любого временного сдвига между коррелированными последо-
вательностями.
Нулевая автокорреляционная функция для любых отличных от нуля времен-
ных сдвигов делает систему устойчивой к многолучевому распространению. Та-
кая устойчивость возникает, если длительность чипа короче наименьшей разно-
сти между задержками распространения сигнала различными путями. Сигнал
приходит в приемник в виде нескольких сдвинутых во времени копий-реплик.
Разности между временными сдвигами обычно больше длительности чипа. Сле-
довательно, приемник синхронизируется с сильнейшей составляющей принято-
го сигнала. В результате корреляционной обработки все остальные реплики сиг-
нала отбрасываются. Точно так же, благодаря нулевой взаимной корреляции
между двумя различными последовательностями, отбрасываются сигналы дру-
гих пользователей. Однако мы должны обратить внимание на то, что игнориро-
вание всех принимаемых реплик сигнала (за исключением самой сильной) не
является оптимальной стратегией. Оно приводит к потере информации, содер-
жащейся в отбрасываемых эхо-сигналах. Реплики можно использовать в поло-
жительном смысле после выделения и суммирования таким образом, чтобы
энергия суммы сигналов была максимальной. Эта операция реализуется в RA-
КЕ-приемнике, речь о котором пойдет в разделе 11. RAKE - это основной тип
приемника, используемого в каналах с многолучевым распространением.
Из свойств взаимной корреляции используемых псевдослучайных последо-
вательностей можно вывести интересную особенность систем с расширенным
спектром. Благодаря тому, что корреляционные устройства приемника пропус-
кают только единственную последовательность, один и тот же спектр может раз-
деляться между многими пользователями, применяющими различные псевдо-
случайные последовательности. Это свойство лежит в основе метода много-
станционного доступа с кодовым разделением каналов (англ. Code Division Mul-
tiple Access — CDMA).
Разработчики военных систем были заинтересованы в системах с расшире-
нием спектра потому, что эти системы обладают естественной устойчивостью к
узкополосным искажениям. На рис. 1.40 эта особенность хорошо продемонст-
рирована. На нем также показана схема работы системы DS-SS в определенной
частотной области. Используются следующие обозначения: - спектр сигна-
ла, содержащего информацию, Sc(f) - спектр расширяющей кодовой последова-
тельности, >Smo<i(/) - спектр сигнала на выходе модулятора с двоичной фазовой
модуляцией (BPSK-модулятора), Sdem(/) - спектр на выходе BPSK-демодулятора,
/7int(/) - передаточная функция интегрирующей цепи и Sout(/) - спектр выходного
сигнала. В результате корреляционной обработки, состоящей из умножения на
ПСП и последующего интегрирования, спектр узкополосного искажения расши-
ряется. Напомним, что спектр псевдослучайной последовательности очень ши-
72
Системы подвижной радиосвязи
Sb(f)
2 f
т„
т„
2 f
ть
SM(f)
Остаточные
Рис. 1.40. Спектры сигналов в различных частях DSSS-системы
при наличии узкополосного искажения
рок, и произведение искажения на псевдослучайный сигнал во временном ин-
тервале эквивалентно свертке их спектров. Таким образом, на выходе интегра-
тора остается только малая часть энергии искажающего сигнала.
Существуют другие варианты широкополосных систем. Несмотря на это,
система DS-SS чаще других применяется во втором и третьем поколениях сото-
вой телефонии, а также в беспроводных абонентских шлейфах; она будет
использоваться и в персональных системах спутниковой связи. Теперь кратко
рассмотрим два других типа систем с расширением спектра.
Глава 1. Элементы теории иифровых систем связи
73
Как уже упоминалось, если свойства канала изменяются во времени, то мо-
жет оказаться достаточно сложно обеспечить синхронный прием и, особенно,
реализовать восстановление синхронизации с точностью до доли кодового им-
пульса. В этом случае в системах с расширением спектра используются так на-
зываемые скачки частоты. Система со скачкообразным изменением частоты
(англ. Frequency Hopping Spread Spectrum - FH-SS) изображена на рис. 1.41.
Рис. 1.41. Обобщенная структура системы FH-SS
Биты данных, которые дополнительно могут кодироваться с упреждающей
коррекцией ошибок (БЕС), воздействуют на выход модулятора частотной манипу-
ляции (FSK). FSK-сигнал сдвигается по частоте на интервал, определяемый псев-
дослучайным генератором, который управляет синтезатором частот. Если синтеза-
тор может сгенерировать 2т - 1 различных частот, то выходная частота определя-
ется т последовательными битами генератора ПСП. Из-за широкого частотного
диапазона генерируемых сигналов очень сложно обеспечить фазовую синхрони-
зацию между несущими, выбираемыми при последовательных скачках. Поэтому в
приемнике используется некогерентный FSK-демодулятор. Обратим внимание на
то, что скачки частоты происходят много раз за период трансляции одного инфор-
мационного бита. Период FSK-модуляции Ть разделен на множество коротких
временных интервалов Th, называемых временем скачка. В этом случае говорят о
быстром скачкообразном изменении частоты. На рис. 1.42 изображена схема
работы с Ть = 87),, при которой изменение частоты несущей происходит в процес-
се обработки каждого информационного блока только один раз. Такая система
реализует так называемое медленное скачкообразное изменение частоты.3'
Методы FS-SS часто применяются в военных системах. Они обладают
устойчивостью к преднамеренному глушению, поскольку каждая несущая
частота используется очень короткий промежуток времени, что не позволяет 31
31 В системе сотовой связи GSM термин «медленное скачкообразное изменение частоты»
обозначает псевдослучайное изменение частоты канала, которое происходит только
один раз за время передачи целого пакета данных, состоящего из 148 битов.
74
Системы подвижной радиосвязи
Рис. 1.42. Иллюстрация скачкообразного изменения частоты в системе FH-SS
передатчику преднамеренных помех настроиться на эту частоту. Использование
медленного скачкообразного изменения частоты совместно с FEC-кодированием
позволяет многим пользователям разделять общий спектр. Этот метод может
быть применен для увеличения производительности сотовых систем.
Третий тип — системы расширения спектра с (псевдослучайной) пере-
стройкой во времени (англ. Time Hopping Spread Spectrum, TH-SS). В такой сис-
теме (рис. 1.43) период передачи информационного бита разделен на МТтактов
(временных слотов). Генератор ПСП определяет, номер временного слота для
передачи информационного сигнала. Характерной чертой такой системы является
ее пакетная природа. Сигнал передается в течение 1/ЛД-й части периода передачи
информации. Обычно значениеМт примерно равно 1000. Однако такое количе-
ство тактов создает серьезные проблемы с синхронизацией, решить которые
намного сложнее, чем проблемы с синхронизацией в системе DS-SS. Для обес-
печения равномерной передачи информации по системе TH-SS передатчик и
приемник должны быть оснащены буферами памяти.
Рис. 1.43. Обобщенная схема системы TH-SS
Глава 1. Элементы теории иифровых систем связи
75
В литературе встречается описание гибридных систем, сочетающих в себе
особенности всех трех вышеперечисленных типов систем с широкополосным
спектром. Однако наибольшее практическое значение имеют системы DS-SS
и FH-SS.
1.7. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ
МЕТОДОВ МНОГОСТАНЦИОННОГО ДОСТУПА
Много станционный доступ - один из наиболее важных вопросов в системах
связи, в которых какой-либо общий ресурс, например, диапазон электромагнит-
ного спектра или проводной канал (металлический или оптоволоконный) распре-
деляется между двумя и более пользователями. Этот вопрос кратко затрагивался
при описании модели типовой системы цифровой связи. Теперь мы рассмотрим
его более детально. Сосредоточим внимание на особенностях методов много-
станционного доступа для систем беспроводной связи.
В беспроводной связи общим ресурсом является частотный диапазон, выде-
ляемый системе административным органом. В США - это Федеральная комис-
сия связи (англ. Federal Communications Commission — FCC); в Европе - Европей-
ская конференция почтовых и телекоммуникационных ведомств (фр. Conference
Еигорёепе des Postes et Telecommunication Administrations - CEPT) в Евросою-
зе32. Национальные административные организации также могут оказывать вли-
яние на принятие решений о распределении спектра.
Самый старый метод доступа — многостанционный доступ с частотным
разделением каналов (МДЧР, англ. Frequency Division Multiple Access - FDMA~).
Выделенный системе частотный диапазон делится на определенное число по-
лос, каждая из которых используется для индивидуальной передачи данных
между двумя пользователями. Частотные полосы должны быть достаточно узки
для того, чтобы можно было создать максимальное количество каналов и, следо-
вательно, одновременно обслужить максимальное количество пользователей.
С другой стороны, их ширина должна быть достаточна велика, чтобы обеспечить
требуемое качество передачи информации.
В случае аналоговой передачи данных FDMA - единственно возможный ме-
тод многостанционного доступа, поскольку он обеспечивает необходимый ана-
логовому сигналу непрерывный доступ к передающей среде (рис. Е44). Харак-
терная особенность этого метода - наличие защитных частотных полос между
соседними каналами, что уменьшает количество возможных каналов и, соответ-
ственно, спектральную эффективность системы. Передатчики и приемники
должны быть оборудованы высококачественными канальными фильтрами.
32 В России ГКРЧ (Государственный комитет по радиочастотам), ГРЦ (Государственный
радиочастотный центр Минсвязи) (прим. ред.).
76
Системы подвижной радиосвязи
Рис. 1.44. Иллюстрация метода многостаниионного доступа FDMA
На передающей стороне эти фильтры ограничивают спектр передаваемого сиг-
нала шириной полосы пропускания канала, а на приемной - выделяют сигнал,
снижая уровень помех от соседних каналов. Здесь возможны проблемы, возни-
кающие в том случае, когда уровни мощности сигналов двух соседних каналов
слишком сильно отличаются друг от друга. При этом ослабленный боковой лепе-
сток спектра мощного сигнала соседнего канала сравним по уровню с главным
лепестком более слабого, что может привести к существенному ухудшению ка-
чества приема. Во избежание подобных коллизий требуется контроль мощности
каждого передаваемого сигнала.
Другой метод доступа—многостанционный доступ с временным разделени-
ем каналов (МДВР англ. Time Division Multiple Access - TDMA). Вместо доступа к
одному частотному каналу из выделенной системе полосы частот, абонентам
предоставляется возможность передачи сигналов во всей выделенной полосе, но
лишь в некоторые периодически повторяющиеся интервалы времени. Основная
единица времени называется кадром (англ, frame). Каждый кадр разделен на
фиксированное количество временных интервалов (англ. slot). Максимально
возможное количество одновременно обслуживаемых абонентов равно количе-
ству временных интервалов в кадре. Обычно количество абонентов несколько
меньше, поскольку некоторые интервалы используются в целях контроля, син-
хронизации и управления. Поэтому кадры часто организуются в структуры бо-
лее высокого порядка, такие, как мультикадры, суперкадры и т.д. Особенностью
метода TDMA является необходимость упаковывать абонентский поток данных
в короткие блоки, помещаемые в выделенные временные интервалы. Если в кад-
ре имеется М временных интервалов, то и скорость передачи данных через один
временной интервал должна быть в М раз выше, нежели таковая для одного або-
нента. Следствием этого факта является расширение спектра такого сигнала в
Мраз, по сравнению с непрерывным. Поэтому спектр, изображенный на рис. 1.45,
оказывается намного шире спектра сигнала FDMA на рис. 1.44. Другим следст-
вием метода TDMA является требование к виду сигнала. Временное уплотнение
возможно только для цифрового сигнала. Подобно тому, как в FDMA использу-
ются защитные частотные интервалы (разносы) между соседними каналами, ме-
тод TDMA требует наличия защитных временных промежутков между блоками
данных, занимающими соседние временные интервалы. Это обусловлено конеч-
Глава 1. Элементы теории иифровых систем связи
Рис. 1.45. Иллюстрация метода ТОМА
ным временем включения и выключения усилителей и возможной разницей во
времени прохождения сигнала между различными абонентами, осуществляю-
щими связь с одной и той же базовой станцией. Защитный временной интервал
точно так же, как и защитная частотная полоса в FDMA, уменьшает спектраль-
ную эффективность метода многостанционного доступа TDMA.
В реальных системах часто используется комбинация методов TDMA и FDMA.
В этих системах спектр поделен на некоторое количество частотных каналов, а
временная ось каждого канала разделена на временные интервалы. Такой подход
используется в системах GSM, IS-54/136 и в японских сотовых системах PDC.
Третий тип доступа называется многостанционным доступом с кодовым
разделением каналов (МДКР, англ. Code Division Multiple Access - CDMA). Он
упоминался при обсуждении принципов работы систем с расширением спектра.
Если выбирать расширяющие коды таким образом, чтобы их взаимная корреля-
ция была равна нулю, то можно выделять сигнал нужного абонента из смеси
сигналов различных пользователей при помощи корреляционной обработки -
свертки принимаемого сигнала с определенным опорным сигналом. В этом слу-
чае все абоненты занимают одну и ту же полосу частот и непрерывно передают
двоичные данные в виде псевдослучайных последовательностей, модулирован-
ных информационными сигналами (рис. 1.46).
Теоретически метод CDMA позволяет выделять информацию одного поль-
зователя до тех пор, пока используемые коды взаимно ортогональны, т.е. их вза-
имная корреляция равна нулю. К сожалению, каналы радиосвязи часто страдают
78
Системы подвижной радиосвязи
от эффекта многолучевого распространения радиоволн (см. раздел 3), что приво-
дит к потере ортогональности сигналов на входе в приемник. Очень сложно
найти большое количество расширяющих последовательностей, которые будут
взаимно ортогональны и в то же время сохранят ортогональность при сдвиге во
времени. Как следствие, ортогональность расширяющих последовательностей
при внесении искажений каналом связи становится неидеальной, что оказывает
отрицательное влияние на отношение сигнал/шум в приемнике и, следователь-
но, на частоту появления ошибок.
Метод CDMA может быть использован в комбинации с другими методами
многостанционного доступа, например, с FDMA или TDMA. В случае примене-
ния CDMA/FDMA весь выделенный системе диапазон спектра делится на неко-
торое количество частотных полос, и в каждой из них применяется метод
CDMA. В случае TDMA/CDMA, расширение кодовой последовательностью ис-
пользуется лишь в выделенных временных интервалах (слотах), оставляя про-
чие для других абонентов.
В последние годы реализуется новый метод доступа, поддерживающий все
вышеописанные методы. Он называется многостанционным доступом с
пространственным разделением (англ. Space Division Multiple Access — SDMA).
В основе SDMA лежит использование антенных решеток с остронаправленны-
ми лепестками диаграммы направленности, управляемыми с помощью электро-
ники. Таким образом, если абонентов разделяет большое угловое расстояние, то
они могут использовать одни и те же частотные каналы, временные интервалы,
коды комбинации методов - в зависимости от основного способа многстанцион-
ного доступа, применяемого в системе. Применение метода SDMA оказывает
существенное влияние на суммарную производительность системы и будет об-
суждаться в разделе 18.
1.8. МЕТОДЫ ДУПЛЕКСНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
Однонаправленная передача характерна для систем вещания, таких, как те-
ле- и радиовещание. Помимо этих систем она редко используется в системах
цифровой и подвижной связи, поскольку информационный поток в большинстве
случаев передается в обоих направлениях. Самый простой пример - это теле-
фонный звонок. Таким образом, для передачи данных требуется либо канал об-
ратной связи (см. параграф 1.4.5 по ARQ), либо она реализуется в виде дву-
направленного или дуплексного канала. Следовательно, необходимо решать
проблему двунаправленного обмена информацией. Эта задача характерна для
многих систем связи, поэтому мы кратко ее рассмотрим.
В первом методе дуплексной передачи весь выделенный системе спектр де-
лится между двумя противоположными направлениями. Такой подход называет-
ся дуплексной передачей с частотным разделением (англ. Frequency Division
Duplex - FDD). Спектры различных направлений передачи данных не должны
Глава 1. Элементы теории иифровых систем связи
79
о) Р(Г)
А->В
б) x(t)
Спектры
других систем
В->А
Рис. 1.47. Примеры дуплексных режимов FDD и TDD
перекрываться, а разделяющий их диапазон частотного разноса может использо-
ваться другими системами. Во многих системах обе полосы имеют одинаковую
ширину. Применение метода FDD выгодно при необходимости обеспечения не-
зависимой передачи данных в обоих направлениях.
Другой метод - это дуплексная передача с временным разделением (англ. Time
Division Duplex - TDD). Здесь весь частотный диапазон системы используется
для передачи данных в обоих направлениях, причем пакеты данных в различных
направлениях разнесены по времени. Как и в TDMA, в методе TDD использует-
ся система кадров. TDD применяется в случае, когда время распространения сиг-
нала мало по сравнению с длиной блоков данных. Для переключения направления
передачи данных предусматривается защитный временной интервал. В наибо-
лее сложных системах связи время, выделяемое для передачи данных в каждом
направлении, может варьировать применительно к виду предоставляемой услу-
ги. В этом смысле режим TDD более гибок и обеспечивает лучшую производите-
льность. На рис. 1.47 продемонстрированы оба метода дуплексной передачи.
Дуплексная передача с частотным или временным разделением использует-
ся в комбинации с описанными выше методами много станционного доступа. В
реальных системах используются следующие комбинации: TDMA/FDMA с FDD
(GSM), TDMA/FDMA с TDD (DECT), CDMA c FDD (IS-95, UMTS WCDMA
FDD), TDMA/CDMA c TDD (UMTS WCDMA TDD). Примеры этих комбинаций
будут рассмотрены в разделах, посвященных наиболее важным системам по-
движной связи.
1.9. КОНКУРЕНЦИЯ ЗА ДОСТУП К КАНАЛУ
Методов многостанционного доступа и дуплексной передачи данных недо-
статочно для решения проблем, возникающих при совместном использовании
общего канала. Обычно информационный обмен между двумя пользователями
длится определенный период времени, в течение которого некоторые ресурсы
системы, особенно частотный канал, последовательность временных слотов
80
Системы подвижной радиосвязи
и/или кодовая последовательность используются парой пользователей. До и по-
сле этого периода канал может использоваться другими пользователями или
оставаться незанятым. При большом количестве абонентов возможно возникно-
вение сложных ситуаций. Может случиться так, что несколько пользователей по-
пытаются одновременно установить соединение и использовать один и гот же
канал. Это приведет к борьбе за ресурс и возникновению конфликта (коллизии).
Существует порядок разрешения подобных проблем. Коротко рассмотрим его.
С точки зрения системы связи, резервирование канала конкретными пользо-
вателями является случайным процессом. Проблема организации произвольного
доступа33 играет особенно важную роль, если посылаемые абонентами сообще-
ния имеют форму коротких пакетов, вследствие чего установление фиксирован-
ного соединения было бы напрасной тратой системных ресурсов.
Самым простым, хотя и наименее эффективным, протоколом организации
произвольного доступа к каналу считается «чистая» ALOHA. Он был разрабо-
тан и применен в 1971 г. в Гавайском университете. Согласно этому протоколу,
абоненты передают пакеты данных, содержащие коды обнаружения ошибок, в
произвольные моменты времени. Коллизии между пакетами возникают, когда,
по крайней мере два из них накладываются друг на друга во времени. Прием
каждого пакета должен быть подтвержден. Если подтверждающий АСК-пакет
не доходит до отправителя в установленное время, то данные считаются поте-
рянными и должны быть посланы снова через произвольный интервал времени.
Это позволяет хотя бы частично избежать повторных коллизий.
Наличие определенного порядка посылки пакетов позволяет улучшить ра-
боту протокола ALOHA. Наиболее простой модификацией «чистой» ALOHA
является синхронная ALOHA34 (англ, slotted ALOHA). В ее основе лежит разде-
ление времени на интервалы - слоты, равные времени передачи одного пакета.
Пользователь должен синхронизироваться с этими временными интервалами.
Тогда пакеты различных пользователей не будут частично перекрываться, как
это случается в «чистой» ALOHA. Однако они могут перекрываться полностью,
если два терминала использовали один и тот же временной интервал. Синхро-
нная ALOHA часто используется в беспроводной связи. В частности, она при-
меняется в GSM в процессе установления соединения и некоторых других
процедурах.
Абоненты, желающие отправить свой пакет данных с использованием
ALOHA, не принимают во внимание действия других пользователей. Если бы
они вначале «прослушивали» канал, а затем посылали свои данные, то количест-
во коллизий уменьшилось бы. Метод предварительного опроса канала реализован
в протоколах многостанционного доступа с контролем несущей (МДКН, англ.
33 В литературе встречается также термин случайный доступ (прим. ред.).
34 Можно встретить другие варианты прочтения - интервальная или слотовая ALOHA.
Суть синхронного протокола от этого не меняется (прим. ред.).
Глава ?. Элементы теории иифровых систем связи
81
Carrier Sense Multiple Access - CSMA). Некоторые протоколы такого типа исполь-
зуются в беспроводных сетях с коммутацией пакетов и в беспроводных ЛВС
Самым простым из группы CSMA-протоколов является I-настойчивый
CSMA, (CSMA с настойчивым алгоритмом доступа к каналу 1-гоуровня - англ.
1-persistent CSMA}. В этом случае разделение на временные слоты не произво-
дится. Терминал перед отправкой пакета данных прослушивает канал, после че-
го, как только канал освободится, отправляет пакет, а затем ожидает получения
подтверждения приема. Если АСК-сообщение не приходит вовремя, то терми-
нал снова начинает прослушивать канал через выбираемый случайным образом
промежуток времени и повторяет отправку пакета, как только канал освободит-
ся. Английское название протокола указывает, что терминал настойчиво повто-
ряет попытки отправить (с вероятностью, равной 1) пакет тогда, когда канал ока-
жется свободным. Одним из недостатков этого протокола является влияние
задержки распространения сигнала на общую производительность системы.
Коллизия может произойти при большом удалении двух различных терминалов,
пытающихся передать пакет данных. Более удаленный терминал считает канал
свободным, в то время как он уже используется другим, а обнаружить это невоз-
можно из-за задержки распространения сигнала.
Другая версия CSMA-протокола называется ненастойчивым алгоритмом
CSMA. Этот протокол работает следующим образом: если станция обнаружива-
ет, что канал занят, она начинает опрашивать состояние канала через произволь-
ные интервалы времени. Если канал свободен, то пакет отправляется немедлен-
но. Таким образом, исключаются коллизии, возникающие в CSMA с настойчивым
алгоритмом при одновременном начале передачи пакетов несколькими термина-
лами. С другой стороны, при небольшом количестве пользователей предыдущий
CSMA-протокол оказывается более эффективным, поскольку при этом случайно
выбранное время ожидания перед обращением к каналу было бы напрасной тра-
той системных ресурсов.
Р-настойчивый CSMA-протокол (CSMA с настойчивым алгоритмом
уровня р) - это улучшенный вариант 1-настойчивого CSMA-протокола. Здесь
время разделено на интервалы - слоты. Обычно длительность временного слота
выбирают примерно равным максимальной задержке на распространение сигна-
ла. Станция перед отправкой пакета «прослушивает» канал. Если канал свободен,
то терминал передает пакет с вероятностью р. Таким образом, с вероятностью
р = 1 - р текущий интервал не используется для передачи пакета. Это действие
длится один или несколько следующих временных интервалов до тех пор, пока
не будет передан весь пакет данных. Если канал занят, то терминалы продолжа-
ют непрерывно его опрашивать. Как только канал освобождается, вся процедура
начинается сначала.
Завершим этот краткий обзор сравнением различных протоколов произ-
вольного доступа (рис. 1.48). Кривые, изображенные на рис. 1.48, были получе-
ны в предположении, что задержка при распространении сигнала составляет од-
ну десятую времени передачи пакета Тр. Пропускная способность 5 определяет-
82
Системы подвижной радиосвязи
Рис. 1.48. Зависимость пропускной способности канала
от абонентской нагрузки для протоколов ALOHA и CSMA
1 - ALOHA; 2 - синхронная ALOHA; 3 - 1-настойчивый CSMA, с выделением и без выде-
ления слотов; 4 — ненастойчивый CSMA; 5 - ненастойчивый CSMA с выделением слотов
ся как среднее количество успешных попыток передачи пакетов за время переда-
чи одного пакета Тр. Поступающая абонентская нагрузка G на канал - это ко-
личество попыток передачи пакета (с учетом как новых, так и передаваемых
повторно) за время передачи одного пакета Тр.
Из рис. 1.48 следует, что возможности CSMA-протоколов существенно пре-
восходят возможности протоколов ALOHA. Несмотря на это, синхронная
ALOHA (с выделением временных слотов) используется достаточно часто. Воз-
можно, это обусловлено тем, что в отличие от протоколов CSMA она нечувстви-
тельна к задержкам на распространение сигнала.
1.10. МОДЕЛЬ OSI
В предшествующем материале мы сосредоточились на методах передачи и
приема аналоговых и цифровых сигналов, основах канального кодирования и
соответствующих протоколах обмена информацией, а также на методах много-
станционного доступа и принципах дуплексной передачи данных.
Однако в последнее время организация систем цифровой передачи инфор-
мации стала настолько сложной, а оборудование и рынки услуг настолько мно-
гообразными, что потребовалось вводить стандарты для различных уровней
организации цифровых систем. В 1977 г. Международная организация по стан-
дартизации (англ. International Organization for Standartization - ISO) предста-
вила эталонную модель взаимодействия открытых систем (ВОС. англ. Open
Systems Interconnection OSI), разработанную с целью упорядочивания описания
процедур обмена информацией и упрощения разработки сетей.
Описание сетей передачи информации реализовано в виде набора уровней.
Каждый уровень относится к процессу или устройству, входящему в состав сис-
Глава /. Элементы теории иифровых систем связи
83
темы и выполняющему определенную функцию [15]. Разработчики конкретного
уровня должны досконально знать работу системы на своем уровне. Для разра-
ботчиков более высоких уровней и пользователей системы процесс или устройст-
во этого уровня представляют собой «черный ящик» с определенными входным
и выходным сигналами и известной внутренней взаимосвязью между сигнала-
ми. Таким образом, сложная архитектура и работа цифровой системы подразде-
ляются на наборы меньших и более четко определенных структур и операций.
В эталонной модели OS1 отдельные уровни взаимодействуют друг с другом
посредством четко определенных интерфейсов. На каждом уровне реализуется
определенное количество базовых функций при помощи набора функций, опре-
деленных в эталонной модели OSI нижележащего уровня. Каждый уровень
предоставляет набор услуг находящемуся над ним уровню, причем на вышеле-
жащем уровне неизвестны детали реализации услуг, предоставляемых нижеле-
жащим уровнем. Чтобы подобное стало возможным, необходимо определить
интерфейсы между уровнями.
На рис. 1.49 представлена эталонная модель OS1, описывающая взаимодей-
ствие двух систем. Каждый уровень первой системы взаимодействует с таким же
уровнем второй системы с помощью набора правил, называемого многоуровне-
вым протоколом. Соответствующие друг другу процессы каждого уровня взаи-
модействуют между собой. Заметим, что физическое соединение между систе-
мами существует только на нижнем, физическом уровне, а связь между верхни-
ми уровнями обеих систем носит виртуальный характер. На практике эта связь
Пользователь 1 Пользователь 1
Физический канал Физический канал
Система 1 Узел сети Система 2
Рис. 1.49. Эталонная модель взаимодействия открытых систем (модель OSI)
84
Системы подвижной радиосвязи
реализуется последовательно через посредство уровней, лежащих ниже рас-
сматриваемого.
Кратко опишем значение и функции каждого уровня модели OS1.
В задачи физического уровня входит реализация физического соединения,
обеспечивающего передачу битов данных по каналу, который связывает терми-
нал или сетевой узел с другим сетевым узлом. Физический уровень оборудован
модулями физического стыка, которые расположены на каждом конце физиче-
ского канала. На стороне передачи задачей интерфейса является перевод прихо-
дящего с уровня звена данных35 потока двоичных данных в тот вид, в котором он
может быть передан по физическому каналу. Модуль на стороне приема выпол-
няет противоположные функции. Типовыми функциями модуля физического
стыка являются функции модема. Вопросы, связанные с цифровой модуляцией,
передачей и приемом сигналов по конкретному каналу связи, в том числе каналу
подвижной радиосвязи, относятся к проблематике физического уровня.
Задача уровня звена данных - защита передаваемых данных от ошибок при
передаче между узлами сети. В результате на стыке с сетевым уровнем получа-
ется поток двоичных данных постоянного качества. На канальном уровне реша-
ются проблемы реализации механизмов обнаружения и коррекции ошибок коди-
рования, организации кадров, а также применяются методы ARQ.
Третий уровень модели OSI называется сетевым уровнем. Основные задачи
этого уровня - выбор маршрутов пересылки пакетов данных, а также управление
их потоками. Решение первой задачи происходит следующим образом: запущен-
ное на сетевом узле программное обеспечение сетевого уровня определяет, по
какому из возможных путей отправить приходящие на него пакеты. В узле на-
значения пакеты обрабатываются для передачи на следующий уровень - транс-
портный. В свою очередь, управление потоком пакетов включает предотвраще-
ние блокирования и перегрузки буферов, в которых накапливаются неравномер-
но прибывающие из сети пакеты данных. Сетевой уровень определяет, когда
можно принять пакеты с более высокого уровня и когда их можно передать в
другую сеть или на узел назначения. Сетевой уровень считается одним из наи-
более сложных [15]. Он очень важен для надежной работы всей цифровой сети.
Остальные уровни модели OSI называются высокими уровнями [17]. Прото-
колы этих уровней определяют взаимодействия между системами и не связаны
напрямую с функциями конкретной системы связи. Поэтому они не настолько
важны для описания систем подвижной связи. Коротко рассмотрим эти уровни
для завершения описания модели OSI.
Транспортный уровень обеспечивает надежный механизм обмена данными
между процессами в различных системах. Он контролирует отсутствие ошибок
в принимаемых данных, расположение пакетов в соответствующем порядке, * В
35 В нормативных документах отрасли связи применяется термин «уровень звена данных».
В литературе встречается термин «канальныйуровень» (прим. ред.).
Глава 1. Элементы теории иифровых систем связи
85
их полноту, а также отсутствие повторяющихся элементов. Транспортный уро-
вень отвечает за оптимизацию сетевых сервисов и уровень их качества, требуе-
мый сетевым терминалам на сеансовом уровне.
Сеансовый уровень обеспечивает средства управления диалогом между при-
ложениями. На этом уровне распределяются ресурсы между двумя процессами
приложений для установления соединения между ними, называемого сессией.
После того, как сессия между двумя пользователями установлена, диалогом
между ними управляют процессы сеансового уровня.
Уровень представления^ устанавливает общий формат обмена данными
между двумя терминалами, используя общие правила представления данных.
Этот уровень преобразует входные данные в формат, который позволяет выби-
рать набор сервисов на прикладном уровне. В частности, на уровне представле-
ния может производиться шифрование информации.
Высший уровень - прикладной - обеспечивает доступ конечного пользова-
теля к возможностям OSI.
Работа цифровой системы связи с точки зрения эталонной модели OSI ил-
люстрируется на рис. 1.50. Обмен информацией между двумя пользователями
начинается на высшем уровне. Этот уровень получает от пользователя так назы-
Заголовок уровня
представления
Заголовок
сеансового уровня
Заголовок
транспортного
уровня
Заголовок
сетевого уровня
Заголовок уровня
управления
звеном данных
Рис. 1.50. Пакетная
структура отдельных уровней описания модели OSI
36 В документации встречаются термины представляющий или представительный
уровень (прим. ред.).
86
Системы подвижной радиосвязи
ваемый прикладной блок данных, который передается вниз на следующие уров-
ни. На каждом уровне к блоку добавляется заголовок, содержащий контрольную
информацию, необходимую для реализации протокола данного уровня. Весь
блок (вместе с заголовком) рассматривается на следующем уровне в качестве
блока данных. На уровне звена данных к блоку обычно добавляется не только за-
головок, но и трейлер37. Задача трейлера - обнаружение и исправление ошибок.
Например, двоичный CRC-блок, который мы описывали в подразделе, посвя-
щенном канальному кодированию, представляет собой трейлер.
На стороне приема происходят обратные процессы. На каждом уровне бло-
ки распаковываются, заголовки и трейлеры удаляются, и принятая информация
передается на более высокий уровень.
1.11. ПРОТОКОЛ Х.25 ДЛЯ СЕТЕЙ С КОММУТАЦИЕЙ ПАКЕТОВ
В общем случае сети можно разделить на сети с коммутацией каналов и
сети с коммутацией пакетов. В сети с коммутацией каналов физическое сое-
динение устанавливается на некоторый промежуток времени, в течение кото-
рого происходит обмен информацией между двумя пользователями. В радио-
связи физическое соединение производится на частотном канале (в режиме
FDMA), частотном канале и выделенном временном интервале (в режиме
TDMA/FDMA) или с применением расширяющей последовательности (в ре-
жиме CDMA). Типичный образец сети с коммутацией каналов - это сеть, в
основе которой лежит стандарт GSM.
Часть информации, в особенности управляющей, даже в сетях с коммута-
цией каналов имеет пакетный характер. Однако существуют сети полностью
пакетного типа. На время обмена информацией физическое соединение между
двумя пользователями такой сети не устанавливается. Вместо этого пользова-
тели отправляют в сеть содержащие адрес назначения и нумерованные пакеты
данных. Нумерация обеспечивает правильный порядок пакетов на принимаю-
щей стороне. Пакеты посылаются на ближайший сетевой узел, а оттуда они от-
правляются по динамически устанавливаемому маршруту в пункт назначения.
Благодаря пакетному характеру трафика, системные ресурсы в сетях с комму-
тацией пакетов используются намного более эффективно (предполагается, что
сеть не перегружена), чем в сетях с коммутацией каналов. Ресурсы сети с ком-
мутацией пакетов используются только, если в очереди есть какой-нибудь па-
кет, в то время как в сети с коммутацией каналов вся цепочка устройств между
передатчиком и приемником резервируется независимо от того, нужно ли
что-нибудь передавать или нет.
37 Иначе - концевик. Заключительная часть пакета данных, информирующая об оконча-
нии передачи; часто включает запись с контрольной суммой.
Глава /. Элементы теории цифровых систем связи
87
Один из наиболее часто используемых протоколов в сетях с коммутацией
пакетов - это протокол Х.25. Свое название он получил от одноименной Реко-
мендации ITU-T серии X. Этот протокол применяется, например, для передачи
данных в рамках системы GSM. Мы рассмотрим его подробно в разделе 11. В на-
стоящем разделе представлено краткое описание протокола Х.25 согласно [15].
Протокол Х.25 имеет уровневую структуру, соответствующую трем нижним
уровням эталонной модели OSI. Взаимосвязи между уровнями изображены на
рис. 1.51.
OSI Architecture Х.25 Architecture
В терминологии Х.25 уровни называются следующим образом: физический
уровень, уровень звена данных и уровень пакетов.
Физический уровень определяет форму битового представления, а также
способ установления соединения и синхронизации с сетевым узлом. На этом
уровне определяются электрический, физический и процедурный интерфейсы
оконечного устройства пользователя и сетевого узла.
Уровень звена данных обеспечивает синхронную работу приемника по отно-
шению к передатчику и производит обнаружение и/или коррекцию ошибок.
На пакетном уровне реализуются услуги устанавливаемого в сети виртуаль-
ного канала.
Функции уровня звена данных реализуются при помощи протокола LAP-B
(процедура сбалансированного доступа к каналу - англ. Link Access Protocol -
88
Системы подвижной радиосвязи
Balanced). Этот протокол определяет способ передачи по сети произвольного ко-
личества информационных битов. Двоичные последовательности передаются в
виде последовательных кадров (рис. 1.52).
Количество
битов
Флаг Адрес Поле управления Пакет CRC Флаг
Рис. 1.52. Структура кадров в протоколе LAP-B
Этот протокол позволяет передавать любое количество байтов. Кадр на-
чинается и заканчивается специфической 8-битовой последовательностью
01111110. Этот указатель (флаг) используется для синхронизации приемника
с принимаемым кадром (кадровая синхронизация). Прием последовательно-
сти из семи единиц обозначает проблемы с каналом. Последовательность, со-
стоящая, по меньшей мере, из 15 единиц, устанавливает канал в состояние
ожидания. Для того чтобы избежать ошибочного приема сигнала конца кадра
или сигнала ошибки канала во время приема информационной последователь-
ности, в передатчике используется метод вставки битов, который заключает-
ся в добавлении нуля к последовательности пяти единиц. Таким образом, сиг-
нал начала и конца кадра появляется только в начале и в конце кадра. В прием-
нике двоичный поток постоянно контролируется. В случае появления пяти
идущих подряд единиц (перед которыми идет нуль) проверяется шестой бит.
Если это - нуль, то он удаляется, поскольку очевидно, что он был добавлен в
передатчике. Если шестой бит - единица, то приемник проверяет значение седь-
мого бита. Если седьмой бит - нуль, то регистрируется конец кадра, а если
единица и соответствующее количество последующих битов - тоже единицы,
то такая последовательность обозначает либо проблемы с каналом, либо пе-
реход канала в состояние ожидания.
Адресное поле кадра протокола LAP-B имеет размер в один байт. Оно содер-
жит адрес станции, передающей или принимающей данный кадр.
Поле управления служит для идентификации одного из трех возможных ти-
пов кадра: информационного, управляющего или ненумерованного. Информа-
ционные кадры содержат данные для рассылки между элементами сети. Помимо
самой информации, они содержат данные сетевого уровня системы. Управляю-
щие кадры реализуют механизм ARQ, а ненумерованные кадры содержат допол-
нительную информацию, относящуюся к управлению каналом.
Информационное (пакетное) поле содержит любое количество битов, кото-
рые нужно переслать по каналу.
CRC-поле используется для проверки четности кадра с целью обнаружения
ошибок. В протоколе реализуется деление на сертифицированный ITU-T порож-
дающий полином
Глава ?. Элементы теории иифровых систем связи
89
g(x) = .Y,b+X,2+X5+l.
При помощи указанного выше кода обнаружения ошибок определяется чет-
ность всего кадра, за исключением открывающих и закрывающих кадр флагов.
Как уже упоминалось, задачей пакетного уровня протокола Х.25 является
установление виртуального канала на период обмена информацией между око-
нечными устройствами. Обмен начинается терминалом, который инициирует
соединение посылкой специального пакета на сетевой узел. Помимо других эле-
ментов, такой пакет содержит адреса источника и пункта назначения, а также за-
прос на установление соединения. Сеть посылает аналогичный пакет на терми-
нал назначения, инициируя установление соединения. После отправки вызывае-
мым терминалом подтверждающего пакета, виртуальный дуплексный канал
считается установленным.
Когда один из терминалов желает прекратить обмен информацией, он посы-
лает завершающий пакет на сетевой узел. Последний отвечает пакетом с под-
тверждением операции.
Протокол Х.25 здесь описан крайне упрощенно. Тем не менее, этого доста-
точно для общей ориентации в задачах отдельных уровней протокола. Термин
«Х.25» будет часто появляться в этой книге в разделах, посвященных различным
системам подвижной связи.
С протоколом LAP-B тесно связан другой протокол - LAP-D (процедура
канального доступа через D-канал, англ. Link Access Protocol on the D Channel).
Он используется в цифровой сети с интеграцией услуг (англ. Integrated Services
Digital Network - ISDN) для управления соединением по D-каналу сети ISDN3*.
Он также применяется в некоторых сетях подвижной связи для передачи конт-
рольной информации и последовательностей данных. Структура кадров этого
протокола очень похожа на структуру, изображенную на рис. 1.52. В протоколе
LAP-D адресное поле расширено до 16 битов, а размер информационного поля
не может превышать 260 байтов. Поле управления может иметь длину в один
или два байта. Его размер зависит от назначения и формата передаваемого кад-
ра. В кадре, передаваемом без подтверждения приема, информационных бай-
тов нет (длина информационного поля равна нулю), и размер управляющего
поля равен одному байту. Для передачи с подтверждением приема необходима
нумерация кадров, чтобы повторить неподтвержденный кадр, в котором были
обнаружены ошибки. В этом случае длина управляющего поля равна двум бай-
там. Протокол LAP-D используется на уровне управления каналом передачи
данных в системе GSM. В
38
В сети ISDN абоненту предоставляется базовый доступ к двум 64 кбит/с S-каналам и
одному 16 кбит/с £>-каналу.
90
Системы подвижной радиосвязи
1.12. ОБШЕКАНАЛЬНАЯ СИСТЕМА СИГНАЛИЗАЦИИ №7
Производительность цифровой сети зависит не только от скорости передачи
пользовательских данных. Установление соединения, мониторинг и завершения
соединения требуют передачи определенных управляющих сигналов. Количест-
во управляющих сигналов в сетях подвижной связи намного больше, чем в сетях
фиксированной связи, что обусловлено мобильностью терминалов и необходи-
мостью отслеживать их положение. Следовательно, эффективная и надежная си-
стема передачи управляющих сигналов между отдельными элементами сети ра-
диосвязи играет особенно важную роль в ее функционировании.
Наиболее известная система сигнализации - это ОКС-7 (англ. SS7 - Signa-
ling System №7). Многие системы подвижной связи строятся с использованием
этой системы сигнализации. К ним принадлежит и GSM.
Система ОКС-7 образует свою, независимую от пользовательской, сеть, в
которой передаются сигнальные сообщения, связанные с множеством информа-
ционных каналов. Называется она общеканальной системой сигнализации [18].
Благодаря отделению сети сигнализации от пользовательской сети становится
возможной передача сигнальной информации через уже установленные соеди-
нения. Управляющие сигналы передаются намного быстрее других элементов
сигнализации. Сеть сигнализации можно также использовать для передачи сооб-
щений обслуживания и эксплуатации между узлами (центрами) коммутации и
центром управления сетью. Сеть сигнализации состоит из каналов сигнализа-
ции и узлов. Пункты сигнализации SP (англ. Signaling Points) и транзитные пун-
кты сигнализации STP (англ. Signaling Transfer Points) представляют собой узлы
сети сигнализации. Пункты сигнализации посылают или принимают сигнальные
сообщения. Транзитные пункты сигнализации коммутируют сигнальные пакеты
и направляют их в соответствующие пункты сигнализации по выбранным кана-
лам сигнализации. Поскольку система сигнализации очень важна для беспере-
бойной работы всей коммуникационной сети, пункты сигнализации соединены
друг с другом и с транзитными пунктами сигнализации избыточным образом.
Система SS7 имеет многоуровневую организацию, аналогичную организации
эталонной модели OSI. Определены четыре сетевых уровня, которые соответст-
вуют семи уровням модели OSI. Первые три уровня - звено данных сигнализации,
звено сигнализации, и сеть сигнализации - составляют так называемую подсис-
тему передачи сообщений МТР (англ. Message Transfer Part). На этих уровнях
обеспечивается надежная передача и распределение сигнальных сообщений
между пунктами сигнализации. Звено данных сигнализации (англ. Signaling Data
Link) соответствует физическому уровню модели OSI. На этом уровне определя-
ются параметры физического соединения между пунктами сигнализации и со-
седними транзитными пунктами сигнализации. Второй уровень - звено сигнали-
зации (англ. Signaling Bridge) - соответствует уровню управления каналом пере-
дачи данных модели OSI. Он контролирует информационный обмен, упорядочи-
вает сообщения в пронумерованные последовательности, обнаруживает ошибки
Глава 1. Элементы теории иифровых систем связи
91
в принимаемых пакетах и, при необходимости, запрашивает их повтор. Третий
уровень - сеть сигнализации (англ. Signaling Network) - управляет распределе-
нием сообщений между пунктами сигнализации сети. Три нижних уровня систе-
мы сигнализации SS7 вместе с подсистемой управления соединением сигнализа-
ции (англ. SCCP — Signaling Connection Control Part), которая принадлежит чет-
вертому уровню системы SS7 и отвечает за сигнальное соединение, составляют
подсистему услуги сети (англ. NSP — Network Service Part). Остальная часть чет-
вертого уровня называется подсистемой пользователя (англ. UP - User Part).
Более детальное описание системы SS7 выходит за рамки настоящего ввод-
ного раздела. Заинтересованные читатели могут обратиться к работе [18].
к к к
В настоящем разделе были рассмотрены основные элементы цифровых
систем связи, коды обнаружения и исправления ошибок, методы цифровой моду-
ляции и демодуляции, а также методы коллективного доступа и дуплексной пе-
редачи данных. Мы затронули эталонную модель OS1, которая используется в
последующих параграфах для описания систем подвижной связи.
Настоящий раздел носит обзорный характер. В нем практически отсутству-
ют подробные описания структур систем связи и анализ их производительности.
Читатель, желающий пополнить свои знания в этой области, может обратиться к
справочникам, например, к [5], [14] и [15]. В работе [16] приведен обзор основ-
ных теоретических проблем подвижной связи. Общее обозрение цифровых се-
тей приведено в [17].
ЛИТЕРАТУРА
1. S.R.Saunders, Antennas and Propagation for Wireless Communication Systems,
John Wiley & Sons, Ltd., Chichester, 1999.
2. C.A.Balanis, Antenna Theory: Analisis and Design, Second Edition, John Wiley &
Sons, Ltd., Chichester, 1997.
3. ITU-T Recommendation G.726, «40, 32, 24, 16 kbit/s Adaptive Differential Pulse
Code Modulation (ADPCM)», Geneva, 1990.
4. J.Raimer, M.McMahan, M.Arjmand, «32-kbit/s ADPCM with TMS32010», in Di-
gital Signal Processing Applications with the TMB320 Family: Theory, Algorithms
and Implementations, Texas Instruments, 1989.
5. J.C.Proakis, Digital Communications, Fourth Edition, McCraw-Hill, New York, 2001.
6. W.C. Wong, R.Steele, C.-E.W.Sundberg, Source-Matched Mobile Communications,
Pentech Press, London and IEEE Press, New York, 1995.
7. R.J.Sluijter, F.Wuppermann, R.Taori, E.Kathmann. «State of the Art and Trends in
Speech Coding», Philips J. Research. Vol. 49, 1995, pp. 455-488.
8. «IS-54, Cellular System Dual-Mode Mobile Station Base Station Compatibility
Standard», El A, May 1990.
92
Системы подвижной радиосвязи
9. М.Schwartz, Information Transmission, Modulation and Noise, McCraw-Hill,
New York, 1972.
10. C.C.Clark, Jr., J.B.Cain, Error-Correction Coding for Digital Communications,
Plenum Press, New York, 1981.
11. S.Lin, D.J.Costello Jr., Error Control Coding: Fundamentals and Applications,
Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J., 1983.
12. A.J.Viterbi, Error Bounds for Convolutional Codes and an Asymptotically Opti-
mum Decoding Algorithm, IEEE Transactions on Information Theory. Vol. IT-13. Ap-
ril 1967, pp. 260-269.
13. C.Shannon, A Mathematical Theory of Communication, Bell System Technical
Journal. Vol. 27, 1948, pp. 379^423 andpp. 623-656.
14. E.A.Lee, D.C.Messerschmitt, Digital Communication, Second Edition, Kluwer
Academic Publishers, Boston, 1994.
15. S.Haykin, Digital Communication, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1994
16. J.D.Cibson (ed.), The Mobile Communications Handbook, IEEE Press and CRC
Press, New York, 1996.
17. W.Stallings, Data and Computer Communications, Third Edition, Maxwell
Macmillan International Editions, New York, 1991.
18. R.L.Freeman, Practical Data Communications, John Wiley & Sons, Inc., New
York, 1995.
19. F.Halsall, Data Communications, Computer Networks and Open Systems, Fourth
Ed., Addison-Wesley, Harlow, 1996.
20. Bluetooth Specification Ver. 1.0 B, November 1999.
21. J.Haartsen, «Bluetooth - the Universal Radio Interface for ad hoc Wireless Con-
nectivity», Ericsson Review, № 3, 1998, pp. 110-117.
22. C.D.Fomey, Concatenated Codes, MIT Press, Cambridge, Massachusetts, 1966.
23. C.Berrou, A.Glavieux, P.Thitimajshima, Near Shannon Limit Error-Correcting
Coding and Decoding: Thrbo-Codes», Proc, of IEEE International Conference on
Communications, ICC’93, Geneva, 1993, pp. 1064-1070.
24. ETSITR 101 683 VI. 1.1, «Broadband Radio Access Networks (BRAN); HIPER-
LAN Type 2; System Overview», February 2000.
25. T.Starr, J.M.Cioffi, P.J.Silverman, Understanding Digital Subscriber Line Tech-
nology, Prentice-Hall, Upper Saddle River, N.J., 1999.
26. Special Issue on Very High-Speed Digital Subscriber Lines, IEEE Communicati-
ons Magazine, May 2000.
27. ETSI EN 300744, «Digital Video Broadcasting (DVB); Framing Structure, Chan-
nel Coding and Modulation for Digital Terrestrial Television», V. 1.2.1, February 1999.
28. J.L.Hammond and P.J.RO’Reilly, Performance Analysis of Local Computer Ne-
tworks, Addison-Wesley, Reading, Mass., 1986.
29. Ch.Heegard, S.B.Wicker, Turbo Coding, Kluwer Academic Publishers, Boston, 1999.
Глава 2
ОБЗОР И КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ
ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ
2.1. ВВЕДЕНИЕ
Системы подвижной радиосвязи (СПР) характеризуются разнообразием
возможностей. Они отличаются друг от друга по степени сложности, объему
предоставляемых услуг и эксплуатационным расходам. Основными свойствами
всех подобных систем считается подвижность по крайней мере одного из поль-
зователей и отсутствие проводного соединения его терминала с оборудованием
сети связи. В этом разделе мы приведем основные типы систем подвижной связи
и их основные характеристики, определяющие особенности применения.
Один из критериев классификации систем подвижной связи - это степень их
сложности в совокупности с объемом предлагаемых услуг. С этой точки зрения
они подразделяются на следующие категории:
• системы персонального радиовызова;
• системы бесшнуровой телефонии;
• транкинговые системы;
• системы сотовой подвижной связи;
• системы персональной спутниковой связи;
• системы беспроводного доступа к локальным вычислительным сетям.
Далее мы кратко остановимся на перечисленных категориях, приведем их
характерные особенности и рассмотрим разницу между ними.
94
Системы подвижной радиосвязи
2.2. СИСТЕМЫ ПЕРСОНАЛЬНОГО РАДИОВЫЗОВА
Системы персонального радиовызова (пейджинговые от англ, paging - вы-
зов) изначально строились на основе вещательных систем. В классической пей-
джинговой системе связь односторонняя - от базовой станции, связанной с цент-
ром обработки вызовов, к выбранной подвижной станции. Подвижная станция
работает только на прием сигнала, из всех радиовещательных радиосигналов си-
стемы выделяя адресованный только ей сигнал. В классической системе пей-
джер может только принимать сигналы. На ранней стадии развития пейджинго-
вых систем задача принятого радиосигнала была предельно проста - запустить
«звонок» — генератор звуковых сигналов. В настоящее время принятое сообще-
ние имеет вид последовательности буквенно-цифровых символов или короткого
речевого сообщения. Пейджер выбирается путем отправки сообщения с уника-
льным адресом. Как правило, при передаче сообщений используется частотная
модуляция.
Поскольку пейджер - очень простое устройство, не предназначенное для пе-
редачи сигнала, он потребляет мало энергии и имеет небольшие размеры. Мощ-
ный сигнал, который должен проникать через стены зданий, излучается базовой
станцией. Однонаправленная связь, устанавливаемая между базовой станцией и
конкретным пейджером, оптимизируется с учетом асимметрии соединения.
Стандартная пейджинговая система состоит:
• из центра обработки вызовов, куда можно направить запрос на передачу
заданному пользователю речевого или буквенно-цифрового сообщения;
• из базового передатчика, работающего на частоте в несколько сот мегагерц;
• из некоторого количества приемников (пейджеров).
Размеры зон обслуживания пейджинговых систем варьируют от малых
(локальных) - с одной антенной и небольшой зоной обслуживания, до региональ-
ных, с множеством антенн, размещаемых определенным образом. Зона обслужи-
вания последних может охватывать целую страну. Существует также общеевро-
пейская система, называемая ERMES, которую мы рассмотрим в разделе 4.
Дальнейшее развитие пейджинговых систем характеризуется введением ка-
нала обратной связи, предназначенного для подтверждения приема сообщений.
В последнее время темпы развития пейджинговых систем снизились из-за
огромной популярности сотовых телефонов. Похоже, что пейджинговые систе-
мы имеют шансы на выживание только в специализированном сегменте рынка
беспроводных услуг, а также в новых применениях, таких, как дистанционное
управление.
Глава 2. Обзор и классификаиия систем подвижной радиосвязи
95
2.3. СИСТЕМЫ БЕСШНУРОВОЙ ТЕЛЕФОНИИ
Системы бесшнуровой телефонии появились в конце семидесятых годов
XX в. Они представляют собой беспроводные средства связи малой мощности,
предназначенные для медленно перемещающихся и расположенных недалеко от
базовой станции пользователей. Основной идеей внедрения бесшнурового теле-
фона была замена радиоканалом шнура между телефонным аппаратом и труб-
кой, при обеспечении характеристик качества связи и цены аппарата, сравнимых
с качеством связи и стоимостью обычного проводного телефона.
Базовая станция - это часть бесшнурового телефона, которая подключена к
коммутируемой телефонной сети общего пользования (ТфОП) как обычный те-
лефонный аппарат. В большинстве случаев базовая станция взаимодействует с
единственной подвижной станцией - мобильной телефонной трубкой, обеспечи-
вающей длительную работу между перезарядками аккумуляторной батареи. Из
всех перечисленных особенностей систем бесшнуровой телефонии следует, что
такая система характеризуется небольшим количеством пользователей на едини-
цу выделенного спектра, максимальным количеством базовых станций на еди-
ницу площади района и малой дальностью связи. Таковы свойства аналоговой
беспроводной телефонии. Чтобы избежать установления соединения мобильной
трубки с чужой базовой станцией, применяются различные технические средст-
ва, например, обмен паролями (цифровыми последовательностями), известны-
ми только своей паре беспроводных станций. Другой способ обеспечения безо-
пасного соединения - поиск свободного канала связи среди всех доступных для
данной пары станций.
Применение цифровых технологий в бесшнуровой телефонии позволило
расширить возможности таких систем. Зона радиопокрытия базовой станции
существенно увеличилась. Прежде связь была ограничена либо домашним про-
странством, либо несколькими помещениями в здании по месту работы пользо-
вателя. Система второго поколения СТ-2 (Cordless Telephony-2), впервые приме-
ненная в Великобритании, предоставляла дополнительную услугу, которая на-
зывалась Telepoint. Базовые станции были расположены в густонаселенных
районах. Подписавшийся на услугу Telepoint абонент мог сделать исходящий
звонок без привязки к конкретной станции в зоне обслуживания системы СТ-2.
Однако входящий звонок он мог принять только в зоне действия «своей» базовой
станции. Захват звонка абонента, первоначально соединенного с другой базовой
станцией, был исключен. Система СТ-2 в самой Великобритании не получила
широкого распространения, однако стала достаточно популярной в других мес-
тах, например, в Гонконге и Сингапуре. Она также была представлена в Париже
под торговой маркой Bi-Bop. Некоторые подвижные станции системы СТ-2 обо-
рудовались дополнительным пейджером, который позволял известить абонента
о необходимости перезвонить внешнему респонденту.
Работы над усовершенствованием и унификацией беспроводной телефо-
нии привели к появлению в Европейском Союзе цифрового стандарта DECT
96
Системы подвижной радиосвязи
(англ. Digital Enhanced Cordless Telecommunications, ранее Digital European Cor-
dless Telephony), оптимизированного для использования в помещениях.
Базовые станции DECT подключаются к системным контроллерам учреж-
денческих АТС (УПАТС). Благодаря DECT-контроллерам, расположенные ря-
дом базовые станции могут поддерживать соединение при изменении местопо-
ложения мобильной трубки. Требуемого абонента можно вызвать через любую
базовую станцию, в зоне доступа которой он находится. Изначально разработанная
для использования внутри помещений, в наше время система связи DECT уста-
навливается также в местах с очень плотным коммуникационным трафиком -
в аэропортах, центральных районах городов, железнодорожных вокзалах и т.д.
После определенной модификации, технологию DECT стало возможным
использовать при организации точек беспроводного доступа к сетям передачи
данных, включая локальные вычислительные сети.
2.4. ТРАНКИНГОВЫЕ СИСТЕМЫ
Транкинговые системы - это системы подвижной связи, предназначенные
для построения коммуникационных сетей на крупных предприятиях, оперирую-
щих разнесенными в пространстве ресурсами. Пример такого предприятия - это
парк грузовых или обслуживающих автомобилей. Транкинговые системы осо-
бенно эффективны в транспортных компаниях и специальных службах, нацри-
мер, в полиции, в аварийных службах, в компаниях-поставщиках газа и энергии
и т.д. Характерная особенность таких систем - наличие диспетчерского и управ-
ляющего центра, распределяющего вызовы. Становится возможным установле-
ние таких видов соединений, которые в обычных телефонных сетях предостав-
ляются только в виде специальных услуг. Пример такого соединения - звонок из
диспетчерского центра на все подвижные станции или на какую-то определен-
ную их группу. Другой характерный для транкинговых систем вид звонка - сое-
динение между несколькими подвижными станциями.
Рассмотрим эволюцию транкинговых систем:
• системы с одной базовой станцией и общим радиоканалом. Каждая по-
движная станция прослушивала все посылаемые на любую станцию сети
сигналы;
• усовершенствованные в соответствии с британским стандартом МРТ
1327 аналоговые системы;
• цифровые системы, известные как TETRA и стандартизованные Евро-
пейским институтом телекоммуникационных стандартов (англ. European
Telecommunications Standards Institute, ETSI). Предоставляют возмож-
ность передачи как речевых, так и других информационных сигналов.
Основная идея и название транкинговых систем отражает правило распре-
деления каналов в этих системах. Системные ресурсы состоят из определенного
Глава 2. Обзор и классификация систем подвижной радиосвязи
97
количества каналов («ствола связи» (англ. Trunk)}, являющихся общим ресур-
сом. Любой свободный канал может быть назначен для установления нового сое-
динения и будет немедленно возвращен в общую квоту после завершения этого
соединения. В этом состоит основное различие между транкинговыми система-
ми и классическими диспетчерскими системами, в которых каналы распределе-
ны по фиксированным группам пользователей. Если вес каналы в группе диспет-
черской системы заняты, то пользователь из этой группы не может установить
новое соединение, даже при наличии свободных каналов в других группах.
2.5. СОТОВАЯ ТЕЛЕФОНИЯ
Сотовая телефония - это следующий и, возможно, наиболее показатель-
ный пример систем связи с подвижными объектами. Системы сотовой теле-
фонии обеспечивают двустороннее беспроводное соединение с подвижными
станциями, которые могут передвигаться с высокой скоростью по обширной
территории, покрытой сетью базовых станций. Системы сотовой связи могут
покрывать всю страну. Более того, семейство систем одного и того же вида
может покрывать территорию множества стран, что и наблюдается в Европе с
системой GSM.
Е[ервоначально перед системой сотовой подвижной связи (CEIC) ставилась
задача обеспечить соединение с движущимися транспортными средствами как в
городе, так и по загородным трассам.
Мощность сигналов в СПС превышает таковую в бесшнуровой телефонии и
достигает нескольких Ватт. В случае мобильных ручных устройств ограничение
излучаемой мощности - это один из факторов, влияющих на длительность рабо-
ты устройства между перезарядками аккумуляторной батареи; он может сыграть
решающую роль в рыночном успехе таких устройств. Однако такое ограничение
приводит к уменьшению зоны действия мобильного устройства и необходимо-
сти более плотного размещения базовых станций.
В последние два десятка лет системы СПС стремительно развивались и со-
вершенствовались. Системы первого поколения были аналоговыми. Речь пере-
давалась при помощи частотной модуляции. Для обеспечения многостанцион-
ного доступа использовался метод FDMA. При этом контроль за установлением
соединения, безобрывная передача соединения другой базовой станции при
перемещении подвижной станции (Handover - хэндовер), а также другие проце-
дуры (например, управление мощностью подвижной станции) выполнялись с
использованием цифровых сигналов. В восьмидесятых годах было построено
множество взаимно несовместимых аналоговых систем СПС - американская си-
стема AMPS (англ. Advanced Mobile Phone System), английская TACS (англ. Total
Access Cellular System), скандинавская NMT (англ. Nordic Mobile Telephone Sys-
tem) и немецкая C-Netz.
98
Системы подвижной радиосвязи
Развитие цифровых технологий с одной стороны и частые примеры исчер-
пания аналоговыми системами абонентской емкости (особенно в больших горо-
дах) с другой стороны, привели к разработке систем второго поколения. Их реали-
зация была основана на цифровых технологиях; здесь использовались методы
многостанционного доступа TDMA и CDMA:
• GSM (англ. Global System for Mobile Communications), примененная в Ев-
ропе, а позже и на территории других континентов;
• IS-94/136 и IS-95, используемые в США и некоторых других странах;
• PDC (англ. Personal Digital Cellular), работающая исключительно в Японии.
GSM и IS-95 - наиболее наглядные примеры систем, использующих соот-
ветственно TDMA- и CDMA- методы многостанционного доступа к каналу свя-
зи. Они будут рассмотрены в следующих параграфах.
Основной задачей, поставленной при разработке систем второго поколения,
была максимизация емкости системы, выражаемой в количестве пользователей на
единицу спектра и на единицу площади района охвата. С другой стороны, связь с
пользователями, которые передвигаются на транспортных средствах по шоссе в
малонаселенных районах, требует мощных базовых станций дальнего действия.
Поскольку при разработке систем учитывались эти противоречащие друг другу
требования, конечная система характеризовалась следующими свойствами:
• относительно высокая мощность передатчика;
• сложная структура мобильного телефона, особенно его подсистемы обра-
ботки цифровых сигналов;
• относительно низкое1 качество связи по сравнению со стационарными те-
лефонными системами;
• сложная структура сети, обусловленная процедурами смены базовой
станции (перехода) и управления мобильностью, необходимостью обна-
ружения искомой подвижной станции в системе, а также множеством
предлагаемых услуг.
Несмотря на очевидные различия между конкретными системами сотовой
телефонии второго поколения, они имеют следующие общие черты:
• низкая скорость потока цифровых данных, представляющих речевой сиг-
нал пользователя, обусловленная сложными алгоритмами кодирования
речи; скорость потока данных не превышает 13 кбит/с, что позволяет уве-
личить емкость системы за счет определенного ухудшения качества рече-
вого сигнала;
1 Возможно, в Европе и США. В России качество подвижной сотовой связи часто пре-
восходит возможности телефонных линий фиксированной связи (прим. ред.).
Глава 2. Обзор и классификаиия систем подвижной радиосвязи
99
• относительно небольшая (порядка 200 мс) задержка передачи данных в
обоих направлениях, обусловленная алгоритмами кодирования и декоди-
рования речи и сложной системой детектирования цифрового сигнала;
• дуплексная передача данных с частотным разделением (FDD);
• контроль мощности подвижной станции, который гарантирует неизмен-
ное качество связи, не зависящее от расстояния между подвижной и базо-
вой станциями.
Дальнейшее развитие сотовых систем второго поколения привело к появле-
нию множества новшеств. Особенно значительно расширился спектр услуг пе-
редачи данных. Первоначально сотовые системы второго поколения были разра-
ботаны для передачи речевых сигналов. Широкое распространение сети Internet,
общее развитие компьютерных сетей и популярность переносных компьютеров
(laptops, palmtops и т.д.) создали спрос на возможность доступа к Internet через
подвижные станции. Это потребовало увеличения скорости передачи данных в
уже существующих системах. Разработчики, в свою очередь, предложили упро-
щенный протокол доступа к Internet, который в сочетании с соответствующим
дизайном веб-сайтов позволит пользователям путешествовать по Internet при по-
мощи мобильных телефонов.
В прошлом десятилетии были разработаны сотовые системы третьего поко-
ления. Было предсказано, что данные и мультимедийная информация будут со-
ставлять большую часть передаваемых сигналов. Поэтому для новых систем бы-
ла предложена большая емкость и несколько типов трафика. Скорость передачи
данных составляет не менее 384 кбит/с и может достигать 2 Мбит/с, что позволя-
ет передавать видеоданные. Потребовался всемирный стандарт, который позво-
лит пользователям перемещаться с мобильными телефонами по всему миру. До
сих пор эта задача не была успешно решена, поэтому в Европе, Америке и неко-
торых азиатских странах были приняты различные стандарты. Это привело к по-
явлению целой группы рекомендаций ITU-T, представленных под общим назва-
нием IMT-2000 (англ. International Mobile Telecommunications 2000). Основной
метод доступа к каналу - многостанционный доступ с кодовым разделением ка-
налов (CDMA). Более подробное описание сотовых систем третьего поколения
представлено в разделе 17.
2.6. СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ
ПЕРСОНАЛЬНОЙ РАДИОСВЯЗИ
Спутниковые системы подвижной связи уже существуют. Хороший пример -
семейство систем INMARSAT, специализированных на глобальной морской
связи. Системы этого семейства также используются для персональной связи с
подвижной станцией, размер которой соответствует размеру портфеля или пор-
тативного компьютера.
100
Системы подвижном радиосвязи
Современные спутниковые системы характеризуются одно- или двунаправ-
ленной передачей речи или данных с невысокой скоростью, но на очень большие
расстояния. Емкость системы строго зависит от количества используемых спут-
ников. Однако увеличение количества спутников вызывает существенный рост
стоимости системы.
В последние годы было представлено несколько новых спутниковых сис-
тем, известных под названиями Iridium, Globalstar и ICO (ранее известной как
Inmarsat-P). Все они используют спутники, расположенные на средних или
низких орбитах.
При низких орбитах число спутников увеличивается, поскольку уменьшает-
ся зона радиопокрытия каждого из них. При этом габариты и стоимость каждого
космического аппарата также становятся меньше. Помимо того, снижается за-
держка на распространение сигнала, вносимая трассами космической связи, а
также мощность подвижных станций, что позволяет использовать портативные
телефоны, приближающиеся по габаритам к сотовым. Одновременно с этим,
малые задержки обеспечивают более комфортное восприятие речевой информа-
ции. Большое количество низкоорбитальных спутников с небольшой зоной по-
крытия подразумевает большую суммарную емкость системы благодаря много-
кратному использованию частот канала.
В настоящее время перспективы персональных систем связи с низкоорби-
тальными спутниками не совсем ясны из-за маркетинговых проблем некоторых
систем. Несмотря на это, интересна сама специфика концепции их построения.
Геостационарные спутниковые системы требуют наименьшего количества
спутников. Однако такие аппараты очень дороги. Благодаря высокой орбите
(около 37000 км над землей), каждый спутник покрывает огромную территорию,
и возможностей повторного использования канала намного меньше, чем в систе-
мах с низкоорбитальными спутниками. Поэтому емкость системы существенно
снижается. Дополнительные трудности создает значительная задержка, вноси-
мая длиной трассы прохождения сигнала на геостационарный спутник и обратно
(до 0,5 с). Такая задержка ухудшает восприятие речи. Компромисс между низкими
и геостационарными орбитами предлагают системы с промежуточными круговы-
ми орбитами (англ. Intermediate Circular Orbit, ICO). Этим системам требуется ра-
зумное количество спутников, а вносимая задержка считается приемлемой.
2.7. СИСТЕМЫ БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА
К ЛОКАЛЬНЫМ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫМ СЕТЯМ
В последнее время появилась новая категория систем подвижной связи. Бес-
проводные технологии были применены для реализации беспроводного доступа
к компьютерным сетям. Условия функционирования и задачи таких систем, обо-
значаемых как WLAN (англ. Wirless Local Area Networks — беспроводная ЛВС),
отличаются от описанных выше. Прежде всего, предполагается, что зона покры-
тия такой системы и мобильность пользователя весьма ограничены. Излучаемая
Глава 2. Обзор и классификаиия систем полвижнои ралиосвязи
101
мощность подвижных станций очень невелика, в предположении о возможности
прямого соединения с базовой станцией или другим мобильным терминалом на
самых малых расстояниях.
В беспроводных ЛВС используется несколько частотных диапазонов. Некото-
рые системы работают в диапазоне ISM (англ. Industrial. Scientific and Medical -
«промышленный, научный, медицинский»), другие используют спектр в диапа-
зоне 5 ГГц. Рассматривается возможность использования других частотных диа-
пазонов для широкополосной передачи данных.
Интерес представляет разница между реализацией WLAN и другими систе-
мами подвижной радиосвязи, заключающаяся, как правило, в структуре сети.
Существует ряд различных конфигураций беспроводных ЛВС, начиная с четко
определенных структур с базовыми станциями и главным контроллером, и за-
канчивая специфическими сетями без выделенной головной станции, в которых
все подвижные станции могут связываться непосредственно друг с другом.
Настоящий раздел посвящен общей характеристике и классификации сис-
тем подвижной связи. Система связи будущего представляется в виде универ-
сальной системы подвижной связи на базе нескольких подсистем, применяемых
в зависимости от текущего положения и скорости перемещения абонента. В про-
тивоположность традиционной системе связи, в которой номер присвоен локали-
зованному телефонному аппарату, в будущей универсальной системе радиосвязи
номер будет присвоен пользователю с мобильным терминалом, находящемуся в
любой точке земного шара. Такой способ связи, несомненно, окажет серьезное
влияние на социальные взаимоотношения.
ЛИТЕРАТУРА
1. D.C.Cox, «Wireless Personal Communications: What Is It?», IEEE Personal Com-
munications. Vol. 2, № 2, April 1992, pp. 20-35.
2. B.H.Walke, Mobile Radio Networks: Networking and Protocols, John Wiley &
Sons, Ltd., Chichester, 1999.
3. J.D.Gibson (ed.), The Mobile Communications Handbook, IEEE Press and CRC
Press, New York, 1996.
4. N.J.Boucher, The Trunked Radio and Enhanced PMR Radio Handbook, John Wiley
& Sons, Inc., New York, 2000.
5. M.J.Miller, B.Vucetic and L.Berry, Satellite Communications. Mobile and Fixed
Services, Kluwer Academic Publishers, Boston, 1993.
6. R.A.Dayem, Mobile Data and Wireless Technologies, Prentice-Hall, Upper Saddle
River, N.J., 1997.
7. B.Bing, High-Speed Wireless ATM and LANs, Artech House, Boston, 2000.
Глава 3
ХАРАКТЕРИСТИКА КАНАЛА
ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ
3.1. ВВЕДЕНИЕ
Определение параметров канала связи имеет ключевое значение при раз-
работке любой системы связи. Свойства канала, вносимые искажения и поме-
хи, а также допустимая ширина спектра передаваемого сигнала определяют мак-
симальную скорость передачи данных при заданном качестве. Таким образом,
перед проектированием любой системы связи разработчик должен определить
параметры канала передачи данных в этой системе. Системы подвижной связи
не являются исключением из этого правила. Поэтому, перед тем как рассмотреть
работу систем подвижной связи, мы обсудим свойства каналов, характерных для
этих систем.
Параметры канала передачи сигнала зависят от типа системы связи. Свойст-
ва каналов различных систем - сотовых, спутниковых или предназначенных для
связи внутри помещений - имеют значительные отличия друг от друга. В этом
разделе мы остановимся на общих свойствах каналов связи, применяемых в на-
стоящее время в подвижной связи.
Начнем с базовых терминов теории антенн, затем рассмотрим основные вы-
ражения, описывающие распространение радиосигнала в свободном простран-
стве и энергетический потенциал линии связи; обсудим влияние многолучевости
на свойства канала радиосвязи; рассмотрим модели каналов, позволяющих оце-
нить качество системы связи; приведем примеры стандартных моделей каналов,
характеризующих распространение радиосигнала для типовых моделей мест-
ности, которые применяются при проектировании в сотовых системах GSM. Бу-
дут представлены наиболее важные модели распространения сигнала, применя-
емые для оценки зоны радиопокрытия базовой станции сотовой связи. В конце
раздела рассмотрим явления гладких и селективных замираний и применение
метода разнесенного приема для борьбы с этими явлениями.
Глава 3. Характеристика канала подвижной связи
103
3.2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ СИГНАЛА
В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Передача сигнала в системе радиосвязи основана на преобразовании гене-
рируемого передатчиком электрического сигнала в электромагнитные волны,
распространении волн в пространстве и обратном преобразовании в электриче-
ские сигналы на стороне приема. Свойства канала подвижной связи зависят от
множества факторов, в первую очередь от параметров используемых антенн,
свойств физической среды, в которой распространяются радиоволны, особенно-
стей электронных цепей, участвующих в передаче и приеме сигнала, а также от
скоростей перемещения подвижных станций. Чтобы упростить рассмотрение
свойств канала подвижной связи, мы вначале разберем идеальный случай - рас-
пространение сигнала в свободном пространстве. Прежде всего, введем основ-
ные термины, касающиеся антенн [21].
Рассмотрим теоретический случай, когда антенна излучает сигнал мощно-
стью Рт Ватт одинаково во всех направлениях. Такая антенна называется изот-
ропной. Это идеальное устройство, которое практически невозможно реализо-
вать. Однако оно служит эталоном для других типов антенн. Если мы нарисуем
вокруг изотропной антенны сферу радиуса г, то во всех точках поверхности
этой сферы электромагнитное поле, индуцируемое антенной, будет одинаково.
Реальные антенны фокусируют излучаемую энергию в определенных направле-
ниях, поэтому мы обычно описываем нормированную характеристику излучаю-
щей антенны выражением
г(е,<р)=^М, (3.D
max
гдеЕ(0, <р)- напряженность поля в точке Р сферы с координатами, определяемы-
ми углами 0 и (р (рис. 3.1); Етах - максимальное значение напряженности поля на
поверхности сферы.
Изотропная антенна расположена в начале координат. Легко заметить, что
нормированная характеристика не зависит от радиуса г сферы. Термин плот-
ность [потока] энергии (ППЭ) тесно связан с нормированной характеристикой.
Рис. 3.1. Углы ф и 6
в декартовой системе
координат
104
Системы подвижной радиосвязи
Это энергия, излучаемая в заданном направлении в единицу телесного угла'. Обе
характеристики антенны связаны выражением
t/(e,(p)=L/,najF(e,(p)|2, (3.2)
где Uimx - максимальная ППЭ.
Суммарная мощность Рт, излучаемая антенной, представляется в виде ин-
теграла по телесному углу, т.е.
^ = р(е,(р)^-4лстсап, (з.з)
4л
где JO = sinOoWcp.
Отметим, что излучаемая мощность может быть выражена в виде произве-
дения средней ППЭ Z7mean и величины полного телесного угла, которая равна 4л.
Средняя плотность излучения может быть интерпретирована как плотность по-
тока энергии изотропной антенны, которая излучает ту же самую суммарную
мощность Рт, что и заданная антенна. Отношение плотности потока энергии
U(6, ф) к средней ППЭ называется коэффициентом направленного действия
(КНД) антенны. Его максимальное значение называется направленностью ан-
тенны D и описывается выражением
y-j _ ^~Апах ____^А-.ах____ __ ^max
Цпеап 1/4л j L/(6, ФУЙ 1/4лД
4л
Термин направленность означает, что плотность излучения в направлении мак-
симального излучения в D раз больше, чем плотность излучения изотропной ан-
тенны той же суммарной мощности, что и данная антенна.
В реальной антенне излучаемая мощность представляет собой только часть
подаваемой на ее вход мощности Д . Часть мощности рассеивается и преобра-
зуется в тепло. Таким образом, антенна характеризуется энергетической эффек-
тивностью1 2 х\=РТ /РтрМ Для учета рассеяния мощности вводится термин коэф-
фициент усиления антенны. Он определяется выражением
U
G =----(3.5)
1/4лДпри1
С учетом (3.4) и (3.5) получим
G = v\D. (3.6)
1 Телесный угол измеряется в стерадианах. Напомним, что полный телесный угол равен
4л стерадиан.
2 В отечественной литературе - коэффициент полезного действия (прим. ред.).
Глава 3. Характеристика канала полвижнои связи
105
Коэффициент усиления антенны обычно применяется при определении эк-
вивалентной изотропно излучаемой мощности (ЭИИМ, англ. Effective Isotropic
Radiated Power - EIRP), описываемой произведением PmpuiG. Эквивалентная
изотропная излучаемая мощность определяется как мощность, которую необхо-
димо подать на изотропную антенну для того, чтобы получить в точке приема
точно такое же поле, которое будет получено в ней при помощи антенны с коэф-
фициентом усиления G, на вход которой подана мощность Дп . Геометрически
это иллюстрирует рис. 3.2.
Рис. 3.2. Геометрическое
представление эквивалентной
изотропной излучаемой
мощности
Другой тип эталонной антенны - полуволновой симметричный вибратор.
Если сравним мощность сигнала от антенны с коэффициентом усиления G с та-
ковой от полуволнового вибратора, то определим так называемую эквивалент-
ную излучаемую мощность (ЭИМ, англ. Effective Radiated Power - ERP). Коэф-
фициент усиления полуволнового вибратора относительно изотропной антенны
равен 1,64, что соответствует 2,15 дБ. Поэтому эквивалентная излучаемая мощ-
ность заданной антенны будет на 2,15 дБ меньше, чем ее эквивалентная изотроп-
ная излучаемая мощность. В зависимости от принятого типа эталонной антен-
ны, единицы измерения коэффициента усиления антенны обозначаются: дБи -
для изотропной антенны или дБд - для полуволнового вибратора.
Рассмотрим передающую антенну, которая излучает мощность РТ в свобод-
ное пространство. Пусть коэффициент усиления этой антенны в заданном на-
правлении равен GT. Плотность излучаемой в этом направлении мощности на
расстоянии d от антенны равнаPTGT/And1 Вт/м2. Приемная антенна, которая на-
правлена на передающую антенну и расположена от нее на указанном расстоя-
нии, «собирает» лишь часть излучаемой мощности. Эта принимаемая мощность
зависит от эффективной площади антенны AR и выражается формулой, которая
показывает зависимость принимаемой мощности от расстояния между передаю-
щей и приемной антеннами:
PRW =
And2
(3.7)
106
Системы подвижной радиосвязи
Из теории электромагнитного поля известно, что эффективная площадь
приемной антенны (в м~) может быть описана выражением
где GR - коэффициент усиления приемной антенны; Л = с/ f - длина волны пере-
даваемого сигнала; с - скорость света; частота передаваемого сигнала
При подстановке (3.8) в (3.7) получим формулу для определения мощности
принятого сигнала
Л(^) =
PTGTGR
(4лЖ)2 '
(3.9)
Опишем потери на распространение в свободном пространстве L, выражением
(3.10)
которое позволяет записать мощность принятого сигнала с учетом дополнитель-
ных потерь (например, атмосферных £о) при помощи формулы
PR(d)=PTGTGRLsLa.
(З.Н)
Обратим внимание на то, что выражение (3.11) особенно удобно для проведения
расчетов. Вычисление логарифма от выражения (3.11) даст нам сумму излучае-
мой мощности, последовательности коэффициентов усиления и потерь в деци-
белах. Таким образом, из (3.11) получим
(Рц)зв ~(^т)ав +(&т)<1в + (bs)dS +(Д, )(/fi.
(3.12)
Коэффициент усиления приемной антенны GR и ее эффективная площадь зави-
сят от геометрических свойств антенны и длины волны принимаемого сигнала.
Например, эффективная площадь параболической антенны диаметром s опреде-
ляется выражением
, ГО~
Ак =-----а.
R 4
(3.13)
где да2/4-реальная площадь антенны; а - коэффициент использования аперту-
ры (англ, illumination efficiency factor), а = 0,5-0,6.
При подстановке выражения (3.8) в (3.13) получим выражение, которое опи-
сывает коэффициент усиления параболической антенны диаметром s.
( го V
(3.14)
Глава 3. Характеристика канала полвижнои связи
107
Из теории цифровых систем связи известно, что основным критерием про-
изводительности системы связи считается частота появления ошибок. При пере-
даче данных по каналу с аддитивным гауссовским шумом частота появления
ошибок зависит от отношения мощности сигнала к шуму, а также типа использу-
емого приемника. Как правило, частота (вероятность) появления ошибок являет -
ся функцией величиныEb/N 0 - энергии сигнала, приходящейся на один бит, от-
несенной к спектральной плотности мощности белого гауссовского шума. Адди-
тивный белый гауссовский шум — это модель наблюдаемого на входе приемника
теплового шума, поскольку спектральная плотность мощности этого шума оста-
ется постоянной в очень широком диапазоне частот. Выразим отношение Eh / Л' „
в терминах принимаемой мощности PR и длительности передачи одного бита 7,
Р/ _ Т.Л _ 1 Pr
~RN.
(3.15)
Из формулы (3.15) следует, что при заданной скорости передачи битов R и
при плотности мощности шума N 0 приемник должен получать сигнал такой
мощностиPR, которая обеспечит требуемое отношениеЕ b/N0:
(3-16)
/требуемое
С другой стороны, из (3.16) можно определить максимальную скорость передачи
битов, если задать другие параметры передаваемого сигнала.
3.3. ВЛИЯНИЕ МНОГОЛУЧЕВОСТИ
НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ СИГНАЛА
Обратимся теперь к проблемам, связанным с распространением сигнала.
Мощность, принимаемую на расстоянии d от передающей антенны, можно вы-
разить через мощность, измеренную на каком-либо стандартном расстоянии <70,
т.е. через опорную мощность PR(d0). Таким образом, согласно формуле (3.9)
мощность, принимаемую на расстоянии d, можно рассчитать как
PR(d)=P(d0№] , d>d0.
I d I
(3.17)
Из (3.17) видно, что при распространении сигнала в свободном пространстве,
принимаемая мощность обратно пропорциональна квадрату расстояния до пере-
дающей антенны. Опорное расстояние d0 должно быть достаточно велико для
того, чтобы полагать, что на расстоянии d прием сигнала производится в дальней
зоне антенны, определяемой так называемым расстоянием Фраунгофера <7Z, ко-
торое задается формулой
108
Системы подвижной радиосвязи
d, = — , (3.18)
где L - максимальный физический линейный размер антенны; ?. - длина волны.
На практике для частотного диапазона от 1 до 2 ГГц опорное расстояние
принимается равным 1 м для антенн, используемых внутри помещений (на-
пример, для систем бесшнуровой телефонии), и 100 м или 1 км для внешних
антенн [11].
Теперь рассмотрим передачу синусоидального сигнала с амплитудой .4,
и частотой f Предположим, что приемника, расположенного на расстоянии d
от передатчика, достигает только прямая радиоволна. Отражение и преломле-
ние отсутствуют. Принимаемый синусоидальный сигнал можно описать вы-
ражением
Ие(Лехр(у2л/(/ -т))) = Ке(Лехр(уфд )ехр(/2л/7)), (3.19)
где А = А(d)~ амплитуда принимаемого сигнала, а его фазовый сдвиг определя-
ется по формуле фя = -Infi = -2л fdlc (с - скорость света).
Поскольку в свободном пространстве мощность принимаемого сигнала уме-
ньшается пропорционально квадрату расстояния, то его амплитуда уменьшается
пропорционально расстоянию и выражается формулой
Л(г/) = Л0^| Ао =j2P(d0). (3.20)
В системах подвижной связи передаваемый радиосигнал попадает в прием-
ник многими путями; в каждом из них он подвергается неоднократным отраже-
ниям и дифрагирует. При каждом отражении часть энергии сигнала поглощается
отражающей поверхностью. Пустьу-е отражение на /-м пути характеризуется ко-
эффициентом отражения ау. Суммарный коэффициент отражения для /-го пути
составит
с
гдеХ'1 - количество отражений на /-м пути.
Если предположить, что количество путей, по которым сигнал доходит до
приемника, равно L, то вектор сигнала на комплексной плоскости описывается
выражением
г a
A(d) ехр(уфя ) = A0do £-уехр( /ф,), (3.22)
/-1
где ф, = -2 л f dt /с.
109
Глава 3. Характеристика канала подвижном связи
Тогда мощность сигнала, попадающего в приемник по L путям, может бьп ь
выражена формулой
^(d)=.P(c/„)<;
,=i«,
Рассмотрим простую модель распространения сигнала в системе подвиж-
ной связи. На рис. 3.3 приведено существенное упрощение реальной ситуации
двухлучевое распространение сигнала. Пусть передающая и приемная антенны
расположены соответственно на высотах А, и 1т, над уровнем земли. Расстояние
между обеими антеннами вдоль земли равно d метров и намного превышает вы-
соты обеих антенн. Предположим, что сигнал попадает в приемник двумя путя-
ми: прямым (по линии прямой видимости) и с одним отражением от земли, как
это показано на рис. 3.3. Пусть коэффициент отражения и, = -1, что означает от-
ражение без потерь. Тогда мощность сигнала, попадающего в приемник:
—- ехр (уф,) - — ехр (УФ 2)
“2
(3.24)
Длины обоих путей можно получить из простых геометрических соотношений.
Они рассчитываются как
^1 =^(Л! “Zb)2 +d~
d2 =^(ht -h2)2 +d2
(3.25)
На рис. 3.4 представлен график зависимости нормированной (относительно
(Д,)) мощности PR (d) от расстояния d для нескольких несущих частот в случае
двухлучсвого распространения. Обратим внимание на то, что уровень прини-
маемого сигнала зависит не только от расстояния, но и от частоты сигнала.
Помимо очевидной тенденции затухания сигнала, можно заметить, что бы-
стрые колебания уровня мощности зависят от расстояния. Здесь мы видим иллю-
страцию явления замирания. При определенных расстояниях между антеннами
110
Системы полвижнои ралиосвязи
Рис. 3.4. Зависимость относительного уровня мошности от расстояния
Л, = 50 м, Л2 = 3 м; 7 - = 100 МГц, 2 - fc = 500 МГц, 3 - /, = 1 ГГц
сигналы, распространяющиеся разными путями, приходят в приемную антенну
с противоположными фазами, что уменьшает' мощность сигнала. При некоторых
других значениях d входящие сигналы складываются, что увеличивает уровень
сигнала. Естественно, существует множество промежуточных случаев. Модель
двухлучевого распространения - значительное упрощение реальной ситуации,
однако она демонстрирует саму идею влияния многолучевого распространения
на прием сигнала.
Рассмотрим (приближенно) функцию изменения мощности сигнала в зави-
симости от дальности приема. Чем дальше от антенны - тем меньше уровень
сигнала. Если предположить, что d велико по сравнению с высотами обеих ан-
тенн Aj и /?,, то разница между dt и d2 станет несущественной. В этом случае d} и
d2 в формуле (3.24) можно заменить на dи вынести этот параметр за скобки абсо-
лютной величины. В свою очередь фазовая разность между сигналами, распро-
страняющимися этими путями, составит
2 л/Ас/ 2л
Д<р = — ---= — Ас/. (3.26)
с Л
С учетом сделанных допущений расстояния с/, и d2 (3.25) можно приближенно
рассчитать по формулам
cL ~ d Ч---------
1 2d
(Л|+Л2)2
с/„ ~ d 4--------
2 2d
(3.27)
Эти приближения получаются после разложения функции (3.25) в ряд Тейлора
при отбрасывании всех членов, кроме членов первого порядка. Из (3.27) следует,
что разность расстояний составляет Ас/ = с/, - с/, = 2Л.Л, Id. Таким образом, фазо-
вая разность между обоими сигналами будет равна
Глава 3. Характеристика канала подвижной связи
111
Д(р =
2n 2hfp
Л d
(3.28)
В итоге, мощность принимаемого сигнала с учетом сделанных допущений мож-
но выразить формулой
PR(d)~P(dJ^] 11-ехрС/Дф)|2, (3.29)
I d I
которая для малых углов Д(р (с учетом того, что 11 - ехр(у Д(р)| = 11 - (1 - j Д<р)| =
= | Д(р|) упрощается до
PR(d)=P(d0№] |Дф)|2 =
V a ) (3.30)
_Р(, / ft 2яУ 4/712 - PC С /7’^
-Р (“о) , 3 >2 Pr'~rCJR ,4
I d j I A J d d
Формула (3.30) говорит о том, что появление второго пути распространения,
отличного от пути распространения по линии прямой видимости, оказывает се-
рьезное влияние на мощность принимаемого сигнала, функционально зависяще-
го от расстояния до передающей антенны. Для двухлучевого распространения
принимаемая мощность обратно пропорциональна четвертой степени расстоя-
ния! То есть в логарифмическом масштабе уменьшение мощности составляет
40 дБ на десять единиц расстояния, в то время как при однолучевом распростра-
нении сигнала в свободном пространстве это уменьшение составляет 20 дБ.
Двухлучевое распространение - это исключительно теоретический случай, ко-
торый позволяет понять влияние многолучевого распространения на свойства
канала передачи данных. В реальных системах количество путей намного боль-
ше и зависит от особенностей окружающей среды. Мощность сигнала, принима-
емого на расстоянии d от передающей антенны, часто описывают выражением
PR(d)=P(dv)(^-}, (3.31)
где показатель степени у зависит от условий распространения сигнала и варьиру-
ется от 2 до 5,5.
На рис. 3.5 изображен типичный график снижения мощности сигнала с уве-
личением расстояния между передатчиком и приемником. Как и на рис. 3.4, на-
блюдается тенденция уменьшения мощности (хотя и не всегда монотонного), ко-
торая обозначена жирной пунктирной линией, и быстрые колебания мощности
вокруг среднего значения, которые обозначены тонкой сплошной линией. Изме-
нение средней мощности сигнала называется медленными замираниями (slow
fading), а быстрые скачки вокруг среднего значения, которые происходят на
112
Системы подвижной радиосвязи
ш
Расстояние, м
Рис. 3.5. Типичный график зависимости мощности принятого сигнала
от расстояния до передающей антенны
расстояниях порядка долей несущей длины волны - быстрыми замираниями
(fast fading).
В следующем параграфе мы рассмотрим физические причины быстрых за-
мираний и представим модель канала, их учитывающую. В последующих разде-
лах мы рассмотрим методы моделирования потерь мощности.
3.4. КАНАЛ ПЕРЕДАЧИ
В СИСТЕМАХ ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ
В качестве примера системы подвижной связи рассмотрим систему сотовой
телефонии. Район покрытия системы разделен на районы меньшего размера, в
центре которых расположены базовые станции (см. раздел 5). Связь между по-
движными станциями осуществляется через базовые станции. Обычно базовые
станции имею! всенаправленные антенны или излучают сигналы в три сектора,
ширина каждого из которых составляет 120°. Подвижные станции имеют все-
направленные антенны, что обусловлено их мобильностью и постоянной сменой
положения относительно базовой станции. Эти факты оказывают влияние на
свойства канала передачи данных. Поскольку мощность излучается во всех на-
правлениях (или, по крайней мере, в пределах широкого угла), сигнал, перед тем
как попасть в приемник, многократно отражается, преломляется и рассеивается
некоторым количеством препятствий. Окружающая обстановка играет важней-
шую роль в распространении сигнала. На рис. 3.6 изображен типичный пример
распространения сигнала от базовой до подвижной станции.
Обратим внимание на то, что сигнал приходит в приемник несколькими от-
личными друг от друга путями. В непосредственной близости от подвижной
станции каждый компонент сигнала дополнительно рассеивается препятст-
виями (местными предметами), что приводит к возникновению задержек и фазо-
вых сдвигов. Очень часто, особенно в условиях сильно пересеченной местности
и городской застройки, антенна подвижной станции находится вне линии пря-
мой видимости антенны базовой станции, и сигнал приходит в приемник исклю-
Глава 3. Характеристика канала полвижнои связи
Рис. 3.6. Пример распространения сигнала в системе подвижной связи
чительно в виде отраженных и рассеянных компонент. Хотя изображенная на
рис. 3.6 модель канала очень проста, она иллюстрирует основные явления, про-
исходящие на коротком временном отрезке при передаче цифрового сигнала,
имеющего скорость от нескольких десятков до нескольких сотен кбит/с в диапа-
зоне частот от нескольких сотен МГц до 2 ГГц.
Обозначим излучаемый базовой станцией сигнал s(f). Его аналитическая
форма3 s(t) описывается выражением
5(/) = п(0ехр(у2я/>), (3.32)
где u(t) - комплексная огибающая модулированного радиосигнала. Например, в
системе GSM несущая частота составляет примерно 900 МГц.
Рассмотрим подвижную станцию, установленную на транспортном средст-
ве, движущемся со скоростью 250 км/ч. Из-за высокой скорости допплеровский
эффект становится ощутимым. Компоненты сигнала, прибывающие в приемник
разными путями, приобретают различные фазовые сдвиги, которые зависят от
несущей частоты, скорости транспортного средства г, а также угла между на-
правлением прибытия компоненты сигнала и направлением движения транс-
портного средства. В общих чертах допплеровская частота fD зависит от указан-
ных выше факторов следующим образом:
/D=/t.-cos(p, (3.33)
с
где с - скорость света.
3 Сравните с формулой (1.25) из раздела 1.
114
Системы подвижной радиосвязи
Аналитическую форму сигнала в модели канала, изображенной на рис. 3.6,
можно записать в виде
к=\ /<=! /=1
(3.34)
Задержку поступления сигнала г ь (t) на антенну подвижной станции обозна-
чим Тк1. Обратим внимание на то, что для заданного индекса пути к компоненты
rki (г) проходят почти один и тот же путь и подвергаются дополнительному рас-
сеянию и отражениям в непосредственной близости от подвижной станции, так
что их задержки xki (z = 1,..., Д') практически равны. Пусть Тк - средняя задержка
сигналов, идущих одним и тем же /с-м путем. Тогда единичный компонент rk (/)
может быть выражен в виде
^(О = £аь^-Ч)^2п(Л+/м>('^,=
(3.35)
« u(t -Тк ,
Z=1
гдеай - затухание, вносимое путем распространения компонента, обозначенно-
го индексами к и i.
Обратим внимание на то, что упрощения в формуле (3.15) обусловлены незна-
чительностью поворота фазы, определяемого коэффициентом cxp(j2nfDkTh ).
Для допплеровской частоты 200 Гц и максимальной относительной задержки
20 мкс угол 2лfDmiiKTki не превышает 1,6°. Мы можем описать принимаемый по-
движной станцией сигнал выражением
r(t) =
Jzz(Z-rA.)cA(/) eJ27l/‘‘ = ^t)ej2jyc'
(3.36)
где
z=i
(3.37)
Выражение (3.36) свидетельствует о том, что модель эквивалентного радиочастот-
ного канала можно представить как линию задержки с ответвлениями (отводами);
при этом коэффициенты отвода ск (Z), (к = 1,..., М) являются изменяющимися во
времени. Можно без потери общности предположить, что Т} <Тг ... < Тм .
При таких допущениях модель канала можно представить так, как это сдела-
но на рис. 3.7. Очевидно, что если входной и выходной сигналы описываются
функциями u(t) и v(Z) соответственно, то импульсный отклик канала описывает-
ся выражением
Жт) = ХсЛ05(т-Д).
(3.38)
Глава 3. Характеристика канала подвижной связи
115
Рис. 3.7. Кратковременная модель канала подвижном связи
Переменная t обозначает реальное время, в то время как т - длительность
импульсного отклика, если импульс возбуждения появляется на входе канала в
момент t. Следует отметить, что такая модель справедлива только на коротких
временных отрезках. За столь малое время значения задержек Т,, Г,,... , не
успевают существенно измениться. В качестве примера этого явления рассмот-
рим канал передачи данных в системе GSM в случае, когда подвижная станция
движется с максимальной скоростью. В разделе 7 будет показано, что данные в
системе GSM передаются пакетами. Пакет состоит из 148 битов, каждый из кото-
рых передается 3,69 мкс. За время приема одного пакета подвижная станция,
движущаяся со скоростью 250 км/ч, успевает сместиться примерно на 3,8 см, так
что ее положение относительно топографических особенностей местности
практически не меняется.
Обратим внимание на изменение во времени коэффициентов с, (I). Из выра-
жения (3.7) следует, что эти коэффициенты зависят от параметров akl, /и., и т;.(,
которые нельзя измерить напрямую. Однако вследствие перемещений подвижной
станции они зависят от меняющейся во времени топологии местности. По этой
причине данные параметры рассматриваются как случайные величины. В допу-
щении, что с точки зрения подвижной станции расположение рассеивающих и
отражающих препятствий можно полагать случайным, упомянутые случайные
величины рассматриваются как статистически независимые. Тогда для достаточ-
но больших N на основании центральной предельной теоремы4 мы можем счи-
тать действительную ck(t) и мнимую с[ (t) части коэффициента ck(t) случайны-
ми величинами, имеющими приближенно гауссовское распределение вероятно-
сти с дисперсией <7^/2. Эту дисперсию можно найти по формуле
У = (3.39)
В центральной предельной теореме доказывается, что распределение вероятности
случайной величины, которая представляет собой сумму случайных величин, прибли-
жается к гауссовскому по мере приближения к бесконечности количества его компо-
нентов, независимо от распределения вероятности суммируемых компонент.
116
Системы подвижной радиосвязи
Поскольку ск (<) и с'к (/) (к = 1, 2,..., М) имеют распределение, близкое к гауссов-
скому, то их среднее значение равно нулю. Если предположить, что для разных
путей распространения сигнала переменные од,, fDh и тд, статистически незави-
симы, то напрашивается вывод об отсутствии взаимной корреляции сд (/) и с! (/).
Для большого количества рассеивающих компонентов можно предположить,
что фазовые сдвиги 2л /’ тЛ,, обусловленные задержками тА,, равномерно распре-
делены в интервале (0, 2л). Таким образом, мы приходим к выводу о том, что во
всех сделанных нами предположениях (?) и с{ (/) (А = 1, 2,..., М) представляют
собой стационарные в широком смысле процессы. Поскольку основные компо-
ненты (к = 1, 2,..., М) также не коррелируют друг с другом, такая модель канала
называется стационарной в широком смысле с некоррелированным рассеянием
(англ. Wide-Sense Stationary with Uncorrelated Scattering — WSSUS). Еще раз обра-
тим внимание на то, что эти свойства сохраняются только на коротком времен-
ном интервале.
Отметим, что поскольку с[ (t) и сд (?) представляют собой независимые гаус-
совские процессы, то огибающая процесса сД/) имеет рэлеевское распределе-
ние, в то время как фаза равномерно распределена в интервале (0, 2л).
Для того чтобы найти наилучшие характеристики канала, необходимо точ-
нее определить свойства процесса сД/). Из формулы (3.37) следует, что сД/)
это сумма экспоненциальных сигналов, характеризующихся допплеровскими
частотами fDh. Эти частоты зависят от угла ф,а между вектором движения по-
движной станции и направлением прибытия сигнала; они определяются
формулами
Л (<Р« ) = ./ой = fD max COS(P/u - fD max = Л ~ O-40)
c
Как уже упоминалось ранее, <тд - средняя мощность процесса сДг). Если ко-
личество N рассеянных компонентов, прибывающих А-м путем, стремится к
бесконечности, то доля энергии, принятая в угловом интервале [фд,
(фд + dgk)], стремится к непрерывному распределению. Мощность сигнала
А-й компоненты, принятого в данном угловом интервале, равна сгд/>(Фа )^Фа-
Очевидно, что согласно формуле (3.40), изменение угла эквивалентно измене-
нию допплеровской частоты. С учетом того, что fD (фд.) = fD (-ф;.), можно запи-
сать уравнение, которое объединяет плотность мощности, допплеровскую час-
тоту и угол фд [2]:
С(/о(<Р*))|#с(<Р*)|=^Ср(ф,)+р(-фЛ)]|^ф,|. (3.41)
Из (3.40) прямо следует, что
I dfв (Ф/£ )| = fD № | - sin фд 11 Лрд |. (3.42)
В свою очередь из теоремы Пифагора следует
Глава 3. Характеристика канала полвижнои связи
117
/DnMx|Sin(P*l =7/отах -/о (<РЛ- )'
(3-43)
Подставив (3.43) в (3.42) и (3.42) в (3.41), мы получим зависимость спектральной
плотности мощности процесса от допплеровской частоты и угла (рА
g(/d(<pJ) =
Иф* )+/Ч-фЛ |,. । г
, ? при |/D|</DmdX,
"V /о max - f D (ф/< )
О в остальных случаях.
(3.44)
Величина G(fD ) называется допплеровской спектральной плотностью мощно-
сти5 (англ. Doppler power dencity spectrum). Как видим, спектр зависит от рас-
пределения /?(Фа ), которое в свою очередь определяется топографией местнос-
ти. Если представить себе идеальный случай, когда сигнал поступает со всех
направлений с одной и той же мощностью, то Д(рА) = 1/2 л для лежащего в ин-
тервале [0, 2л]угла (рА , а плотность мощности сигнала с,. (/) описывается форму-
лой Джейкса (Jakes)
С(Л) =
в остальных случаях.
при |ДС | < /D max
(3.45)
На рис. 3.8 представлено допплеровское распределение плотности мощно-
сти, описываемое формулой (3.45). Этот спектр соответствует идеализированно-
му случаю, однако используется в моделировании каналов подвижной связи и
служит основой для сравнения между собой нескольких систем и определения
Рис. 3.8. Допплеровским спектр плотности мощности процесса
ck(t) в соответствии с формулой Джейкса
5 Спектральной плотностью мощности сигнала в полосе допплеровских частот.
118
Системы подвижной радиосвязи
степени их устойчивости к канальным искажениям. В случае появления прямой
видимости, изображенный на рис. 3.8 спектр следует дополнить спектральной
линией с соответствующей допплеровской частотой. Измеренные допплеров-
ские спектры плотности мощности ((рис. 3.9) [3]) заметно отличаются от
спектра для идеального случая, однако их характеристики близки к характери-
стикам спектра, изображенного на рис. 3.8.
Рис. 3.9. Измеренные допплеровские спектры плотности мощности
a - для канала в зоне прямой видимости; б - для канала вне зоны прямой видимости
с длительным импульсным откликом [3]
Методы описания каналов передачи в системах подвижной связи не ограни-
чиваются приведенными выше зависимостями. Для WSSUS-каналов функция
рассеяния часто представляется в виде трехмерного графика. Она определяет за-
висимость плотности мощности от задержки т и допплеровской частоты fD.
Интенсивные исследования при разработке системы GSM в 1980-х годах при-
вели, помимо всего прочего, к унификации стандартных моделей каналов, кото-
рые характеризуют распространение сигнала частотного диапазона 900 МГц.
В стандарте ETSI GSM 05.05 [5] приводятся таблицы профилей мощности как
функции задержки т, рекомендованных для лабораторных расчетов и моделиро-
вания каналов. Учитывается несколько основных типов местности (рис. 3.10).
Каждая линия на рис. 3.10 характеризует среднюю мощность дискретной компо-
Глава 3. Характеристика канала полвижнои связи
119
f -20 -----------'---------1--------'--------’
О 0 5 10 15 20
Задержка, мкс
Рис. 3.10. Профили зависимости мощности от задержки
(по стандарту ETSI CSM 05.05)
a - сельская местность; б - холмистая местность; в - городской район; г Е-тест
ненты, которая претерпевает рассеяние, отражение и подвержена эффекту Доппле-
ра. Стандартом устанавливается допплеровский спектр плотности мощности в
соответствии с формулой (3.45). В случае существования прямого пути распро-
странения к допплеровскому спектру добавляется дискретная линия. На графи-
ках (см. рис. 3.10) показаны стандартизованные значения дисперсии оДА = 1,
2,..., М) каждого дискретного компонента, выраженные в дБ, т.е. профили зави-
симости мощности от задержки описываются формулой
2j(t) = Xo^(t-7;.). (3.46)
/.-I
Из рис. 3.10 следует, что наилучший канал передачи образуется в сельской
местности. Отличающиеся от основного отраженные сигналы сконцентрирова-
ны в небольшом промежутке времени, который в системе GSM не превышает од-
ного периода модуляции (т.е. 3,69 мкс). Модель городской застройки имитирует
многолучевое распространение, вызванное отражениями сигнала от зданий.
Еще хуже для цифровой радиосвязи подходят условия распространения сигнала
в холмистой местности. Отраженные эхо-сигналы попадают в приемник с отно-
сительно большой задержкой, вызванной отражением от препятствий, располо-
женных далеко от приемника, а следовательно, приводят к длительному импуль-
сному отклику канала. Наконец, модель E-mecm - хотя и нереалистичная, но
120
Системы полвижнои радиосвязи
очень сложная тестовая модель канала, предназначенная для сравнительной
оценки новых разработок подвижных станций.
Многолучевое распространение и рассеяние - это нс единственные возмож-
ные искажения сигнала в каналах подвижной связи. На сигнал также влияют им-
пульсные помехи, интерференция с другими пользователями (известные в систе-
мах сотовой связи как внутри- и межсотовая интерференция) и тепловой шум.
Абонентская станция, работающая в пределах той же соты, но на другой несу-
щей частоте, ухудшает прием сигналов другими пользователями вследствие
несовершенной фильтрации боковых частот (^межканальная интерференция).
Возможно возникновение интерференции с сигналом той же самой частоты, но
генерированным в другой соте. Тепловой шум обусловлен как собственными
шумами электронных компонентов приемника, так и шумами, вносимыми по-
следовательностью элементов радиоканала.
Основная причина импульсных помех - человеческая деятельность. Наибо-
лее часто встречающийся источник помех этого типа - автомобильные системы
зажигания и электродвигатели. Иногда импульсные помехи вызываются атмо-
сферными явлениями.
В радиосистемах встречается еще один вид искажения - нелинейность. Она
вызывается чаще всего недостаточной мощностью подвижной станции и необ-
ходимостью использовать усилитель мощности в режиме, близком к насыще-
нию. Влияние нелинейности минимизируется благодаря применению цифровых
модуляций с постоянной огибающей, таких как FSK или GMSK. В системах бу-
дущего, которые характеризуются увеличением пропускной способности и
спектральной эффективности, при передаче будут применяться многоуровневые
QAM-модуляции или OFDM6. Влияние нелинейности усилителя будет сведено к
минимуму при помощи введения предыскажений или применения специально
разработанных форм сигналов.
3.5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОТЕРЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ
Описанная в предыдущем подразделе модель канала объясняет суть много-
лучевого распространения и изменения во времени свойств канала, вызванных
перемещением подвижной станции и рассеянием сигнала в непосредственной
близости от нее. Изображенная на рис. 3.5 модель характеризуется быстрыми ко-
лебаниями уровня сигнала вокруг среднего значения. Как мы уже выяснили, да-
же незначительные изменения расположения подвижной станции могут стать
причиной существенных изменений уровня принимаемого сигнала. С точки зре-
ния проектирования систем радиосвязи представляет интерес определение зави-
симости средней мощности сигнала от расстояния до базовой станции. Обычно
Ортогональное частотное разделение каналов (прим. авт.).
Глава 3. Характеристика канала подвижной связи
121
измерения усредняются на интервале от 5Z до 40Л, где Л - длина волны несущей
[И]. В частотном диапазоне от 1 до 2 ГГц локальная мощность усредняется на
отрезке от 1 до 10 м. Результат измерений зависит от расстояния до передающей
станции (сравните с (3.31)), а также от реальной конфигурации основных пре-
пятствий, искажающих и отражающих элементов вдоль путей распространения
сигнала к приемнику, но не в непосредственной близости от него. Этот вид ин-
формации необходим для разработки систем сотовой связи. Вопросы проектиро-
вания систем сотовой подвижной связи будут обсуждаться в разделе 5.
Вернемся к анализу формулы (3.31). Оказалось, что эта формула соответст-
вует результатам измерений при их усреднении по всем возможным положениям
приемной антенны на расстоянии d от передатчика. После вычисления логариф-
ма от обеих частей (3.32) получаем выражение
=(F(r/0)) - lOylg
d
(3.47)
Приходим к выводу, что в логарифмическом масштабе средняя мощность
снижается линейно с увеличением расстояния d. Скорость падения составляет
1 Оу дБ на декаду. Как упоминалось ранее, параметр у определяется местными
условиями распространения сигнала (табл. 3.1) [11].
Таблица 3.1. Значения у для различных типов окружающей среды
Тип среды Значение коэффициента у
Свободное пространство Сотовая радиосвязь в городской местности Затененная сотовая радиосвязь в городской местности В здании на линии прямой видимости В здании с препятствиями на линии распространения радиосигнала На предприятиях с препятствиями на линии распространения радиосигнала 2 2,7-3,5 3-5 1,6-1,8 4-6 2-3
Формула (3.47) характеризует зависимость среднего уровня принятой мощ-
ности от расстояния до передающей антенны. Было замечено, что замеры мощ-
ности в различных местах, находящихся на одинаковом удалении от передаю-
щей антенны, могут давать совершенно разные результаты. Это явление обу-
словлено различным расположением препятствий, отражающих, рассеивающих
и снижающих уровень сигнала; оно называется радиозатенением. Измерения
показывают, что принимаемая мощность - это случайная величина. Более того,
ее распределение в логарифмическом масштабе — гауссовское, т.е.
(Лг/)Ъв = (Ж))./. -10у|-^-1 + ^(0, <т),
(3.48)
122
Системы полвижнои радиосвязи
где Х(0, ст) — случайная величина с гауссовским распределением, нулевым сред-
ним и дисперсией G2.
Таким образом, в линейном масштабе принимаемая мощность имеет лога-
рифмически нормальное распределение. Логонормальное распределение слу-
чайной величины % задается формулой
Z х 1
Рх W =-----Л=ехР
-(IgA-1gл)2
2о2
(3.49)
Зная распределение в логарифмическом масштабе, особенно дисперсию сг,
можно рассчитать вероятность того, что уровень принимаемого в заданной точке
сигнала превышает определенный порог. Такие расчеты используются для оцен-
ки зоны радиопокрытия базовой станции.
Распространение радиосигнала по местности с такими препятствиями, как
строения, неровности поверхности, деревья и кусты - это настолько сложный
процесс, что разработчики системы часто производят замеры электромагнитно-
го поля в определенных участках местности для того, чтобы определить реаль-
ную зону обслуживания базовой станции. Эти замеры чрезвычайно дороги, и в
связи с этим на основе собранных экспериментальных данных для различных
типовых условий разработано несколько моделей распространения сигнала, по-
зволяющих оценить медианные потери мощности в зависимости от расстояния d
до базовой станции, типа среды распространения, а также высот передающей и
приемной антенн. В следующих разделах мы рассмотрим наиболее представи-
тельные примеры экспериментальных моделей распространения сигнала.
3.5.1. Модель Ли
Ли (англ. W.C.Y. Lee) [12] предложил очень простую модель распростране-
ния сигнала, основанную на серии проведенных в США измерений на несущей
частоте fc = 900 МГц. Согласно модели Ли, среднее значение мощности, изме-
ренной на расстоянии d от передающей станции, описывается выражением
ад=р0И
dn
или в логарифмическом представлении
(P(d))M = (РО)М
(3.50)
(3.51)
+ (Л) ) ,
гдеР0 - эталонная медианная мощность, измеренная на расстоянии d0 = 1 км;
Fo - поправочный коэффициент, вычисляемый на основе серии компонентных
множителей по формуле
Глава 3. Характеристика канала полвижнои связи
123
(3.52)
i=i
в котором коэффициенты Ft рассчитываются следующим образом
F, =(ABScff/ 30,48)2, (3.53)
^=(W3)V, (3.54)
где /?BS cff - эффективная высота антенны базовой станции, м; AMS - высота антен-
ны подвижной станции, м; V- показатель степени. При высоте антенны по-
движной станции менее 3 м принимается v = 1, а при высоте более 10 м - V = 2.
В свою очередь
=РТ / 10, (3.55)
F4=GT/4, (3.56)
F5=Gr, (3.57)
где Рг - мощность сигнала, излучаемого передатчиком базовой станции, Вт;
GT, Gr- коэффициенты усиления антенн соответственно базовой и подвижной
станции относительно полуволнового вибратора.
Параметры Ро и у получены экспериментально на основе проведенных заме-
ров в различных типах окружающей среды (табл. 3.2).
Таблица 3.2. Значения Ро и у для различных типов окружающей среды
Тип среды Р. у, дБ на декаду
Свободное пространство -41 20,0
Сельская местность, редкая застройка -40 43,5
Пригород, небольшой город -54 38,4
Филадельфия -62,5 36,8
Нью-Йорк -55 43,1
Токио -78 30,5
Медианные потери мощности в зависимости от частоты определяются
коэффициентом (///0и его показателем степени п. Для частот от 30 МГц
до 2 ГГц и расстояний между подвижной и базовой станциями от 2 до 30 км
значение и лежит в диапазоне от 2 до 3. Величина п также зависит от топогра-
фических особенностей местности. Для пригородных и сельских районов ре-
комендуется выбирать и = 2 при частотах ниже 450 МГц и п = 3 при частотах
выше 450 МГц.
На пересеченной местности эффективная высота антенны может сильно от-
личаться от ее физической высоты. На рис. 3.11 показаны способы ее определения.
124
Системы подвижной радиосвязи
Рис. 3.11. Определение эффективной высоты антенны базовой станции
в холмистой местности
Измерения, лежащие в основе эмпирических формул модели Ли, были про-
ведены в системе со следующими параметрами:
Несущая частота....................................... fc= 900 МГц
Высота антенны базовой станции............/zBS efT =30,48 м (100 футов)
Мощность передаваемого сигнала....................... Рт =10 Вт
Коэффициент усиления антенны GT - 6 дБ относительно
базовой станции..............................полуволнового вибратора
Высота антенны подвижной станции...........................hMS =3 м
Коэффициент усиления антенны GR = 0 дБ относительно
подвижной станции ...........................полуволнового вибратора
Эти параметры отражены в формулах в виде коэффициентов F, (z = 1,..., 5).
3.5.2. Модель Окамуры
В основе модели Окамуры (англ. Okumura) также лежит множество измере-
ний. Впервые она была представлена в работе [13]. Многочисленные измерения
в частотном диапазоне от 150 до 1920 МГц проводились в Токио. Для описания
зависимости медианных потерь (Z50 )dB от расстояния d до передающей антенны
базовой станции была предложена формула
(4оЪв =4 + ^(/,zZ) + G(/zBS>cff) + G(/zMS), (3.58)
где Ls - потери при распространении в свободном пространстве (см. формулу
(3.10)); Л(/, d) - медианное значение потерь в городской среде с квазигладкой
земной поверхностью по отношению к затуханию в свободном пространстве
в случае, если эффективная высота антенны базовой станции (англ. BS - base
station) /zBS cff = 200 м, а высота антенны подвижной станции (англ. MS - mobile
Глава 3. Характеристика канала подвижной связи
125
Рис. 3.12. Медианное значение ослабления A(f,d) над квазигладкои поверхно-
стью по отношению к затуханию в свободном пространстве ([13], © IEEE)
station) hMS = 3 м; G(ABS cff) - корректирующий коэффициент (в дБ), учитываю-
щий отличие эффективной высоты антенны базовой станции от 200 м; G(h
корректирующий коэффициент (в дБ), зависящий от высоты антенны подвиж-
ной станции, если она отличается от 3 м.
Потери при распространении в свободном пространстве вычисляются по
формуле (3.10) в логарифмическом масштабе. Формула (3.58), совместно с
рис. 3.12,3.13 и 3.14, позволяет оценить затухание сигнала в условиях городской
застройки на частотах от 150 до 2000 МГц, если расстояние между подвижной и
базовой станциями составляет от 1 до 100 км, а эффективная высота антенны ба-
зовой станции лежит в диапазоне от 30 до 1000 м.
В [13] предложены дополнительные корректирующие члены, позволяющие
учесть наклон и неровности местности, а также ее тип.
В литературе можно обнаружить другой вариант формулы (3.58), описываю-
щей модель Окамуры. Она имеет вид
(b50)dfl + A(f, ^)-G(ABScff)-G(AMS)-GAREA. (3.59)
Параметр A(f, d), как и ранее, берется из графика, изображенного на рис. 3.12,
а корректирующие члены G(hBS cff) и G(/zMS) задаются выражениями
G(ABS>eff) = 201g(ABS>cff/200), 10 M<ABScff< 1000 м. (3.60)
126
Системы полвижнои радиосвязи
G(/?MS) = 101g(/?MS/3), Ams<3m.
G(AMS) = 20lg(AMS/ 3), 3 м< AMS < 10 м.
(3.61)
(3.62)
Поправочный член 6AREA, выраженный в дБ, зависит от типа местности и не-
сущей частоты и берется из графика, изображенного на рис. 3.15.
Рис. 3.13. Зависимость корректирующего коэффициента эффективной высоты
антенны базовой станции в городской местности от расстояния ([1 3], © IEEE)
Рис. 3.14. Зависимость корректирующего коэффициента эффективной высоты
антенны подвижной станции от частоты и типа городской застройки ([13], © IEEE)
Глава 3. Характеристика канала подвижной связи
127
Рис. 3.15. Зависимость корректирующего коэффициента СЛКЕЛ
от частоты и типа местности
I - открытая местность; 2 - условно открытая местность; 3 - пригородные районы
Модель Окамуры очень проста. Она основана исключительно на экспери-
ментальных данных, собранных в районе Токио. Характеристики японской го-
родской местности немного отличаются от характеристик городской местности
в Европе или США. Несмотря на это, модель Окамуры пользуется популярно-
стью и считается наилучшей моделью для разработки сотовых и других систем
наземной подвижной связи [11]. Основной недостаток модели Окамуры - мед-
ленная реакция на изменение типа местности. Эта модель лучше всего подхо-
дит для городских и пригородных районов и не очень эффективна для сельской
местности.
3.5.3. Модель Хата
Модель Хата (англ. Hatd) возникла в результате адаптации эмпирических
формул к графикам, составленным Окамурой и его соавторами. Эти формулы хо-
рошо аппроксимируют графики в определенных диапазонах несущих частот на
квазигладкой земной поверхности. Для оценки затухания сигнала Хата предло-
жил следующие эмпирические формулы. В городской местности в частотном
128
Системы полвижнои радиосвязи
диапазоне7 8 от 150 до 1500 МГц при эффективной высоте антенны базовой стан-
ции hBS cff от 30 до 200 м имеем
(^5о )зв I город = 69,55 + 26,16 lg f - 13,83 lg(/7BS.cff) -
-«(/’.MS) + (44,9 - 6,55 lg(/?BS cff)) lgd,
(3.63)
где поправочный коэффициент зависит от высоты антенны подвижной станции
hMS и в диапазоне высот от 1 до 10 м вычисляется по формуле* (в дБ)
n(AMS) = (1,11g/ - 0,7)hMS -(1,56 lg f - 0,8). (3.64)
Для крупного города он задается выражениями (в дБ)
rz(/7MS) = 8,29(lgl,54/zMS)2-1,1 для/<400МГц.
«( AMS) = 3,2(lg 11,75 AMS )2 - 4,97 для / > 400 МГц.
(3.65)
В пригородной местности потери при распространении сигнала можно описать
формулой
~(Ао)</в| город 4 lg| 5,4.
(3.66)
В условиях открытой местности потери описываются выражением
(4оЪд = (4о)Хрод-4,78(lg/)2 +18,331g/-40,94. (3.67)
Представленные выше модели распространения сигнала позволяют оце-
нить зависимость потерь от несущей частоты, высоты антенн базовой и по-
движной станций и типа местности. Они неплохо отражают процессы распро-
странения сигнала на расстояния, превышающие 1 км, и лучше всего подходят
для частот до 1,5 ГГц. Однако системы персональной связи (англ. Personal
Communications Systems') работают в диапазоне от 1,8 до 2,0 ГГц. Примеры та-
ких систем - это DCS 1800 и PCS 1900 - две версии системы GSM, функциони-
рующие в Европе и США соответственно. В связи с этим, для создания моделей
распространения сигнала в частотном диапазоне от 1,8 до 2,0 ГГц в условиях,
характерных для систем PCS, были поставлены многочисленные эксперимен-
ты и проведено множество измерений. По причине большего затухания сигнала
в диапазоне 1,8 ГГц в сравнении с диапазоном 900 МГц, традиционно применяе-
мым в сотовой телефонии, основное различие между системой PCS и традици-
онной сотовой системой заключается в уменьшении размера сот. Исследования
новых моделей распространения проводились в рамках проекта Европейского
7 В формулах Хата частота выражается в МГц.
8 Для среднего города (прим. ред.).
Глава 3. Характеристика канала подвижной связи
129
Союза COST#2319. В результате в литературе представлены, по крайней мере,
две известные модели распространения, разработанные в рамках проектов
COST. Это модели СО8Т231-Хата [15] и COST231-Уолфиш- Икегами [16].
3.5.4. Модель СО8Т231-Хата
Могенсен (англ. Mogensen) с соавторами [15] предложил расширить модели
Окамуры и Хата на частотный диапазон от 1,5 до 2 ГГц. В этом диапазоне ис-
пользование упомянутых моделей приводит к недооценке затухания сигнала.
Модель COST231 -Хата справедлива для несущих частот в диапазоне от 1,5 до
2 ГГц, высоте антенны базовой станции от 30 до 200 м, высоте антенны подвиж-
ной станции от 1 до 10 м, и расстоянию между ними от 1 до 20 км. Модель позво-
ляет оценивать затухание по формуле
(£50 )м = 46,3 + 33,9 \gf - 13,82 lg( /?BS.cir) -
-fl(AMS) + (44,9 - 6,55 lg(ABSiCff)) \gd + C,
(3.68)
где С - постоянная для средних городов и пригородных районов с умеренной
растительностью С = 0 и для центров крупных городов С = 3 .
Формально модели Окамуры, Хата и СО8Т231-Хата можно использовать
только для высоты антенны базовой станции, превышающей 30 м, однако их
применение возможно и для более низких высот при условии, что соседние стро-
ения значительно ниже антенны. Модель COST231-Хата не подходит для оценки
затухания сигнала при расстояниях между подвижной и базовой станциями ме-
нее 1 км. В этом случае затухание сильно зависит от топографии местности, в
которой происходит распространение сигнала. Эту модель также нельзя исполь-
зовать для оценки распространения сигнала по улицам с высокими строениями
(по так называемым уличным каньонам).
3.5.5. Модель COST231-Уолфиш-Икегами
Модель COST231-Уолфиш-Икегами (англ. Walfish-Ikegami) может приме-
няться в случаях, когда антенна базовой станции расположена как выше, так и
ниже линии уровня крыш городской застройки. В совокупность эмпирических
факторов, учтенных расчетной формулой входят высоты антенн базовой и по-
движной станций, ширина улиц, расстояния между зданиями, высота зданий и
ориентация улиц относительно направления распространения сигнала. В общих
чертах формула, описывающая потери сигнала, состоит из трех членов - потерь
Ls на распространение в свободном пространстве; потерь Lrls на дифракцию и
9 COST- Cooperation for Scientific and Technical Research (Сотрудничество для научных
и технических исследований) (прим. ред.).
130
Системы полвижнои ралиосвязи
рассеяние волн на крышах зданий (англ, roof-iop-io-streei diffraction and scatter
loss) и£Л (англ, multiscreen diffraction loss), вызванных многократной дифрак-
цией от рядов зданий. Второй член Lrli определяет потери от дифракции волн на
крышах зданий, благодаря которой сигнал попадает в подвижную станцию, дви-
жущуюся вдоль улицы. Третий член£;ш учитывает многократную дифракцию на
рядах зданий. Суммарные потери рассчитываются по формуле
(3-69)
Мы не будем цитировать весь набор формул, которые описывают модель
COST231-Уолфиш-Икегами, поскольку это выходит за рамки данной книги. Инте-
ресующемуся читателю посоветуем обратиться к литературе [16]. Добавим, что
данная модель используется Международным телекоммуникационным союзом
(1TU) в качестве стандартной модели для универсальной системы подвижной
связи третьего поколения IMT-2000. Ее можно применять в следующих диапазо-
нах параметров: 800 < fc < 2000МГц, 4 < /гГ!5 < 50 м, 1 < /?MS < Зм, 0,02 < d < 5 км.
3.5.6. Примеры опенки потерь с использованием
различных моделей распространения сигнала
В завершение обзора моделей распространения сигнала приведем два взя-
тых из [17] и [18] примера, которые иллюстрируют применение моделей Хата и
Ли для оценивания потерь сигнала, поступающего с базовой станции.
Пример 1 [17]. Ослабление сигнала, излучаемого передатчиком мощностью
10 Вт, измеренное на расстоянии 10 км, составляет 160 дБ. Сравнить потери
на распространение, рассчитанные по модели Хата, с результатами измерений.
• Высота антенны подвижной станции hMS = 3 м. Антенна представляет
собой полуволновой вибратор.
• Антенна базовой станции установлена на высоте 30 м в крупном городе.
• Несущая частота излучаемого сигнала f= 1000 МГц.
Согласно модели Хата для оценки потерь на распространение сигнала вос-
пользуемся формулой (3.63). Получим
(4о = 69,55 + 26>16 1g Ю00 - 13,82 1g 30 -
-n(/?MS) + (44,9-6,551g3O)lglO.
Значение n(/?MS) при заданных параметрах системы составит
a(hMS) = 3,2(lg( 11,75 • З))2 - 4,97 = 2,69 дБ.
Таким образом,
(Z.5O )dB = 69,55 + 78,48 - 20,41 - 2,69 + 3 5,22 = 160,15 дБ,
что достаточно точно соответствует измеренному значению ослабления сигнала.
Глава 3. Характеристика канала подвижной связи
131
Пример 2 [ 18]. При помощи модели Ли оценишь уровень сигнала, принимае-
мого подвижной станцией на расстоянии cl = 2 км от базовой станции. Среда
распространения сигнала - пригородная местность или небольшой город.
• Эффективная высота антенны базовой станции /?BSu) = 30 м. Ее коэф-
фициент усиления GT = 7,7 дБи.
• Несущая частота излучаемого сигнала f = 1800 МГц.
• Мощность излучаемого сигнала РТ = 1 Вт.
• Высота антенны подвижной станции AMS = 7,5 м. Коэффициент усиле-
ния GR = 2 дБд.
Для оценки уровня принимаемого сигнала воспользуемся формулой (3.51).
Из табл. 3.2 выберем параметры Ро = -54 дБм и у = 38,4. Для вычисления попра-
вочного коэффициента 7ф по формуле (3.52) необходимо найти его компоненты
Ft (i = 1, ..., 5). Для этого воспользуемся формулами (3.53)—(3.57). Обратим вни-
мание на то, что при вычислении коэффициентов/7. иД применяются коэффи-
циенты усиления антенн в линейной шкале, поэтому следует произвести следу-
ющее преобразование: GT = 7,7 дБи эквивалентно GT = 5,9 в линейной шкале, а
GR = 2 дБд = (2 + 2,15) дБи = 4,15 дБи, что составляет 2,6 в линейной шкале (на-
помним, что 0 дБд = 2,15 дБи). В результате получим
^_Д15д)'(±5д¥ v v 6=(1J8S7
30,48 м И 3 м j 10 Вт Д 4 )
(3.70)
т.е./7 =-7,3 дБ.
В (3.70) коэффициентF, вычисляется с учетом того, что для высоты антенны
подвижной станции менее 3 м, показатель степени v = 1. Поскольку несущая час-
тота превышает450 МГц, показатель степени п в (3.50) и (3.51) принимается рав-
ным 3. В итоге, согласно (3.51), получаем искомую мощность принимаемого сиг-
нала (PR }dB = -73,8 дБм.
3.5.7. Опенка потерь при распространении
сигнала внутри помещений
До сих пор мы рассматривали условия распространения и прогнозировали
потери мощности радиосигнала вне помещений. Определение характеристик
распространения сигнала внутри зданий не менее важно, особенно при разра-
ботке систем бесшнуровой телефонии с базовыми станциями, расположенными
внутри помещений, и беспроводных локальных вычислительных сетей [23].
В случае каналов связи внутри помещений, расстояние между передатчиком и
приемником намного меньше. Это обусловлено не только геометрическими па-
раметрами здания, но также низкой мощностью передатчика и сильным ослабле-
нием сигнала внутренними стенами и мебелью. Именно эти явления оказывают
132
Системы полвижнои ралиосвязи
влияние на длительность импульсного отклика канала, поэтому каналы внутри
помещений характеризуются намного меньшим временным разбросом задерж-
ки, чем рассмотренные типовые каналы снаружи зданий. Распространение сиг-
нала в зданиях с небольшим содержанием металла и не очень большим количе-
ством толстых стен характеризуется малым среднеквадратическим разбросом
задержки (как правило, от 30 до 60 нс). Большие здания с множеством металли-
ческих элементов и большими свободными пространствами имеют средне-
квадратический разброс задержки порядка 300 нс. Такой долгий импульсный
отклик канала определяет верхний предел скорости передачи данных или пред-
полагает применение структур приемников, способных использовать канал,
обладающий подобными свойствами. С импульсным откликом канала тесно
связан профиль задержки мощности. Измерения в диапазоне 1800 МГц, прово-
дившиеся в Университете г. Лунда (Швеция) показали, что хотя конкретная
форма профиля зависимости мощности от задержки зависит от объектов окру-
жающей среды, средний профиль потерь в среде с отражениями от случайно
расположенных объектов имеет четкие закономерности. Он хорошо аппрокси-
мируется либо степенной функцией (это говорит о том, что снижение мощно-
сти носит логарифмический характер в логарифмической же шкале) либо экспо-
ненциальной функцией (это значит, что ослабление линейно в логарифмиче-
ской шкале) [25]. В свободном пространстве значение уровня мощности как
функции задержки хорошо аппроксимируется степенной функцией, что обу-
словлено сильным влиянием прямой видимости. На рис. 3.16 изображены за-
висимости средней плотности мощности от задержки переданного сигнала для
открытого10 * интервала (англ. Line-Of-Sight-LOS), закрытого” интервала (англ.
Non-Line-Of-Sight - NLOS) и полуоткрытого12 интервала (англ. Obstructed-Li-
ne-Of-Sight — OLOS) распространения.
Канал внутри помещения может меняться во времени. Изменение свойств
канала во времени может быть обусловлено перемещением подвижного терми-
нала, изменением ориентации направленной (неизотропной) антенны, а также
перемещением отражающих объектов, таких, как люди, офисная мебель или
оборудование [23].
Анализ множества экспериментальных данных говорит о том, что потери на
распространение сигнала внутри помещений можно оценить по формуле
ВД=ОД) + lOnlgf ~ | + ^о,
I ^0 I
(3.71)
где - гауссова случайная переменная с дисперсией о2.
10 Иначе: по линии прямой видимости (прим. ред.).
1 Буквально: вне линии прямой видимости (прим. ред.).
12 Здесь: интервал с одним препятствием (прим. ред.).
Глава 3. Характеристика канала полвижнои связи
133
Рис. 3.16. Профили зависимости средней мощности от задержки в условиях
LOS, NLOS и OLOS, измеренные в Лунде (Источник: Digital Mobile Radio Towards
Future Generation Systems, COST Action 231, Final Report, EUR 18957, 1999)
T а б л и u a 3.3. Значение показателя степени n и стандартного отклонения
о для расчета потерь на распространение в различных типах зданий
Здание Частота, МГн п о, дБ
Розничный магазин 914 2,2 8,7
Бакалейный магазин 914 1,8 5,2
Офис, толстые стены 1500 з,о 7,0
Офис, тонкие стены 900 2,4 9,6
Офис, тонкие стены 1900 2,6 14,1
Предприятие. Линия грямой видимости <LOS):
Т екстильное/химическое 1300 2,0 3,0
Текстильное/химическое 4000 2,1 7,0
Бумаго/зернохранилище 1300 1,8 6,0
Металлургическое 1300 1,6 5,8
Дома в пригороде:
из дома на улицу 900 з,о 7,0
Предприятие. Интервал с одним препятствг ieM (OBS):
Текстильное/химическое 4000 2,1 9,7
Металлургическое 1300 з,з 6,8
134
Системы полвижнои радиосвязи
Эта формула аналогична логарифмически нормальной модели затенения1’
Измеренные параметры п и о для конкретных несущих, применяемых в бесшну-
ровой телефонии и PCS-системах, сведены в табл. 3.3. Они характеризуют раз-
личные типы стен и условия распространения в различных зданиях [22]. Модель
расчета потерь на распространение сигнала внутри помещений, описываемая
формулой (3.71), называется моделью с одним наклоном (англ. ISM, one-slope
model), поскольку предполагает линейную зависимость потерь, выраженных в
децибелах, от логарифма расстояния.
Модель со многими стенами (англ, multi-wall model) [24] учитывает не толь-
ко потери в свободном пространстве, но также и потери на проникновение сиг-
нала через стены и перекрытия, лежащие на линии прямой видимости между
передатчиком и приемником. Было обнаружено, что потери при прохождении че-
рез некоторое число перекрытий нелинейно зависят от количества последних
[22]. Для учета этого фактора в [24] введен эмпирический коэффициент Ь, что
позволяет описать потери на распространение выражением
+Lc + /<Г (3.72)
где Ls - потери в свободном пространстве; Д - постоянные потери; - количе-
ство стен /-го типа, через которые проходит сигнал; - количество преодолева-
емых перекрытий; Lw,. - потери на прохождение через стену z-го типа; L, - поте-
ри на прохождение на соседний этаж; I-количество типов стен (обычно 1 = 2
для учета тонких и толстых стен).
Результаты, полученные на основе измерений перечисленных переменных,
можно найти в [23].
Третья, очень простая модель, называется моделью линейного ослабления
(англ, linear attenuation model) [23]. В ее основе лежит предположение о том, что
потери (в дБ) линейно зависят от расстояния (в м)
L(d)=LfS(d)+ad, (3.73)
где константа а. - коэффициент ослабления.
Беспроводные ЛВС реализуются в диапазонах частот выше 1800 МГц.
Для этого выделены диапазоны 2,5; 5; 60 ГГц, а с недавнего времени - 17 ГГц.
Первое, что необходимо сделать при разработке системы с новым частотным
диапазоном - определить свойства канала. Как правило, производится множест-
во измерений (см. например [26]) или применяется метод определения траекто-
рии луча (ray tracing), позволяющий имитировать распространение сигнала в
конкретном здании [27]. При помощи этих методов определяются статистиче-
ские свойства конкретного канала внутри помещения, что позволяет построить
модель канала, используемую при разработке как передатчика, так и приемника.
См. формулу (3.48) (прим. ред.).
Глава 3. Характеристика канала полвижнои связи
135
* Л Л
С практической точки зрения модели распространения очень обширны и
имеют огромную важность. Существует несколько используемых в сотовой свя-
зи моделей распространения, которые не вошли в настоящий раздел, например,
модели Эгли (Eglie), Ибрагима (Ibrahim) и Парсонса (Parsons), а также Лонг-
ли-Райса (Longley-Rice). Заинтересованный читатель может обратиться к изда-
ниям [11], [16], [19] и [20].
3.6. ВЛИЯНИЕ КАНАЛА РАДИОСВЯЗИ НА ПЕРЕДАЧУ
СИГНАЛОВ С РАЗЛИЧНОЙ ШИРИНОЙ СПЕКТРА
До сих пор мы касались только физических свойств каналов подвижной свя-
зи, в частности, канала сотовой телефонии в диапазоне 900 МГц. Так, было рас-
смотрено влияние многолучевого распространения на импульсный отклик кана-
ла. В реальной системе радиоканал - всего лишь одно из звеньев цепи передачи
сигнала. Кроме него, необходимо учитывать не только параметры канала, но и
свойства фильтров передатчика и приемника, а также скорость передачи сигна-
лов. В зависимости от ширины спектра передаваемого сигнала канал может ока-
зывать на последний влияние различными способами.
Для того чтобы пояснить это явление, рассмотрим цифровую передачу дан-
ных по многолучевому каналу с тремя разными скоростями. Пусть первая
скорость передачи данных составляет 600 бит/с, вторая - 270 кбит/с, третья -
1,2288 Мбит/с. Первая скорость характерна для пейджинговых систем (см. раз-
дел 4), вторая - для цифровых данных системы GSM (разделы 7—9), а третья
используется при передаче псевдослучайных данных в системе сотовой подвиж-
ной связи IS-95 стандарта CDMA (раздел 12). Для упрощения задачи воспользу-
емся моделью канала с двухлучевым распространением. Помимо основного сиг-
нала в приемник попадает один отраженный. Реплика имеет задержку т(| отно-
сительно основного сигнала, а ее фаза сдвинута на р радиан. Этот угол можно
определить по выражению р = 2л/0т0 через так называемую частоту режекции
/0 (англ, notch frequency') и задержку т0. Таким образом, передаточная функция
канала описывается формулой
H(J) = a(l - 6е/₽е’/2пу"т” )=«(!- ). (3.74)
Коэффициент а описывает затухание принимаемого сигнала, b определяет
относительное ослабление отраженного эха к основному сигналу. На рис. 3.17
представлен модуль передаточной характеристики канала14 |Я(/)| при ти = 10 мкс
Амплитудная характеристика (прим. ред.).
136
Системы подвижном радиосвязи
О) |/У(4)|, дБ
О
-10
-20
-30
-40
-50
900 900,01 900,02 900,03 900,04 f, МГц
б) |/У(/)|, дБ
О
-10
-20
-30
-40
-50
900 900,1 900,2 900,3 900,4 4 МГц
Рис. 3.17. Амплитудная характеристика канала с двухлучевым
распространением (Ь = 0,99 и b = 0,4, тс = 10 мкс, fa = 10 кГп)
и спектры сигналов шириной 600 Гп (а), 300 кГи (б), 1,3 МГи (в)
для различной ширины спектров сигнала в диапазоне 900 МГц. Обратим внима-
ние, что максимумы затухания периодически повторяются вдоль оси частот с
периодом 1/т0 = 100 кГц, а их расположение зависит от частоты /0, а затем фазо-
вого сдвига р. Глубина замираний (провалов) определяется значением коэф-
фициента Ь.
Проанализируем влияние канала с селективным замиранием на три вышеу-
помянутых типа сигналов. Заметим, что для первого сигнала с шириной спектра
600 Гц характеристики канала практически постоянны. При изменении значения
b уровень сигнала меняется практически одинаково по всей ширине спектра сиг-
нала, т.е. для узкополосного сигнала мы наблюдаем гладкое замирание (англ, flat
Глава 3. Характеристика канала полвижнои связи
137
fading). Задержка путей относительно друг друга (т0 = 10 мкс) составляет менее
1% от периода модуляции Td = 1/600 с = 1,66 мс. Двухлучевое распространение
практически не искажает информационные импульсы, однако оно вызывает за-
тухание, которое отличается от ослабления в канале с одним путем распростра-
нения. Сигналы, прибывающие по обоим путям, практически неразличимы.
При передаче двоичных данных со скоростью 270 кбит/с спектр сигнала бу-
дет намного шире, и в него могут попасть несколько провалов (см. рис. 3.176).
Поэтому отдельные частоты в полосе сигнала сильно ослабляются, в отличие от
остальных. Это явление называется селективным (избирательным) замиранием
(англ, selective fading). При передаче двоичных данных со скоростью 270 кбит/с
период модуляции равен 3,7 мкс, т.е. он в несколько раз меньше задержки рас-
пространения по второму путит0 = 10 мкс. Как следствие, канал вносит так на-
зываемую межсимвольную интерференцию, которая проявляется во временном
наложении откликов канала на последовательные информационные импульсы.
Это явление приходится компенсировать при помощи сложных структур и алго-
ритмов приема. Пример такого алгоритма, используемый в системе GSM, опи-
сан в разделе 8.
Передача данных с чиповой скоростью 1,2288 Мбит/с считается широкопо-
лосной. На ширину полосы такого сигнала в характеристике канала приходится
множество минимумов и максимумов. Анализ изменения сигнала во времени
показывает, что задержка распространения по второму пути т0 = 10 мкс приво-
дит к наложению прямого и отраженного сигналов, имеющих относительную за-
держку примерно на 13 битов. При помощи выбранных особым образом двоич-
ных последовательностей из принимаемого сигнала можно выделить сигналы,
пришедшие по каждому из путей. Поэтому эти сигналы можно объединять для
того, чтобы максимизировать энергию результирующего сигнала.
Приведенные примеры являются большим упрощением реальных процес-
сов многолучевого распространения сигнала. Существование более чем двух пу-
тей распространения усложняет форму передаточной функции канала, однако, в
сущности, не изменяет свойств многолучевого канала. Таким образом, каналу
радиосвязи свойственны плавные или селективные замирания, вызванные не
только физическими характеристиками канала, но и шириной спектра передава-
емого сигнала.
3.7. РАЗНЕСЕННЫЙ ПРИЕМ
Замирание - одно из самых существенных искажений, вносимых радиока-
налом. Напомним, что замирание может быть охарактеризовано не только в
частотной (гладкое и селективное замирание), но и во временной области (мед-
ленное и быстрое замирание). Существует несколько способов минимизации
влияния замираний на производительность системы. В общих чертах: если су-
ществует возможность приема нескольких реплик переданного сигнала по
разным каналам, то высока вероятность того, что хотя бы один из каналов обес-
138
Системы подвижной радиосвязи
печит требуемое качество сигнала в приемнике. Прием сигналов по разным ка-
налам и надлежащее их суммирование15 называется разнесенным приемом (англ.
diversity reception). Разнесение16 бывает явное и неявное [28].
Первый случай - применение явного разнесения. Используется избыточная
передача сигнала. Пример - передача одного и того же сигнала на двух различ-
ных соответствующим образом разнесенных несущих частотах. Это позволяет
приемнику детектировать два отдельных сигнала, а затем их суммировать.
Во втором случае - неявного разнесения - сигнал передается только один
раз, но благодаря естественным свойствам среды распространения и специаль-
ным методикам приема становится возможным создать несколько каналов. При-
мер использования неявного разнесения - RAKE-приемник, который выделяет
сигналы, пришедшие различными путями по каналу с многолучевым распро-
странением, и суммирует их оптимальным способом (см. раздел 11).
Существует несколько типов разнесенного приема, используемых в некото-
рых системах радиосвязи [28]:
• пространственное разнесение;
• частотное разнесение;
• временное разнесение;
• многолучевое разнесение;
• поляризационное разнесение.
В подвижной связи разнесение может применяться как в передатчике, так и
в приемнике. Поэтому вводятся термины разнесение при передаче (англ, trans-
mitter diversity) и разнесение на приеме (англ, receiver diversity).
Рис. 3.18. Схема пространственного разнесения
В основе пространственного разнесения (англ, space diversity) (рис. 3.18)
лежит соответствующее суммирование сигналов, принятых не менее, чем двумя
разнесенными в пространстве антеннами. Расстояние между антеннами должно
15 В литературе встречается термин комбинирование от англ, combining. Мы, согласно ав-
торскому тексту, будем использовать термины суммирование и сложение (прим. ред.).
16 Каналы разнесения принято также называть ветвями (прим. ред.).
Глава 3. Характеристика канала полвижнои связи
139
быть достаточно велико для того, чтобы замирания разных каналов между пере-
датчиком и приемниками не коррелировали друг с другом. Важно, чтобы это рас-
стояние должно быть не меньше, чем половина длины волны. Сложение сигна-
лов ветвей разнесения должно производиться на векторной основе. Здесь воз-
можно несколько технических решений. На рис. 3.19 изображены три варианта
релизации. Самое простое - суммирование с автовыбором11 (англ, selection com-
bining). Управляющий блок проверяет отношение сигнал/шум в каждой ветви
разнесенного приема и направляет на выход сигнал того канала, где в данный мо-
мент отношение сигнал-шум наибольшее. При оптимальном весовом™ сумми-
ровании (англ, maximum ratio combining) сигналы различных ветвей выравнива-
ются по фазе17 18 19, «взвешиваются» и усиливаются пропорционально их уровню.
Выход
Управляющий
блок
Выход
Рис. 3.19. Некоторые способы суммирования при пространственном разнесении
а - суммирование с автовыбором; б - оптимальное весовое суммирование; в - равно-
весное суммирование
Таким образом, на выход сумматора подается сигнал с максимальным отноше-
нием сигнал/шум. Этот метод требует оценки амплитуды сигнала, принятого
каждой из ветвей. Для упрощения реализации сигналы ветвей после выравнива-
ния фаз могут суммироваться с равными весовыми коэффициентами. Этот метод
называется равновесным суммированием (англ, equal gain combining).
Пространственное разнесение (space divercity) позволяет существенно по-
высить производительность систем подвижной связи ценой усложнения аппа-
ратного обеспечения - по крайней мере, часть приемной цепи придется продуб-
лировать. Поэтому пространственное разнесение используется, как правило, в
базовых станциях. Оценка влияния пространственного разнесения на произво-
дительность приемника в системе GSM приведена в [10].
17 Иначе: селективное суммирование (прим. ред.).
18 Иначе: суммирование с максимизацией отношения сигнал/шум (прим. ред.).
19 Предварительное фазирование приводит к когерентному сложению, максимизирую-
щему отношение сигнал/шум как при оптимальном весовом, так и при равновесном
суммировании (прим. ред.).
140
Системы подвижной радиосвязи
В основе частотного разнесения (frequency diversity)nex.wc передача одного
и того же сигнала на двух достаточно далеко разнесенных частотах. Разнесение
частот должно быть достаточным для того, чтобы процессы замирания в обоих
каналах не коррелировали друг с другом20. Такая схема разнесения требует при-
влечения дополнительных спектральных и аппаратных ресурсов.
Временное разнесение (time diversity) используется в каналах с относитель-
но быстрым замиранием. Если посылать один и тот же сигнал несколько раз
через достаточные промежутки времени, то замирания в каждом временном ин-
тервале не будут коррелировать друг с другом. При этом повторяемые сигналы
можно будет соответствующим образом суммировать в приемнике при условии,
что не все из них подверглись замираниям. Передачу одних и тех же символов
несколько раз можно рассматривать как простейший код с повторением. Как нам
известно, существуют намного более эффективные коды. По сравнению с про-
стым повторением коррекция ошибок с достаточно глубоким перемежением
дает лучшие результаты. Тем не менее, для успешной работы приемника с вре-
менным разнесением необходимо, чтобы период перемежения превышал длите-
льность замирания. Если замирание медленное, то придется применять очень
глубокое перемежение, что приведет к появлению неприемлемой задержки пере-
дачи данных. В качестве разновидности временного разнесения можно также
рассматривать технологию ARQ. Разнесенный прием в ней реализуется в виде
повтора блоков, запрашиваемого приемником при помощи сообщения NAK.
Временным разнесением также можно считать прием сигналов, искаженных
межсимвольной интерференцией, при котором приемник принимает решения о
каждом информационном символе по фрагментам сигнала, собранным за доста-
точно большой промежуток времени.
Многолучевое разнесение (path diversity) используется в широкополосных
системах, если приемник может различить компоненты принимаемого сигнала,
прибывающие различными путями.
Это возможно в случае, когда вносимые различными путями относительные
задержки не превышают длительности чипа расширяющей последовательности,
и расширяющая последовательность - «белая». Сигналы различных лучей выде-
ляются при помощи корреляционной обработки с должным образом синхрони-
зированной расширяющей последовательностью, затем фазируются, умножают-
ся на весовые коэффициенты и складываются. Последняя операция фактически
представляет собой оптимальное весовое суммирование. Такой приемник назы-
вается RAKE; он будет рассмотрен в разделе 11.
Поляризационное разнесение (polarization diversity) является видом явного
разнесения. Обычно используется в радиосистсмах передачи информации по ли-
нии прямой видимости - сигнал передается и принимается в двух взаимно орто-
20 Коэффициент корреляции двух разнесенных по частоте сигналов зависит от их взаим-
ной частотной расстройки (прим. ред.).
Глава 3. Характеристика канала полвижнои связи
141
Рис. 3.20. Разнесение при передаче
тональных поляризациях. Этот способ не представляет большой ценности для
систем подвижной связи. Вместо этого в базовых станциях может применяться
неявное поляризационное разнесение. Пользователь может ориентировать пере-
носной терминал практически как угодно. Поэтому подвижная станция может
передавать сигнал с изменяющимся углом поляризации. Как следствие, исполь-
зование в базовых станциях антенн с ортогональной поляризацией позволяет су-
щественно улучшить прием сигнала [28].
Описанные технологии в основном относятся к разнесенному приему сиг-
нала. Только частотное разнесение требует дублирования некоторых блоков пе-
редатчика и одновременно требует разнесения и приема и передачи. Существует
также другой способ реализации разнесенной передачи. Передатчик базовой
станции передает задержанные копии одного и того же сигнала с набора М ан-
тенн, разнесенных в пространстве [29] (рис. 3.20). Таким образом, между каждой
передающей антенной и приемником создается М ветвей разнесения. Если пере-
дающие антенны разнесены на достаточно большое расстояние, то каждая ветвь
характеризуется независимым замиранием. Приемник подвижной станции,
который может справиться с межсимвольной интерференцией, принимает ком-
бинированный сигнал, состоящий из ослабленных и задержанных копий переда-
ваемого сигнала. Существует большая вероятность, что не все сигналы незави-
симых каналов были ослаблены замиранием и приемник способен выполнить
детектирование сигнала, искаженного межсимвольной интерференцией; это по-
зволяет повысить качество приема. Описанный метод дублирования сигнала в
передатчике базовых станций системы GSM реализован на практике [30].
* *
В настоящем разделе были рассмотрены лишь немногие вопросы, связан-
ные с особенностями радиоканалов подвижной связи. Эта область продолжает
привлекать внимание исследователей и инженеров, поскольку для беспроводной
передачи данных применяются все более высокие диапазоны частот. Каждый но-
вый диапазон требует проведения измерений и построения новой модели кана-
ла. Множество публикаций посвящено моделированию каналов, прогнозирова-
нию распространения сигналов, измерениям параметров каналов и их имитации.
Этим вопросам посвящены отдельные книги [31], [32]. Подчеркнем еще раз, что
без знания свойств канала и их изменения во времени разработка беспроводных
систем с высоким качеством функционирования была бы невозможной.
142
Системы подвижной радиосвязи
ЛИТЕРАТУРА
1. K.Pahlavan, А.Н.Levesque, Wireless Information Networks, John Wiley & Sons,
Inc., New York, 1995.
2. W.C.Jakes (ed.), Microwave Mobile Communications, John Wiley & Sons, Inc.,
New York, 1974.
3. G.Kadel, R.W.Lorenz, «Breitbandige Ausbreitungsmessungen zur Charakterisierung
des Funkkanals beim GSM-System», Frequenz, Vol. 41, №7-8, 1991, pp. 158-163.
4. J.G.Proakis, Digital Communications, 3rd Edition, McGraw-Hill, New York, 1995.
5. ETSI/GSM 05.05, Radio transmission and reception, March 1991.
6. J.H.Wei, «А Statistical Model for Digital Mobile Radio Channel Simulation», The
Radio and Electronic Engineer, Vol. 1. №2, April 1991, pp. 12-19.
7. J.D.Parsons, A.S.Bajwa, «Wideband Characterisation of Fading Mobile Radio
Channels», IEE Proceedings, Vol. 129, Pt. F, №2, April 1982, pp. 95-101.
8. W.Braun, U.Dersch, «А Physical Mobile Radio Channel Model», IEEE Trans, on
Vehicular Technology. Vol. 40, №2, May 1991, pp. 472-482.
9. H.Schulze, «Stochastische Modelle und digitale Simulation von Mobilfunkkana-
len», Kleinheubacher Berichte, Bd. 32, 1989, pp. 473-483.
10. R.Krenz, K.Wesolowski, «Simulation Study on Space Diversity Techniques for
MLSE Receivers in Mobile Communications», IEEE Trans, on Vehicular Technology,
Vol. 46, №2, Aprill997, pp. 653-663.
11. T.S.Rappaport, Wireless Communications, Principles and Practice, Prentice-Hall,
Upper Saddle River, N.J., 1996.
12. W.C.Y.Lee, Mobile Communications Design Fundamentals, 2nd Edition,
McGrawHill, New York, 1993.
13. YOkumura, E.Ohmori, T.Kawano, K.Fukuda, «Field Strength and Its Variability in
VHF and UHF Land-Mobile Radio Service», Review of the Electrical Communication
Laboratory, Vol. 16, №9-10, 1968, pp. 825-873.
14. M.Hata, «Empirical Formula for Propagation Loss in Land Mobile Radio Servi-
ces», IEEE Trans, on Vehicular Technology, Vol. 29, August 1980, pp. 317-325.
15. P.E.Mogensen, PEggers, C.Jensen, J.B.Andersen. «Urban Area Radio Prop-
agation Measurements at 955 and 1845 MHz for Small and Micro Cells», Proc, of
IEEE Global Commun. Conference (GLOBECOM), Phoenix, 1991, pp. 1297-1302.
16. G.K.Stuber. Principles of Mobile Communication, Kluwer Academic Publishers,
Boston, 1996.
17. V.K.Garg, J.E. Wilkes. Wireless and Personal Communications Systems, Prentice-
Hall, Upper Saddle River, N.J., 1996.
18. K.David, T.Benkner. Digitale Mobilfunksysteme, B.G.Teubner, Stuttgart, 1996.
19. M.D.Yacoub, Foundations of Mobile Radio Engineering, CRC Press, Boca Raton,
FL, 1993.
Глава 3. Характеристика канала подвижной связи
143
20. W.C.Y.Lee, Mobile Cellular Telecommunications, Analog and Digital Systems,
2nd Edition, McGraw-Hill, New York, 1995.
21. S.R.Saunders, Antennas and Propagation for Wireless Communication Systems,
John Wiley & Sons, Ltd., Chichester, 1999.
22. J.B.Andersen, Th.S.Rappaport and S.Yoshida, «Propagation Measurements and
Models for Wireless Communications Channels», IEEE Communications Magazine,
January 1995, pp. 42-49.
23. COST/Action 231, Digital Mobile Radio Towards Future Generation Systems, Fi-
nal Report, EUR 18957, 1999.
24. C.Tomevik, J.-E. Berg, F.Lotse, «900 MHz Propagation Measurements and Path
Loss Models for Different Indoor Environments», Proc. IEEE PTC’93, New Jersey,
USA 1993.
25. P.Karlsson, H.Borjeson, T.Maseng, «А Statistical Multipath Propagation Model
Confirmed by Measurements and Simulations in Indoor Environments at 1800 MHz»,
Proc. ofIEEEPIMRC’94, Amsterdam 1994, pp. 486-490.
26. A.Bohdanowicz, G.J.M.Janssen, S.Pietrzyk, «Wideband Indoor and Outdoor
Multipath Channel Measurements at 17 GHz», Proc. IEEE PTC’99 Fall, Amsterdam,
pp. 1998-2003.
27. M.Lobeira, A.Armada, R.Torres, J.L.Garcia, «Parameter Estimation and Indoor
Channel Modeling at 17 GHz for OFDM-based Broadband WLAN», 1ST Mobile
Communication Summit, Galway, October 1-4, 2000.
28. A.Paulraj, «Diversity Techniques», in J.D.Gibson (ed.), The Mobile Communi-
cations Handbook, CRC Press, IEEE Press, 1996.
29. J.H. Winters, «The Diversity Gain of Transmit Diversity in Wireless Systems with
Rayleigh Fading», Proc, of IEEE ICC’94, pp. 1121-1125.
30. P.E.Mogensen, «GSM Base-Station Antenna Diversity Using Soft Decision Com-
bining on Up-link and Delayed-Signal Transmission on Down-link», Proc, of IEEE
VTC'93,pp. 611-616.
31. J.D.Parsons, The Mobile Radio Propagation Channel, John Wiley & Sons, lnc„
New York, 1992.
32. J.Cavers, The Mobile Communication Channel, Kluwer Academic Publishers,
Boston, 2000.
Глава 4
СИСТЕМЫ ПЕРСОНАЛЬНОГО
РАДИОВЫЗОВА
4.1. ВВЕДЕНИЕ
В разделе, посвященном обзору и классификации систем подвижной связи,
были упомянуты основные особенности систем персонального радиовызова
(СПРВ) - пейджинговых систем. В настоящем разделе представлено намного бо-
лее детальное описание свойств, приведена классификация и рассмотрены типо-
вые конфигурации таких систем. Помимо основных характеристик, мы рассмот-
рим несколько примеров пейджинговых систем, которые функционируют в на-
стоящее время.
4.2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПЕЙДЖИНГОВЫХ СИСТЕМ
Рекомендации ITU-R № 539 и 584 определяют пейджинговую систему как
однонаправленную систему радиовещания, служащую для передачи сигналов
оповещения либо коротких числовых или буквенно-цифровых сообщений, кро-
ме голосовых [1]. На практике некоторые пейджинговые системы также переда-
ют и речевые сообщения.
Классическая пейджинговая система обладает следующими свойствами:
• использование узкой частотной полосы в радиовещательном УКВ диапа-
зоне или на частотах в несколько сотен МГц;
• малый размер подвижной станции (пейджера)-,
• отсутствие подтверждения приема сообщения.
Последнее свойство, обусловленное однонаправленностью передачи, счита-
ется основным недостатком классических пейджинговых систем.
Глава 4. Системы персонального радиовызова
145
При помощи числового сообщения обычно сообщается телефонный номер,
по которому должен позвонить адресат. Буквенно-цифровое сообщение содер-
жит текст, биржевые сводки или другую информацию, которую можно прочи-
тать на маленьком жидкокристаллическом дисплее пейджера. Речевой сигнал
длится несколько секунд и передается в цифровом виде. В классической системе
текстовое сообщение надиктовывается оператору центра обработки вызовов.
Оператор посредством базовой станции отправляет это сообщение на пейджер.
Сообщение может также попасть в центр обработки вызовов через модемное со-
единение или сеть Internet.
4.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕЙДЖИНГОВЫХ СЕТЕЙ
Пейджинговые сети характеризуются различными конфигурациями, зонами
охвата и областями применения. Можно выделить следующие категории:
• частные (корпоративные) сети (основанные на стандарте ETSI 300 224
[2]). Такие сети устанавливаются в организациях или компаниях, а их зо-
ны охвата ограничены площадью этих компаний;
• сети общего пользования, к которым имеют доступ частные пользователи.
Такие сети можно подразделить на следующие подкатегории:
• местные (зоновые) сети, зона охвата которых ограничивается одним
городом и его ближайшими окрестностями,
• национальные сети, покрывающие целую страну.
Для того чтобы эффективно использовать выделенный спектр и не мешать
работе других систем, пейджинговая система должна удовлетворять некоторому
набору требований. Для частных сетей эти требования определяют диапазон ис-
пользуемых частот, уровень мощности базовых станций, выбранные параметры
излучения (допустимый уровень помехи от соседних каналов, разнос каналов,
стабильность частоты передатчика, уровень излучения антенны), а также пара-
метры эксплуатации системы при критических температурах и напряжениях в
электрической сети.
Поскольку частные сети невелики, то для охвата всей зоны обслуживания,
как правило, хватает одной базовой станции. В больших частных сетях устанав-
ливается несколько базовых станций, которые синхронно работают на одной и
той же несущей частоте. Методы передачи данных, обнаружения/коррскции
ошибок и применяемая модуляция не стандартизованы и зависят только от про-
изводителя системы. Все сетевое оборудование обычно предоставляется одним
поставщиком. Система состоит из подвижных станций (пейджеров), базовой
станции и центра коммутации пейджинговых сообщений.
В типичной местной сети, как и в частных сетях, во всей зоне охвата ис-
пользуется одна несущая частота. Базовые станции работают синхронно с высо-
146
Системы подвижной радиосвязи
кой точностью. Поскольку пейджер может одновременно принимать один и гот
же сигнал с разных базовых станций, сбой синхронизации между станциями мо-
жет привести к проблемам детектирования сигнала в пейджерах. Для обеспече-
ния синхронизации работы базовых станций необходимо контролировать задер-
жки передачи из центра коммутации на базовые станции и следить за тем, чтобы
они не выходили за допустимые пределы. Разница задержек сигнала, приходя-
щего в пейджер с двух разных базовых станций, не должна превышать 1 '4 части
длительности одного бита. Можно сделать вывод, что в системе с типичными
скоростями передачи данных и распространения радиоволн расстояние между
базовыми станциями не должно превышать 8 км. При этом, чтобы избежать пе-
рекрытия зон радиодоступности, их антенны должны быть расположены не вы-
ше 100 м над землей.
Иногда разработчики зоновых пейджинговых систем отказываются от син-
хронной работы базовых станций. В таких системах пейджинговый сигнал по-
следовательно излучается базовыми станциями. Это приводит к ограничению
емкости системы.
В пейджинговых системах используется несколько протоколов. Наиболее
популярный в настоящее время протокол описан Рекомендацией №584 ITU-R и
известен под названием POCSAG (англ. Post Office Code Standardization Advisory
Group'). В Рекомендации он обозначен CCIR Radiopaging Code No. 1. Этот прото-
кол будет рассморен в следующем параграфе.
В 70-х годах в Швеции был разработан другой протокол, который называет-
ся MBS (англ. Mobile Search). Цифровые сообщения передаются на пейджер при
помощи существующих FM-радиовещательных станций. Пейджинговый сигнал
размещается вокруг центральной частоты, смещенной на 57 кГц выше несущей
частоты стереосигнала. Составной сигнал направляется на вход FM-модулятора.
В приемнике пейджер выделяег пейджинговый сигнал, отфильтровывая его из
смеси со стереосигналом на выходе демодулятора FM, преобразует его в исход-
ный и детектирует поток двоичных данных, содержащих сообщение. На рис. 4.1
изображено расположение пейджингового сигнала на оси частот до модуляции
Пейджинговый
сигнал
Рис. 4.1. Расположение сигнала СПРВ по отношению к стерео-радиосигналу
в пейджинговом формате MBS
Глава 4. Системы персонального ралиовызова
147
или после демодуляции. Символы L + R и L - R обозначают соотве гствснно сум-
му и разность левого и правого компонент стереосигнала. В настоящее время
протокол MBS не пользуется большой популярностью.
Помимо распространенного протокола POCSAG, в настоящем разделе мы
кратко коснемся некоторых других, более совершенных протоколов. Эти прото-
колы позволяют расширить зону охвата пейджинговых сетей до размеров всей
страны. Они известны под названиями:
• АРОС (англ. Advanced Paging Operators Code). Протокол разработан ком-
панией Philips и представляет собой улучшенный и расширенный вариан i
протокола POCSAG;
• ERMES (англ. European Radio Messaging System) - стандартизованный
ETSI протокол, в котором возможны роуминг и отправка подтверждаю-
щих сообщений;
• FLEX - протокол, разработанный компанией Motorola и завоевывающий
популярность в США и многих других странах. Его расширенный вари-
ант, ReFLEX, предусматривает отправку пейджером на передатчик под-
тверждающих сообщений.
4.4. ПРОТОКОЛ POCSAG
Протокол POCSAG разработан в 1975-1978 гг. консультативной группой меж-
дународных экспертов под патронажем Министерства связи Великобритании.
Это определило название протокола, расшифрованное в предыдущем параграфе.
В базовой версии этого протокола данные передаются со скоростью 512 бит/с.
Модифицированные версии обеспечивают скорости передачи данных 1200 и
2400 бит/с. Это позволяет увеличить количество и длину сообщений. Однако
увеличение скорости передачи данных приводит к усложнению структуры всей
системы и необходимости синхронной работы базовых станций.
Передаваемые данные имеют иерархическую структуру. Единичный блок
данных представляет собой 32-битовое кодовое слово. Два кодовых слова со-
ставляют кадр. Специальное 32-битовое слово синхронизации и 8 следующих за
ним кадров (всего 17 слов) составляют пакет. Пакеты передаются последова-
тельно, начиная с 576-битового кода преамбулы (длиной в один пакет и один
кадр), который используется для «пробуждения» пейджеров, пребывающих в ре-
жиме энергосбережения. На рис. 4.2 изображена временная организация инфор-
мационных последовательностей.
Преамбула - это последовательность из 576 чередующихся единиц и нулей,
которая используется пейджером для установления тактовой синхронизации.
Как мы упоминали ранее, пакет начинается синхронизирующим кодовым сло-
вом, содержащим специфическую двоичную последовательность. Кодовые сло-
ва в кадрах передаются на требуемую группу пользователей. Абоненты делятся
148
Системы полвижнои ралиосвязи
Рис. 4.2. Временная иерархия протокола POCSAC
Рис. 4.3. Форматы слов в протоколе POCSAG
a - адресное слово (F = 0, флаг J определяет функцию приемника); б - информационное
слово (F = 1)
на восемь групп. Принадлежность конкретной группе определяется тремя наи-
меньшими значащими битами индивидуального адреса пейджера. Вызов конк-
ретного приемника осуществляется только в кадре, предназначенном его группе.
Существует два типа слов, размещенных в пакете после синхронизирующего
слова (рис. 4.3).
• Адресное слово. Флаг F устанавливается равным нулю. Адресное поле со-
держит 18 старших битов из 21-битового адреса конкретного пейджера.
Два бита, обозначенные как J, определяют режим пейджера. К адресному
слову добавляется 10 битов контроля четности К и би г Р проверки четно-
сти всего слова.
• Информационное слово. Флаг F информационного слова равен единице.
После него следуют 20 битов сообщения, затем 10 битов контроля четно-
сти К и бит суммарной четности Р.
Хотя адресные слова появляются только в кадре, принадлежащем соответст-
вующей группе, посылаемые на адресуемый пейджер адресата информационные
слова следуют за адресным словом без учета структуры группы. По завершении
передачи сообщения на данный пейджер, следующее сообщение, передаваемое
на другой приемник, начинается с адресного слова, размещенного в следующем
Глава 4. Системы персонального ралиовызова
149
свободном кадре для группы вызванного пейджера. Передача сообщений в виде
пакетов подразумевает, что в том случае, когда информационная последователь-
ность не полностью заполняет информационные поля пакета, свободные поля
заполняются согласующими битами.
Как мы уже упоминали, 32-битовое кодовое слово состоит из флага, 20 ин-
формационных битов, 10 битов контроля четности и бита суммарной четности.
Все это, за исключением последнего бита, представляет собой кодовое слово
(31,21) кода БЧХ с порождающим полиномом
gtx) = x10 + хч +л'8 +х6 +Л'5 +л'3 +1 (4.1)
Биты контроля четности представляют собой результат деления на порожда-
ющий полином (4.1) полинома
30 7<) 11 10
,Я2ОЛ- + /п|9х + ... + mtx +mox ,
где(щ20, w0) - флаг и информационные биты.
Сообщения передаются в двух форматах. Числовой формат используется
только для передачи чисел, таких, как телефонный номер, по которому пользова-
тель должен позвонить. Цифры представлены в 4-битовом двоично-десятичном
формате BCD. В этом случае два бита 20-21, обозначенные буквой J, описыва-
ющие функцию приемника, имеют значение J = 00. Полное слово имеет 5 цифр.
В неполном слове свободное место заполняется символами пробела.
В буквенно-цифровом режиме J = 11, а символы кодируются в соответствии
с алфавитом №5 CCITT.
В передатчике двоичный поток представлен в виде импульсов кодирования
без возврата к нулю (англ. Non-Return-to-Zero -NRZ), модулирующих несущую с
использованием дифференциальной частотной манипуляции (DFSK) [3].
Протокол POCSAG используется во многих сетях по всему миру. Он
приобрел большую популярность в массовых пейджинговых системах. Про-
токол POCSAG может поддерживать до двух миллионов абонентских при-
емников. Несущая частота в системах, использующих протокол POCSAG,
определяется оператором сети. Например, в немецкой пейджинговой систе-
ме «Cityruf» используются следующие несущие частоты: 465,970; 466,075 и
466,230 МГц [4]. В некоторых других системах используются частоты 155, 148,
161, 170 МГц ит.д.
4.5. ERMES - ЕВРОПЕЙСКАЯ ПЕЙДЖИНГОВАЯ СИСТЕМА
Система персонального радиовызова ERMES представляет собой результат
совместной инициативы стран Европейского союза. Работы над всеобщим пей-
джинговым стандартом начались в 1987 г. В 1990 г. 26 операторов из 16 стран
подписали Меморандум о взаимопонимании, согласившись создать совершенно
150
Системы полвижнои ралиосвязи
новый стандарт СПРВ. Представители всех стран, подписавших Меморандум,
согласились выделить новой системе частотный диапазон 169,4... 169,8 МГц.
В 1992 г. Европейский институт телекоммуникационных стандартов (ETS1)
одобрил стандарт системы ERMES, а в 1994 г. Международный телекоммуника-
ционный союз (ITU) рекомендовал стандарт ERMES в качестве первого мирово-
го стандарта пейджинговой системы с возможностью работы в разных странах и
роумингом.
Перед системой ERMES были поставлены следующие цели:
• возможность функционирования пейджера вне пределов своей сети и
страны;
• высокая информационная емкость и большее количество пользователей
по сравнению с существующими СПРВ;
• более высокая скорость передачи данных по сравнению с системами,
основанными на протоколе POCSAG;
• стандартизация приемников, позволяющая использовать пейджер в раз-
личных сетях ERMES.
Система ERMES предлагает следующий набор базовых услуг:
• тоновый пейджинг - существует восемь различных сигналов оповещения;
• числовой пейджинг - максимальная длина цифрового сообщения состав-
ляет 16000 цифр;
• буквенно-цифровой (текстовый) пейджинг - максимальная длина буквен-
но-цифрового сообщения составляет 9000 символов.
Дополнительно предлагается «прозрачная» передача блоков, не превышаю-
щих 64 кбит. «Прозрачность» передачи означает, что данные передаются в темпе
их поступления на вход передатчика. С той же скоростью они высылаются с вы-
хода приемника. Качество зависит только от текущих свойств канала. Таким об-
разом, вопреки кодированию с коррекцией ошибок, обычно используемому в
приемнике и передатчике, обеспечивается постоянство высокой скорости пере-
дачи. Цена скорости - нестабильность качества данных. При «.непрозрачной» пе-
редаче применяются специальные средства для повышения надежности данных
(например, ARQ, см. раздел 1), которые приводят к переменной скорости потока
данных. Изменения скорости обусловлены необходимостью повторной переда-
чи ошибочных блоков. В результате обеспечивается низкая и практически посто-
янная вероятность возникновения ошибок.
В соответствии с набором основных услуг, предлагаемых системой ERMES,
вводятся следующие типы приемников: только тоновые, цифровые, буквенно-
цифровые и приемники «прозрачных» данных.
Помимо основного набора, системный оператор может предлагать следую-
щие услуги: подтверждение приема сообщения, групповые и коллективные вы-
зовы, переадресация вызова на другой приемник, хранение входящих сообще-
Глава 4. Системы персонального радиовызова
151
ний, установка приоритетов вызовов, ограничение области, в которой возможен
пейджинг, шифровка сообщения и другие.
Основными элементами сетевой структурой ERMES (рис. 4.4) [5] являются:
• набор абонентских приемников (pagers)-,
• подсистема базовых станций (англ. Base Station - BS)',
• контроллер зоны обслуживания вызовов (англ. Paging Area Controller -
РАС)'
• контроллер сети персонального радиовызова (англ. Paging Network
Controller - PNC)',
• центр технической эксплуатации (англ. Operation and Maintenance
Center - ОМС), не показанный на рис. 4.4.
Символами 11-16 на рис. 4.4 обозначены интерфейсы между отдельными
блоками сети, а также межсетевой стык. Рассмотрим задачи отдельных элементов.
Абонентский приемник (пейджер) принимает сигналы, демодулирует их,
декодирует адрес приемника, декодирует посланные ему информационные бло-
ки и выводит их на экран либо информирует пользователя о приеме сообщения
звуковым сигналом.
Контроллер сети персонального радиовызова (PNC) - центральный компо-
нент сети конкретного оператора. Поскольку в одно и то же время могут функци-
онировать сети нескольких операторов, существует возможность установления
межсетевых соединений на уровне PNC. Этот факт проиллюстрирован на
рис. 4.4. Межсетевые соединения реализуются при помощи пакетной сети пе-
редачи данных общего пользования (англ. Public Data Packet Network - PDPN).
PNC также присоединен к сети доступа, из которой он получает пейджинговые
Рис. 4.4. Архитектура пейджинговой сети ERMES
152
Системы подвижной радиосвязи
сообщения, и к контроллерам зоны обслуживания вызовов, которым он пересы-
лает принятые сообщения. Центр технической эксплуатации реализует монито-
ринг PNC и обеспечивает работу сети.
Контроллер зоны обслуживания вызовов (РАС) управляет работой сети на
определенной местности - зоне пейджинга. Она покрывается несколькими базо-
выми станциями, присоединенными к конкретному РАС. РАС принимает подле-
жащие отправке сообщения от PNC, ставит их в очередь, организует в группы и
устанавливает приоритеты перед передачей на базовую станцию. РАС выполня-
ет также часть функций эксплуатации технического обслуживания и взаимодей-
ствует с устройством сопряжения (англ. Mediation Device - MD). Задача послед-
него заключается в организации взаимодействия базовых станций и ОМС.
Базовая станция получает сообщения с контроллера зоны обслуживания, ко-
дирует их и добавляет к ним информацию синхронизации и идентификации. Ад-
рес приемника и часть сообщения защищаются укороченным циклическим ко-
дом (30,18). Слова систематического кода генерируются при помощи порождаю-
щего полинома [6]
g(x) = x12 + х” + х9 + х' +х6 + х3 +х2 +1.
Для рассеяния пакетов ошибок, вносимых каналом передачи данных, использу-
ется перемежение девяти слов. Полученный двоичный сигнал модулирует несу-
щую в выбранном канале. Затем модулированный сигнал передается на абонент-
ский приемник.
В системе ERMES используется модуляция 4-PAM/FM (4-FSK). Двоич-
ные данные группируются в двухбитовые пакеты, определяющие одну из че-
тырех РАМ-амплитуд импульсного сигнала, который после прохождения
формирующего предмодуляционного фильтра направляется на вход FM-мо-
дулятора (рис. 4.5). Система ERMES может использовать до 16 каналов, лежа-
щих в диапазоне от 169,4125 до 169,8125 МГц и разделенных промежутком
25 кГц. На рис. 4.6 изображен спектр одного канала. Несущая частота располо-
жена в середине 25 кГц-диапазона. Частоты /2, /3 и /4 - это номинальные
частоты каждого передаваемого двухбитового пакета.
Они отличаются от несущей частоты на ±1562,5 Гц или на ±4687,5 Гц. Сле-
довательно, функционирование сети с частотным разделением каналов возмож-
но в случае, если сетевой оператор использует более одного частотного канала.
Тем не менее, метод доступа с временным разделением характерен для ERMES
благодаря временной иерархии, используемой в протоколе радиосвязи ERMES и
Поток
двоичных
данных
Выходной
радиосигнал
Рис. 4.5. 4-Е5К-модулятор, используемый в системе ERMES
Глава 4. Системы персонального ралиовызова
153
Рис. 4.6. Спектр одного канала ERMES
изображенной на рис. 4.7. Поскольку сеть ERMES использует различные вре-
менные слоты в соседних зонах обслуживания, мы можем рассматривать ее как
сеть с временным разделением каналов.
Поток двоичных данных состоит из 60-минутных последовательностей. Их
генерация выполняется в синхронизме с всемирным координированным време-
нем (англ. Universal Time Coordinated, UTC). Последовательность состоит из
60 одноминутных циклов. Каждый цикл, в свою очередь, разделен на пять под-
последовательностей, длящихся 12 с. Благодаря синхронизации с UTC, после
каждой минутной метки UTC размещается нулевая подпоследовательность.
Подпоследовательности состоят из пакетов, предназначенных конкретным при-
емникам или группам приемников. В каждой подпоследовательности 16 пакетов.
Они обозначаются буквами латинского алфавита от А до Р. Пакет составляет еди-
ное неделимое целое; это гарантирует достоверность приема сообщения, послан-
1 последовательность = 60 минут = 60 циклов
Рис. 4.7. Временная иерархия системы ERMES
154
Системы полвижнои ралиосвязи
ного конкретному абоненту. Пакет состоит из раздела синхронизации, раздела си-
стемной информации, адресного раздела и самого сообщения. Скорость передачи
двоичного потока данных по каналу составляет 6,25 кбит/с. Размещение пакета в
подпоследовательности определяет его принадлежность конкретной группе.
Абонентские приемники также подразделяются на 16 групп; их тип обозна-
чается буквами от А до Р. Принадлежность приемника к конкретной группе
определяется четырьмя младшими значащими адресными разрядами кода ра-
диоидентификации (англ. Radio Identity Code - RIC) приемника. Остальная
часть адреса передается исключительно в рамках группы, который принадле-
жит данный приемник. При синхронной работе системы большую часть време-
ни основные части приемника проводят в режиме энергосбережения (рис. 4.8).
Это позволяет экономить существенное количество энергии. Адрес в заданной
группе может быть передан более одного раза и даже на разных несущих часто-
тах системы. После декодирования своего адреса приемник ждет предназначен-
ного ему сообщения. Это сообщение может быть послано в последнем разделе
того же самого пакета, в любом следующем пакете той же самой подпоследова-
тельности или в следующей подпоследовательности. Каждый пакет (за исключе-
нием последнего) содержит 154 кодовых слова, а последний - 190 кодовых слов.
Напомним, что кодовое слово состоит из 30 битов.
Активный пакет для приемника типа А
Канал -» 12 секунд --
01 |B|C|D|E|F|G|H|l|J|K|L|MjN|O|P |B|C|D|
03 p|1|b|c|d|e|f|g|h|i|j|k|l|m|n|o P|»|B|C|
05 o|p|B|b|c|d|e|f|g|h|i|j|k|l|m|n O|P|B|B|
07 n|o|p|1|b|c|d|e|f|g|h|i|j|k|l|m N|O|P!|
09 M|N|O|P|i|B|C|D|E|F|G|H|l|J|K|L M|N|O|P1
11 L|M|N|О|P||В|C|DIE|F|G|H|1|J|K L|M|N|O|
13 K|L|M|N|О|P|I В|C|D|E1F|G|H| 1 |J K|L|M|N|
15 j|K|L|M|N|O|P|i|B|C|D|E|F|G|H|l J|K|L|M|
16 l|j|K|L|M|N|o|P|e|B|ClD|E|F|G|H 1 | J|К|L|
14 H| 1 | J | К | L | M| N | О | P | | В | C | D | E | F । G H)1|J|K|
12 G|H|1|J|К|L|M|N|О|P||В|C|D|E|F G|H| 1 ; J I
10 F|G|H|l|J|K|L|M|N|O|P|i|B|C|D|E F'G|H|1|
08 E|F|G |H|1|J|КjL|M|N|O|P1|В|C|D E|F|G[H|
06 D|E|F|G|H|||J|K|L|M|N|O|P|B|B|C D|E|F|G|
04 C|D|E|F|G|H|1|J|K|L|M|N|O|P||В C|D|E|F|
02 B|C|D|E|F|G|H|l|J|K|L|M|N|O|P|i B|C|D|E|
Рис. 4.8. Синхронизация канала и пример процедуры сканирования
для приемника типа А
Глава 4. Системы персонального ралиовызова
155
Раздел системной информации, содержащийся в каждом пакете, изображен
на рис. 4.9.
1 СС 1 0С 1 РА |eti |bai| FSI j CN | SSN | BN |
Количество 7 3 6 1 1 5 6 3 4
битов
Рис. 4.9. Раздел системной информапии в системе ERMES
СС - код страны (англ. Country Code); ОС - код оператора (англ. Operator‘s Code); РА -
зона обслуживания вызовов (англ. Paging Area); CN - номер цикла (англ. Cycle Number);
SSN - номер подпоследовательности (англ. Subsequence Number); BN - номер пакета
(англ. Batch Number); ETI - индикатор внешнего трафика (англ. External Traffic Indicator);
BAI - индикатор граничного поля (англ. Border Area Indicator); FSI - индикатор под-
группы частот (англ. Frequency Subset Indicator)
Как мы упоминали ранее, система ERMES может работать на 16 частотных
каналах. Каждый оператор предлагает свои услуги в подгруппе каналов, состоя-
щей как из одного, так и из нескольких каналов. Следовательно, приемник дол-
жен быть в состоянии определять канал, по которому он будет вызываться. Для
этого приемник сканирует каналы и ищет индикатор подгруппы частот (FSI), ко-
торый содержится в расположенном в его памяти номере подгруппы частот
(англ. Frequency Subset Number - FSN).
В системе ERMES были предусмотрены некоторые средства для обеспече-
ния конфиденциальности сообщений - шифрование данных, передаваемых по
«прозрачному» каналу, идентификация пользователей, подтверждение запро-
шенных услуг и соответствующая тарификация.
Каждый канал системы ERMES обеспечивает емкость, примерно в пять раз
превышающую емкость традиционных пейджинговых систем. Для скорости пе-
редачи данных 6,25 кбит/с, приняв среднее количество вызовов на абонента рав-
ным 0,2 раза в час, получим емкость одного канала:
• до 500 тыс. пользователей, получающих цифровые сообщения размером
до 10 знаков;
• 160 тыс. пользователей, получающих буквенно-цифровые сообщения
размером 40 знаков.
Очень широкие возможности адресации позволяют получать сообщения от
различных информационных сетей, например, информацию о ситуации на доро-
гах города, прогноз погоды, биржевые сводки, спортивные новости и т.д.
Организация ETSI предусмотрела расширение однонаправленного стандар-
та СПРВ до двунаправленного. Это позволяет существенно расширить спектр
предлагаемых услуг. Можно выделить два типа функций двунаправленных пей-
джинговых систем [7]:
156
Системы подвижной радиосвязи
• однонаправленная передача сообщений с системным или контролируе-
мым пользователем подтверждением приема;
• двунаправленная передача сообщений.
В простейшем случае двунаправленного пейджинга создается канал обрат-
ной связи, который используется для подтверждения приема сообщений. Пер-
вый тип подтверждения - системный. Его цель - дать возможность системе про-
информировать отправителя сообщения об успешной доставке. Это позволяет
повысить надежность пейджинга путем повторной передачи неподтвержденных
сообщений. Подтверждение также позволяет улучшить управление сетью; появ-
ляется возможность передачи сообщения в выбранную часть зоны покрытия си-
стемы. Последнее реализуется путем отправки на пейджер сообщения: «Где
ты?». Пейджер подтверждает прием такого сообщения ответным уведомлени-
ем: «Я в зоне пейджинга №п».
Второй тип подтверждения - пользовательский. Такое подтверждение
инициируется самим пользователем двунаправленного пейджера после приема
сообщения. Абонент может показать подтверждение получения сообщения,
ошибку получения или содержания или послать в ответ на него одно из заранее
определенных сообщений - так называемое фиксированное сообщение (canned
message).
Пейджер или его пользователь могут также инициировать передачу сообще-
ния. Существуют два типа инициируемых сообщений:
• по требованию системы - пейджер автоматически генерирует сообще-
ние, чтобы быть опознаным системой после включения питания, при по-
явлении в чужой СПРВ (роуминг), при возвращении в домашнюю систе-
му, а также при смене зоны пейджинга;
• по требованию абонента — пользовательское сообщение содержит адрес
назначения и само сообщение. Сообщение может быть заранее заданным
фиксированным, может представлять собой комбинацию фиксированно-
го сообщения и числовых данных, а также может быть сообщением со
свободным форматом, содержащим числовую, буквенно-цифровую или
«прозрачную» информацию.
Физический аспект канала обратной связи в отчете ETSI [7] не описан.
4.6. СЕМЕЙСТВО ПЕЙДЖИНГОВЫХ ПРОТОКОЛОВ FLEX
В начале 90-х годов XX в. компания Motorola разработала однонаправлен-
ный пейджинговый протокол под названием FLEX. Через несколько лет к нему
добавился двунаправленный протокол ReFLEX и протокол речевых сообщений
InFLEXion. После этого FLEX стал промышленным стандартом и начал серьез-
но конкурировать с системой ERMES. Многие страны, в том числе Китай, Рос-
сия и Корея, приняли FLEX в качестве национального пейджингового стандарта.
Глава 4. Системы персонального ралиовызова
157
В открытой литературе трудно найти подробное описание протокола FLEX. Поэ-
тому в настоящем параграфе дается только общая информация об этом протоколе.
Пейджинговый протокол FLEX (рис. 4.10) представляет собой синхронный
протокол с разделением на временные слоты. Синхронизация временной шкалы
выполняется с системой GPS (англ. Global Positioning System) [8]. Каждый час
GPS разделен на 15 4-минутных циклов. В начале каждого часа GPS идет цикл с
номером 0. Каждый цикл разделен на 128 кадров.
1 час GPS = 15 циклов
1 блок =
160 мс
Рис. 4.10. Временная иерархия пейджинговой системы FLEX
Каждый кадр протокола FLEX состоит из блоков синхронизации и блоков
передаваемых данных. Кадр начинается с сигнала синхронизации, за которым
следует 11-битовое слово с информацией о кадре. Этот блок позволяет пейджеру
идентифицировать кадр и цикл, которому он сопоставлен уникальным образом.
Второй блок синхронизации кадра определяет скорость передачи слов данных.
За ним идут 11 блоков данных, каждый из которых состоит из 8 слов и длится
160 мс. Можно легко подсчитать, что при скорости передачи данных 6400 бит/с
каждое слово состоит из 128 битов. Слова кодируются для исправления ошибок
и перемежаются. Как и в СПРВ ERMES, используется 2-FSK или 4-Р8К-модуля-
ция. Скорости передачи данных составляют 1600, 3200 или 6400 бит/с. Первые
две скорости достигаются применением двухуровневой FSK-модуляции, третья
же реализуется только при использовании четырехуровневой FSK-модуляции.
Радиочастотная передача данных осуществляется в 25 кГц-каналах.
Протокол ReFLEX обеспечивает асимметричную двунаправленную достав-
ку информационных сообщений в пейджинговых приложениях [8]. Его кадровая
158
Системы подвижной радиосвязи
структура совместима с протоколом FLEX. Информационные и управляющие
сообщения посылаются на приемники по прямому каналу. Обратный канал ис-
пользуется для передачи подтверждений приема и коротких ответных сообще-
ний с пейджинговых терминалов, оборудованных клавиатурами. Обратный ка-
нал также позволяет производить мониторинг местонахождения пейджеров в
локальном географической районе.
Системы ReFLEX используют частотные диапазоны, кратные 25 кГц. Каж-
дый 25 кГц-диапазон поддерживает единый FSK-канал для передачи управляю-
щих и информационных сообщений. Прямой 50 кГц-канал поддерживает до
трех FSK-каналов для передачи управляющих и информационных сообщений,
разделенных диапазонами шириной 12,5 кГц. Прямым каналам выделены диапа-
зоны 930...931 и 940...941 МГц, а каналам обратной связи - 901...902 МГц. Прото-
кол ReFLEX позволяет конструировать системы, состоящие максимум из восьми
прямых управляющих каналов.
4.7. ВЫВОДЫ: БУДУЩЕЕ ПЕЙДЖИНГОВЫХ СИСТЕМ
Кратко обсудим возможные будущие приложения пейджинговых систем.
Простая структура этих систем, особенно однонаправленных без подтвержде-
ния приема, стала основным их ограничением по сравнению с двунаправлен-
ными системами связи, такими, как сотовая телефония. Короткие сообщения
SMS (англ. Short Message Service) похожи на пейджинговые. Возможно, что
пейджинговые системы собираются повышать свою производительность и
расширять спектр предлагаемых услуг для того, чтобы занять некоторые ры-
ночные ниши. Легко можно представить людей, которые не хотят беспокойства
от сотового телефона, но желают отвечать на принятые сообщения в удобный
для них момент. Пейджинговые системы можно просто соединить с сетью In-
ternet, что позволит отправлять копию электронного письма прямо на пейджер
пользователя.
Двунаправленный пейджинг уже больше не является пейджингом в строгом
значении этого слова; тем не менее, благодаря возможности отсылать на базовую
станцию подтверждения и короткие сообщения можно реализовать множество
новых услуг, большой класс которых связан с управляющими приложениями.
Легко представить себе пейджер, работающий совместно с установленным в ма-
шине GPS-приемником. Такую систему можно эффективно использовать для
обеспечения безопасности автомобиля-она может обездвиживать угнанную ма-
шину или передавать информацию о ее географическом местоположении, полу-
чаемую с GPS. Двунаправленные пейджинговые системы с широкими возмож-
ностями адресации могут использоваться для дистанционного считывания дан-
ных с измерительной аппаратуры или торговых автоматах. Позволим читателю
представить другие применения пейджинга для удаленного управления, прове-
дения измерений и т.п.
Глава 4. Системы персонального ралиовызова
159
Отсутствие необходимости работать в режиме реального времени позволяет
очень эффективно использовать спектральные ресурсы. Пейджинговые системы
характеризуются самым высоким количеством пользователей на канал из всех
систем подвижной связи [7].
W
Из приведенного описания основных пейджинговых протоколов можно сде-
лать вывод, что несмотря на простые правила работы, в них используются слож-
ные технологии цифровой передачи данных и кодирование с коррекцией оши-
бок. Как уже упоминалось ранее, пейджинговые услуги предоставляются также
и другими системами подвижной связи, в том числе системами персональной
спутниковой связи. Пейджинговые системы могут выдержать жесткую конку-
рентную борьбу с другими системами благодаря специфике приложений и низ-
кой стоимости услуг.
ЛИТЕРАТУРА
1. A.Makiedonski, Paging Systems in Poland (in Polish), Przeglad Telekotnunikacyj-
ny, № 5/6,1995, pp. 270 -280.
2. ETSI ETS 300 244, Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters
(ERM); On-site paging service; Technical and functional characteristics for on-site pa-
ging systems including test methods, March 1998.
3. RJ.Horrocks, R.W.A.Scarr, Future Trends in Telecommunications, John Wiley &
Sons, Ltd., Chichester, 1993.
4. B.Walke, Mobile Radio Networks: Networking and Protocols, John Wiley & Sons,
Ltd., Chichester, 1999.
5. ETSI ETS 300 133-1, Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters
(ERM); Enhanced Radio MEssage System (ERMES); Part 1: General aspects, No-
vember 1997.
6. ETSI ETS 300 133-4, Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters
(ERM); Enhanced Radio MEssage System (ERMES); Part 4: Air interface specifi-
cation, November 1997.
7. ETSI TR 101037, Radio Equipment and Systems (RES); Enhanced Radio Message
System (ERMES); Two Way Paging system, V. 1.1.1, July 1997.
8. D.R.Gonzales, M.CORE Processor with On-Chip FLEX Decoder for Messaging
Applications, Motorola M-CORE Technology Center, Austin, Texas.
Глава 5
КОНЦЕПЦИЯ СИСТЕМЫ СОТОВОЙ
ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ
В разделе, посвященном классификации систем подвижной связи (СПС),
мы упоминали о том, что сотовые системы можно отнести к СПС, реализующим
двунаправленную беспроводную связь между фиксированной частью системы,
т.е. расположенной в соответствующем месте базовой станции (БС), и подвиж-
ными станциями (ПС)1, которые перемещаются по территории, охватываемой
системой базовых станций. Зона охвата системы сотовой подвижной связи
(ССПС) разделена на подзоны, обслуживаемые базовыми станциями, которые
располагаются, как правило, в их центрах. Зону покрытия одной базовой стан-
ции можно символически обозначить правильным шестиугольником, поэтому ее
часто называют сотой. На рис. 5.1 изображен пример деления зоны покрытия
системы на шестиугольные ячейки. Причина деления зоны обслуживания систе-
мы на соты - недостаточная емкость единственной базовой станции, которая
имела бы достаточую мощность и могла бы обеспечить радиопокрытие всей тер-
ритории в той же ограниченной полосе частот, что и система БС. Под емкостью
здесь понимается максимальное количество подвижных станций, одновременно
обслуживаемых системой, приходящихся на 1 Гц и на 1 км2.
Рассмотрим ССПС, в которой используется метод FDMA. Пусть каждой по-
движной станции для передачи сигнала требуется В Гц, и пусть каждой ССПС
выделен частотный диапазон шириной МкВ Гц. Каждый диапазон шириной В Гц
можно назвать каналом. Таким образом, система с одной базовой станцией, из-
лучающей мощный сигнал и покрывающей всю территорию, предоставляет М
каналов и может одновременно обслужить только М подвижных станций. С дру-
Неустоявшаяся терминология в области сотовой подвижной связи позволяет использовать
термины подвижная станция, мобильная станция, мобильный терминал. Мы будем при-
держиваться смысловой окраски авторского текста в его польском варианте (прим. ред.).
Глава 5. Кониепиия системы сотовой полвижнои связи
161
Рис. 5.1. Разделение зоны покрытия системы на соты
гой стороны, разделение зоны обслуживания на соты и их нумерация, как это по-
казано на рис. 5.1, позволит многократно использовать каналы, если эти М
каналов соответствующим образом распределить по N различным типам сот
(на рис. 5.1 N = 7). При этом количество одновременно обслуживаемых подвиж-
ных станций существенно возрастает, и, грубо говоря, емкость сотовой системы
возрастает по отношению к емкости системы с одной базовой станцией пропор-
ционально количеству пользователей каждого канала в зоне покрытия. Площадь
одной соты намного меньше области охвата всей системы, поэтому мощность,
генерируемая базовой станцией одной соты, намного меньше мощности базовой
станции, которая покрывает всю зону обслуживания системы.
Следовательно, мощность подвижной станции, связанной с близко находя-
щейся базовой станцией, в сотовой системе намного меньше мощности ПС в си-
стеме с одной базовой станцией большой мощности. Обратим внимание на то,
что соты, изображенные на рис. 5.1, пронумерованы таким образом, чтобы рас-
стояние между сотами, обозначенными одним и тем же номером, было макси-
мальным. Таким образом, удается минимизировать взаимное влияние сигналов,
передаваемых в одном частотном канале. Явление помехового влияния сигналов
сот, работающих с тем же каналом, что и данная, на сигнал этой соты называется
внутриканальной2 помехой (co-channel interference). Это характерная особен-
ность ССПС, которую необходимо учитывать при разработке.
Разделение зоны охвата системы на соты, выделение каждой соте подгруппы
каналов и возможность изменения мощности базовой станции приводят к воз-
можности реализации гибкой структуры системы, учитывающей прогнозируе-
Или соканальной (прим. ред).
162
Системы подвижной радиосвязи
мую интенсивность трафика на данной территории. В центрах городов с высокой
концентрацией пользователей сотовых телефонов ПС соты обычно имеют мень-
ший размер, а каналы используются большее количество раз. Это позволяет обес-
печить больший трафик на единицу обслуживаемой площади. В свою очередь, в
сельской местности, где количество ПС зависит, например, только от интенсивно-
сти движения по шоссе, соты имеют больший размер, в их распоряжении находит-
ся меньшее количество каналов, а мощность базовых станций выше. В заключение
добавим, что при размещении оборудования системы подвижной связи учитыва-
ется топография трафика, генерируемого пользователями сотовых телефонов.
Разделение зоны охвата системы на наборы сот имеет несколько важных по-
следствий. Первое из них уже упоминалось - это существование внутриканаль-
ных помех. Второе - необходимость обеспечения автоматической передачи соеди-
нения между базовой и подвижной станциями следующей базовой станции, при
пересечении ПС границы между соседними сотами. Процедура эстафетной пере-
дачи соединения носит название хэндовер (англ, handover или hand-off) Для обес-
печения незаметной передачи соединения к новой базовой станции и избежания
многократного перехода к новой базовой станции и обратно к старой используется
правило гистерезиса. Это означает, что соединение переключается на новую БС,
если уровень принимаемого от нее сигнала превышает уровень сигнала, получае-
мого от текущей базовой станции на установленную пороговую величину.
Динамическая передача соединений подвижной станции между соседними
базовыми станциями требует реализации сложных процедур управления и изме-
рения мощности, генерируемой ПС и принимаемой БС, или наоборот. Если по-
движная станция участвует в измерениях мощности и в принятии решений о пе-
редаче соединения так, как это происходит в системах второго поколения, напри-
мер, в GSM или в IS-136, то такая процедура называется полуавтоматический
хэндовер1 (англ, mobile-assisted handover — МАНО).
Важным последствием изменения местонахождения абонента в границах
зоны обслуживания системы является необходимость обнаружения местополо-
жения конкретной подвижной станции для установления соединения. Включен-
ная и находящаяся в режиме ожидания ПС должна периодически обновлять ин-
формацию о своем местонахождении, чтобы обозначить присутствие в системе
связи. Другой способ уточнения местоположения - целая группа базовых стан-
ций запрашивает ответ данной подвижной станции, зная, что та находится в зоне
обслуживания одной из них.
Важнейшая проблема, которую приходится решать в сотовой радиосистеме, -
определение топографии размещения базовых станций. Для того чтобы обеспе-
чить удовлетворительное качество соединений по всей области покрытия систе-
мы, базовые станции должны быть размещены соответствующим образом, и
подгруппы каналов должны быть правильно распределены между ними.
3 Буквально - хэндовер с участием подвижной станции (прим. ред.).
Глава 5. Концепция системы сотовой полвижнои связи
163
5.1. УПРОШЕННОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ
КЛАССИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СОТОВОЙ СВЯЗИ
В настоящем параграфе описываются упрощенные правила планирования
размещения сотовых систем и распределения каналов. В наших рассуждениях
область покрытия одной базовой станции будет аппроксимироваться шести-
угольником. Существует несколько геометрических фигур, которые обеспечива-
ют полное покрытие заданного региона без перекрытий или «дыр». Это равно-
сторонние треугольники, квадраты и шестиугольники. Шестиугольники лучше
всего аппроксимируют круговую форму зоны радиопокрытия базовой станции
на ровной местности без препятствий, а края шестиугольников хорошо аппрок-
симируют границы между сотами равных размеров. Мы будем и дальше пользо-
ваться упрошенным предположением о гексагональной форме сот. На практике
область покрытия базовой станции не обладает правильной круговой формой,
поскольку она зависит от структуры местности и препятствий - зданий, деревьев
и т.д. Разделение области покрытия системы на соты равного размера невозмож-
но и по техническим причинам. При размещении базовых станций необходимо
учитывать множество факторов, таких как доступ к подходящим участкам мест-
ности и возможность использования естественных элементов местности -
башни, высокие трубы и строения. Такие элементы не часто располагаются в
центрах идеально спланированных сот. Поэтому планирование сот представляет
собой сложную задачу, в ходе решения которой в современных системах проводят-
ся полевые измерения при помощи специализированного оборудования. С опреде-
ленной точностью соты можно спроектировать на основе обработки данных
цифровой карты местности сложным специализированным программным обес-
печением, которое имитирует распространение электромагнитных волн на циф-
ровой модели местности. Один из подходов к моделированию распространения
электромагнитных волн заключается в том, что волны рассматриваются в каче-
стве световых лучей, которые отражаются и рассеиваются на различных препят-
ствиях местности с определенными коэффициентами отражения и рассеивания.
Этот подход, который называют методом трассирования лучей (англ, ray
tracing method), требует точных данных об области покрытия и больших вычис-
лительных ресурсов. Пакеты профессионального программного обеспечения,
используемые для моделирования распространения волн и проектирования сот,
используют более сложные модели распространения, чем описанные в разделе 3.
По ограниченному количеству результатов измерений можно калибровать ис-
пользуемые в программном обеспечении модели распространения сигналов, что
позволяет получать более точные результаты.
Теперь рассмотрим правила проектирования сот и распределения каналов
«на инженерном уровне». Обсудим факторы, которые должны учитываться в
процессе проектирования. Результаты такого анализа приближаются к таковым,
полученным после обработки данных моделирования и измерений. Снова обра-
тим внимание на то, что в своих рассуждениях мы предполагаем гексагональную
форму сот и приблизительно равный их размер.
164
Системы полвижнои ралиосвязи
Рис. 5.2. Разделение зоны покрытия системы на соты
Как уже отмечалось, ключевой принцип работы сотовой системы заключа-
ется в многократном использовании одних и тех же частотных каналов в различ-
ных сотах, расположенных соответствующим образом в зоне покрытия системы.
Группа из N сот, использующих все доступные каналы4, называется сотовым
кластером (англ. Cell cluster). Для анализа размера и особенностей кластера рас-
смотрим геометрические свойства набора шестиугольников [1], изображенных
на рис. 5.2. Пусть радиус окружности, описанной вокруг каждого шестиугольни-
ка, равен R. Очевидно, что R - это также и расстояние от центра шестиугольника
до его вершины. Если вспомнить свойства равностороннего треугольника со
стороной R, то легко доказать, что расстояние между двумя соседними шести-
угольниками равно s[3R. Примем его за единицу длины. В системе координат с
углом между осями координат, равным 60°, расстояние от центра любого шести-
угольника до начала координат составляет5
D = s[3Ryji2 + ij + j2, (5.1)
где i и у - координаты центра рассматриваемого шестиугольника, выраженные в
принятых единицах длины, равных V37?.
Точнее: группа сот, использующая все доступные частоты несущих, исключая их по-
вторное использование (прим. ред.).
Автор надеется, что читатель не перепутает расстояние D с направленностью антенны,
обозначенной в разделе 3 тем же самым символом.
Глава 5. Концепция системы сотовой подвижном связи
165
Выражение (5.1) прямо следует из обобщенной теоремы Пифагора, которая
утверждает, что квадрат длины стороны D, лежащей напротив угла а, образован-
ного сторонами с длинами и и г, равен
D2 = и2 + г2 -2nvcosct. (5.2)
В случае, изображенном на рис. 5.2 и = зТ37?, г = 2д/ЗА и а = 120е. Таким
образом, i = 3 и j = 2.
Будем считать соту, расположенную в начале изображенной на рис. 5.2 сис-
темы координат, опорной. Построим вокрух нее сотовый кластер. Другие класте-
ры должны быть расположены вокруг него таким образом, чтобы покрываемые
ими области не перекрывались и не имели разрывов. Возникает следующий
вопрос: какое количество сот в кластере обеспечивает компактное покрытие?
Ответ на этот вопрос вытекает из последующих рассуждений.
Пусть центральные соты соседних кластеров расположены на расстоянии D
(определяемом выражением (5.1)) от центра опорной соты. Напомним: в их рас-
поряжении находится такой же набор частотных каналов, что и у опорной соты.
Каждый кластер может быть представлен одним большим шестиугольником,
площадь которого равна сумме площадей всех принадлежащих кластеру сот. Это
изображено на рис. 5.3. Площадь одной гексагональной соты радиуса R равна
Ar =-7з/?2, (5.3)
а площадь большого шестиугольника, равного сумме N площадей шестиуголь-
ников радиуса R, центры которых расположены на расстоянии D друг от друга,
составляет
3 Л D V
ЛЫ |5'4’
Нам необходимо, чтобы выполнялось следующее равенство
(5-5)
При подстановке (5.1) и (5.4) в (5.5) получим выражение, которое определя-
ет количество N сот в кластере:
N =i2 + j2 +ij. (5.6)
Очевидно, что количество сот в кластере не ограничено. Кластер может со-
стоять из одной, трех, четырех, семи, двенадцати и т.д. сот. На рис. 5.3 изображен
кластер с N = 7 сотами, для которых i = 2 и j = 1.
На основании (5.1) и (5.6) можно получить важное соотношение, которое мы
будем использовать в наших дальнейших рассуждениях
Q=D/R=43N. (5.7)
166
Системы подвижной радиосвязи
Рис. 5.3. Аппроксимация кластеров большими шестиугольниками
Если при разработке системы не учитывалось количество сот в кластере, их
топографическое расположение и распределение каналов, то в такой системе бу-
дет наблюдаться существенное влияние друг на друга каналов в разных сотах,
использующих одни и те же несущие частоты. Ранее отмечалось, что это явление
называется внутриканальными помехами. Они зависят от параметра Q, опреде-
ленного в выражении (5.7). Параметр Q называется коэффициентом ослабления
внутриканальных помех (англ, co-channel interference reduction factor). При уве-
личении Q внутриканальные помехи ослабевают, поскольку либо увеличивается
расстояние, разделяющее соты с одинаковыми каналами, либо уменьшается их
размер. Расстояние D зависит от отношения мощности сигнала 5 к мощности по-
мехи I. В свою очередь, это отношение зависит от количества влияющих друг на
друга сот Ко согласно формуле
где Ik - средняя мощность помех, генерируемых k-й сотой.
На рис. 5.4 изображена типичная конфигурация взаимодействующих сот.
В случае гексагональных сот шесть расположенных в первом ярусе сот взаимодей-
ствуют с центральной сотой, которая считается опорной. Таким образом, К„ = 6.
Далее мы предполагаем, что влиянием сот второго яруса на центральную соту
можно пренебречь ввиду большого между ними расстояния. Обратим внимание,
что внутриканальные помехи искажают не только сигнал, приходящий на базо-
Глава 5. Концепция системы сотовом полвижнои связи
167
вую станцию центральной соты, но и сигналы, приходящие на подвижные стан-
ции, которые в данный момент находятся в этой соте. Предположим, что базовые
станции излучают сигналы с одинаковой мощностью. Тогда отношение сигнала
к внутриканальным помехам на границе центральной соты равно
(5.9)
В разделе 3 указывалось, что мощность сигнала, принимаемого на расстоя-
нии d от передающей антенны, пропорциональна d~‘. При распространении в
свободном пространстве у = 2, в то время как при двухлучевом распространении
у = 4. В действительности у лежит в интервале от 2 до 5,5 в зависимости от
условий распространения.
Обратим внимание на то, что в предположении о равной мощности, излучае-
мой базовыми станциями, отношение «сигнал/внутриканальная помеха» зави-
сит только от геометрических свойств распределения сот, расстояний между ба-
зовыми станциями, использующими одни и те же частотные каналы, и радиуса
зоны радиопокрытия базовой станции.
Простоты ради предположим, что в изображенной на рис. 5.4 системе все
расстояния Dk равны D. Тогда из (5.9) следует, что
168
Системы полвижнои ралиосвязи
S Ry _Qy
7 “ 6D-y ~ 6
(5.10)
(5.Н)
Формула (5.11) определяет взаимосвязь отношения расстояния между сота-
ми, использующими одни и те же частотные каналы и радиус соты, с отношени-
ем «сигнал/внутриканальная помеха» и типом окружающей среды. В традици-
онных сотовых системах отношение S/I выбирается таким, чтобы обеспечить ка-
чество передачи речи, приемлемое, по крайней мере, для 75% пользователей на
90% области покрытия системы [2]. В классической аналоговой сотовой систе-
ме, такой как AMPS, значение S/I выбирается равным 18 дБ (63,1 раза в линей-
ном масштабе). Приняв у = 4, из формулы (5.11) получим Q = 4,41. По результа-
там моделирования, представленным в [1], Q = 4,6. Поскольку значение Q зави-
сит от количества N сот в кластере по формуле (5.7), то при подстановке в эту
формулу значения Q, равного 4,6, получим N= 7. Таким образом, по результатам
грубых расчетов, кластер из семи сот обеспечивает необходимое значение коэф-
фициента ослабления внутриканальных помех в аналоговой сотовой системе ра-
диосвязи при использовании всенаправленных антенн.
Рис. 5.5. Наихудший случай внутриканальных помех при N - 7
Рассмотрим наихудший случай, иллюстрируемый рис. 5.5. Если предполо-
жить у = 4 и обратить внимание на то, что расстояния между подвижной стан-
цией, расположенной на границе соты (в точке А), и всеми влияющими базовы-
ми станциями приблизительно равны (£> - R), (D - R), (D - А72), D, (D + А72) и
(D + А), получим
Глава 5. Концепция системы сотовой подвижной связи
169
S _______________________7Г4______________________
7 ~ 2(D -RY4 + (D -R/2)~4 +D~4 +(D +R/2y4 + (£) +R)^ ~
1 (5.12)
= 2(g +I)4+(g-I)4 ! (g + 1/2)4+(6-l/2)4 । Г
(C2-l)4 (C2-l/4)4 Qa
При Q - 4,6 значение S/I составляет 49,56. В логарифмическом масштабе
эта величина приблизительно равна 17 дБ. Если взять точные расстояния оз
точки А до центров интерферирующих сот, то получим несколько лучшее зна-
чение S/I, однако оно все же будет меньше требуемых 18 дБ [3]. На практике,
вследствие неидеального расположения базовых станций, многолучевого рас-
пространения и искажений, обусловленных неровностями местности, это от-
ношение будет еще хуже. Поэтому рассчитанного ранее значения Q = 4,6 будет
недостаточно.
Снова обратим внимание на то, что на рис. 5.5 и в формуле (5.12) рассматри-
вается наихудшая ситуация, поскольку подвижная станция находится на макси-
мально возможном удалении от базовой станции ее собственной соты. Поэтому
приведенная выше оценка считается очень пессимистической. Тем не менее, та-
кой подход к разработке систем позволяет добиться высокой надежности.
Существуют два основных решения проблемы недостаточной величины
коэффициента Q для кластера из семи сот и всенаправленных антенн. Первый
путь - это увеличение количества сот в кластере. Однако с увеличением N
уменьшается количество доступных в соте каналов. Если взять следующее
после 7 возможное значение6 N, т.е. W = 12, то придется разделить все доступ-
ные каналы на 12 подгрупп. Второе решение заключается в ослаблении внут-
риканальных помех при использовании секторных антенн, с шириной диаграм-
мы направленности в 120°. Каждая сота разделяется на три сектора. Также воз-
можно разделение сот и на другое количество секторов, однако мы не будем
здесь его рассматривать.
На рис. 5.6 изображено помеховое влияние сот, разделенных на секторы.
Области, в которых используются одинаковые подгруппы каналов, выделены от-
тенками серого. Однако только два сектора, обозначенных более темным оттен-
ком серою, создают помехи сигналам центрального сектора, обозначенного са-
мым темным оттенком. Можно отметить, что благодаря разделению на секторы
количество интерферирующих сот снижено до двух. На рис. 5.7 изображено наи-
худшее расположение подвижной станции в таком случае.
Расстояние между подвижной и мешающей базовой станциями равно D + R/2.
Тогда отношение сигнала к внутриканальным помехам составляет
Согласно (5.6), если принять i = 3 и/ = 0, то получим 9; однако при N= 9 сотовая сеть
будет иметь нерегулярную форму.
170
Системы подвижном радиосвязи
S R4 _(g + 0,5)4
7” 2(D+R/2)~‘> ~ 2
(5.13)
что при Q = 4,6 даст S/I = 25,3 дБ. Этот результат на 7 дБ лучше, чем в системе со
всенаправленными антеннами. На практике разделение сот на секторы использу-
ется как в классических сотовых системах, так и в более новых, например, в
GSM и cdmaOne (IS-95).
Рис. 5.6. Иллюстрация внутриканальных помех в случае 120°-секторных антенн
Рис. 5.7. Наихудшии случаи для секторов 120°
Следует отметить, что разделение на секторы не только уменьшает количе-
ство интерферирующих базовых станций, но и оказывает положительное воз-
действие на физические свойства канала связи. В таких системах разброс за-
держки импульсного отклика канала будет меньше, чем в сотовых системах с
Глава 5. Кониепиия системы сотовой полвижнои связи
171
всенаправленными антеннами базовых станций. Благодаря разделению на сек-
торы увеличивается емкость системы, однако это увеличение нс удастся пол-
ностью использовать, если подвижные станции не будут равномерно распреде-
лены по всем секторам (см. подраздел 5.4). Существуют и другие недостатки
разделения на секторы:
• базовая станция секторизованной соты требует большего количества обо-
рудования, особенно высокочастотного;
• подвижные станции, передвигающиеся в разделенных на секторы сотах,
чаще меняют каналы, что приводит к увеличению объема сигналов управ-
ления;
• снижается транковая эффективность (англ, trunking efficiency). Выде-
ленный соте набор каналов должен быть распределен по секторам. Коли-
чество обслуживаемых абонентов останется тем же, что и в сотах без вы-
деления секторов, только в том случае, если количество пользователей в
каждом секторе пропорционально количеству выделенных на каждый
сектор каналов.
На рис. 5.8 изображена раскладка секторов, типичная для ССПС GSM [5]
Обратим внимание на то, что количество сот в кластере N= 4 и каждая сота поде-
лена на три сектора по 120°. Секторы обозначены символами .4, В и С, а соты в
кластере обозначены цифрами от 1 до 4. Сигнал в каждом секторе искажается
сигналами из двух секторов, принадлежащих двум различным кластерам; таким
образом, количество интерферирующих секторов = 2.
Рис. 5.8. Типичный для системы GSM пример покрытия территории сотовыми
кластерами при N = 4 и тремя секторами в каждой соте
В цифровой системе сотовой связи, например GSM, критерием выбора топо-
логии сети вместо отношения S/I может служить допустимая вероятность появ-
ления ошибок, которая учитывается при разработке систем аналоговой телефо-
172
Системы подвижной радиосвязи
нии. Было подсчитано, что благодаря использованию цифровой модуляции,
многостанционного доступа, эффективного цифрового кодирования речи и ка-
нального кодирования с коррекцией ошибок, отношение сигнал/помеха умень-
шается до 9 дБ [4], в то время как в аналоговых системах эта величина состав-
ляет 18 дБ. Значение 9 дБ также упоминается как минимально допустимое в
стандарте GSM [11].
Следующая проблема, которую необходимо решать в FDMA- или
TDMA/FDMA-сотовой телефонии, - это распределение всех несущих частот си-
стемы между сотами. Их количество, используемое в соте или секторе, а также
применяемый метод многостанционного доступа (TDMA или FDMA), опреде-
ляют количество пользователей, которые могут быть обслужены сотой одновре-
менно. Классическое решение этой проблемы - выделение сотам или секторам,
обозначенным одними и теми же номерами в разных кластерах, фиксированного
набора несущих частот.
Прежде чем детально обсуждать эту проблему, введем несколько терминов
теории передачи данных, необходимых для оценки свойств сотовой системы.
5.2. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СВЯЗИ
ПРИМЕНИТЕЛЬНО К СОТОВЫМ СИСТЕМАМ
При разработке типовой телефонной сети принимается во внимание пове-
дение абонентов. Было замечено, что только небольшая их часть одновременно
пользуется услугами сети. При этом интенсивность ее использования может из-
меняться во времени и быть различной в зависимости от потребности индиви-
дуальных абонентов. Сеть обычно разрабатывается с учетом ожидаемой интен-
сивности ее использования. Поэтому применяется транкинг, которое означает,
что определенное количество каналов находится в распоряжении намного боль-
шего количества пользователей. Существует некоторая вероятность того, что
пользователь не сможет установить соединение из-за временного недостатка
свободных каналов. В этом случае единственный способ установить соедине-
ние - это повторить запрос. Система, которая работает по такому принципу, на-
зывается системой с потерями. С точки зрения пользователя, который не может
установить соединение, система заблокирована. Вероятность этого события на-
зывается вероятностью блокировки. Более сложные телекоммуникационные си-
стемы, называемые системами с ожиданием, в случае отсутствия свободных ка-
налов ставят запрос на установление соединения в очередь и постепенно уста-
навливают эти соединения по мере освобождения каналов.
Рассуждения, относящиеся к классическим сетям телефонии и передачи
данных, можно напрямую применить и к сотовым сетям. Эквивалентом абонент-
ской телефонной линии является радиоканал, который представляет собой пару
несущих частот (в случае FDMA-систем), пару временных отрезков на указан-
ных несущих (в случае TDMA-систем) или пару расширяющих последователь-
Глава 5. Концепция системы сотовой полвижной связи
173
ностей (в случае CDMA-систем). При распределении радиоканалов необходимо
учитывать ожидаемую интенсивность нагрузки . Интенсивность нагрузки - это
мера использования канала, выраженная в виде его средней относительной за-
груженности. Она измеряется в Эрлангах (Эрл). Например, средняя получасовая
занятость канала в течение одного часа эквивалентна интенсивности трафика
0,5 Эрл. Количество вызовов является случайной величиной, изменяющейся в
зависимости от времени суток. Поэтому было введено понятие часа наибольшей
нагрузки (ЧНН) - часового временного интервала, в котором трафик имеет мак-
симальную интенсивность.
Уровень обслуживания (англ. Grade of Service - GOS) - это мера доступа к
каналу в системе с концентрацией нагрузки в часы наибольшей нагрузки (ЧНН)
Во многих странах часы наибольшей нагрузки в сотовых системах приходятся
на часы пик с 16-00 до 18-00 по четвергам и пятницам [3]. Уровень обслуживания
(GOS) представляет собой качественную меру, используемую для определения
вероятности получения доступа к каналу при известном количестве каналов в
сотовой системе. Уровень обслуживания - один из основных параметров и кри-
териев оценки при разработке сотовых систем, который необходимо учитывать
для того, чтобы обеспечить требуемую емкость системы и распределение кана-
лов по сотам. Уровень обслуживания обычно выражается в виде вероятности
блокировки, т.е. вероятности того, что желающий установить соединение поль-
зователь столкнется с отсутствием свободного канала, или что время ожидания
свободного канала превысит установленный предел.
В системах с потерями вероятность блокировки выражается так называемой
первой формулой Эрланга*
Ас
GOS - Pr{ blocking}
А
(5.14)
Эта формула была выведена в предположении о том, что запросы каналов
имеют распределение Пуассона, время использования канала пользователем
имеет экспоненциальное распределение, количество пользователей бесконечно,
а количество доступных каналов конечно. Также было сделано предположение о
том, что запросы каналов не имеют памяти; это означает, что вызов от абонента
может поступить в любое время. А - это суммарная интенсивность нагрузки, а
С - количество каналов в пуле. Общую интенсивность нагрузки можно вычис-
лить умножением (конечного) количества пользователей U на интенсивность
7 Отметим, что телефонная нагрузка - это суммарное время занятия линий и каналов те-
лефонной сети связи за интервал времени, а трафик электросвязи - поток сообщений
и попыток вызовов (прим. ред.).
8 Формулой Эрланга В (прим. ред.).
174
Системы подвижной радиосвязи
трафика одного абонента Аи. Последняя величина представляет собой произве-
дение длительности соединения на среднее количество запросов в единицу вре-
мени. Как уже упоминалось ранее, формула (5.14) была выведена в предположе-
нии о бесконечности количества пользователей. На самом деле количество або-
нентов конечно, но на несколько порядков превышает количество каналов, поэ-
тому такое предположение не слишком далеко от истины. Первую формулу Эр-
ланга можно представить в виде семейства графиков (рис. 5.9), описывающих
зависимость вероятности блокировки от общей интенсивности трафика. Каждый
график соответствует определенному количеству каналов С. Изображенные на
рис. 5.9 графики можно использовать для эскизного проектирования сотовых си-
стем. Обычно предполагается, что известен требуемый уровень обслуживания и
один из двух параметров: общая интенсивность трафика или количество кана-
лов. В этом случае второй из этих параметров можно определить из соответству-
ющего графика.
Количество каналов
10 14 18 25 60 80
3 4 5 6 7 89 12 16 20 30 40 50 70 90
Рис. 5.9. Зависимость вероятности блокировки от интенсивности
трафика при различном количестве каналов
Как уже отмечалось, существуют более сложные системы, чем рассматри-
вавшиеся до сих пор системы с потерями. Их часто называют системами с ожи-
данием. В таких системах запросы на установление соединения, которые не мо-
гут быть немедленно удовлетворены из-за временного отсутствия свободного
канала, ставятся в очередь. Они удовлетворяются по мере освобождения каналов
или удаляются из очереди по достижении определенного предела времени ожи-
Глава 5. Концепция системы сотовой полвижнои связи
175
дання. Вероятность блокировки в системах с задержкой определяется второй
формулой Эрланга9 (здесь она не рассматривается; заинтересованный читатель
может найти ее в работе [3] или в книгах, посвященных коммутации в телеком-
муникационных сетях).
Разработчики сотовых систем часто полагаются на компьютерное модели-
рование, которое учитывает динамические эффекты и позволяет исследовать
функционирование системы при помощи более реалистичных моделей [3].
Завершим этот параграф примером предварительной разработки системы.
Несколько аналогичных интересных примеров приведено в работе [3]. Данные,
использованные в этом примере, соответствуют аналоговым системам, все еще
функционирующим на территории Скандинавии и Восточной Европы.
Пример 1. Некая городская агломерация занимает площадь 3300 км2 и ох-
вачена системой сотовой связи. В системе используются кластеры из семи сот.
Каждая сота имеет радиус 6 км. Полоса шириной 2*4,5 МГц выделена системе,
работающей в режиме FDMA/FDD. Ширина одного канала составляет 25 кГц.
Предположим, что вероятность блокировки в сотовой системе составляет
0,02. Пусть средняя интенсивность трафика одного пользователя составляет
0,03 Эрл. Напомним: это означает, что среднестатистический пользователь
каждые 100 мин. использует канал в течение 3 мин.
Вычислим количество сот, охватывающих всю область. При помощи (5.3)
рассчитаем площадь одной гексагональной соты. Она составит 2,5981 R'. При
R = 6км эта площадь равна Р = 93,53 км2. Таким образом, для того, чтобы охва-
тить весь город, требуется Nс = 3300/93,53 = 35,28 ~ 36 сот. Теперь вычислим
количество каналов, выделенных каждой соте. Поскольку в распоряжении сис-
темы находится полоса частот шириной 2*4,5 МГц, а одно соединение требу-
ет двух каналов по 25 кГц, то для 7-сотового кластера количество дуплексных
каналов в соте будет равно С = 9000/(50-7) ~ 25 каналов.
Из графиков формулы Эрланга на рис. 5.9 можно найти, что для С = 25 ка-
налов на соту и вероятности блокировки 0,02 интенсивность трафика в одной
соте составит А ~ 17,5 Эрл. Поэтому суммарный трафик всей системы будет
равен А-N с = 17,5-36 = 630 Эрл. На основе этого значения определяется количе-
ство пользователей, которых может обслужить система. Это количество
равно Nл = (суммарный трафик)/(трафик одного пользователя) = 630/0,03 =
21000 пользователей. Количество каналов системы можно определить делени-
ем ширины выделенного системе спектра на ширину пары каналов. В наших
условиях - это 9 МГц/50 кГц = 180 каналов. Тогда количество пользователей,
приходящихся на один канал, равно 21000/180 = 116 пользователей. Максималь-
ное количество пользователей, которые могут быть одновременно обслужены,
Формулой Эрланга С (прим. ред.).
176
Системы полвижнои радиосвязи
определяется количеством каналов в соте и количеством сот в системе и будет
равно С • Nс = 25-36 = 900 пользователей. Следовательно, если все каналы во
всех сотах будут одновременно заняты, то система сможет обслужить
900/21000 = 4,29% пользователей. Можно сделать вывод о том, что благодаря
идее транкинга ресурсы системы могут быть много меньше количества поль-
зователей всей системы.
Сложный момент, который мы до сих пор не принимали во внимание, состоит в
том, что пользователи во время разговора могут перемещаться из одной соты в дру-
гую. Если они пересекают границу соты, необходимо выполнять процедуру пере-
дачи соединения -хэндовер (англ, handover). В новой соте нужно найти новый ка-
нал и только после этого можно освободить канал в старой соте. Следовательно,
расчет трафика становится более сложным. Возможное решение этой проблемы -
создание программной системы имитационного моделирования, которая учитыва-
ет перемещение подвижных станций и передачу соединений. Статистические свой-
ства мобильности абонентов в сотах, охватывающих территорию городской за-
стройки, отличаются от аналогичных характеристик сот, обеспечивающих покры-
тие незастроенной сельской местности с проходящей по ней автострадой.
5.3. СПОСОБЫ УВЕЛИЧЕНИЯ ЕМКОСТИ СИСТЕМЫ
До сих пор мы рассматривали сотовые системы с каналами, равномерно рас-
пределенными между сотами одинакового размера. На самом деле, равномерное
распределение абонентского трафика во всей зоне охвата системы - крайне ред-
кое явление. Как уже упоминалось во вводном параграфе, ССПС могут подстра-
ивать трафик, обслуживаемый системой, под поступающую абонентскую нагруз-
ку. Это осуществляется при помощи интеллектуального управления размером
сот и распределением каналов. Другой проблемой являются растущие потребно-
сти в емкости системы, связаные с ростом числа ее абонентов, находящихся в
данном районе. Решение обеих проблем заключается в увеличении емкости сис-
темы и приведения ее топографии в соответствие распределению обеспечивае-
мого трафика. Эта задача обычно решается следующими методами:
• рассмотренное ранее разделение сот на секторы (англ, sectoring)-,
• дробление сот на соты меньшего размера (англ, cell splitting)-,
• реализация концепции микросотовых зон (англ, microcell zone).
В параграфе 5.2 было показано, что разделение сот на секторы уменьшает
отношение S/I. Это позволяет получить минимальное требуемое значение S/I для
кластеров, состоящих из меньшего количества сот. Мы выяснили, в частности,
что при использовании всенаправленных антенн для достижения значения
S/I = 18 дБ, требуемого в аналоговой сотовой телефонии, 7 сот в кластере будет
недостаточно. Возникает необходимость построения кластеров из 12 сот. При-
Глава 5. Кониепиия системы сотовой полвижнои связи
177
менение секторов в кластере из 7 сот обеспечивает увеличение значения S/1 на
7 дБ по сравнению с всенаправленными антеннами. Следовательно, мы можем
уменьшать количество сот в кластере до N- 7 или даже до N = 4 до тех пор, пока
S/Iне станет меньше 18 дБ. Благодаря чему доступные каналы можно чаще ис-
пользовать в одном и том же районе, что приводит к увеличению коэффициента
повторного использования MNu емкости системы. Это достигается ценой утрое-
ния (в случае 120-градусных секторов) количества антенн, а возможно, и базо-
вых станций, и, кроме того, также более частой передачей соединения между со-
тами и секторами, что увеличивает трафик управления. Как уже отмечалось, раз-
деление на секторы частично уменьшает транковую эффективность, кроме тех
случаев, когда пользователи равномерно распределены по всем секторам.
Второй способ увеличения емкости - дробление существующих сот на мень-
шие [2], [3], [6]. Дробление соты, как правило, выполняется путем создания сот
меньшего размера в определенной части ее зоны покрытия. Радиусы меньших
сот принимаются равными половине радиуса исходной соты, а их площади, со-
ответственно, становятся меньше в четыре раза. Большие соты используются в
районах с небольшим трафиком, а меньшие - в зонах с более интенсивным тра-
фиком. На рис. 5.10 представлен пример дробления секторизованных сот. Новая
сота помешается точно посередине между обозначенными цифрой 1 исходными
сотами с секторами Л, В и С и имеет вдвое меньший радиус. Секторизация сохра-
няется. Заметим, что размещение новой соты в указанном месте не изменяет
Рис. 5.10. Пример дробления сот с сохранением разделения на секторы
178
Системы подвижной радиосвязи
величины коэффициента внутриканальных помех Q =D/R, так как и расстояние
между сотами одного типа, и их радиусы уменьшаются вдвое [2]. Введение но-
вой соты позволяет снизить мощность базовой станции до уровня, обеспечиваю-
щего мощность принимаемого на границе меньшей соты сигнала и равного мощ-
ности сигнала на границе исходной соты. Это верно и для подвижных станций.
Мощность сигнала, принимаемого на расстоянии R от базовой станции, связана
с мощностью передаваемого сигнала выражением
PM=kPTXR-\ (5.15)
где к - коэффициент пропорциональности.
Если предположить, что на границах меньшей и основной сот с радиусами
R/2 и R соответственно принимается сигнал одинаковой мощности, то можно
прийти к выводу, что мощности сигналов, передаваемых в основной сотеРп и в
меньшей сспеРТ2, связаны выражением
РТ2 =РТ1 2 • (516)
Тогда при у = 4 из (5.16) следует, что излучаемая в меньшей соте мощность
на 12 дБ меньше мощности, передаваемой в большей соте.
Дробление на соты меньшего размера требует изменения распределения ка-
налов в первичных сотах, расположенных в непосредственной близости от но-
вой малой соты. Разделение сот, приводящее к увеличению емкости системы,
как правило, производится постепенно, поэтому малые и большие соты должны
сосуществовать друг с другом. Рассмотрим порядок распределения каналов
между сотами одного типа. Используемые в больших сотах (обозначенных на
рис. 5.10 цифрами 1 и 2) каналы подразделяются на две группы: в первую группу
входят каналы, которые также используются в малых сотах того же типа (они
обозначены на рис. 5.10 цифрами 1 и 2); во вторую группу входят все остальные
каналы. Каналы первой группы используются в малых сотах и в центральных об-
ластях больших сот, обозначенных на рис. 5.10 пунктирными линиями. Каналы
второй группы используются на всей площади большой соты, включая внешнюю
часть. Такая модификация достигается ценой существенного усложнения базовых
станций. Сигналы, передаваемые по каналам, которые используются как в ма-
лых, так и в центрах больших сот, должны иметь меньшую мощность, чем сигна-
лы, передаваемые по каналам, которые используются только в больших сотах.
В 1991 г. Ли (англ. W.C.Y.Lee) предложил другое решение проблемы уве-
личения емкости системы - так называемую концепцию микросотовых зон0.
Мы не должны путать микросоты, используемые в концепции микросотовых зон, с
микросотами в бесшнуровой телефонии и PCS-системах. Идея микросотовых зон от-
личается также и от принципа размещения базовых станций в вершинах сот.
Глава 5. Кониепиия системы сотовой подвижной связи
179
В этом решении устранены некоторые недостатки разделения сот на секторы, та-
кие, как необходимость частой передачи соединения из одного сектора в другой
и уменьшение транковой эффективности.
Исходные соты разделяются на три зоны11. На границе каждой зоны разме-
щаются зоновые приемники и передатчики. Они соединены с селектором зоны и
общей частью базовой станции данной соты оптоволоконными или радиорелей-
ными каналами. Расположенная в данной соте подвижная станция соединяется с
самым сильным зоновым передатчиком и приемником. Все зоны одной соты ис-
пользуют общий пул каналов. Перемещение подвижной станции в другую зону
не приводит к смене выделенного канала. Этот канал «переносится» подвижной
станцией в новую зону. Как следствие, отсутствует процедура смены канала, тре-
бующая больших затрат времени и ресурсов. Однако основное преимущество
концепции микросотовых зон - это уменьшение внутриканальных помех за счет
использования зоновых передатчиков, мощность которых меньше мощности
секторных передатчиков, расположенных в центре сот. Таким образом, появля-
ется возможность увеличить емкость системы за счет уменьшения количества
сот в кластере без потери транковой эффективности (поскольку во всех зонах од-
ной соты используются одни и те же каналы). Ли показал [ 10], что для американ-
ской ССПС первого поколения AMPS, требующей S/1 = 18 дБ, применение
концепции микросотовых зон позволяет уменьшить количество сот в кластере
(N) с 7 до 4; это приводит к увеличению емкости системы в 2,33 раза и дает
S/I= 20 дБ в самом худшем случае, т.е приносит дополнительный выигрыш в 2 дБ.
5.4. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ КАНАЛОВ В СОТАХ
До сих пор мы проектировали систему с учетом требуемой емкости и уровня
обслуживания. Следующий шаг - выделение сотам или их секторам конкретных
каналов (несущих частот).
Рассмотрим правила распределения каналов среди сот и секторов. Непо-
средственное влияние на выбор оказывают межканальные помехи (interchannel
interference). Этот тип помех возникает между сигналами, излучаемыми в одной
и той же соте (секторе) на разных несущих частотах. Необходимо минимизиро-
вать искажения. Этого можно достичь соответствующим подбором частот кана-
лов в каждой соте. Межканальные помехи также тесно связаны с перемещением
подвижных станций в границах одной соты и различными расстояниями от по-
движных станций до общей базовой станции (эффект «ближний-далызий»,
англ, near-far effect). Из-за неидеальности фильтров, выделяющих отдельные ка-
налы, может возникнуть следующая ситуация: боковые лепестки спектра сигна-
ла из канала, используемого подвижной станцией, расположенной вблизи базо-
При 120-градусной векторизации.
180
Системы полвижнои ралиосвязи
вой станции, попадают в полосу пропускания фильтра, выделяющего соседний
канал с близкой несущей частотой, используемой удаленной подвижной стан-
цией. Аналогичная ситуация может возникнуть и при передаче в обратном на-
правлении (от базовой станции к подвижной).
К примеру, если передающая подвижная станция находится от базовой стан-
ции на удалении, в 40 раз превышающем расстояние от подвижной станции -
источника искажений, использующей соседний канал в той же самой соте, то от-
ношение мощности полезного сигнала к мощности помехи, измеренное перед
входом приемного фильтра в приемнике базовой станции, при у = 4 составит
-=(40)’у =40-4 =-64дБ. (5.17)
Если не принять других мер для выхода из такой неблагоприятной ситуации,
то это отношение придется улучшать при помощи приемного фильтра с крутым
срезом и как можно большего разделения частот каналов.
Пусть полоса пропускания приемного фильтра имеет ширину В Гц и кру-
тизну 24 дБ на октаву. Тогда на краях полосы пропускания фильтра, находящихся
на расстоянии В/2 Гц от середины канала, сигнал затухает на 24 дБ. Затухание
порядка 64 дБ достигается при разносе частот, превышающем ширину полосы
одного канала в 3,18 раза, на практике - в 4 раза. Разнос канальных частот l±f в
одной соте определяется формулой
в Т‘6Ш
^fseP=2G-, где G = < (5.18)
где у зависит от среды распространения; L - это крутизна фильтра, выраженная в
дБ на октаву; d0 и с/, - расстояния от базовой до подвижных станций - передаю-
щей и источника искажений соответственно.
В рассмотренном примере G = 64/24 = 2,67, тогда А= 22,67-(В/2) = 3,18В.
На практике соседние каналы в одной соте разделены полосой в 46 Гц.
Помимо описанного распределения канальных частот в сотах, максимизи-
рующего частотный разнос каналов в данной соте и учитывающего несущие час-
тоты соседних сот, существуют и другие способы уменьшения влияния межка-
нальных помех:
• сложный синтез передающих и приемных фильтров, которые эффективно
ослабляют боковые лепестки спектра передаваемых и принимаемых сиг-
налов. Это позволяет повысить избирательность приемника;
• прецизионное регулирование мощности сигналов, передаваемых базовы-
ми и подвижными станциями по каждому каналу.
Первый способ позволяет увеличить значение L в формуле (5.18) за счет уве-
личения стоимости и усложнения приемопередатчика.
Глава 5. Кониепиия системы сотовой полвижнои связи
181
Второй способ имеет особое практическое значение. Необходимо обеспе-
чить, чтобы поступающие на базовую станцию сигналы с различных подвижных
станций одной соты имели примерно одинаковую допустимо низкую мощность,
которая обеспечит требуемое отношение S/I или вероятность появления ошибок.
Все действующие ССПС применяют контроль мощности подвижных станций
Это наиболее важно для функционирования систем CDMA, в которых регулиро-
вание мощности в большой степени определяет фактическую емкость системы.
Т а б л и u а 5.1. Распределение частот несущих для одного оператора
системы CSM
1А 2А ЗА 4А 1В 2В ЗВ 4В 1С 2С ЗС 4С
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12
13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48
49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60
61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72
73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84
85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96
97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108
109 ПО 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120
121 122 123 124
В табл. 5.1 представлен пример распределения каналов в системе GSM с то-
пологией, изображенной на рис. 5.8 в предположении, что в распоряжении одно-
го оператора находятся все 124 несущих (см. разделы 7 и 8). В действительности,
спектр GSM разделяется между несколькими операторами, и для каждого из них
надо подготовить аналогичную таблицу, содержащую набор несуших частот.
Правила заполнения табл. 5.1 следующие: двенадцать различных секторов, включен-
ных в таблицу, начинаются с обозначения 1 А(/ = 1) и заканчиваются на 4С (/ = 12);
при этом j-й сектор (j= 1,..., 12)12 использует несущие с номерами j + 12А, (к = О,
..., п), где п - наибольшее целое число, для которого (124- 12и)/12 < 1. Аналогич-
12 В случае системы GSM, если количество сот в кластере N = 4, а в каждой соте по три
сектора, то общее количество разных секторов составляет 12.
182
Системы подвижной радиосвязи
ную таблицу для американской системы первого поколения AMPS, поддержива-
емой двумя операторами, можно найти в работе [3].
До сих пор мы обсуждали распределение несущих (каналов) только с точки
зрения минимизации межканальных помех. Если такое распределение произво-
дится единожды и в последующем не меняется, то оно называется фиксированным
распределением каналов. Напомним, что в традиционной аналоговой сотовой си-
стеме канал - это частотный интервал, в центре которого находится несущая час-
тота. В системах TDMA/FDMA распределение каналов представляет собой вы-
деление определенного временного интервала на конкретной несущей частоте.
В системах CDMA/FDMA канал - это определенный расширяющий код, исполь-
зуемый на данной частоте.
Фиксированное распределение каналов — простейший метод распределения
ресурсов системы. В действительности он может быть менее удобен, чем в про-
стейшем случае гексагональных сот с интенсивностью трафика, равномерно
распределенного по всей зоне охвата системы. Сложности возникают из-за необ-
ходимости учитывать реальное или ожидаемое распределение трафика и разные
размеры сот и секторов. При фиксированном распределении каналов установле-
ние нового соединения в данной соте возможно только в том случае, если в ней
есть незанятые каналы. В случае временного отсутствия доступных каналов або-
нент страдает от блокировки соединения. В этот момент в соседних сотах могут
быть свободные каналы. Количество запросов может сильно меняться в зависи-
мости от дня недели, времени суток или от конкретного события. Таким образом,
фиксированное распределение каналов может оказаться неэффективным реше-
нием, приводящим к большой вероятности блокировки в часы наибольшей на-
грузки. Существуют более сложные методы распределения каналов [6], [8], кото-
рые учитывают динамическое изменение потребности в каналах. На рис. 5.11
представлена классификация стратегий распределения каналов.
Рис. 5.11. Классификация методов распределения каналов
Глава 5. Концепция системы сотовой полвижнои связи
183
Метод простого заимствования каналов представляет собой улучшенный
вариант основной стратегии фиксированного распределения, к которой добавле-
но немного динамики. Если все каналы, выделенные соте, заняты, то свободный
можно позаимствовать в соседней соте, при условии, что этот канал не интерфе-
рирует с уже используемыми. С момента заимствования канала данной сотой,
ряду окружающих сот запрещается использовать заимствованный канал во избе-
жание меж- и внутриканальных помех. Процессом заимствования управляет
центр коммутации подвижной связи. Он блокирует заимствованные каналы в со-
тах, расположенных через одну или две соты от заимствующей соты. Центр ком-
мутации ведет базу данных свободных, заимствованных и блокированных кана-
лов и информирует о них соответствующие базовые станции. Благодаря приме-
нению такой стратегии вероятность блокировки уменьшается до определенного
порогового уровня, определяемого интенсивностью трафика. Если текущая ин-
тенсивность трафика превышает этот уровень, то степень использования кана-
лов начинает уменьшаться, поскольку заимствование одного канала приводит к
его блокировке примерно в пяти других сотах.
Гибридное распределения каналов устраняет недостатки предыдущего мето-
да. В этом методе каналы в каждой соте делятся на две категории: в первую кате-
горию входят каналы, используемые только в данной соте; ко второй относятся
каналы, которые могут быть заимствованы. Соотношение количества каналов в
обеих категориях определяется на основе ожидаемого трафика. Каждый канал
отмечен по принадлежности к той или иной категории.
Дальнейшее повышение коэффициента использования канала достигается
при помощи метода заимствования с упорядочиванием. При этом методе количе-
ство каналов, входящих в каждую категорию, динамически меняется в зависи-
мости от объема трафика. Вероятность заимствования присваивается каждому
каналу, подлежащему заимствованию. Каналы сортируются в порядке убывания
этой вероятности. Значения вероятностей обновляются на основании данных о
количестве заимствований каналов.
В методе динамического распределения каналов отсутствуют каналы, посто-
янно закрепленные за сотами. Каналы выделяются конкретному соединению
или последовательно нескольким соединениям. Решение о выделении канала
принимается либо центром коммутации, либо подвижной станцией. В первом
случае речь идет о централизованном управлении; во втором - о распределенном
управлении процессом выделения каналов. Центр коммутации выбирает конк-
ретный канал, пользуясь критерием минимизации стоимостной функции. Эта
функция зависит от вероятности блокировки, частоты использования потенциаль-
но выделяемого канала, расстояния до соты, в текущий момент использующей
тот же самый канал, и т.д. В процессе выделения канала центр коммутации также
учитывает измерения уровня сигнала, принимаемого с подвижной станции.
Метод гибкого распределения каналов сочетает в себе преимущества фикси-
рованного и динамического распределений. Каждая сота постоянно имеет в
своем распоряжении набор каналов, достаточный для обслуживания трафика
184
Системы подвижной радиосвязи
средней интенсивности. Центр коммутации управляет остальными каналами,
которые могут быть выделены соте, испытывающей нехватку постоянных кана-
лов для обслуживания высокого текущего трафика.
В стратегии гибкого распределения каналов с планированием выделение до-
полнительных каналов планируется заранее с учетом времени суток и располо-
жения соты. Распределение каналов изменяется в заранее установленные мо-
менты, предшествующие критическому возрастанию интенсивности трафика.
В стратегии гибкого распределения каналов с прогнозированием интенсив-
ность трафика измеряется в режиме реального времени, и центр коммутации по-
движной связи может перераспределять каналы в любой момент времени.
Приведенные методы распределения каналов дают всего лишь общее пред-
ставление о многообразии способов распределения каналов, представленных в
специальной литературе. Большой обзор этих стратегий приведен в издании [9],
которое можно рекомендовать заинтересованному читателю. Сравнив две
основные группы методов - фиксированного и динамического распределения
каналов, мы можем утверждать о существовании компромисса между достижи-
мым качеством обслуживания (подразумеваемым здесь в основном как вероят-
ность блокировки соединений), сложностью реализации и эффективностью ис-
пользования выделенного спектра. Как следует из [9], результаты моделирования
и анализа свидетельствуют, что при малой интенсивности трафика динамиче-
ское распределение каналов дает лучший результат, чем фиксированное. Однако
фиксированное распределение показало свое превосходство в условиях боль-
ших объемов трафика и равномерного распределения подвижных станций по
зоне охвата системы. При фиксированном распределении каналы выделяются
таким образом, чтобы обеспечить их максимально многократное использование.
Это невозможно осуществить в случае динамического распределения, которое
имеет статистический характер, обусловленный статистической природой звон-
ков и запросов на выделение канала.
ЛИТЕРАТУРА
1. V.H.Mac Donald, «The Cellular Concept», Bell System Technical Journal. Vol. 58,
№1, January 1979, pp. 15-41.
2. W.C.Y. Lee, «Elements of Cellular Mobile Radio Systems», IEEE Trans. Vehicular
Technology, Vol. VT-35, №2, May 1986, pp. 48-56.
3. T.S.Rappaport, Wireless Communications, Prentice-Hall PTR, Upper Saddle River,
N.J., 1996.
4. K.David, T.Benkner, Digitale Mobilfunksysteme, B.G.Teubner, Stuttgart, 1996.
5. A.Mehrotra, GSM System Engineering, Artech House Publishers, Boston, 1997.
6. G.L.Stiiber, Principles of Mobile Communication, Kluwer Academic Publishers,
Boston, 1996.
Глава 5. Кониепиия системы сотовой подвижной связи 185
7. D.Rutkowski, «The Rules of Cellular Network Construction and their Progress Per-
spectives» (in Polish), Przeglad Telekomunikacyjny, №4, 1996, pp. 241-249.
8. S.Tekinay, B.Jabbari, «Handover and Channel Assignment in Mobile Cellular Ne-
tworks», IEEE Communications Magazine, November 1991, pp. 42-46.
9. l.Katzela, M.Naghshineh, «Channel Assignment Schemes for Cellular Mobile Tele-
communication Systems: A Comprehensive Survey», IEEE Personal Commu-
nications, June 1996, pp. 10-31.
10. W.C.Y.Lee, «Smaller Cells for Greater Performance», IEEE Communications
Magazine, November 1991, pp. 19-23.
11. ETSI GSM 05.05, Radio Transmission and Reception, March 1991.
12. A.Wojnar, Land Mobile Communication Systems (in Polish), WK.L, Warszawa,
1991.
Глава 6
ПЕРВОЕ ПОКОЛЕНИЕ СИСТЕМ СОТОВОЙ
ТЕЛЕФОНИИ - СИСТЕМЫ NMT И AMPS
6.1. ПЕРВОЕ ПОКОЛЕНИЕ
СОТОВОЙ ПОДВИЖНОЙ
СИСТЕМ
СВЯЗИ
Системы сотовой подвижной связи первого поколения, использующие ана-
логовую передачу речи, были введены в эксплуатацию в начале 80-х годов. Пер-
вой сотовой системой, по сей день находящейся в эксплуатации, стала американ-
ская система Advanced Mobile Phone System (AMPS) [4]. Несмотря на то, что раз-
работаны технологически более совершенные системы, AMPS все еще доста-
точно популярна в США, Канаде, Центральной и Южной Америке и в некоторых
других странах. Первой сотовой системой, реализованной в Европе, стала Nor-
dic Mobile Telephone (NMT). Эта ССПС первого поколения была унифицирована
для эксплуатации в нескольких странах и предоставляла услуги подвижной свя-
зи по всей Скандинавии. Она до сих пор используется в Скандинавии и некото-
рых странах Восточной Европы. Техническая характеристика систем AMPS и
NMT приведена в табл. 6.1.
NMT и AMPS - лишь два примера ССПС первого поколения. Известны дру-
гие сотовые системы первого поколения - система Total Access Communication
System (TACS)1, которая использовалась в Соединенном Королевстве, Ирландии,
Испании, Китае, Новой Зеландии, Гонконге и некоторых других странах, а также
система C-Netz, которая использовалась в Германии, Австрии, Южной Африке и
Португалии. Подобная же система эксплуатировалась во Франции. Все аналого-
вые сотовые системы были реализованы примерно на одном технологическом
уровне; правила их работы также были во многом схожи. Из-за общей тенденции
1 TACS - европейская модификация стандарта AMPS.
Глава 6. Первое поколение систем сотовой телефонии - системы NMT и AMPS 187
Таблица 6.1. Основные технические параметры сотовых систем
AMPS и NMT
Параметры систем AMPS NMT-450 NMT-900
Диапазон частот передачи, МГц: базовой станции подвижной станции 869...894 824...849 463...467,5 453...457,5 935...960 890...915
Дуплексный разнос, МГц 45 10 45
Частотный разнос каналов, кГц 30 25 25
Количество каналов 832 180 1000
Радиус зоны покрытия базовой станции, км 2-25 1,8-40 2-20
Телефонные сигналы: модуляция девиация частоты, кГц FM ±12 FM ±5 FM ±5
Управляющие сигналы: модуляция девиация частоты, кГц FSK ±8 FSK ±3,5 FSK ±3,5
Скорость передачи данных, кбит/с 10 1,2 1,2
Выходная мощность передатчика, Вт: максимальная для базовой станции средняя для подвижной станции 100 3 50 1,5 25 1
к выведению таких систем из эксплуатации они не станут предметом для деталь-
ного рассмотрения. Мы коротко остановимся на системах NMT и AMPS, посколь-
ку они все еще сохранили некоторую популярность.
6.2. АРХИТЕКТУРА NMT
Система NMT была совместно разработана скандинавскими странами -
Данией, Норвегией, Швецией и Финляндией. В первой фазе развития система
работала в диапазоне 450 МГц. Через некоторое время сотовая связь стала на-
столько популярной, что емкость системы приблизилась к насыщению. В связи с
этим была разработана модифицированная версия системы в новом диапазоне -
900 МГц, обозначаемая как NMT-900.
Первоначально разработчики предполагали существование следующих ти-
пов подвижных станций:
• установленные в транспортных средствах;
• переносные;
• беспроводные таксофоны.
188
Системы подвижной радиосвязи
Эти посылки характерны для скандинавских стран, где одной из причин по-
явления и необычайного успеха сотовой телефонии была низкая плотность насе-
ления. Технологический прогресс по сравнению с 80-ми годами позволил заме-
нить подвижные переносные станции носимыми (англ, handheld). Система была
ориентирована на наземную связь, однако могла использоваться и для связи на
короткие расстояния в морской прибрежной зоне. Она также применялась в ка-
честве одного из альтернативных средств беспроводного абонентского доступа
(см. раздел 15) к коммутируемым телефонным сетям общего пользования
(ТфОП, англ. PSTN). Для системы NMT были определены следующие основные
требования [3]:
• автоматическое установление соединения с подвижной станцией, а также
по инициативе подвижной станции;
• возможность соединения с любым абонентом телефонной сети общего
пользования в любой стране, а также с любым абонентом подвижной сети;
• стоимость связи должен оплачивать вызывающий абонент, причем рас-
считывается она на основе длительности разговора и набираемого номера;
• для мобильного абонента система должна быть подобна ТфОП в аспектах
пользования сетью, надежности передачи данных, оплаты и конфиден-
циальности разговоров;
• запуск сети NMT не должен привести к сколько-нибудь существенным
изменениям в телефонной сети общего пользования.
Система NMT состоит их трех основных групп элементов: центров комму-
тации подвижной связи2 (ЦКПС, англ. Mobile Telephone Exchanges - МТХ), базо-
вых станций и подвижных станций.
МТХ - это основной управляющий элемент системы. Он обеспечивает стык
с телефонной сетью общего пользования. Взаимодействие МТХ-ТфОП возмож-
но на локальном, транзитном и международном уровнях, причем предпочти-
тельным является транзитный. МТХ представляет собой специализированный
цифровой коммутатор. Поэтому, наряду со стандартным соединением, МТХ
позволяет реализовать дополнительные услуги, такие, как ускоренный набор но-
мера, переадресация соединения и т.д.
Базовые станции реализуют интерфейс между фиксированной частью сис-
темы и подвижными станциями. Они связаны со станциями МТХ по четырех-
проводным системам передачи, реализованным на кабельных или радиорелей-
ных линиях. Зоны покрытия базовых станций сгруппированы в так называемые
зоны трафика (англ, traffic area). Каждая зона трафика соединена с МТХ фикси-
рованной сетью. Каждый МТХ может контролировать несколько зон трафика.
2 Буквально - коммутатор подвижной телефонии. Термин МТХ применим к системе
NMT, в отличие от MSC в ССПС GSM (прим. ред.).
Глава 6. Первое поколение систем сотовой телефонии - системы NMT и AMPS 189
Рис. 6.1. Обобщенная структура системы NMT
Конфигурация такой сети изображена на рис. 6.1. Территория, охватываемая ба-
зовыми станциями, которые управляются одним центром коммутации МТХ, на-
зывается зоной обслуживания (анти, service area). Они делятся на зоны трафика.
Каждая базовая станция распоряжается подгруппой каналов, выделенных
соте в соответствии с планом распределения каналов. В системе NMT существу-
ют следующие каналы:
• вызывной;
• разговорный;
• доступа (в системе NMT-900);
• совмещенный разговорно-вызывной;
• данных.
В типовой ситуации каждая базовая станция имеет в своем распоряжении
один вызывной канал, один канал доступа (в системе NMT-900), один канал дан-
ных и некоторое количество каналов разговорного трафика.
190
Системы полвижнои радиосвязи
Вызывной канал используется базовой станцией для передачи специального
идентификационного сигнала. Подвижные станции, находящиеся в данной зоне
трафика и пребывающие в состоянии ожидания1', включены на прием сигналов
вызывного канала. После идентификации сигнала вызова подвижной станции
выделяется разговорный канал, который позволяет завершить процедуру уста-
новления соединения и перейти к разговору.
Разговорный канал предназначен для осуществления разговора и части про-
цедуры установления соединения. Он может находиться в трех различных состо-
яниях, каждое из которых обозначается особым сигналом:
• «свободный» - подвижная станция использует канал для вызова базовой
станции и установления соединения;
• «занятый» - в текущий момент установлено соединение;
• «ожидание» - канал не используется для работы, т.е. не находится ни в
свободном, ни в занятом состоянии.
Напомним, что для дуплексной связи требуется пара каналов - один для пе-
редачи с базовой станции на подвижную (нисходящая линия связи, англ, do-
wnlink) и второй, сдвинутый относительно первого на 10 МГц и используемый
для передачи в обратном направлении (восходящая линия связи, англ, uplink).
Подвижная станция, желающая установить соединение, ищет нисходящий ка-
нал, обозначенный как свободный. Соответственно, сдвинутый на 10 МГц вос-
ходящий канал может использоваться для осуществления процедуры вызова.
Совмещенный разговорно-вызывной канал обладает характерными особен-
ностями обоих типов каналов. В обычном режиме он используется как вызывной
канал. Однако если все разговорные каналы заняты, этот канал может использо-
ваться отдельными абонентами, имеющими высший приоритет, как разговорный.
Канал данных позволяет измерять мощность сигнала подвижной станции, с
которой установлено соединение. Результаты измерений используются МТХ
в процессе хэндовера.
Канал доступа - это особый канал в системе NMT-900, предназначенный
для передачи вызова вместо разговорного канала, обозначенного «свободным».
Система NMT-450 работает в режиме FDMA/FDD. Частотные диапазоны
нисходящих линий связи составляют 463...467,5 МГц в NMT-450 и 935...960 МГц
в NMT-900, восходящих - 453,0...457,5 МГц в NMT-450, 890...915 МГц в
NMT-900 [5]. Несущие частоты разнесены друг от друга на 25 кГц, что позволяет
разместить в выделенном спектре 180 каналов в системе NMT-450 и 1000 кана-
лов в NMT-900. Речевые сигналы передаются при помощи FM-модуляции с де-
виацией частоты 5 кГц [5].
3 В состоянии ожидания питание подвижной станции подается только на элементы, не-
обходимые для детектирования вызова.
Глава 6. Первое поколение систем сотовой телефонии - системы NMT и AMPS 191
Поскольку количество каналов в системе NMT-450 составляло 180, разра-
ботчики системы предвидели, что ее емкости будет недостаточно для обслужи-
вания плотно населенных городских районов. Поэтому была применена идея
разделения сот. Одно из возможных решений заключалось в создании концент-
рических сот с секторами по 60° каждый, центр которых располагается в точке,
ближайшей к месту с максимальной плотностью трафика. В непосредственной
близости вокруг центра соты очень малы. Соты в последующих кольцах стано-
вятся все больше и теоретически образуют кольцо. Различные размеры сот и
значения мощности базовых станций требуют наличия динамического управле-
ния мощностью подвижных станций для того, чтобы минимизировать внутри-
канальные помехи и обсуждавшийся ранее «near-far effect».
Все управляющие сигналы передаются при помощи MSK-модуляции
(см. раздел 1) со скоростью 1200 бит/с непосредственно в канале речевого тра-
фика, прерывая речевой сигнал абонента. Управляющие сигналы представляют
собой блоки из 16 шестнадцатеричных символов, т.е. имеют длину 64 бита.
Для обеспечения надежного приема используется корректирующий код Хагель-
бергера (англ. Hagelberger). Этот код предназначен для исправления пакетов оши-
бок не длиннее 6 битов. Последовательные пакеты ошибок должны быть подвер-
гнуты перемежению с безошибочными последовательностями длиной не менее
20 битов. Данный код позволяет исправить большинство ошибок, возникающих
в результате замираний при стандартной скорости движения подвижной станции.
Управляющий кадр состоит из 166 битов и разделен на следующие блоки:
• 15 битов битовой синхронизации (101010101010101);
• 11 битов кадровой синхронизации (11100010010);
• 140 битов данных, в число которых входят биты управляющей информа-
ции и биты кода Хагельбергера.
15 битов
11 битов
140 битов
Битовая
Кадровая
синхронизация синхронизация
Закодированная
информация
| Nt| N2| N3| Р | Mt|M2[ Z | Xt| Х2| Х3| Х4|Х5| Х6| | |
Информация
Рис. 6.2. Структура сигнального кадра в системе NMT
На рис. 6.2 представлена структура сигнального кадра. Кодированная ин-
формация содержит трехзначный номер канала, префикс, двухзначный номер зо-
ны трафика, семизначный номер абонента и трехсимвольную информацию
пользователя.
192
Системы подвижной радиосвязи
6.3. УПРАВЛЕНИЕ ПОТОКОМ ИНФОРМАЦИИ
В СИСТЕМЕ NMT
Функции управления потоком информации часто оказывают решающее вли-
яние на производительность системы. Они связаны с процедурами установления
соединения, передачи соединения из соты в соту4, вызовом подвижных станций
и обновлением информации об их местоположении.
Рассмотрим работу системы в момент инициируемого сетью установления
соединения. Абонент телефонной сети общего пользования, желающий позво-
нить мобильному абоненту, устанавливает соединение с коммутатором МТХ.
Существуют две возможности установить соединение с подвижной станцией.
Первая заключается в установлении соединения с опорным («домашним»)
ЦКПС данной абонентской станции, т.е. с тем МТХ, в котором подвижная стан-
ция постоянно зарегистрирована. Информация о текущем местоположении
подвижной станции находится в регистре абонентов МТХ. На основе этой ин-
формации ЦКПС передает соединение на тот МТХ, в зоне обслуживания кото-
рой подвижная станция находится в текущий момент. Текущее местоположение
подвижной станции в зоне обслуживания конкретного МТХ отмечено в ее реги-
стре абонентов. Информация о вызываемой подвижной станции окончательно
анализируется в МТХ назначения, который и управляет последними этапами
установления соединения.
Вторая возможность маршрутизации заключается в установлении соединения
с ближайшим МТХ, который является шлюзом в систему NMT. Этот коммутатор
анализирует вид номера вызываемого абонента и посылает запрос на опорный
МТХ данного мобильного абонента, чтобы выяснить его текущее местоположе-
ние. Далее на основе полученной информации устанавливается кратчайший
маршрут к тому МТХ, который обслуживает район расположения вызываемой
подвижной станции.
Оба способа показаны на рис. 6.3 [5]. МТХ Н (опорный5 ЦКПС, англ. Ноте
МТХ) обозначает коммутатор приписки абонента, содержащий постоянную ин-
формацию и информацию о текущем местоположении вызываемой подвижной
станции, а МТХ V (визитный6 ЦКПС, англ. VisitedМТХ) - это коммутатор, обслу-
живающий географическую область, в которой подвижная станция находится в
текущий момент МТХ G (шлюзовой ЦКПС, англ. Gateway МТХ) обозначает бли-
жайший к вызываемому абоненту коммутатор системы NMT. Следовательно,
второй способ требует дополнительного обмена данными сигнализации между
коммутаторами МТХ, позволяя при этом минимизировать стоимость передачи
сигналов. Этот метод может применяться, если в подвижной сети используется
4 Хэндовером (прим. ред.).
3 Часто встречается название «домашний». И то, и другое является правильным (прим. ред.).
6 Часто встречается название «гостевой». Ито, и другое является правильным (прим. ред.).
Глава 6. Первое поколение систем сотовой телефонии - системы NMT и AMPS 193
Рис. 6.3. Маршрутизация при установлении соединения
1 - стандартная процедура; 2 - процедура с участием ближайшего коммутатора МТХ
план распределения номеров, позволяющий идентифицировать мобильного або-
нента на ранней стадии установления соединения.
Если подвижная станция принимает по вызывному каналу сигнал запроса
на соединение, содержащий ее собственный идентификационный номер, она от-
вечает по восходящему вызывному каналу. На основе этого ответа станция МТХ
определяет ближайшую к этой подвижной станции базовую станцию, принадле-
жащую к зоне трафика, в которой недавно зарегистрировалась данная абонент-
ская станция. Затем МТХ выделяет ей номер разговорного канала, на который и
настраивается вызываемая подвижная станция. С этого момента вызывной ка-
нал освобождается и может обслуживать установление других соединений. Если
вызываемая подвижная станция не подтверждает вызова, то МТХ генерирует то-
новое или речевое сообщение, обозначающее, что подвижная станция недоступ-
на. Подобный сигнал передается также в случае отсутствия свободного канала
для установления соединения.
После того как подвижная станция была идентифицирована и ей был выде-
лен свободный разговорный канал, выполняются следующие этапы установле-
ния соединения. Выбранная базовая станция начинает передавать тестовый тон
для контроля и измерения качества соединения. В системе NMT-900 базовая
станция посылает запрос идентификационного номера и пароля подвижной
станции. Для передачи этих параметров подвижная станция использует выде-
ленный ей разговорный канал. Если идентификация подвижной станции прохо-
дит успешно, то базовая станция посылает команду подать звонковый сигнал.
После ответа подвижного абонента (символическое «снятие трубки») осуществ-
ляется сам разговор. Отключение одного из абонентов дает сигнал для освобож-
дения выделенного разговорного канала и перехода подвижной станции в режим
ожидания. В этом режиме она настроена на вызывной канал той соты, в которой
расположена в текущий момент.
Теперь рассмотрим запрос на соединение, инициируемый мобильным або-
нентом. Необходимым условием подачи запроса на соединение считается теку-
щая регистрация вызывающей подвижной станции в сотовой сети, а также ее со-
194
Системы полвижнои ралиосвязи
стояние, в котором на нее подается питание, и она настроена на вызывной канал
для возможного обнаружения сигнала вызова. Подача мобильным абонентом за-
проса на соединение начинается с поиска подвижной станцией свободного раз-
говорного канала. Такой канал находится в результате сканирования нисходящих
каналов передачи данных, передающих сигнал «свободного канала». По восхо-
дящему каналу, связанному с первым найденным свободным нисходящим кана-
лом, подвижная станция инициирует обмен управляющими сигналами. Она пе-
редает идентификационный номер и номер вызываемого абонента подвижной
или фиксированной сети. Станция МТХ, обслуживающая область трафика, в
которой находится подающая запрос подвижная станция, выяснясг категорию
вызывающего абонента.
В системе NMT-900 подвижная станция осуществляет ту же самую процеду-
ру по каналу доступа. Коммутатор МТХ дополнительно проверяет пароль абонен-
та. После этого соединению выделяется свободный канал передачи информации.
В случае перегрузки системы абоненты с высшим приоритетом (аварийные
службы, полиция, скорая помощь) получают временный доступ к комбиниро-
ванному разговорно-вызывному каналу.
В процессе разговора базовая станция посылает на подвижную станцию не-
прерывный тоновый сигнал с частотой порядка 4000 Гц (3955, 3985, 4015 или
4045 Гц). Подвижная станция возвращает этот сигнал на базовую станцию. Базо-
вая станция оценивает качество принимаемого сигнала, для того чтобы опреде-
лить необходимость начала процедуры передачи соединения в другую соту или
завершения соединения. Базовая станция информирует МТХ о качестве прини-
маемого тонового сигнала. Если его уровень слишком низок, МТХ инициирует
измерения уровня сигнала в соседних сотах. На основе этих измерений прини-
мается решение о возможной передаче соединения в другую соту. Если измере-
ния сигнала во всех соседних сотах оказываются не лучше, чем в текущей, то че-
рез 20-30 с производится вторая попытка передачи соединения. При падении
уровня сигнала ниже критического значения соединение прерывается. Если про-
цедура передачи соединения все-таки инициируется и выбирается другая сота,
начинается поиск нового разговорного канала. По его нахождении, МТХ отправ-
ляет подвижной станции команду на перенос соединения на новый разговорный
канал в другой соте.
Заметим, что при передаче соединения подвижная станция находится в пас-
сивном состоянии. В измерениях, последующем анализе их результатов и приня-
тии решения о передаче соединения участвуют только МТХ и соответствующие
базовые станции. Это серьезная нагрузка на управляющую часть системы. В со-
временных системах измерения и процедуры принятия решения носят более
распределенный характер. В них принимают участие и подвижные станции.
Если МТХ принимает решение о передаче соединения в одну из соседних
сот, то она посылает окружающим базовым станциям команду произвести изме-
рение уровня сигнала в канале, который в текущий момент используется по-
движной станцией. Поэтому все базовые станции оснащены контрольными при-
Глава 6. Первое поколение систем сотовой телефонии - системы NMT и AMPS 195
емниками, позволяющими измерять мощность сигнала во всех каналах системы.
Информация, полученная с такого приемника, позволяет коммутатору МТХ
определить, какой базовой станции следует передать соединение с данной по-
движной станцией. Заметим, что хэндовер может происходить не только внутри
одной зоны трафика, но также и от одной его зоны к другой или даже между зона-
ми обслуживания. В последнем случае происходит смена МТХ.
Базовой станции также предписывается проводить измерения уровня
сигнала в начале процедуры запроса соединения, для того чтобы определить,
насколько эта базовая станция подходит для установления соединения с конк-
ретной подвижной станцией. Результаты этих измерений также позволяют
убедиться в том, что близко расположенная к базовой станции подвижная
станция не посылает сигнал слишком высокой мощности. При необходимо-
сти МТХ дает подвижной станции команду снизить мощность передатчика,
чтобы выровнять уровень мощности сигналов, приходящих от разных по-
движных станций. Измерения также используются при переносе соединения
на другой разговорный канал в случае, если используемый в данный момент
канал вышел из строя или не обеспечивает требуемого качества в конкретных
условиях распространения сигнала.
Процедура обновления информации о местоположении подвижной станции
тесно связана с управляющими функциями системы. Как уже упоминалось, пока
подвижная станция находится в режиме ожидания, она настроена на вызывной
канал своей соты. По этому каналу передается код зоны трафика, которой при-
надлежит используемая сота. Когда подвижная станция меняет свое местополо-
жение, она настраивается на новый вызывной канал. Следовательно, если по-
движная станция обнаруживает новый код зоны трафика, она производит запрос
на соединение для того, чтобы обновить информацию о своем местоположении в
абонентском регистре опорного МТХ.
Когда подвижная станция перемещается в новую зону обслуживания, нахо-
дящуюся в ведении другого ЦКСПС, процедура регистрации выполняется но-
вым, визитным коммутатором МТХ. Это и есть так называемый роуминг (англ.
roaming). Гостевой МТХ посылает информационную последовательность, изве-
щающую о новом местоположении подвижной станции на ее опорный коммута-
тор МТХ и получает в ответ информацию о текущем статусе абонента.
В скандинавских странах подвижные станции оборудованы схемами, пред-
отвращающими их соединение с зарубежными базовыми станциями.
Для реализации процедур управления, связанных с установлением соедине-
ния и хэндовера, требуется следующее время [5]:
• вызов со стороны подвижной станции - 4 с;
• вызов подвижной станции:
• время занятия вызывного канала - 1 с;
• время занятия разговорного канала — 1 с;
196
Системы подвижной радиосвязи
• разъединение - 0,75 с;
• передача соединения (хэндовер) в другую соту:
• 1 с в системе NMT-450,
• 0,3 с в системе NMT-900.
6.4. УСЛУГИ, ПРЕДОСТАВЛЯЕМЫЕ СИСТЕМОЙ NMT
Услуги, предоставляемые стандартом NMT, частично следуют из особенно-
стей организации связи при помощи электронных телефонных станций, исполь-
зуемых в системе NMT и модифицированных для работы в этой сети сотовой по-
движной связи. В общих чертах система предлагает абонентам тот же набор
услуг, что и типичная фиксированная телефонная сеть. Помимо стандартного
разговорного соединения, предоставляется некоторое количество дополнитель-
ных услуг, таких, как сокращенный набор номера, немедленная переадресация
звонка или переадресация звонка при отсутствии ответа абонента, отслеживание
злонамеренных вызовов и т.д. Эти услуги предлагаются как в сети NMT, так и в
фиксированных сетях. Предоставляются также услуги, характерные только для
систем подвижной связи.
Первая из них - передача данных от подвижной станции (англ. Data Mobile
Station). Эта услуга представляет собой низкоскоростную (600 бит/с) передачу
данных и факсимильных сообщений. Напомним, что при обычном соединении
сигнальные последовательности передаются по каналу передачи данных во
время перерывов в речевом сигнале. Такой режим работы не подходит для пере-
дачи данных. Поэтому передача данных возможна только после прекращения
передачи сигнальных последовательностей, необходимых для осуществления
хэндовера и управления мощностью. Услуга передачи данных активируется и
деактивируется абонентом и требует наличия специального оборудования для
взаимодействия, предоставляющего собой модемный интерфейс подвижной
станции с терминалом передачи данных или факсимильных сообщений.
Вторая услуга - мобильный таксофон (англ. Coin Box Mobile Station). Она
предоставляет подвижной станции информацию о стоимости разговора в ходе
звонка, инициированного подвижным абонентом. Может использоваться, напри-
мер, подвижной станцией, работающей по принципу таксофонного аппарата.
Абонентам также предлагаются и другие услуги - приоритетный звонок,
двухтональный многочастотный набор номера (DTMF), а также целый перечень
дополнительных усовершенствований на базе подвижной станции (кнопочный
(тастатурный) набор номера, автоматический набор номера без снятия трубки,
встроенная в подвижную станцию телефонная книга, повторный набор послед-
него номера, электронная блокировка и т.д.). Передвигающимся в транспортных
средствах абонентам предоставляется очень важная услуга - возможность вести
телефонный разговор без помощи рук (англ, hands-free).
Глава 6. Первое поколение систем сотовой телефонии - системы NMT и AMPS 197
6.5. КОНСТРУКЦИИ ТИПОВЫХ подвижной
И БАЗОВОЙ СТАНЦИЙ
Типовая подвижная станция состоит из трех основных частей: приемопере-
датчика, логического блока и пользовательского интерфейса (рис. 6.4).
Рис. 6.4. Блок-схема подвижной станции стандарта NMT
Принимаемый с микрофона голосовой сигнал усиливается и направляется на
вход FM-модулятора, несущая частота которого генерируется синтезатором час-
тот. Синтезатор контролируется микропроцессорным блоком управления, который
определяет номер используемого канала. Модулированный сигнал усиливается в
усилителе мощности с регулируемым коэффициентом усиления. После прохожде-
ния через дуплексный фильтр выходной сигнал направляется на антенну. Вместо
звукового сигнала может передаваться MSK-модулированный сигнал с управляю-
щими двоичными последовательностями. Кроме того, как отмечалось ранее, по-
движная станция принимает тестовый тоновый сигнал с частотой 4000 Гц, пере-
даваемый базовой станцией, и ретранслирует его в обратном направлении.
Принятый антенной сигнал через дуплексный фильтр направляется на прием-
ную часть подвижной станции. Прежде всего, он усиливается, а затем в два этапа
переводится на промежуточную частоту (ПЧ), на которой работает частотный ди-
скриминатор. Речевой сигнал с выхода детектора направляется на усилитель гром-
коговорителя. Принятый цифровой управляющий сигнал направляется на MSK-
демодулятор. Тестовый тон, имеющий частоту выше полосы речевого сигнала,
после выделения из принятого сигнала, направляется на модулятор передатчика.
На основе сообщений, полученных от базовой станции, блок управления
принимает решение о номере разговорного канала. В зависимости от типа пере-
198
Системы подвижной радиосвязи
даваемого или принимаемого сигнала он включает/ выключает усилители мик-
рофона и громкоговорителя, а также управляет работой клавиатуры и дисплея.
Блок управления подвижной станцией контролирует процесс установления сое-
динения, например, ищет свободный разговорный канал. Он также управляет
процессом освобождения канала после завершения разговора и процедурой ав-
томатической регистрации подвижной станции в системе.
Базовая станция состоит из определенного количества блоков так называе-
мого канального оборудования, а также цепей, общих для всех блоков, таких, как
комбайнер7, многоканальный антенный разветвитель, блок контроля, измери-
тель мощности принимаемых сигналов, высокочастотная тестовая петля и ис-
точник электропитания.
Канальное оборудование - это передатчик, приемник и блок управления.
Передатчик включает в себя фильтр предварительной коррекции, FM-модуля-
тор, генератор тестового тона и усилитель. Максимальная мощность передавае-
мого сигнала составляет 50 Вт в системе NMT-450 и 25 Вт в системе NMT-900.
Приемник состоит из усилителя входного сигнала, FM-детектора, фильтра об-
ратной коррекции, режекторного фильтра, вырезающего тестовый тон, и схемы
измерения, контролирующей уровень принимаемого сигнала. Блок управления
состоит из управляющего микропроцессора, модема, осуществляющего связь со
станцией МТХ, и генератора тестового тона. Блок управления участвует в пере-
даче сигналов между МТХ и радиочастотной частью базовой станции. Кроме то-
го, он управляет функциями диагностики с использованием тестовой петли,
обеспечивает сигнализацию и оповещение, а также оценивает качество прини-
маемого тестового тона.
Комбайнер позволяет всем передатчикам пользоваться одной и той же ан-
тенной без создания взаимных помех. В этот блок также входят фильтры, отсека-
ющие частоты, выходящие за пределы диапазона данного канала.
Многоканальный разветвитель распределяет принимаемые сигналы по со-
ответствующим приемникам. Это производится при помощи полосовой филь-
трации и активного усиления канальных сигналов.
Блок управления совместно с измерительным блоком оценивает уровень
принимаемых сигналов. Результаты измерений подвергаются 64-уровневому
квантованию и затем передаются на МТХ. Они используются при принятии ре-
шения о возможности хэндовера.
к * *
Устаревшая к настоящему моменту система NMT сыграла существенную
роль в развитии сотовой телефонии в Скандинавии, Восточной Европе и многих
других странах. Теперь ее почти полностью вытеснил стандарт GSM. Однако эта
Правильным названием устройства было бы передающий сумматор или передающий
распределитель.
Глава 6. Первое поколение систем сотовой телефонии - системы NMT и AMPS 199
система все еще используется в сельской местности с низкой плотностью насе-
ления для реализации местных беспроводных линий связи. Поэтому огромные
инвестиции в распространение системы NMT в 80-х и в начале 90-х годов XX в.
не были напрасной тратой денег.
6.6. ОБЗОР СИСТЕМЫ AMPS
Система AMPS (Advanced Mobile Phone System) была разработана в 70-х го-
дах XX в. [4], однако впервые была развернута в районе Чикаго в 1983 г. Система
приобрела большую популярность в США, Канаде, Мексике, Южной Америке,
Австралии и Израиле. Она также была установлена в некоторых районах бывше-
го Советского Союза. Хотя эта система к настоящему моменту устарела, она все
еще используется на большой территории Североамериканского континента.
Федеральная комиссия связи США выделила системе AMPS полосу спектра ши-
риной 40 МГц в 800 МГц диапазоне, который позднее был расширен еще на 10 МГц
(см. табл. 6.1). По соображениям принудительной конкуренции спектр обычно
делится (рис. 6.5) между двумя поставщиками услуг - оператором беспроводной
связи (А) и оператором проводной связи8 (В). Дополнительные полосы спектра,
выделенные каждому оператору связи, обозначаются соответственно А' и В'.
Каждый оператор имеет в своем распоряжении 416 каналов, включая 21 канал
управления. Следует обратить внимание на то, что в разных странах распределе-
ние каналов может различаться. В некоторых странах услуги системы предо-
ставляет только один оператор, поэтому там нет разделения доступных каналов
между двумя поставщиками услуг.
Восходящая линия связи
824.04 825.03
835.02
845.01 846.51 849.00
33 А' 333 канала А (21) Ж (21) 333 канала В 50 А' 83 В'
Каналы
управления
Нисходящая линия связи
869.04 870.03 835.02 890.01 891.51 894.00
33 333 канала (21) (21) 333 канала 50 83
А' А № В А' В'
Каналы
управления
Рис. 6.5. Распределение спектра в системе AMPS
Получающим возможность стать поставщиком услуг беспроводной связи (прим. ред.).
200
Системы подвижной радиосвязи
В системе используются кластеры из семи сот, как правило, со 120°-сектор-
ными антеннами для обеспечения отношения сигнал/помеха на уровне не менее
18 дБ. Каналы шириной по 30 кГц разделены на следующие категории:
• прямые речевые каналы (англ. Forward Voice Channels - FVC) - предназ-
начены для передачи с базовой станции на подвижную речевых сигналов,
приходящих из фиксированной сети, а также для передачи некоторых
управляющих сигналов во время разговора;
’ обратные речевые каналы (англ. Reverse Voice Channels - R VC) - предназ-
начены для передачи речевых сигналов и управляющих сигналов в обрат-
ном направлении;
• прямые каналы управления (англ. Forward Control Channels - FCC) -
предназначены для передачи системной информации и пейджинга по-
движных станций;
• обратные каналы управления (англ. Reverse Control Channels RCC) -
предназначены для передачи сигнальной информации с подвижной стан-
ции на базовую во время установления соединения.
Стандартная базовая станция имеет в своем распоряжении восемь или более
дуплексных речевых каналов, а также по одному прямому и одному обратному
каналу управления. Тем не менее, число речевых каналов может достигать 57,
что приводит к увеличению числа каналов управления. Реальная конфигурация
каналов зависит от ожидаемого трафика и особенностей оборудования. Каждая
базовая станция оборудована передатчиком канала управления (FCC). Этот пере-
датчик непрерывно излучает FSK-модулированный цифровой сигнал со скоро-
стью передачи данных, равным 10 кбит/с, содержащий системную информацию,
такую, как уникальный для каждого оператора связи идентификационный номер
системы (англ. System Identification Number-SID), а также другую информацию
о состоянии системы - данные по управлению мощностью, возможности роу-
минга, а также способности системы работать со стандартами DAMPS9 (IS-54) и
NAMPS10 (узкополосный AMPS). Системная и вызывная информация организо-
ваны в виде потока служебных сообщений. В США стандартизован 21 канал
управления для каждого оператора связи, поэтому подвижная станция, которая
хочет «войти» в сеть AMPS и настроиться на самый сильный канал FCC, должна
сканировать только предустановленные каналы. Как уже упоминалось, канал
RCC в основном используется подвижными станциями для инициирования
звонка и подтверждения принимаемых пейджинговых сообщений.
9 DAMPS (Digital AMPS) - TDMA-система, в которой три пользователя делят между со-
бой один канал шириной 30 кГц.
10 NAMPS (Narrowband AMPS) - модификация стандарта AMPS компанией Motorola,
позволяющая устанавливать три соединения по одному каналу шириной 30 кГц за
счет использования FDMA и выделения каждому пользователю диапазона шириной
30 кГц. Обычно эта система устанавливалась в густонаселенных районах.
Глава 6. Первое поколение систем сотовой телефонии - системы NMT и AMPS 201
6.7. РАДИОИНТЕРФЕЙС СИСТЕМЫ AMPS
Нюансы радиоинтерфейса системы AMPS зависят от конкретного типа ка-
нала. Для речевых и управляющих каналов они различны. В первую очередь мы
рассмотрим передачу речевых сигналов.
Основная функция речевого канала - обеспечить передачу голосового сиг-
нала абонента. Она реализована с использованием FM-модуляции. Таким обра-
зом, в канале передачи речи применяются блоки приема и передачи, типичные
для всех FM-систем (рис. 6.6).
б)
Рис. 6.6. Передающий (а) и приемный (б) блоки в цепи обработки речевого сигнала
Речевой сигнал поступает на вход передатчика с микрофона или из телефон-
ной сети общего пользования. Этот сигнал уже отфильтрован и ограничен по ам-
плитуде. Затем он поступает в компрессор. Компрессор - это схема, имеющая пе-
ременный коэффициент усиления. Она обеспечивает контроль изменения уров-
ня и обеспечивает уменьшение динамического диапазона речевого сигнала.
Применение компрессора позволяет улучшить субъективное качество передачи
голоса по каналу с искажениями. Компрессия производится таким образом, что-
бы увеличение мощности входного сигнала на 2 дБ приводило к увеличению
мощности выходного сигнала на 1 дБ. Сжатый сигнал подвергается предварите-
льной коррекции и ограничению по амплитуде, чтобы девиация частоты в
FM-модуляторе не превышала установленного порогового значения 12 кГц. По-
сле этого сигнал направляется на полосовой фильтр, который обеспечивает огра-
ничение спектра сигнала до известной ширины. Наконец, к сигналу добавляется
специальный контрольный тональный сигнал (англ. Supervisory Audio Tone —
SAT), который играет ту же самую роль, что и тестовый тон в системе NMT, после
чего сигнал направляется в FM-модулятор. SAT-сигнал может иметь одну из
трех возможных частот - 5970, 6000 или 6030 Гц. В каждой соте может использо-
ваться только одна из них.
Блоки приемника выполняют действия, обратные таковым в передатчике.
После преобразования с понижением частоты выделяется искомый FM-сигнал.
Затем он проходит через фильтр обратной коррекции и полосовой фильтр, после
202
Системы полвижнои радиосвязи
чего претерпевает расширение. Характеристики экспандера11 соответствуют ха-
рактеристикам уплотнителя, поэтому эти две операции комплементарны.
Теперь рассмотрим передачу данных. Она производится со скоростью
10 кбит/с. В системе AMPS существует два вида передачи данных: непрерывная
передача и прерывистая пакетная передача. Первый из них используется в пря-
мом канале управления. Пакетная передача производится аналогично передаче
данных в системе NMT - по прямому речевому каналу и по обратному каналу
управления. По каналу FVC базовая станция посылает информацию о заверше-
нии разговора, команды на передачу соединения в другую соту и сигналы конт-
роля мощности подвижной станции. Такой метод передачи данных называется
blank-and-burst signaling. Подвижная станция осуществляет дискретную переда-
чу данных по обратному каналу передачи управляющих сигналов (RCC), когда
ей требуется послать запрос на установление соединения.
Для передачи данных со скоростью 10 кбит/с используется FSK-модуляция с
частотной дискриминацией в приемнике. Информация линейно кодируется
Манчестерским (двухфазным) кодом. В этом коде биты данных представляются
парами импульсов. Двоичной единице соответствует пара импульсов (0, 1), а
двоичному нулю - (1, 0). Такой подход позволяет сосредоточить максимальное
количество энергии сигнала в районе 10 кГц. Благодаря этому спектры голосо-
вых сигналов и передаваемых в пакетном режиме данных не сильно перекрыва-
ются. Передаваемые пакеты данных едва слышны пользователю, хотя в течение
их передачи голосовой сигнал отключается на 50 мс. Однако, во время передачи
данных по речевому каналу необходимо приостанавливать передачу создающего
помеху SAT-сигнала.
При передаче данных используется прямая коррекция ошибок при помощи
кодов БЧХ. В прямом канале применяется код БЧХ (40,28), а в обратном канале -
код БЧХ (48, 36).
Непрерывная передача данных по прямому каналу управления осуществля-
ется в виде блоков по 463 бита. Каждый блок начинается с 10-битовой «пунктир-
ной» синхропоследовательности12. За ней идет 11-битовое слово синхрониза-
ции. Закодированные кодом БЧХ слова А и В чередуются при передаче, чтобы
избежать корреляции возможных ошибок. Каждое слово состоит из 40 бит и
представляет собой кодовое слово БЧХ. Слова А и В предназначены подвижным
станциям, имеющим, соответственно, четные и нечетные идентификационные
номера. Остальные 42 бита 463-битового блока представляют собой так называ-
емые биты индикации состояния (свободно/занято). Они вставляются между
синхронизирующими последовательностями и после каждого блока из 10 ин-
формационных битов так, как это показано на рис. 6.7. Предназначены для инди-
11 Расширителя динамического диапазона (прим. ред.).
12 Пунктир (англ, dotting) - последовательность чедедующихся нулей и единиц, дающая
хорошо обнаруживающуюся частотную составляющую 5 кГц. Обозначает начало
кадра (прим. ред.).
Глава 6. Первое поколение систем сотовой телефонии - системы NMT и AMPS 203
кации состояния обратного канала управления и позволяют минимизировать ве-
роятность коллизий при попытке одновременной отправки запроса на установ-
ление соединения двумя или более подвижными станциями.
Длина, L, битов 10
Последнее слово
В5
Битовая
синхронизация
Слово
синхронизации
Слово А, (40, 28) ВСН
Слово В, (40, 28) ВСН
40 40
а Бит индикации состояния (свободно/занято) после каждой
Т синхропоследовательности и через каждые 40 битов
Рис. 6.7. Формат данных в прямом канале управления
Данные пересылаются по обратному каналу управления в форме пакетов.
Подвижные станции конкурируют за этот канал для того, чтобы отправить за-
прос на установление соединения. Поэтому момент начала передачи пакета но-
сит более или менее случайный характер. Эта случайность уменьшается при по-
мощи мониторинга битов индикации состояния свободно/занято в канале FCC.
Благодаря прерывистому характеру передачи пакетов данных, слово «пунктир-
ной» последовательности синхронизации должно быть длиннее, чем в канале
FCC. Оно состоит из 30 битов, а за ним следует 11-битовое слово синхрониза-
ции. Следующие 7 битов составляют слово, кодируемое так называемым цифро-
вым кодом цвета (англ. Digital Color Code-DCC). После преамбулы, описанной
выше, следуют кодированные слова, составляющие тело сообщения. Сообщение
содержит от одного до пяти слов, каждое из которых состоит из 48 бит, повторен-
ных пять раз. Базовая станция производит поразрядную выборку трех из пяти
для того, чтобы определить вид принимаемых 48-битовых последовательностей.
В конце концов, эти последовательности восстанавливаются по алгоритму деко-
дирования из БЧХ-кода (48,36), позволяющему исправить однократную ошибку
или отбросить сообщение, если оно не подлежит восстановлению. Формат паке-
та данных, передаваемого по каналу RCC, изображен на рис. 6.8.
Как уже упоминалось, передача данных производится также по каналам
передачи речи в режиме blank-and-burst. Формат такого пакета изображен на
рис. 6.9. В начале пакета идет последовательность битовой синхронизации дли-
ной L бит (£ = 100 для прямой передачи и L = 101 для обратной), после которой
204
Системы подвижной радиосвязи
Длина, L, битов 30 11 7 48 48
Битовая синхронизация Слово синхронизации Цифровой код цвета Слово А, (48, 36) ВСН Слово Аг
48 48 48 48
Слово Аз Слово А4 Слово А5 Слово В,
Последнее слово А4 Последнее слово Аь
Рис. 6.8. Формат данных в обратном канале управления
Голос
Длина, L, битов
Битовая синхронизация Слово синхронизации Слово А,
37 11 37 11
Битовая синхронизация Слово синхронизации Слово Аг Битовая синхронизация Слово синхронизации Слово А3
Слово синхронизации Слово A*.j Битовая синхронизация Слово синхронизации Слово А* Голос
Рис. 6.9. Формат пакетов данных, передаваемых по речевым каналам
идет 11-битовая последовательность синхронизации слов. Затем следует слово
сообщения (длиной 40 битов при передаче в прямом направлении и 48 битов при
передаче в обратном направлении), которое перемежается с последовательно-
стями синхронизации, причем оно повторяется К раз, где К = 11 при передаче в
прямом направлении и К = 5 при передаче в обратном направлении. Такое боль-
шое количество повторов при передаче в прямом направлении необходимо для
обеспечения высокой надежности передачи данных для осуществления хэндовера.
6.8. ОБРАБОТКА ВЫЗОВОВ В СИСТЕМЕ AMPS
Зная некоторые нюансы радиоинтерфейса AMPS, можно рассмотреть про-
цессы обработки вызовов. Как и в системе NMT, возможны два случая. В первом
случае источником запроса на установление соединения с подвижной станцией
является абонент телефонной сети общего пользования. Телефонная сеть обще-
го пользования присылает запрос на установление соединения, содержащий но-
мер подвижного абонента, в центр коммутации подвижной связи (MSC). Центр
Глава 6. Первое поколение систем сотовой телефонии - системы NMT и AMPS 205
коммутации посылает сигнал поискового вызова с идентификационным номе-
ром подвижной станции (англ. Mobile Identification Number - MIN) всем базовым
станциям, а те посылают вызывной сигнал по прямым каналам управления. Ког-
да вызываемая подвижная станция находится в режиме ожидания, она прослу-
шивает один из этих каналов. В случае удачного приема сообщения вызова, она
подтверждает его прием, посылая назад по обратному каналу управления на ба-
зовую станцию свой MIN-номер или электронный серийный номер (англ. Equip-
ment Serial Number - ESN). Таким образом центр коммутации определяет место-
положение подвижной станции. Затем MSC отдает выбранной базовой станции
распоряжение выделить свободную пару речевых каналов (прямой и обратный)
для установления соединения с базовой станцией. Кроме того, базовая станция
выделяет подвижной станции контрольный SAT-сигнал и код управления мощ-
ностью речевого канала (англ. Voice Mobile Attenuation Code — VMAC). Послед-
ний задает уровень мощности, который будет использовать абонентская станция
в обратном речевом канале. В результате подвижная станция изменяет свои теку-
щие несущие частоты на частоты выделенных ей каналов. Затем она начинает
ретранслировать обратно SAT-сигнал, полученный с базовой станции. После его
приема базовая станция отправляет по прямому речевому каналу сигнал опове-
щения, и подвижная станция подает абоненту звонковый сигнал. Прием преду-
преждающего сообщения подтверждается передачей тональной сигнализации
(англ. Signaling Топе - ST) с частотой 10 кГц по обратному речевому каналу до
тех пор, пока абонент не ответит на звонок. Наконец, происходит сам разговор
при помощи передачи речевых сигналов по выделенным каналам.
Теперь рассмотрим второй случай, т.е. вызов с подвижной станции. Когда
абонент желает установить соединение, он вводит номер вызываемого абонента,
и подвижная станция (которая до сих пор находилась в режиме ожидания) начи-
нает передавать информацию по обратному каналу управления. Передаваемое
сообщение содержит MIN-номер, ESN-номер, тиа/жер класса абонентской стан-
ции (англ. Station Class Mark- SCM) и номер вызываемого абонента. Если это со-
общение принимается без ошибок, то информация передается в коммутацион-
ный центр для проверки регистрации вызывающего абонента. Затем коммутаци-
онный центр соединяет подвижного абонента с абонентом телефонной сети
общего пользования, выделяя пару каналов передачи речевых сигналов подвиж-
ной и базовой станциям.
Хэндовер представляет собой специфическую особенность сотовых систем.
Она проявляется и в системе AMPS. Как и в системе NMT, подвижная станция
ведет себя достаточно пассивно, и вся процедура выполняется сетевым оборудо-
ванием. При соединении с подвижной станцией сигнал, принимаемый по обрат-
ному речевому каналу, периодически измеряется обслуживающей соединение
базовой станцией. Если уровень сигнала падает ниже определенного порогового
значения или качество приема SAT-сигнала становится недостаточным, то MSC
использует измерительные приемники соседних базовых станций для того, что-
бы определить, какая базовая станция принимает от этой подвижной станции
сигнал с самым высоким уровнем. После определения такой базовой станции со-
206
Системы полвижнои ралиосвязи
единение с подвижной станицей переключается на нее. Это производится выде-
лением новой пары каналов для соединения подвижной станции с новой базовой
станцией. Подвижная станция подтверждает прием такого сообщения отправкой
короткого ST-сигнала по обратному речевому каналу, после чего передатчик по-
движной станции отключается. Тем временем новая базовая станция начинает
передавать SAT-сигнал. Подвижная станция настраивается на новые речевые ка-
налы и начинает ретрансляцию нового SAT-сигнала. Когда новая базовая станция
распознает этот сигнал, она отправляет в коммутационный центр подтвержде-
ние успешного окончания процедуры передачи соединения. Тогда коммутацион-
ный центр освобождает старую пару речевых каналов. Вся процедура занимает
приблизительно 0,2 с.
* * *
Более подробное описание системы AMPS можно найти в работах [7] и [8].
Аналоговая система AMPS будет полностью заменена цифровыми система-
ми второго поколения, такими, как DAMPS (IS-54), IS-136 или cdmaOne (IS-95).
Из-за того, что в США системам второго поколения не выделялся новый диапа-
зон частот, был разработан метод согласованного перехода с системы AMPS на
новые ССПС. Система DAMPS использует те же каналы, что и аналоговая систе-
ма AMPS, предоставляя каждый из них трем пользователям при помощи TDMA.
Система IS-95 использует часть спектра AMPS, применяя режим CDMA и двух-
системные подвижные станции.
ЛИТЕРАТУРА
1. R.Steele (ed.), Mobile Radio Communications, Pentech Press Publishers, London,
1992.
2. A.Mehrotra, Cellular Radio Analog and Digital Systems, Artech House, Boston,
1994.
3. Nordic Mobile Telephone, Brief System Description, Swedish Post Administration,
Stockholm, 1981.
4. Bell System Technical Journal, special issue on AMPS. Vol. 58, № 1, January 1979.
5. D.Westin, NMT: «The Nordic Solution» in D.M.Balston, R.C.V.Macario, Cellular
Radio Systems, Artech House, Boston, 1993, pp. 73-111.
6. Z.C.Fluhr, P.T.Porter, «Advanced Mobile Service: Control Architecture», Bell Sys-
tem Technical Journal, Vol. 58, № 1, January 1979, pp. 43-69.
7. R.V.C.Macario, Cellular Radio. Principles and Design, Macmillan New Electron-
ics, Houndmills, Basingstoke, Hampshire, 1993.
8. J.M.Hernando, F.Perez-Fontan, Introduction to Mobile Communications Engi-
neering, Artech House, Boston, 1999.
Глава 7
СОТОВАЯ ТЕЛЕФОНИЯ GSM -
АРХИТЕКТУРА И СИСТЕМНЫЕ АСПЕКТЫ
7.1. ВВЕДЕНИЕ
В 80-х годах XX в. в Европе эксплуатировалось множество взаимно несо-
вместимых аналоговых систем сотовой телефонии, таких, как TACS (Total Ac-
cess Communication System), NMT (Nordic Mobile Telephony), C-Netz, Radio-
com-2000 и различные их версии. Как следствие, пользователи были привязаны
к своим операторам, а их мобильные телефоны не работали за пределами облас-
ти охвата родной системы подвижной связи1. Для совместного решения этой
проблемы в рамках Европейского Союза была создана специальная рабочая
группа по вопросам мобильной телефонии (Groupe Special Mobile - GSM), в за-
дачи которой входила разработка стандартов всеобщей системы мобильной со-
товой телефонии. В создании новой системы принимали участие промышлен-
ные, научные и проектно-конструкторские организации из 17 стран, которые
подписали Меморандум о взаимопонимании (англ. Memorandum of Understan-
ding). В результате совместных исследований и консультаций была принята се-
рия стандартов, определяющих все необходимые уровни эталонной модели OSI
(англ. Open Systems Interconnection). В настоящее время аббревиатура GSM озна-
чает Global System for Mobile Communication (глобальная система подвижной
связи), что отражает распространение стандарта GSM далеко за пределы Евро-
пейского континента.
Начнем раздел, посвященный ССПС GSM, с общего описания ее архитекту-
ры и основных параметров радиосвязи. Затем остановимся на временной и логи-
Единственным исключением была система NMT. Она покрывала всю Скандинавию, и
пользователи могли установить соединение через другого оператора NMT в любой
скандинавской стране.
208
Системы полвижнои ралиосвязи
ческой организации радиопередачи. Кратко рассмотрим несколько примеров
основных процедур, выполняемых в системе, таких, как регистрация подвижной
станции в сети и установление соединения. Главная цель настоящего раздела -
это обзор работы системы GSM, тогда как более детальное описание можно най-
ти в стандартах ETSI/GSM и в книгах, посвященных исключительно стандарту
GSM. В двух других разделах, посвященных GSM, мы рассмотрим вопросы об-
работки сигнала, а также передачи данных с учетом модификаций системы,
предназначенных для высокоскоростной передачи данных и мультимедийной
информации.
7.2. ОСНОВЫ АРХИТЕКТУРЫ GSM
Зона обслуживания системы GSM разделена на фрагменты (рис. 7.1), каж-
дый из которых обслуживает центр коммутации подвижной связи (англ. Mobile
Switching Center - MSC). MSC представляет собой специализированный центр
электронной коммутации, к которому добавлены функциональные блоки, реша-
ющие задачи, характерные для системы сотовой подвижной связи. Каждый
центр MSC соединен с соответствующим визитным регистром местоположе-
ния (англ. Visitor s Location Register- VLR). Этот регистр содержит необходимую
Домашний
регистр
местоположения
Центр
аутентификации
Регистр
идентификации
оборудования
Центр
эксплуатации
и технического
обслуживания
Рис. 7.1. Обобщенная структура системы GSM
Глава 7. Сотовая телефония GSM - архитектура и системные аспекты
209
информацию о подвижных станциях, временно расположенных в области обслу-
живания местного MSC. Помимо VLR система GSM каждого оператора обору-
дована тремя другими регистрами.
• HLR (англ. Home Location Register} - домашний регистр местоположе-
ния - база данных подвижных станций, постоянно зарегистрированных в
системе конкретного оператора.
• AUC (англ. Authentication Center} - центр аутентификации - база дан-
ных, позволяющая определить - разрешен ли допуск к услугам системы
абоненту, имеющему данный модуль подлинности - SIM-карту (англ.
Subscriber Identity Module}.
• EIR (англ. Equipment Identification Register} - регистр идентификации
оборудования - база данных серийных номеров подвижных станций, ис-
пользуемых в системе. Номера украденных или потерянных телефонов
помещаются в черный список, что позволяет предотвратить дальнейшее
использование в системе этих телефонов.
Регистр HLR представляет собой центральную базу данных, в которой
хранятся постоянные параметры пользователей и сведения об их текущем мес-
тоположении. В больших системах может быть более одного HLR, однако ин-
формация о каждом абоненте хранится только в одном из них.
В HLR хранится вся информация о постоянно прописанных2 в сети GSM
пользователях, которая позволяет системе установить соединение с ними, даже
если в этот момент они временно зарегистрированы в другой сети GSM - напри-
мер, в другой стране. Тогда запись о пользователе в HLR содержит его статус,
временный идентификационный номер подвижного абонента (англ. Temporary-
Mobile Identification Number - TMSI} и адрес регистра VLR, соответствующего
текущему местоположению пользователя. Запись о каждом пользователе содер-
жит также перечень дополнительно используемых им услуг и ключи шифрования
для цифровой передачи данных и идентификации пользователя.
Как уже упоминалось, регистр VLR - это база данных, содержащая инфор-
мацию о пользователях, зарегистрированных в текущий момент в зоне обслужи-
вания конкретного MSC. HLR и VLR обмениваются данными об абонентах,
расположенных в данный момент в зоне обслуживания данного VLR. Такое
взаимодействие позволяет определить текущее местоположение вызываемого
пользователя по информации из его родного HLR и установить соединение с тем
MSC, который работает совместно с регистром VLR, в настоящий момент содер-
жащим информацию об абоненте. VLR также содержит информацию, необходи-
мую для осуществления вызова с подвижной станции.
Центры коммутации подвижной связи (MSC) соединены друг с другом.
Один или более MSC, называемые транзитными центрами коммутации по-
Зарегнстрированных (прим. ред.).
210
Системы подвижной радиосвязи
движной связи (англ. Gateway Mobile Switching Center - GMSC), играют роль
шлюзов во внешние сети, такие, как PSTN (ТфОП - телефонные сети общего
пользования). ISDN (HCIIC - цифровые сети с интеграцией служб) и сети с ком-
мутацией пакетов. Каждый MSC контролирует, по крайней мерс, одну подсисте-
му базовых станции (англ. Base Station System), которая состоит из контроллера
базовых станций (англ. Base Station Controller - BSC) и некоторого количества
базовых приемопередающих станций (англ. Base Transceiver Station - BTS или
просто Base Station - BS). Базовая станция состоит из подсистемы, выполняю-
щей основные функции передачи и приема сигналов, а также блока, реализую-
щего простые функции контроля и управления. В базовой станции выполняются
также процедуры GSM- кодирования/декодирования речи и производится адап-
тация скорости передачи данных. Базовые станции обычно располагаются в
центрах сот, покрывающих всю область обслуживания системы. В таких сотах
функционирует определенное количество подвижных станций (англ. Mobile
Stations, MS), имеющих возможность динамически изменять свое местоположе-
ние. Они осуществляют информационный обмен с ближайшей (или с сильней-
шей) базовой станцией.
Основная задача MSC заключается в координации установления соединения
между двумя мобильными абонентами системы GSM или между одним пользо-
вателем системы GSM и абонентом внешней сети, например, PSTN, ISDN или
PSDN {сеть с коммутацией пакетов данных, англ. Packet Switched Data Network).
Эта задача решается выполнением следующих функций:
• установление и поддержание входящих и исходящих соединений абонентов;
• динамическое управление ресурсами в зоне обслуживания данного MSC;
• перемаршрутизация соединения в новую соту, обслуживаемую другим
контроллером базовых станций {хэндовер)',
• обеспечение взаимодействия с другими сетями (в случае GMSC);
• шифрование двоичного потока данных пользователя;
• изменение выделенных BTS несущих частот, обусловленное перераспре-
делением ресурсов системы в зависимости от конкретной нагрузки на
данную часть сети.
Информационный обмен между MSC и BTS стандартизуется при помощи
так называемого A-интерфейса. тогда как АЬк-интерфейс стандартизует обмен
данных между контроллером базовых станций и приемопередатчиками (BTS).
Л-интерфейс связан с сетевыми и коммутационными аспектами работы сис-
темы, например, с функциями коммутатора MSC и регистров HLR и VLR, а так-
же: с управлением постоянными соединениями и сетью, с контролем и шифрова-
нием информации пользователя и данных сигнализации, с обновлением данных
местоположения MS и аутентификацией подвижных станций; кроме того, с
управлением вызовами.
Глава 7. Сотовая телефония CSM - архитектура и системные аспекты
211
Л/,„-интерфейс предназначен для информационного обмена, относящеюся к
радиопередаче. Он связан с вопросами распределения радиоканалов, контроля
соединений, организации очередей сообщений перед их отправкой, контроля
скачкообразной перестройки несущей частоты (англ. Frequency Hopping - FH) в
случае ее применения, канального кодирования и декодирования, кодирования и
декодирования речевых сигналов, шифрования сообщений, а также управления
мощностью излучения базовой станции.
Интерфейс Um определяет правила информационного обмена между BTS и
MS. Он будет детально рассматриваться ниже в этом разделе.
Центр эксплуатации и технического обслуживания (англ. Operation and
Maintenance Center - ОМС) обеспечивает работу отдельных элементов ССПС
GSM. Он соединен со всеми элементами коммутационной сети ССПС и выпол-
няет функции администрирования, такие, как тарификация и мониторинг трафи-
ка, а также принимает необходимые меры в случае отказа отдельных элементов
сети. Одна из наиболее важных задач ОМС - это управление регистром HLR.
В больших сетях имеется более одного ОМС, и тогда всей сетью управляет центр
управления сетью (англ. Network Management Center — NMC). ОМС соединяется
с другими компонентами ССПС специальной сетью управления, реализованной
по выделенным телефонным линиям или с помощью других сетей фиксирован-
ной связи. Передача сообщений выполняется с использованием протоколов сиг-
нализации SS7 или Х.25 (для интерфейсов Л и Xte). На рис. 7.2 изображены эти и
некоторые другие интерфейсы, обозначенные буквами С, D и Е. Они описаны
Рис. 7.2. Уровни передачи и сигнализации сети CSM,
а также интерфейсы между элементами сети
SP - пункт сигнализации ОКС-7
212
Системы подвижной радиосвязи
стандартами ETSI/GSM и определяют правила обмена сообщениями между от-
дельными элементами сети сигнализации SP3. Хотя эти интерфейсы играют
важную роль в моменты установления и перемаршрутизации соединения между
различными MSC, они не будут рассматриваться в данной книге.
7.3. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ РАДИОПЕРЕДАЧИ
В СИСТЕМЕ GSM
Системе GSM выделено два диапазона, каждый шириной 25 МГц. Частот-
ный диапазон от 890 до 915 МГц используется для передачи данных от подвиж-
ных станций к базовым (восходящая линия связи, англ, uplink}, а диапазон от 935
до 960 МГц - для передачи данных от базовых станций к подвижным (нисходя-
щая линия связи, англ, downlink). Как видим, дуплексная передача данных осу-
ществляется в режиме FDD (дуплексная передача с частотным разделением,
англ. Frequency Division Duplex}. Оба диапазона разделены на 124 частотных по-
лосы по 200 кГц каждая, причем несущие частоты расположены в центрах этих
полос. На каждой несущей с использованием TDMA передается 8 каналов. Та-
ким образом, многостанционный доступ заключается в выделении для каждого
соединения отдельной несущей частоты (или их последовательности в случае
применения скачкообразной перестройки частоты FH) и конкретного временно-
го интервала. Поэтому система GSM считается системой многостанционного
доступа с частотно-временным разделением каналов TDMA/FDMA. Согласно
этой схеме физическим каналом называется последовательность временных сло-
тов4 (обозначаемых номером слота), которые передаются на выбранной несущей
частоте. Физические каналы организованы в пары. В каждую пару входит по од-
ному физическому каналу для передачи данных в каждом направлении (восходя-
щая и нисходящая линии связи). Они помечены одним и тем же номером времен-
ного слота, а их несущие частоты различаются на 45 МГц.
По плану распределения частот каждой соте или сектору в соте выделяется
подгруппа несущих частот в соответствии с общими правилами, изложенными в
разделе 5. На рис. 7.3 изображено распределение частот и временных слотов в
системе GSM. Отметим, что нумерация временных интервалов при передаче по
нисходящей линии связи смещена на три позиции относительно нумерации сло-
тов восходящей линии связи. Благодаря этому смещению подвижная станция,
которой выделен определенный слот для соединения с базовой станцией, не мо-
жет одновременно передавать и принимать сигнал (как это происходит в анало-
говых системах первого поколения). Это позволяет избежать электромагнитного
3 Пунктами сигнализации (прим. ред.).
4 Намомним, что временной интервал заданной длины в связи обычно называют времен-
ным слотом (англ, time slot). Этот элемент профессионального жаргона входит в нор-
мативные документы, исключая возможную путаницу в обозначении различных интерва-
лов, относя понятие слот именно к временному разделению потока данных (прим. ред.).
Глава 7. Сотовая телефония GSM - архитектура и системные аспекты
213
взаимодействия между передатчиком и приемником подвижной станции и смяг-
чить требования, предъявляемые при разработке радиочастотного блока и блока
цифровой обработки сигналов. Таким образом, высвободившиеся вычислитель-
ные ресурсы можно распределить между передатчиком и приемником.
Нисходящая линия
связи (от BS к MS)
Рис. 7.3. Частотная и временная структура каналов сети CSM [5]
Восходящая линия
связи (от MS к BS)
Не предусматривается выделения несущих частот и временных слотов для
какого-либо исключительного применения. Это означает, что все несущие часто-
ты и временные интервалы могут использоваться для выполнения различных
функций. Раздел видов каналов в системе для выполнения конкретных задач
производится с помощью понятия логического канала.
7.4. ОПИСАНИЕ ЛОГИЧЕСКОГО КАНАЛА
Выделенный соединению физический канал используется для передачи па-
кетов данных. Они имеют различную временную структуру и назначение. С их
помощью реализуются конкретные логические каналы, предназначенные для
организации информационного обмена.
В каждой соте подвижная станция находит одну несущую частоту, в нулевом
временном слоте которой передается системная информация, важная для всех
расположенных в этой соте подвижных станций. Соответствующая ей ответная
несущая всегда сдвинута вниз по частоте на 45 МГц. В ее нулевом слоте подвиж-
ные станции могут поместить свой запрос на информационный обмен с систе-
мой или даже запрос на исходящий вызов. Поскольку нулевые временные интер-
валы этой пары несущих всегда используются с такой целью, к этим несущим не
применяется скачкообразная перестройка частоты (FH).
Системная информация передается с использованием целой группы логиче-
ских каналов, размещенных в нулевых временных слотах нисходящей несущей
214
Системы полвижнои ралиосвязи
из упомянутой пары. Мы будем называть ее вещательной несущей. В больших
сотах для обмена системной информацией требуется больше одного слота. Поэ-
тому для сигнализации используются также первые и иногда вторые временные
интервалы.
В общих чертах назначение логических каналов следующее:
• вещательный канал управления (англ. Broadcast Control Channel—ВССН ) —
для передачи информации, которая управляет сетью, конкретной сотой и
соседних с ней сот;
• канал коррекции частоты (англ. Frequency Correction Channel - FCCll) -
для подстройки частоты подвижной станции под опорную несущую;
• канал синхронизации (англ. Synchronization Channel - SCH) - для кадро-
вой синхронизации подвижной станции, а также идентификации той ба-
зовой станции, в зоне действия которой находится MS;
• общий канал управления (англ. Common Control Channel - СССН) - для
обеспечения синхронизации при установлении соединения и других про-
цедур обмена информацией. Он включает в себя следующие логические
каналы:
• канал случайного доступа (англ. Random Access Channel — RACH) —
для выхода с подвижной станции по восходящей линии, содержащей
временные слоты управления, с запросом на установление соедине-
ния с базовой станцией;
• канал разрешения доступа (англ. Access Granted Channel - AGCH) -
для информирования подвижной станции по нисходящей линии о
том, что доступ к системе разрешен и будет обслужен;
• канал вызова (англ. Paging Channel - PCH) - для вызова конкретной
подвижной станции.
Пользовательская информация и связанная с ней управляющая информация
передается как по восходящей, так и по нисходящей линии связи по следующим
логическим каналам:
• канал трафика (англ. Traffic Channel - ТСНу в котором передаются дво-
ичные последовательности, характеризующие речевой сигнал или поль-
зовательские данные; при этом существует полноскоростные каналы
трафика (англ. Full Rate Traffic Channel - TCH/F) и полускоростные ка-
налы трафика (англ. Half Rate Traffic Channel - TCH/llf,
• низкоскоростной совмещенный канал управления (англ. Slow Associated
Control Channel - SA CCHy предназначенный для передачи данных управ-
5 В TCH/FS речь кодируется цифровым потоком со скоростью 13 кбит/с, в TCH/HS
6,5 кбит/с.
Глава 7. Сотовая телефония GSM - архитектура и системные аспекты
215
пения и команд, связанных с конкретным каналом трафика, например: из-
менить уровень мощности излучаемого подвижной станцией сигнала;
подготовиться к хэндоверу; передать результаты измерений подвижной
станцией уровня входного сигнала приемника;
• высокоскоростной совмещенный канал управления (англ. Fast Associated
Control Channel - FA CCH), предназначенный для отправки срочной ин-
формации управления, связанной с конкретным соединением по каналу
трафика.
Прежде чем соединению будут выделены восходящий и нисходящий каналы
трафика, реализуется выделенный канал управления (англ. Dedicated Control
Channel - DCCH). Он состоит из следующих логических каналов:
• выделенный закрепленный канал управления (англ. Stand-Alone Dedicated
Control Channel - SDCCH), предназначенный для информационного об-
мена, предшествующего соединению, а именно для идентификации поль-
зователя, обновления информации о местоположении и выделения канала
передачи данных;
• несовмещенная версия высокоскоростного канала FACCH, используемая,
например, для передачи коротких сообщений.
Применение и назначение всех логических каналов станет намного понят-
нее после знакомства с временной иерархией системы GSM.
7.5. ВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА СИСТЕМЫ GSM
Разделение на восемь временных слотов отнюдь не полностью описывает
временную структуру системы GSM. Наименьший временной элемент системы
GSM - одиночный двоичный импульс (бит), длящийся 3,69 мкс. Таким образом,
скорость передачи данных в системе GSM составляет 270,833 кбит/с. В каждом
временном слоте передается пакет из 148 битов. Единственное исключение со-
ставляет 88-битовый пакет данных, используемый для реализации канала слу-
чайного доступа (RACH). Длительность стандартного временного слота состав-
ляет 0,577 мс, что эквивалентно времени передачи 156,25 битов. Разница между
эффективной длиной пакета данных и фактической длиной слота называется за-
щитным интервалом. Его существование обусловлено необходимостью резер-
вирования времени для включения/выключения усилителя мощности передат-
чика в начале и в конце передачи каждого пакета данных. Кроме того, защитный
интервал необходим для обеспечения точного размещения пакета данных внут-
ри временного слота. Время распространения пакета пропорционально расстоя-
нию между подвижной и базовой станциями и не является пренебрежимо малым
по отношению к размерам соты.
Восемь слотов составляют кадр. В каналах трафика и в ассоциированных
с ними каналах управления 26 кадров образуют мультикадр. В свою очередь,
216
Системы подвижной радиосвязи
Рис. 7.4. Временная структура в системе CSM
51 мультикадр составляет суперкадр длительностью 6,12 с. В случае каналов
вещания и расположенных в тех же слотах каналов управления, мультикадр со-
стоит из 51 последовательного кадра, а суперкадр состоит из 26 мультикадров.
В обоих случаях 2048 суперкадров образуют высший уровень временной иерар-
хии системы GSM - гиперкадр (рис. 7.4). Он длится 3 ч 28 мин. 53 с и 760 мс.
По истечении этого времени системные часы возвращаются к своему исходному
состоянию. Длительность периода системных часов GSM обусловлена, в основ-
ном, применением алгоритма шифрования данных, использующего номер теку-
щего кадра для генерирования ключа шифрования. Применение большого пери-
ода системных часов позволяет предотвратить несанкционированную расшиф-
ровку пользовательской информации и увеличивает уровень безопасности и
конфиденциальности разговора.
7.6. СТРУКТУРА ПАКЕТОВ, РЕАЛИЗУЮЩИХ
ЛОГИЧЕСКИЕ КАНАЛЫ GSM
Каждый логический канал реализуется при помощи передачи особых типов
пакетов данных в выделенных временных интервалах - слотах. Как уже отмеча-
лось, логические каналы коррекции частоты, синхронизации и вещания поме-
щаются в нулевой слот вещательной несущей совместно с некоторыми други-
Глава 7. Сотовая телефония GSM - архитектура и системные аспекты
217
Калп TDMA
Рис. 7.5. Структура пакетов в системе CSM
ми каналами управления. Для реализации этих каналов создаются следующие
пакеты: синхронизации, коррекции частоты и так называемый нормальный
пакет (рис. 7.5).
Пакет коррекции частоты состоит из трех нулевых краевых битов6 (англ.
tail bits) в конце и в начале пакета и 142 нулевых битов между ними. Применение
в системе GSM GMSK-модуляции7 позволяет при наличии на входе модулятора
подобной последовательности нулей получить на выходе немодулированную си-
нусоиду, сдвинутую на 1625/24 кГц выше номинальной частоты несущей. Эта
синусоида предназначена для синхронизации по частоте подвижной станции.
Повторяющиеся временные интервалы с пакетами коррекции частоты образуют
канал коррекции частоты.
Иначе называемых трехбитовыми защитными бланками (прим. ред.).
См. следующий раздел.
218
Системы полвижнои ралиосвязи
Пакет синхронизации состоит из трех нулевых краевых битов в конце и в на-
чале пакета, 64-битовой расширенной обучающей8 последовательности в сере-
дине пакета и двумя отрезками кодированной системной информации по 39 бит
по обе стороны от нее. Обучающая последовательность предназначена для опре-
деления импульсного отклика канала, необходимого для детектирования инфор-
мационных символов. В нормальном пакете применяется ее укороченная, 26-би-
товая версия. Использование в пакете синхронизации расширенной обучающей
последовательности предназначено для более точной оценки канала и более на-
дежного детектирования системной информации. Две входящие в пакет 39-бито-
вые информационные последовательности идентифицируют цветовой код как
базовой станции (0-7), так и сети СПС. Это позволяет определить сетевого опе-
ратора, к которому приписан пользователь. Биты системной информации также
служат для синхронизации в рамках временной иерархии системы GSM.
Напомним, что период системных часов составляет почти 3,5 ч. Суммарное
количество кадров в периоде составляет 26x51x2048 = 2715648. Кадры пронуме-
рованы числами от 0 до 2715647. Номер текущего кадра передается в пакете син-
хронизации в приведенном виде. Так называемый приведенный номер кадра
(англ. Reduced Frame Number -RFN) состоит из 19 битов, описывающих состоя-
ние трех счетчиков, которые обозначены Тх, Т2 иТ3. Они определяются следую-
щими выражениями, в которые входит номер кадра (англ. Frame Number - FN):
7) (11 битов)
T2 (5 битов)
Т} (3 бита)
Т, = FN div(26 х 51)9 в диапазоне от 0 до 2047
Т2 = FN mod 26 в диапазоне от 0 до 25
Т3 = (F7Vmod51-l)div(10) в диапазоне от 0 до 4
Номер кадра FN определяется на основе значений счетчиков Т{, Т2 и Т3.
FN необходим для процессов шифрования и дешифрирования.
Нормальный пакет реализует несколько типов логических каналов управле-
ния и трафика. Как и в предыдущих случаях, он начинается и заканчивается тре-
мя нулевыми битами. В середине пакета находится 26-битовая обучающая по-
следовательность. По обеим сторонам этой последовательности располагаются
57-битовые информационные блоки с однобитовыми флагами. Значение логиче-
ского флага F определяет тип передаваемого информационного блока - двоичные
данные пользователя (речь, нулевое значение флага) или данные логического ка-
нала управления (SACCH или FACCH).
Запрос подвижной станции на доступ к системе реализуется отправкой па-
кета доступа. Это самый короткий пакет в системе. Он начинается с восьми ну-
8 В некоторых источниках - настроечная последовательность; иначе синхропоследо-
вательность (прим. ред.).
9 Внимание: обозначение div описывает операцию деления нацело; у mod(x) обозначает
остаток от деления у на х.
Глава 7. Сотовая телефония GSM - архитектура и системные аспекты
219
левых битов, за которыми следует 41-битовая синхропоследовательность, необ-
ходимая для определения свойств канала и синхронизации приемника базовой
станции. Кодированное сообщение, характеризующее запрос на установление
соединения, имеет длину 36 битов. Пакет оканчивается тремя нулевыми битами.
Исключительно длинный защитный интервал обусловлен тем, что подвижная
станция, которая впервые посылает пакет доступа в новой соте, не имеет инфор-
мации о необходимом временном сдвиге. При отправке нормального пакета пе-
редачу необходимо начинать заранее, чтобы скомпенсировать время распростра-
нения сигнала от подвижной станции до базовой и разместить пакет внутри
временного слота в приемнике. Пакет доступа может быть передан несколькими
подвижными станциями в одном и тот же слоте. В этом случае произойдет кол-
лизия, и ни один из пакетов не будет принят. Подвижная станция повторит по-
пытку отправки пакета доступа через псевдослучайное количество кадров.
В системе GSM также используется так называемый пустой пакет'0. Его
структура совпадает со структурой нормального пакета. Единственное различие
заключается в том, что два 57-битовых информационных блока и два индикаци-
онных бита (флаги) не несут никакой полезной информации, однако обладают
хорошими статистическими свойствами, что позволяет выполнить измерение
мощности сигнала, принимаемого подвижной станцией. Пустые пакеты разме-
щаются в тех временных слотах вещательной несущей, которые временно не
закреплены ни за одним абонентом. Вещательная несущая должна иметь наибо-
льшую среднюю мощность среди всего набора несущих частот своей соты, бла-
годаря чему она опознается подвижными станциями, пытающимися активизи-
роваться в системе после включения питания. Таким образом, пустые блоки
служат для сигнального заполнения в целях поддержания средней мощности
канала вещания на достаточно высоком уровне.
Теперь рассмотрим структуру мультикадра, состоящего из каналов трафика.
Напомним, что 26 последовательных кадров образуют мультикадр. Пара поль-
зователей имеет доступ к выделенному им временному слоту в каждом кадре
мультикадра.
Логический смысл пакетов, передаваемых в последовательных кадрах, разъ-
ясняется на рис. 7.6, из которого видно, что полноскоростной канал трафика за-
нимает выделенный временной слот в двенадцати последовательных кадрах
(пронумерованных числами от 0 до 11). В двенадцатом кадре находится медлен-
ный совмещенный канал управления (SACCH). Кадры с 13 по 24 снова занима-
ются полноскоростным каналом трафика. В последнем кадре выделенный слот
остается пустым - сигнал в нем не передается (см. рис. 7.6а).
На рис. 7.66 изображена мультикадровая организация полускоростного ка-
нала трафика. Благодаря двукратной эффективности алгоритма кодирования ре-
чи по сравнению с полноскоростным каналом, в последовательных кадрах раз-
Другие варианты перевода - холостой, установочный (прим. ред.).
220
Системы полвижнои ралиосвязи
Один полноскоростной канал трафика (TCH/F)
т н Т Н Т Н Т Н т н т н т н т н т н т н т н т н i т н т н т н т н т н т н т н т н т н т н т н н
0123456789 101112 14 16 18 20 22 24 120 мс = 26 кадров
Два полускоростных канала трафика (ТСН/Н)
Рис. 7.6. Мультикадр в каналах передачи данных
a - полноскоростные (TF); б - полускоростные (TH); SO - SACCH для первого TH;
SI - SACCH для второго TH
мешается два канала трафика. В двенадцатом кадре в том же слоте расположен
канал управления SACCH, ассоциированный с первым каналом передачи дан-
ных. Канал SACCH, ассоциированный со вторым каналом передачи данных,
размещается в 25-м кадре.
Описанная структура кадра применима к каналам трафика как в нисходя-
щем, так и в восходящем направлении. Отметим, что два канала трафика, переда-
ваемые в соседних временных слотах, в действительности сдвинуты относитель-
но друг друга во времени на 97 (12x8+1) временных интервалов. Следовательно,
если SACCH передается в конкретном слоте двенадцатого кадра, то следующий
слот, соответствующий соседнему каналу, остается пустым, поскольку номер его
кадра равен 25.
Выше отмечалось, что в случае каналов вещания и соответствующих им ка-
налов управления мультикадр состоит из 51 кадра. Организация мультикадра мо-
жет иметь различные формы в зависимости от прогнозируемой емкости соты,
выраженной в количестве используемых в ней несущих частот. В сотах с ожидае-
мой низкой интенсивностью трафика применяется одна несущая11, а все каналы
вещания и управления передаются в нулевом временном слоте. При этом осталь-
ные слоты используются для размещения каналов абонентского трафика, как это
показано на рис. 7.6. На рис. 7.7 показано размещение каналов управления в ну-
левом временном слоте. В нисходящей линии связи мультикадр состоит из пяти
Имеется в виду одна пара несущих - нисходящая и восходящая (прим. ред.).
Глава 7. Сотовая телефония CSM - архитектура и системные аспекты
221
Рис. 7.7. Мультикадровая структура каналов вешания и управления
для сот с одной несушей
a - нисходящее направление; б - восходящее направление; F = FCCH, S = SCH, В = ВССН,
С = СССН, R = RACH, I = IDLE, А = г-й SACCH, Д = i-й SDCCH
десятикадровых блоков и кадра, в нулевом слоте которого передача пакета не
производится. Каждый десятикадровый блок начинается с канала коррекции ча-
стоты (FCCH), за которым идет канал синхронизации (SCH). В первом блоке по-
следовательно передаются четыре канала вещания (ВССН) и четыре общих ка-
нала управления (СССН). В рамках канала СССН базовая станция реализует
канал вызова (РСН) или канал разрешения доступа (AGCH). В следующих двух
десятикадровых блоках за каналами FCCH и SCH следуют четыре индивидуаль-
ных выделенных закрепленных канала управления (SDCCH), которые использу-
ются во время установления соединения, идентификации пользователя и проце-
дур регистрации подвижной станции. Последний десятикадровый блок содер-
жит низкоскоростные каналы управления (SACCH), связанные с каналом
SDCCH. Обратим внимание на то, что скорость передачи данных по этим кана-
лам столь мала, что эти четыре SACCH-канала используют последний десяти-
кадровый блок в двух последовательных мультикадрах.
В восходящей линии связи мультикадр каналов управления состоит в основном
из каналов случайного доступа (RACH), реализованных при помощи отправки
пакета случайного доступа с подвижной станции с запросом на установление со-
единения с базовой станцией. В нулевом слоте передаются также каналы
SDCCH и связанные с ними каналы SACCH.
Еще раз обратим внимание на то, что на рис. 7.7 показана организация кана-
лов управления в нулевых временных слотах. В остальных слотах каждого кадра
производится передача речевых сигналов (см. рис. 7.6).
222
Системы полвижнои ралиосвязи
Ситуация усложняется для сот с большим количеством несущих, предназна-
ченных для обслуживания интенсивного трафика. Здесь структура мультикадра
становится более сложной. Временных ресурсов, предоставляемых нулевым
временным слотом, становится недостаточно для передачи управляющих сигна-
лов всех обслуживаемых в соте подвижных станций. В этом случае на той несу-
щей, в нулевом временном слоте которой реализуются каналы вещания, первый
временной интервал также отдается под нужды управления (рис. 7.8).
В нисходящей линии в нулевых временных слотах вещательной несущей
реализуются только следующие каналы: коррекции частоты (FCCH), синхрони-
зации (SCH), вещательный (ВССН) и общий (СССН) каналы управления (см.
рис. 7.8а). В первых временных слотах этой несущей выделенные закрепленные
(SDCCH) и низкоскоростные совмещенные (SACCH) каналы управления разме-
щаются с учетом четности мультикадров. На соответствующей восходящей ве-
щательной несущей нулевые временные слоты используются исключительно
Нечетный мультикадр
Рис. 7.8. Мультикадровая структура каналов вешания и управления,
реализованных в нулевых и первых временных слотах
Глава 7. Сотовая телефония GSM - архитектура и системные аспекты
223
для реализации каналов случайного доступа (RACH), а каналы SACCH и
SDCCH размещены в первых слотах.
На рис. 7.6, 7.7 и 7.8 представлены не все возможные варианты размещения
каналов. В случае сот, обслуживающих очень интенсивный трафик, требуется
еще большее количество каналов управления. Примеры таких конфигураций
можно найти в работе [2].
7.7. ОПИСАНИЕ ПРОЦЕДУРЫ
УСТАНОВЛЕНИЯ СОЕДИНЕНИЯ
Чтобы активизировать подвижную станцию (MS), необходимо включить ее
питание, после чего подвижная станция выполняет последовательные действия,
необходимые для того, чтобы «найти себя» в сети GSM. Вначале MS ищет несу-
щую, на которой передается канал вещания в данной соте. Для этого подвижная
станция измеряет принимаемую мощность всех 124 несущих, используемых в
системе GSM. Несущая, содержащая канал вещания, имеет самый высокий уро-
вень мощности в данной соте. MS составляет список измеренных несущих в по-
рядке уменьшения их мощности. На следующем этапе MS последовательно ска-
нирует несущие частоты из списка в поисках канала коррекции частоты (FCCH).
Обнаружение этого канала равнозначно нахождению нулевого временного слота
вещательной несущей. Генератор несущей частоты MS настраивается на эту час-
тоту. В нулевых слотах следующего кадра MS находит остальные важные кана-
лы управления в соответствии со структурой, показанной на рис. 1.16 и 7.8а.
В нулевом слоте последующего кадра MS находит канал синхронизации (SCH) и
декодирует содержащуюся в нём информацию, а именно код идентификации ба-
зовой станции (англ. Base Station Identity Code - BSIC) и приведенный номер кад-
ра (англ. Reduced Frame Number - RFN). Затем обрабатывается передаваемая в
вещательном канале управления (ВССН) информация, которая содержит:
• до 16 несущих частот в соседних сотах, содержащих канал ВССН. Это по-
зволяет MS производить их мониторинг, чтобы иметь возможность вы-
брать лучшую при пересечении границы соты;
• глобальный идентификатор соты (англ. Cell Global Identity - CGI) - по-
следовательность, состоящую из кода страны, кода сети подвижной связи,
кода области местоположения и идентификатора соты;
• количество общих каналов управления, используемых в соте;
• другие параметры - в частности, максимальную мощность, которая мо-
жет быть использована подвижной станцией при установлении соедине-
ния; минимальный уровень мощности, который требуется для приема
сигнала в данной соте (информация для подвижных станций, находящих-
ся в режиме ожидания); величину гистерезиса, предотвращающего мно-
гократное переключение между сотами на их границе при осуществлении
хэндовера.
224
Системы подвижной радиосвязи
Запрос на выделение канала
Активация канала
Подтверждение активации
Выделение SDCCH
Запрос на обновление местоположения
Инициирование процедуры аутентификации
Ответ MS с параметрами аутентификации
Сравнение аутентификационных параметров
Выделение новых LAI и TMSI
Подтверждение новых LAI и TMSI
Освобождение SDCCH
Рис. 7.9. Упрошенная процедура регистрации подвижной станции в сети CSM
На этом пассивная часть активизации MS в сети заканчивается. Для того,
чтобы подвижную станцию можно было вызвать, или для того, чтобы она могла
инициировать установление соединения, она должна быть зарегистрирована в
сети (рис. 7.9). Регистрация - это одна из причин обновления в системе информа-
ции о местоположении MS. Регистрация производится, если идентификатор об-
ласти местоположения (англ. Location Area Identity - LAI), переданный на MS с
базовой станции, отличается от хранимого в памяти MS. Обновление информа-
ции о местоположении производится периодически, что позволяет отслеживать
перемещение MS и ее текущее состояние.
Начиная процедуру обновления своего местоположения, например, при ре-
гистрации после включения питания, подвижная станция посылает на базовую
станцию с помощью канала RACH запрос на канал для проведения регистрации.
Базовая станция передает этот запрос на контроллер базовых станций (BSC). По-
следний отвечает базовой станции командой на предоставление свободного в
данный момент канала SDCCH. Базовая станция подтверждает BSC прием
команды и информирует MS по каналу AGCH о выделении канала SDCCH. За-
тем подвижная станция посылает по только что выделенному каналу SDCCH за-
прос на обновление местоположения. Запрос содержит тип подлежащей выпол-
нению процедуры обновления местоположения, временный идентификатор мо-
бильного абонента (TMSI - номер, временно выделяемый пользователю в сети)
и идентификатор области местоположения (LAI). Последние два параметра
сохраняются в памяти подвижной станции. Запрос подвижной станции попадает
в MSC и в VLR через базовую станцию и контроллер базовых станций. Если
VLR уже содержит TMSI пользователя в своей базе данных, то обновляется ин-
формация только об активизации подвижной станции. Если в записях VLR нет
TMSI данного абонента, то декодируется LAI, переданный подвижной станцией.
Глава 7. Сотовая телефония GSM - архитектура и системные аспекты
225
LAI косвенно определяет VLR, который раньше обслуживал данную МС. После
установления соединения текущего VLR с предыдущим, последний передает
параметры пользователя текущему VLR, в том числе международный иденти-
фикационный номер подвижного абонента (англ. International Mobile Subscriber
Identity - IMS!) и данные, необходимые для его идентификации. Если предыду-
щий VLR не содержит параметров, которые нужны при первом соединении с си-
стемой, то MSC направляет подвижной станции запрос на отправку ей своего
IMSI-номера с использованием канала SDCCH. Отправка IMSI-номера произво-
дится подвижной станцией по радиоканалу только один раз. Сообщение попада-
ет в MSC и VLR. Номер IMSI определяет адрес записи с информацией о пользо-
вателе в HLR, что обеспечивает возможность получения данных, необходимых
для идентификации пользователя. Эта информация загружается в текущий VLR.
За исключением случаев первой регистрации в сети, необходимая информация о
пользователе уже содержится в текущем или в предыдущем VLR.
Теперь можно начинать процедуру идентификации. Она подробно описана в
параграфе 7.9. После подтверждения принятия подвижной станции и проверки
аутентичности пользователя устанавливаются новые параметры подвижной стан-
ции: временный идентификатор мобильного абонента (TMSI, не всегда) и иден-
тификатор области местоположения (LAI). Информация о пользователе обнов-
ляется в HLR и в VLR. Строго говоря, HLR инициирует удаление информации о
пользователе из предыдущего VLR и ее перенос в новый VLR. MS подтверждает
получение новых параметров. Новый TMSI-номер должен передаваться подвиж-
ной станции по радиоканалу в зашифрованном виде, поэтому инициируется пе-
реход в режим шифрования данных. В результате базовая станция (BS) и MS
должны обмениваться информацией по выделенному им заново каналу SDCCH.
На рис. 7.9 этот этап процедуры регистрации не показан. Текущий TMSI-номер
действителен только на время пребывания подвижной станции в области обслу-
живания текущего VLR. Это одна из мер, принимаемых для обеспечения конфи-
денциальности разговора. Используемый для регистрации и обновления место-
положения канал SDCCH освобождается по завершении этих процедур.
После проведения полной синхронизации MS с сетью и завершения проце-
дуры регистрации становится возможной инициация установления соединения.
Подвижная станция сканирует общий канал управления (СССН) для того, чтобы
найти предназначенный ей канал вызова (РСН).
В случае вызова с подвижной станции выполняются следующие действия:
• подвижная станция посылает на базовую станцию пакет случайного до-
ступа, тем самым реализуя логический канал RACH;
• в ответ подвижная станция должна получить три пакета, образующих ка-
нал разрешенного доступа (AGCH), реализованного в рамках канала
СССН. Канал AGCH содержит номер канала SDCCH, выделенного по-
движной станции на время установления соединения;
• по вещательному каналу управления (ВССН) принимаются два парамет-
ра: периода рандомизации TX-INTEGER и максимального количества по-
226
Системы подвижной радиосвязи
вторных передач MAX-RETRANS. Это позволяет при возникновении
коллизии с другими подвижными станциями во время передачи канала
RACH произвести повторную передачу RACH не более фиксированного
количества раз через псевдослучайный промежуток времени.
После получения AGCH подвижной станции на время установления соеди-
нения выделяется канал SDCCH. По этому каналу MS отправляет сообщение, со-
держащее TMSI-номер пользователя, через базовую станцию на контроллер ба-
зовых станций (BSC), информируя его о запросе на установление соединения.
BSC передает это сообщение в центр коммутации MSC, добавляя к нему иденти-
фикационный код соты, в которой подвижная станция расположена в текущий
момент. После этого MSC информирует связанный с ней VRL о запросе подвиж-
ной станции на установление соединения. VLR инициирует процедуру иденти-
фикации подвижной станции (см. параграф 7.9), для осуществления которой
снова используется канал SDCCH между подвижной и базовой станциями. По-
сле положительной идентификации следует переключение в режим шифрован-
ной передачи данных. Затем подвижной станции передается ее новый TMSI-но-
мер. Подвижная станция подтверждает его получение. Следующее сообщение,
посылаемое подвижной станцией, содержит номер вызываемого пользователя и
тип запрашиваемой услуги. Это сообщение попадает в MSC и VRL. Если запра-
шиваемая услуга присутствует в хранимом VLR списке услуг, на которые подпи-
сан вызывающий абонент, сеть посылает вызывающей подвижной станции со-
общение о начале установления соединения. Коммутатор MSC выделяет этому
соединению фиксированную (проводную) линию, а подвижной станции - канал
трафика. В результате такой процедуры подвижная станция получает среди про-
чей следующую информацию:
• номер выделенного временного слота;
• код одной из восьми возможных обучающих последовательностей, ис-
пользуемых в нормальном пакете для идентификации канала;
• абсолютный номер радиочастотного канала (англ. Absolute Radio Frequ-
ency Channel Number - ARFN) - номер, определяющий конкретную несу-
щую, которая будет использована для передачи данных;
• значение временного сдвига (англ. Timing Advance -ТА) - число, опреде-
ляющее необходимый временной сдвиг начала передаваемого пакета от-
носительно системных часов, обеспечивающий правильное временное рас-
положение пакета во временном слоте при его приеме базовой станцией;
• параметры процедуры скачкообразной перестройки частоты (англ. Fre-
quency Hopping - FH), если она применяется.
Затем подвижная станция подтверждает получение канала. Эта информация
попадает в MSC. Если вызываемый пользователь принадлежит к той же самой
сети GSM, выполняются некоторые дополнительные этапы установления соеди-
нения, однако эти детали выходят за рамки данного раздела.
Глава 7. Сотовая телефония GSM - архитектура и системные аспекты 2Т7
После установления соединения через MSC, транзитный MSC GSM-систе-
мы (GMSC) и коммутатор телефонной сети общего пользования, производится
вызов требуемого абонента ТфОП. При его ответе подвижная станция получает
сообщение с подтверждением успешного соединения с вызываемым пользовате-
лем. Начиная с этого момента становится возможным передача голоса или дан-
ных обоими пользователями при помощи выделенного временного слота на за-
крепленной несущей частоте в соответствии со структурой мультикадра, изобра-
женной на рис. 7.6. Напомним, что помимо канала передачи данных, данному
соединению выделяется низкоскоростной совмещенный канал управления
(SACCH). По этому каналу подвижная станция передает на базовую станцию
следующую информацию:
• мощность принимаемого сигнала и оценка качества передачи обслужива-
ющей соты;
• мощность шести сильнейших несущих, передающих канал ВССН в со-
седних сотах;
• мощность принимаемого сигнала в пустом слоте в течение периода из-
мерения;
• временной сдвиг, применяемый подвижной станцией в течение периода
измерения.
В свою очередь, базовая станция передает по каналу SACCH на подвижную
станцию следующую информацию: описание соседних сот, идентификатор со-
ты, идентификатор местоположения и сигналы управления уровнем мощности
подвижной станции.
Рассмотрим упрощенную процедуру осуществления звонка на подвижную
станцию. Последовательные этапы установления соединения изображены на
рис. 7.10.
MS BSC MSC VLR HLR GMSC PSTN/ISDN
Входящий вызов
Запрос информации о маршруте соединения
Информация маршрутизации
Запрос на соединение
Запрос области местоположения (LA)
Информация о текущей LA
Вызов подвижной станции
Ответ на вызов
Установление соединения
Рис. 7.10. Упрошенная процедура установления соединения с подвижной
станцией со стороны фиксированной сети связи
228
Системы полвижнои ралиосвязи
На первом этапе абонент фиксированной сети набирает номер GSM-абонен-
та. Коммутатор сети телефонной сети общего пользования, ISDN или другой се-
ти передачи данных посылает запрос на установление соединения на транзит-
ный MSC GSM (GMSC). Чтобы установить соединение, необходимо определить
текущее местоположение вызываемой подвижной станции. Для этого GMSC по-
сылает запрос в регистр HLR, который в ответ информирует GMSC о местона-
хождении подвижной станции и VLR, в котором подвижная станция зарегистри-
рована в текущий момент. На свой запрос HLR регистр получает от VLRроумин-
говый номер мобильного абонента (англ. Mobile Subscriber Roaming Number -
MSRN) - временный номер подвижной станции, который передается в GMSC.
GMSC начинает установление соединения с соответствующим MSC. Этот MSC
проверяет в регистре VLR, доступна ли запрашиваемая услуга данному абонен-
ту, а также запрашивает в VLR текущее местоположение подвижной станции.
В действительности MSC получает из VLR такие параметры вызываемой MS,
как код области местоположения (англ. Location Area Code -LAC) и TMSI.
Обратим внимание, что область местоположения обслуживается целой
группой базовых станций. После определения этой области и выяснения в VLR,
что подвижная станция находится, по крайней мере, в режиме ожидания, MSC
посылает запрос на все контроллеры базовых станций (BSC), работающих в дан-
ной области. Это реализуется отправкой логического канала вызова на вещатель-
ных несущих всех сот, обслуживаемых этими BSC. Фактически, подвижная
станция ищется одновременно в нескольких сотах. Когда подвижная станция по-
лучает предназначенный ей канал вызова, она отвечает на него отправкой канала
RACH на ближайшую базовую станцию. Это позволяет локализовать подвиж-
ную станцию в конкретной соте области местоположения. BSC выделяет вызы-
ваемой подвижной станции канал SDCCH и информирует об этом MSC. С этого
момента подвижная станция будет отвечать центру MSC по выделенному каналу
SDCCH. Затем контроллер базовых станций посылает в MSC запрос на обслужи-
вание. Этот запрос содержит идентификатор соты и временный идентификаци-
онный номер подвижного абонента. MSC информирует свой VRL об ответе
подвижной станции на направленный ей вызов. VRL инициирует процедуру иден-
тификации подвижной станции, в которую вовлечены MSC, BSC и MS. По завер-
шении этой процедуры VRL выдает MSC команду начать шифрование данных.
Последний передает эту команду базовой и подвижной станциям. После инициа-
ции шифрования данных в подвижной станции ей назначается новый TMSI-но-
мер на время соединения. MS подтверждает получение нового номера эта ин-
формация попадает в VRL и MSC начинает устанавливать соединение с данной
подвижной станцией, посылая ей соответствующее сообщение (Set-Up-messa-
ge). MS подтверждает получение этого сообщения. Затем MSC выделяет фикси-
рованную линию связи между собой и контроллером базовой станции и требует,
чтобы BSC выделил свободный канал трафика. Таким образом, соединению вы-
деляется номер несущей частоты, номер временного слота и обучающая после-
довательность. Подвижная станция посылает подтверждение приема указанных
параметров, которые затем передаются в MSC. Одновременно MS начинает по-
Глава 7. Сотовая телефония GSM - архитектура и системные аспекты
229
давать звонковый сигнал и информирует об этом MSC. Последний начинает
передавать вызывающему абоненту сигнал звонка. После того как мобильный
пользователь примет вызов («поднимет трубку»), начинается сам разговор.
Одна из наиболее интересных особенностей систем GSM - это возможность
устанавливать соединение с подвижной станцией, которая находится в другой
стране в области обслуживания другого GSM-оператора. Если между местным и
зарубежным оператором заключено формальное соглашение, то становится воз-
можным установление соединения и прием звонка в GSM-сети другого государ-
ства. Эта услуга называется роуминг. Реализована она и в других общеевропей-
ских сетях подвижной связи, например, в TETRA и ERMES.
Когда запрос на установление соединения приходит от абонента фиксиро-
ванной телефонной сети, GMSC выясняет в регистре HLR местоположение
подвижной станции в текущий момент. Рассмотрим случай, при котором вызы-
ваемая подвижная станция находится в области обслуживания другой сети и вре-
менно зарегистрирована в ней. Адрес этой подвижной станции извлекается из
HLR и отправляется в соответствующий центр коммутации вызывающего або-
нента фиксированной сети. Этот центр коммутации посредством фиксирован-
ной сети связи устанавливает международное соединение с вызываемым або-
нентом, находящимся в другой GSM-сети.
Процедура установления соединения была описана достаточно кратко, и
многие детали были оставлены без внимания. Читатель может найти их в книгах,
целиком посвященных системе GSM, например, в [2], [6], [10] и в стандартах
ETSI/GSM.
В следующем параграфе мы рассмотрим чрезвычайно важную процедуру
передачи соединения из одной соты в другую (хэндовер) - неотъемлемую со-
ставляющую сетей сотовой связи.
7.8. ХЭНДОВЕР
Передача соединения между сотами (хэндовер) одна из наиболее важейших
процедур управления сетью сотовой связи. Она позволяет продолжать разговор,
когда подвижная станция пересекает границы соты и перемещается в соседнюю.
Именно эта особенность позволяет считать абонента действительно мобиль-
ным, хотя сигналы управления хэндовера сильно загружают сеть. Основная зада-
ча при передаче соединения между сотами - выполнение процедуры настолько
быстро, чтобы абонент не потерял соединения и мог продолжать разговор, даже
не заметив этой передачи. Существует несколько конкретных видов хэндовера,
описываемых ниже. На рис. 7.11-7.14 изображены типичные ситуации, в кото-
рых осуществляется передача соединения.
Передача соединения внутри соты (англ, intra-cell handover — внутрисото-
вый хэндовер) предназначена для оптимизации нагрузки на соту или повышения
качества соединения за счет смены несущей частоты (см. рис. 7.11).
230
Системы подвижной радиосвязи
При межсотовом хэндовере пользователь перемешается из одной соты в
другую. В самом простом случае (см. рис. 7.12) - межсотовом хэндовере в зоне
обслуживания одного BSC (англ. intra-BCS handover) задействован только один
Рис. 7.12. Межсотовый хэндовер в зоне обслуживания одного BSC
Рис. 7.13. Межсотовый хэндовер в зоне обслуживания одного MSC
Глава 7. Сотовая телефония GSM - архитектура и системные аспекты
231
Рис. 7.14. Хэндовер между MSC
BSC, а меняются только базовые станции. Во втором случае (рис. 7.13) соедине-
ние передается из одного BSC в другой (англ. inter-BCS handover - межсотовый
хэндовер в зоне обслуживания одного MSC), а в третьем - изменяется весь марш-
рут соединения, включая MSC. Последний тип передачи соединения называется
хэндовер между MSC (англ. inter-MCS handover). В этом случае предъявляются
особенно высокие требования к сети сотовой связи, а также к фиксированной се-
ти передачи данных, часто не принадлежащей оператору СПС. Обратим внима-
ние на то, что разные MSC могут быть удалены друг от друга более чем на 100 км.
Передача соединения в сетях GSM отличается от аналогичных процедур,
выполняемых в аналоговых сетях первого поколения. В аналоговых сетях проце-
дура хэндовера инициируется по результатам оценки качества соединения или
измерений напряженности поля в восходящей линии связи. Это ощутимо увели-
чивает нагрузку на сети. Помимо этого, в случае применения аналогового тести-
рования, при возникновении искажений управляющих сигналов резко снижает-
ся надежность данной процедуры.
В системе GSM измерения производятся как в восходящей, так и в нисходя-
щей линиях связи. Это подразумевает активное участие подвижной станции в
процедуре передачи соединения. Качество и уровень принимаемых сигналов из-
меряются в обоих направлениях передачи данных. Результаты измерений обо-
значаются символами12 RXLEV-U, RXQUAL-U, RXLEV-D, RXQUAL-D и
DISTANCE. Последняя величина описывает расстояние между подвижной и ба-
зовой станциями. Напомним, что мерой расстояния служит временной сдвиг пе-
редачи пакета, который позволяет приемнику поместить пакет в выделенный
временной слот.
12 RXLEV-U обозначает уровень принимаемого сигнала в восходящей линии связи (англ.
Received Signal Level in the Upper Link), RXQUAL-U - качество принимаемого сигнала
в восходящей линии связи (англ. Received Signal Level in the Upper Link), D в конце аб-
бревиатуры (RXLEV-D, RXQUAL-D) обозначает соответствующие измерения в ни-
сходящей линии связи (англ. Down Link).
232
Системы полвижнои ралиосвязи
Подвижная станция регулярно измеряет уровни 16 сильнейших несущих, по
которым передается канал ВССН. Результаты измерения шести сильнейших не-
сущих передаются на взаимодействующую с ней в данный момент базовую стан-
цию каждые 0,48 с. Базовая станция, в свою очередь, измеряет помехи во времен-
ных слотах, свободных в текущий момент. Центр эксплуатсщгш и технического
обслуживания (ОМС) осуществляет мониторинг уровня текущей загрузки сот.
Эти значения также могут использоваться при передаче соединения.
Как уже упоминалось, процедура хэндовера выполняется совместно по-
движной и базовой станциями. Инициатором этой процедуры может быть по-
движная станция. Хэндовер не подлежит нормированию. В общем случае он
должен завершиться в течение одной секунды. Если длительность хэндовера
менее 100 мс, то для пользователя он практически незаметен. При возникнове-
нии ошибки хэндовера, соединение возвращается к предыдущей базовой стан-
ции. В случае разрыва соединения по радиоканалу, в течение 4...8 с происходит
восстановление соединения с базовой станцией, от которой подвижая станция
принимает самый мощный сигнал.
7.9. КОНФИДЕНЦИАЛЬНОСТЬ И АУТЕНТИФИКАЦИЯ
ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ
В системах сотовой связи первого поколения обеспечение конфиденциаль-
ности разговора представляло достаточно сложную задачу. Это было обусловле-
но аналоговой природой передаваемого речевого сигнала. Для перехвата разго-
вора, не защищенного никаким типом кодирования, можно было использовать
относительно простое устройство. В цифровых системах сотовой связи конфи-
денциальность разговора обеспечить намного проще благодаря цифровому ко-
дированию речи, преобразующему аналоговые речевые фрагменты в поток дво-
ичных данных, а также шифрованию данных, скремблированию и другим изве-
стным методам защиты передаваемой информации от несанкционированного
доступа.
Важность защиты от подслушивания переговоров и несанкционирован-
ного доступа к сети сотовой связи исходит из самих принципов построения
сети. В сети сотовой связи общего пользования маршрут установления соеди-
нения с вызываемым абонентом заранее неизвестен. Это обусловлено как
особенностями радиоинтерфейса, так и мобильностью абонента. Для того
чтобы установить соединение, необходимо идентифицировать терминал в се-
ти и идентифицировать пользователя для гарантированного выставления сче-
та по правильному адресу.
Для обеспечения безопасности передачи данных в системе GSM были при-
няты следующие меры:
• осуществление доступа к сети на основании проверки аутентичности
пользователя;
Глава 7. Сотовая телефония GSM - архитектура и системные аспекты
233
• засекречивание передаваемой информация (речевых сигналов, данных,
факсов и сигналов управления) при помощи шифрования;
• обеспечение анонимности абонентов благодаря использованию внутри
сети временного идентификационного номера мобильного абонента.
Важным элементом обеспечения конфиденциальности в системе GSM - это
модуль идентификации абонента (англ. Subscriber Identity Module — SIM-карта).
Это пластиковая смарт-карта со встроенным микроконтроллером, устанавливае-
мая в соответствующее гнездо подвижной станции. Абонент получает SIM-кар-
ту у оператора сети связи. Карта содержит индивидуальную информацию поль-
зователя, программы шифрования и ключи. Благодаря возможности извлекать
SIM-карту из телефона, ее можно считать дополнительным средством защиты от
несанкционированного доступа к украденному или потерянному телефону. Она
также позволяет использовать запасной телефон, пока собственный телефон
абонента находится в ремонте. Необходимо обратить внимание на то, что по-
движная станция состоит из двух взаимосвязанных частей - мобильного телефо-
на и SIM-карты.
Как уже упоминалось ранее, SIM-карта содержит ROM, RAM и NVM (англ.
Non-Volatile Memory — энергонезависимая память). В ROM-памяти хранятся
программы, реализующие алгоритмы шифрования АЗ и А8. Первый алгоритм
используется в процессе аутентификации пользователя, второй - для вычисле-
ния ключа шифрования передаваемых данных. ROM-память имеет размер от 4
до 6 кБ и не может быть скопирована. RAM-память относительно мала - ее раз-
мер не превышает 256 байт. NVM-память имеет размер 2-3 кБ и содержит инди-
видуальные параметры и данные пользователя, такие, как:
• К, - ключ идентификации пользователя;
• IMSI (международный идентификационный номер мобильного абонен-
та)- 15-битовый индивидуальный идентификационный номер пользова-
теля, состоящий из кода страны, кода сети и номера пользователя;
• TMSI (временный идентификационный номер мобильного абонента) -
временный идентификационный номер, выделяемый после каждой реги-
страции подвижной станции в новом VLR;
• LAI (идентификатор области местоположения);
• PIN (англ. Personal Identification Number - персональный идентификаци-
онный номер) - четырех- или восьмизначный номер, позволяющий
SIM-карте идентифицировать пользователя;
• персональная телефонная книга - список телефонов, введенных пользо-
вателем;
• список зарубежных сотовых сетей, в которых разрешен роуминг;
• принятые короткие сообщения (SMS).
234
Системы полвижнои ралиосвязи
SIM-карта взаимодействует с телефоном в асинхронном последовательном
режиме полудуплексной передачи данных со скоростью 3,2 кбит/с в каждом на-
правлении.
Сеть начинает проверку аутентичности при проведении процедуры регист-
рации (сравните рис. 7.9 и 7.15). Подвижной станции посылается 128-битовое псев-
дослучайное число RAND. При помощи алгоритма шифрования АЗ и индиви-
дуального ключа пользователя Kt сеть и SIM-карта вычисляют 32-битовую элек-
тронную подпись SRES (англ, signed response). Вычисленная подвижной стан-
цией подпись SRES передается в фиксированную часть сети, где обе подписи
сравниваются. Если они совпадают, то процесс аутентификации считается завер-
шенным. На следующем этапе VLR выделяет пользователю TMSI и LAI (сравни-
те с рис. 7.9). Оба числа передаются на подвижную станцию в зашифрованном
виде и хранятся в SIM-карте. Индивидуальный номер IMSI передается один раз
за время существования пользователя. Это происходит, когда подвижная стан-
ция впервые регистрируется в сети и в регистре VLR о ней нет никаких данных.
Рис. 7.15. Проверка аутентичности пользователя
Как уже отмечалось, начиная с определенного этапа установления соедине-
ния, пользовательские данные и управляющие сигналы передаются в зашифро-
ванном виде. В процессе шифрования используется стандартизованный в Евро-
пе алгоритм шифрования с открытым ключом А5. Доступ к этому алгоритму
разрешен только производителям сотового оборудования. Конфиденциальность
передаваемой информации основана не только на ограничении доступа к алго-
ритму шифрования, но, прежде всего, на использовании ключа шифрования,
который никогда не передается по радиоканалам.
Алгоритм шифрования А5 реализуется в мобильном телефоне. Активизация
этого алгоритма инициируется сетью. SIM-карта получает ключ для алгоритма
шифрования данных на основании индивидуального ключа К; и числа RAND,
переданного сетью в процессе идентификации. Этот ключ вычисляется по алго-
ритму А8, который хранится в SIM-карте. На основе полученного ключа Кс и те-
кущего 22-битового номера TDMA-кадра алгоритм А5 генерирует 114 битов, ко-
Глава 7. Сотовая телефония CSM - архитектура и системные аспекты
235
SIM-карта Радиоканал Сеть
телефон
Рис. 7.16. Процесс шифрования данных
торые по модулю 2 прибавляются к информационным битам нормального паке-
та. Напомним, что каждое из двух информационных полей нормального пакета
содержит по 57 битов. В фиксированной части сети та же операция выполняется
в отношении принимаемого блока из 114 зашифрованных битов. Если при пере-
даче данных не возникло ошибок, то прибавление по модулю 2 сгенерированной
шифрующей последовательности к принятому блоку данных приводит к вос-
становлению первоначальной информационной последовательности, сгенери-
рованной в подвижной станции. Таким образом реализуется дешифрирование.
В графической форме процессы шифрования и дешифрирования изображены
на рис. 7.16.
7.10. ДАЛЬНЕЙШЕЕ РАЗВИТИЕ И МОДИФИКАЦИИ
ССПС СТАНДАРТА GSM
Базовая версия системы GSM была введена в эксплуатацию в начале девяно-
стых годов. Первая версия стандарта GSM появилась в 1990 г. после нескольких
лет работы комитета Groupe Special Mobile в рамках CEPT {Conference Europ ёе-
ne des Pastes et Telecommunications). В том же году по запросу Великобритании
была начата работа по адаптации стандарта GSM, функционирующего в диапа-
зоне 900 МГц (GSM-900) к диапазону 1800 МГц. Одновременно была признана
перспективность создания модификаций системы, позволяющих повысить ее
емкость и надежность. Особое внимание обращалось на простоту интеграции
дополнительных услуг. Эволюцию и выработку спецификаций системы можно
разделить на три этапа [7]:
• фаза 1 (1991-1994 гг.) - эксплуатация базовой версии системы;
236
Системы полвижнои ралиосвязи
• фаза 2 (1994-1995 гг.) - анализ спецификаций системы на предмет воз-
можности постепенной модернизации в будущем;
• фаза 2+ (с 1995 г.) - начало введения модификаций системы.
Одна из модификаций системы GSM, которая потенциально способна ока-
зать влияние на ее емкость - использование стандарта кодирования речи с по-
ловинной скоростью. Этот стандарт определяет двоичное представление рече-
вого сигнала со скоростью 6,5 кбит/с (HR - Half-Rate Coding), что составляет
половину скорости потока данных, генерируемых стандартным кодером речи
(13 кбит/с) (FR - Full-Rate Coding). К сожалению, качество передачи речи ухуд-
шается, особенно в случае установления соединения между двумя пользователя-
ми системы GSM. В каскадах кодирования - декодирования при двойном преоб-
разовании речевого сигнала из стандарта GSM в РСМ и обратно на пути сигнала
между пользователями происходит заметное ухудшение качества речи. С другой
стороны, к применению предложен новый кодер речи высокого качества (Enhan-
ced Full Rate Encoder), в основе которого лежит принцип CELP (см. раздел 1).
Этот новый речевой кодер будет коротко рассмотрен в разделе 8. Часто совре-
менные мобильные телефоны оборудуются речевыми кодерами, соответствую-
щими всем трем стандартам.
Модернизация GSM нацелена на расширения возможностей системы по пе-
редаче данных и предоставлению новых услуг. Подробнее мы рассмотрим их в
разделе 9.
Одна из наиболее важных модификаций системы GSM - версия, работаю-
щая в диапазоне 1800 МГц. Она носит название DCS-1800 (англ. Digital Cellular
System - цифровая сотовая система) и относится к категории персональных се-
тей связи (англ. Personal Communications Network-PCN) [8]. Идея PCN соответ-
ствует концепции беспроводной сети, в которой пользователь может принимать
и инициировать вызов при помощи компактного и легкого персонального терми-
нала независимо от своего местоположения; DCS-1800 не вполне удовлетворяет
всем предъявляемым к сетям PCN требованиям, однако она находится ближе к
этой категории, чем обычные сети сотовой связи. Система DCS-1800 изначально
предназначалась для использования в городах и пригородах с очень интенсив-
ным трафиком и была ориентирована на массовый рынок. Оказалось, что техно-
логия, используемая в системе GSM настолько универсальна, что после незначи-
тельной модификации она может использоваться в диапазоне 1800 МГц (в США
под названием PSC1900 в диапазоне 1900 МГц).
Основное отличие системы DCS-1800 от системы GSM-900 заключается в
меньшей мощности базовых и подвижных станций, что влечет за собой сниже-
ние уровня сигнала и уменьшение размера сот. Системе DCS-1800 выделен боль-
ший частотный диапазон, чем изначальной GSM-900. В DCS-1800 доступно до
374 несущих частот (табл. 7.1).
Уменьшение размера сот приводит к соответствующему увеличению емко-
сти системы DCS-1800 по сравнению с GSM-900. С другой стороны, использова-
Глава 7. Сотовая телефония CSM - архитектура и системные аспекты
237
Таблица 7.1. Основные различия между системами
GSM-900 и DCS-1800
Характеристика GSM-900 DCS-1800
Частотный диапазон, МГц восходящая линия связи (MS->BS) нисходящая линия связи (BS->MS) 890...915 935...960 1710...1785 1805... 1880
Количество каналов 124 374
Дуплексный разнос, МГц 45 95
Максимальная мощность BS, Вт 320 (55 дБм) 20 (43 дБм)
Максимальная мощность MS, Вт 8 (39 дБм) 1 (30 дБм)
Минимальная мощность MS, Вт 0,02 (13 дБм) 0,0025 (4 дБм)
Классы MS 20 Вт (не реализована) 8 Вт (автомобильный/ переносной телефон) 5 Вт (автомобильный/ переносной телефон) 2 Вт ручной (носимый) 0,8 Вт ручной (носимый) 1 Вт ручной 0,25 Вт ручной
Максимальная скорость транспортного средства, км/ч 250 130
ние несущих частот, в два раза превышающих несущие частоты системы
GSM-900, приводит к удвоению чувствительности к эффекту Доплера. Поэтому
приемлемая максимальная скорость транспортного средства для обслуживания
DCS-1800 принимается равной 130 км/ч.
Другое существенное улучшение системы DCS-1800 - это возможность роу-
минга в пределах страны. Это означает, что если в стране работает несколько
операторов сетей DCS, и материнская сеть абонента не обслуживает какой-либо
район, то абонент может воспользоваться ресурсами другой сети. Возвращение в
домашнюю сеть происходит автоматически, как только пользователь попадает в
зону ее обслуживания. В системе GSM-900 это невозможно по организацион-
ным причинам. Операторы сетей подвижной связи, предоставляющие пользова-
телям услуги как GSM-900, так и DCS-1800, обеспечивают их двухдиапазонны-
ми мобильными телефонами, которые автоматически выбирают диапазон, не
уведомляя об этом пользователя.
Существует еще одна многообещающая модификации базовой системы
GSM-900. Было замечено, что работающие в диапазоне 450 МГц сотовые систе-
мы первого поколения постепенно теряют своих абонентов, которые переходят
на системы второго поколения. После закрытия старых аналоговых систем их
238
Системы подвижной радиосвязи
частотный диапазон может также быть передан системе GSM. В связи с этим
ETSI стандартизует систему GSM, которая работает в диапазоне 450 и 480 МГц и
называется GSM-400. Диапазон 850 МГц тоже может быть использован систе-
мой GSM (GSM-850). Сетевая инфраструктура останется неизменной, однако
для некоторых элементов сети потребуется замена программного обеспечения.
Перечислим основные технические характеристики системы GSM-400:
• диапазон частот, МГц:
• 450,4...457,6 (MS-BS) и 460,4...467,6 (BS-MS);
• 478,8...486,0 и 488,8...496,0;
• ширина полосы частотного спектра, МГц: 7,1 или 7,2;
• дуплексный разнос частот, МГц: 10;
• частотный разнос каналов, кГц: 200;
• поддержка фрагментированного частотного диапазона (следствие распре-
деления частот в NMT-450).
В системе GSM-850 частоты распределены следующим образом: восходя-
щая линия связи - 824...849 МГц, нисходящая - 869...894 МГц.
В разделе 3 было показано, что затухание электромагнитной волны зависит
от ее частоты. В GSM-400 несущие частоты в два раза меньше, чем в GSM-900.
Соответственно размер зоны радиопокрытия соты увеличивается приблизитель-
но до 67 км. В настоящее время проводятся работы по увеличению радиуса дей-
ствия в пределах 70... 140 км. Система GSM-400 будет поддерживать все стандар-
тизованные ETS1 способы увеличения емкости, реализуемые в настоящее время
системами GSM-900 и DCS-1800. Среди этих способов такие, как скачкообраз-
ная перестройка частоты, непрерывная передача, управление мощностью MS и
ВС и адаптивная многоскоростная передача данных.
* * *
Из описания системы GSM и ее процедур обмена информацией становится
ясен уровень сложности цифровой системы подвижной сотовой связи. Более
сложная структура системы GSM по сравнению с цифровыми проводными сис-
темами обусловлена необходимостью определять местонахождение вызываемой
подвижной станции при возможности перемещения последней во время ведения
разговора между зонами обслуживания различных базовых станций. В следую-
щих разделах мы увидим, что система GSM - не последнее слово в удивительно
быстром развитии подвижной связи. Как бы то ни было, в настоящее время сис-
тема GSM является предметом интенсивных модификаций, становясь элемен-
том постепенного перехода к Универсальной системе мобильных телекоммуни-
каций (англ. Universal Mobile Telecommunication System - UMTS), которую мы
рассмотрим в последующих разделах.
Глава 7. Сотовая телефония CSM - архитектура и системные аспекты
239
ЛИТЕРАТУРА
1. R. Steele (ed.), Mobile Radio Communications, Pentech Press Publishers, London,
1992.
2. M.Mouly, M.-B.Pautet, The CBM System for Mobile Communications, 1992.
3. K.Kakaes, Global System for Mobile Communications (GSM), Thtorial № 5, Inter-
national Conference on Communications, Geneva, May 23-26, 1993.
4. K.David, T.Benckner, Digitale Mobilfunksysteme, B.G.Teubner, Stuttgart, 1996.
5. D.Picken, «The GSM mobile-telephone network: technical features and measure-
ment requirements», News from Rohde & Schwarz, № 136, 1992, pp. 28-31.
6. A.Mehrotra, GSM System Engineering, Artech House Publishers. Boston, 1997.
7. M.Mouly, M.-B.Pautet, «Current Evolution of the GSM Systems», IEEE Personal
Communications, October 1995, pp. 9-19.
8. A.R.Potter, «Implementation of PCNs Using DCS1800», IEEE Communications
Magazine, December 1992, pp. 32-36.
9. A.Hadden, «DCS1800: The Standard for Personal Communication Networks», Te-
lecommunications, June 1991, pp. 61-63.
10. G.Heine, GSM Networks: Protocols, Terminology and Implementation, Artech
House, Boston, London, 1999.
11. B.H.Walke, Mobile Radio Networks: Networking and Protocols, John Wiley &
Sons, Ltd., Chichester, 1999.
Глава 8
СОТОВАЯ GSM-ТЕЛЕФОНИЯ
ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ
8.1. ВВЕДЕНИЕ
Для передачи речи, данных и связанных с ними управляющих сигналов в
системе GSM необходимо применение усовершенствованных методов сложной
цифровой обработки сигналов и современных методов кодирования, передачи
и приема информации, которые ранее использовались только в специализиро-
ванном профессиональном оборудовании. Такие требования обусловлены, в
основном, шириной спектра используемых каналов и скоростью передачи сиг-
налов. Разработка подвижных станций - чрезвычайно наиболее ответственная
задача. Конкуренция на рынке мобильных телефонов заставляет производите-
лей постоянно улучшать те параметры, которые наиболее важны для успеха на
этом рынке. Среди них-размер и масса телефона, время между перезарядками
батареи и длительность работы в режиме ожидания. Улучшение параметров
обусловлено прогрессом технологии изготовления интегральных схем и интел-
лектуальным распределением функций подвижной станции по отдельным
блокам. Это позволяет держать большую часть приемопередатчика в энерго-
сберегающем режиме.
Стандарты ETSI строго определяют параметры передачи - кодирование и
декодирование речи, канальное кодирование и используемую модуляцию и т.д.
При этом они оставляют производителям свободу реализации ряда алгоритмов,
в частности, применяемых в приемнике.
В этом разделе будут описаны алгоритмы и блоки, реализующие отдельные
функции приемника и передатчика.
Глава 8. Сотовая CSM-телефония - физическим уровень
241
8.2. СТРУКТУРА СТАНДАРТНОЙ ПОДВИЖНОЙ СТАНЦИИ
На рис. 8.1 изображена блок-схема стандартной подвижной станции. Анало-
гичные блоки есть и в базовых станциях, поэтому мы ограничимся описанием
только конструкции мобильного телефона.
Дискретиза-
ция 8 кГц
и АЦП
Речевой
кодер
Канальный
кодер
Данные
Канальный
кодер
Канальный
кодер
Переме-
житель
Переме-
житель
Переме-
житель
мих/
TDMA
GMSK-
модулятор
Синтезатор
частоты
вч-
блок
Каналы
управления
Клавиатура
Данные
— Блок управления
и измерения
параметров
передатчика
и приемника
Данные
управления
Канальный
декодер
Выбор несущей
Регулировка уровня сигнала
Выбор несущей
Дуплексер
Канальный
декодер
Канальный
декодер
Речевой
декодер
Депере-
межитель
Депере-
межитель
Депере-
межитель
DMUX/
TDMA
Синхронизация
и оценка канала
Последова-
тельный
детектор
или
эквалайзер
Синтезатор
частоты
GMSK-
демоду-
лятор
ВЧ-
блок
Рис. 8.1. Блок-схема стандартной подвижном станции
В микрофоне речевой сигнал преобразуется в электрический, ширина спект-
ра которого ограничена фильтром защиты от наложения спектров и составляет
4 кГц. Затем этот сигнал дискретизуется с частотой 8 кГц и преобразуется в по-
следовательность двоичных символов 13-битовым аналого-цифровым преобра-
зователем (АЦП). АЦП должен быть линейным, что обусловлено характером ра-
боты речевого кодера. Обратим внимание на то, что поток двоичных данных на
выходе АЦП имеет скорость 104 кбит/с, т.е. почти в два раза большую, чем ско-
рость двоичного потока на выходе 8-битового нелинейного ИКМ-кодера. После-
довательность 13-битовых отсчетов обрабатывается блоками по 20 мс речевым
кодером, использующим метод долгосрочного предсказания с возбуждением ре-
гулярной последовательностью импульсов (англ. Regular Pulse Excitation Long
Term Prediction-RPE-LTP). Алгоритм кодирования речи будет рассмотрен ниже
в этом разделе. В результате применения этого алгоритма каждый 20-мс блок
представляется 260 битами. Таким образом, скорость потока данных на выходе
речевого кодера уменьшается со 104 до 13 кбит/с. В 260 битах каждого блока
242
Системы подвижной радиосвязи
можно выделить двоичный блок, имеющий ключевое значение для декодирова-
ния всего блока (так называемые биты класса 1а), блок средней важности (биты
класса 16) и блок битов (биты класса 2), ошибки в котором не сильно влияют на
качество речи, генерируемой речевым декодером. Такое разделение блока дан-
ных на классы позволяет использовать неравнозначную защиту от ошибок.
Затем 13-кбит/с двоичный поток подвергается канальному кодированию [2].
Ошибки в 50 битах класса 1а детектируются с помощью блочного полиномиаль-
ного кода, который прибавляет к блоку данных 3-битовый код четности. Если
проверка четности в приемнике показывает наличие ошибок в блоке, то в про-
цессе декодирования речи весь 260-битовый блок игнорируется, и вместо него
подставляется интерполированный фрагмент.
Для класса средней важности, обозначаемого как 16, выделено 132 бита.
Блок, состоящий из битов класса 1 а, трех битов четности и 132 битов класса 1 б,
к которым добавлены четыре нулевых бита, кодируется сверточным кодом с
R = 1/2 и длиной кодового ограничения 5. В результате этой операции получают-
ся 378 битов, которые вместе с оставшимися 78 битами класса 2 составляют
456-битовый блок, представляющий фрагмент речи длиной 20 мс. Таким обра-
зом, благодаря канальному кодированию скорость потока данных увеличивается
до 22,8 кбит/с. На рис. 8.2 представлена диаграмма канального кодирования бло-
ка, представляющего фрагмент речи.
456 = 57x8 битов, передаваемых
в восьми блоках, т.е. в четырех ТСН-слотах
Рис. 8.2. Канальное кодирование 20-мс блока
В целях эффективного декодирования и рассеяния ошибок, сгруппирован-
ных в пакеты вследствие замираний, применяется перемежение. При этом изме-
няется порядок следования битов, полученных в процессе кодирования. В при-
емнике имеет место обратный процесс, в ходе которого восстанавливается
первоначальный порядок двоичного потока. В GSM используется блочное пере-
Глава 8. Сотовая GSM-телефония - физический уровень
243
межение данных. Блок из 456 битов, полученных в результате кодирования одно-
го 20-мс блока, разделяется на 8 сегментов по 57 битов каждый. В предыдущем
разделе говорилось о том, что нормальный пакет в канале трафика (ТСН) содер-
жит два 57-битовых блока передаваемых данных. Они содержат по одному фраг-
менту из разных 20-мс блоков данных. В итоге процесс перемежения может быть
представлен следующим образом.
456 битов, представляющих 20-мс фрагмент речи, последовательно запол-
няют ряды матрицы RAM, содержащей 8 столбцов и 57 строк. Затем эти биты
считываются по столбцам. Так формируется 8 сегментов по 57 битов в каждом.
Сегменты распределяются по восьми последовательным пакетам, размещаемым
в выделенных временных слотах. Каждый пакет содержит два 57-битовых под-
блока, заполненных битами из смежных 456-битовых блоков. Биты из подблоков
от нулевого до третьего занимают четные позиции, а биты из подблоков от
четвертого до седьмого - нечетные. Получается, что первые четыре пакета со-
держат биты из текущего и предыдущего 456-битовых блоков данных, а послед-
ние четыре пакета содержат биты из текущего и последующего блоков.
С учетом занимающих достаточно много времени (20 мс) процедур речевого
кодирования и декодирования, канального кодирования и декодирования с при-
менением алгоритма Витерби (10-20 мс) и перемежения/деперемежения блоков
(40 мс), задержка составит 70-80 мс, которыми нельзя пренебрегать.
В системе GSM используется детектирование активности речи (англ. Voice
Activity Detection - VAD). Это означает, что речевой кодер, помимо обычной опе-
рации кодирования, проверяет, является кодируемый сигнал речью или это про-
сто фоновый шумовой сигнал окружающей среды. Во время речевой активности
говорящего пользователя кодируется как речевой сигнал, так и шум. Если поль-
зователь молчит, то передача двоичного сигнала, представляющего шум, не
производится. Паузы в речевом сигнале, вызывающие паузы в кодированном
сигнале, должны были бы привести к большим перепадам уровня акустического
сигнала на стороне приема. Это вызвало бы дискомфорт у слушателя. Для умень-
шения подобного эффекта через равные промежутки времени передаются кад-
ры, описывающие шум окружающей среды. Такой подход позволяет создать в
приемнике искусственный шумовой сигнал. Этот шум, называемый комфорт-
ным, аналогичен шуму вблизи говорящего абонента. Поскольку кадры, описыва-
ющие шум, посылаются намного реже, чем пакеты с двоичным представлением
речи, в целом отношение сигнал/шум увеличивается.
Стандартная версия системы GSM поддерживает передачу данных со скоро-
стями 2400,4800 и 9600 кбит/с. Для каждой из скоростей применяется соответст-
вующий сверточный код с коэффициентом кодирования от 1/6 до 1/2. Использу-
ется и перемежение - однако в этом случае оно значительно глубже, чем при
передаче речевого сигнала. Вносимая перемежителем задержка при передаче дан-
ных не настолько критична, как при передаче речи. С другой стороны, здесь тре-
буется намного меньшая частота возникновения ошибок. Этого можно достиг-
нуть применением канального кодирования с коррекцией ошибок и более глубо-
244
Системы подвижной радиосвязи
ким перемежением. Более подробная информация о передаче данных в системе
GSM приводится в разделе 9.
В предыдущем разделе мы выяснили, что, помимо пользовательских дан-
ных, между базовой и подвижной станциями в обоих направлениях передаются
управляющие данные. Их безошибочный прием чрезвычайно важен для надеж-
ной работы системы. Следовательно, при передаче управляющих сигналов дол-
жно использоваться кодирование с намного более сильной коррекцией ошибок,
чем при передаче речи. На рис. 8.3 представлена схема двухуровневого кодиро-
вания, используемого при передаче управляющей информации.
Управляющее сообщение состоит из 23 байтов. Таким образом, блок данных
состоит из 184 битов. Внешний код, корректирующий ошибки, представляет со-
бой укороченный вариант блочного кода Файра (англ. Fire). Код Файра предназ-
начен для коррекции пакетов ошибок известной длины, возникающих после до-
статочно длинных интервалов передачи, не содержащих ошибок. Применяемый
код может исправить одиночный пакет длиной 12 битов. При кодировании к бло-
ку данных добавляется 40 битов CRC. Применение подобного кода, корректиру-
ющего пакеты ошибок, вызвано использованием внутреннего сверточного кода с
R - 1/2 и длиной кодового ограничения 5. Этот внутренний код декодируется при
помощи алгоритма Витерби, описанного в разделе 1. Потенциальные ошибки,
содержащиеся в битах на выходе декодера Витерби, часто группируются в паке-
ты. Причиной этого является неверный выбор пути на решетчатой диаграмме.
Четыре нулевых бита, добавленных к кодовому слову Файра, позволяют опреде-
лить состояние кодера в конце блока данных, что существенно помогает при де-
кодировании конечной части 456-битового блока.
Кодированные блоки данных подвергаются перемежению, и из них форми-
руются TDMA-пакеты. Эти пакеты направляются в GMSK-модулятор, который
помещает синхронизованный с точностью до 1/4 бита GMSK-сигнал в выделен-
ный временной слот. Момент генерации GMSK-сигнала определяется подсисте-
мой синхронизации. Затем GMSK-сигнал переносится в радиочастотный диапа-
зон выделенного канала, усиливается, проходит через дуплексный фильтр и
излучается антенной.
Рис. 8.3. Схема кодирования блока сигналов управления
Глава 8. Сотовая GSM-телефония - физический уровень
245
В приемнике многие процессы обработки сигнала обратны процессам, про-
ходящим в передатчике. Так, в подвижной станции для приема и передачи сигна-
ла используется одна и та же антенна, а прием модулированного пакета сдвинут
на три временных слота по отношению к переданному. После фильтрации малых
шумов производится демодуляция принятого сигнала. Затем из него выделяются
синфазная и квадратурная составляющие. Как правило, применяется синхро-
нное детектирование, т.е. GMSK-сигнал рассматривается как линейно модули-
рованный сигнал. После чего поток синфазных и квадратурных фрагментов де-
тектируется. Обычно на этом этапе применяется последовательный детектор
Витерби, который использует фрагменты импульсных откликов канала, полу-
ченных при оценке канала. Импульсный отклик рассчитывается на основе сиг-
нала, представляющего собой отклик подвижного канала передачи на известный
информационный блок, содержащийся в передаваемом пакете. Алгоритм детек-
тирования будет рассмотрен в одном из последующих параграфов. На выходе де-
тектора Витерби получаем двоичную последовательность решений вместе с ин-
формацией о правдоподобии полученных символов. После обращения свертки
эта информация используется в декодере Витерби с мягкими решениями, кото-
рый применяется для декодирования как двоичного потока, представляющего
речевой сигнал, так и потока управляющих данных. Затем полученные данные
декодируются в декодере внешних кодов, на выходе которого в случае удачного
окончания этого процесса получаются 260 битов речевого сигнала или 184 бита
управляющего сообщения. Блок данных, представляющий речевой сигнал, на-
правляется на речевой декодер, который выступает в роли синтезатора речи.
Управляющее сообщение поступает в блок управления, который выполняет со-
ответствующее этому сообщению действие.
Аналогичные приемные и передающие блоки можно обнаружить в оборудо-
вании базовой станции. Основное различие заключается в источнике и получателе
речевого сигнала, обрабатываемого базовой станцией. Речевой сигнал попадает в
передатчик из сети ТфОП в виде нелинейно квантованных 8-битовых ИКМ-фраг-
ментов. Эти фрагменты вначале конвертируются в 13-битовую линейно кванто-
ванную двоичную форму. Аналогичная обратная процедура выполняется в прием-
нике, который на последнем этапе генерирует нелинейно квантованные 8-битовые
ИКМ-фрагменты и отправляет их в сеть ТфОП. Отмечено, что этот процесс транс-
кодирования оказывает негативное влияние на качество распознавания речи, осо-
бенно в случае применения полускоростного кодирования речевых сигналов.
8.3. КОДИРОВАНИЕ И ДЕКОДИРОВАНИЕ
РЕЧЕВОГО СИГНАЛА
В разделе 1 было показано, что кодирование речи на самом деле представля-
ет собой процесс сжатия данных, при котором вместо преобразованных фраг-
ментов входного сигнала для передачи подбираются квантованные параметры
модели источника речи, позволяющие приемнику генерировать речевой сигнал,
246
Системы подвижной радиосвязи
чрезвычайно похожий на исходный. В системе GSM определены три стандарта
кодирования речи:
• кодирование речи с полной скоростью (англ. Full Rate - FR) [3];
• кодирование речи с половинной скоростью (англ. Half Rate - HR) [4];
• расширенное кодирование речи с полной скоростью (англ. Enhanced Full
Rate-EFR) [5].
Современные мобильные телефоны имеют речевые кодеры и декодеры,
позволяющие применять любой из перечисленных стандартов.
8.3.1. Кодирование речи с полной скоростью
Этот тип кодирования речи использует модифицированный метод линейно-
го предсказания RPE-LTP. Схема кодера изображена на рис. 8.4.
Сначала входной сигнал, дискретизованный 13-битовым линейным анало-
го-цифровым преобразователем или транскодированный из нелинейного 8-бито-
Рис. 8.4. Блок-схема полноскоростного кодера речи в системе CSM
1 - сигнал, прошедший STP-фильтр; 2 - сигнал, прошедший LTP-фильтр; 3 - оценка
сигнала, прошедшего STP-фильтр (40 фрагментов); 4 - реконструированный сигнал,
прошедший STP-фильтр (40 фрагментов); 5 - квантованный сигнал, прошедший
LTP-фильтр (40 фрагментов)
Глава 8. Сотовая GSM-телефония - физический уровень
247
вого ИКМ-формата в линейное 13-битовое представление, подвергается предва-
рительной обработке во избежание возможного смещения, а затем направляется
в фильтр предыскажений первого порядка. Полученные выборки нарезаются на
сегменты по 20 мс речевого сигнала, т.е. по 160 отсчетов. Далее выполняется
анализ отсчетов с выхода фильтра предыскажений, позволяющий определить ко-
эффициенты фильтра кратковременного предсказания (англ. Short-Term Predic-
tion - STP).
В сущности, в этом и состоит процесс LPC-анализа (англ. Linear Prediction
Coding - кодирование с линейным предсказанием).
Затем найденные параметры используются в фильтре-анализаторе кратко-
временного предсказания для обработки тех же самых 160 входных отсчетов.
В результате получаются 160 отсчетов остатка кратковременного предсказания
сигнала. Полученные параметры фильтра, представляющие собой восемь коэф-
фициентов отражения решетчатого STP-фильтра (см. рис. 1.8), преобразуются в
логарифмические отношения площадей (англ. Logarithmic Area Ratio - LAR),
имеющие лучшие квантовые свойства, чем сами коэффициенты отражения1.
Значения LAR в квантованной форме представляются 36 битами, составляющи-
ми часть блока сигнала с выхода кодера.
Для дальнейшей обработки 20-мс сегмент остатка прошедших
STP-фильтр фрагментов делится на четыре подсегмента, по 40 отсчетов в
каждом. Каждый подсегмент обрабатывается в последовательных блоках ко-
дера по отдельности.
Перед обработкой каждого подсегмента из 40 отсчетов речевой кодер опре-
деляет параметры фильтра долгосрочного предсказания (англ. Long-Term Predic-
tion -LTPy. LTP-задержку и весовой LTP-коэффициент2. Операция выполняется
на основе текущего подсегмента остатка STP-предсказания (см. сигнал (1) на
рис. 8.4) и сохраненной последовательностью из 120 восстановленных предше-
ствующих отсчетов остатка кратковременного предсказания (см. сигнал (4) на
рис. 8.4). Подсегмент из 40 отсчетов остатка сигнала (2), прошедшего
LTP-фильтр, представляет собой разность между 40 приближенными значения-
ми прошедшего STP-фильтр остатка сигнала (3) и 40 точными STP-фильтрован-
ными значениями остатка этого сигнала (1). В результате получается субсегмент
из 40 отсчетов остатка долговременного предсказания. После отбрасывания по-
следнего отсчета этот подсегмент направляется в блок-анализатор с возбуждени-
ем последовательностью регулярных импульсов (англ. Regular Pulse Excitation -
RPE). RPE-анализатор разделяет обрабатываемый подсегмент на три последова-
тельности возбуждения, каждая из которых состоит из 13 импульсов. Для этого
1 Пусть г-й коэффициент отражения обозначен аи, тогда
LAR(i) = lg|
2 Задержка L и коэффициент G3 LTP-фильтра приведены на рис. 1.11.
248
Системы подвижной радиосвязи
производится децимация3 отсчетов и выбора сигнальной сетки. Затем вычисля-
ется энергия трех прореженных последовательностей. Последовательность с са-
мой большой энергией выбирается в качестве последовательности, представля-
ющей весь блок прошедших LTP-фильтр остатков. Выбранные импульсы воз-
буждения нормируются по отношению к наибольшей амплитуде и квантуются.
Сдвиг сетки также кодируется, и вместе с квантованными значениями импуль-
сов возбуждения передается на приемник.
В результате представление каждого 5-мс подсегмента производится 47-би-
товым блоком.
Эти же RPE параметры подаются на блок декодирования и восстановления
сетки RPE, который выдает 40 квантованных отсчетов LTP-остатка (5). После
прибавления этих отсчетов к приближенным значениям STP-остатка получают-
ся реконструированные отсчеты STP-остатка, которые и направляются на вход
фильтра долговременного анализа. В результате фильтрации получается новый
подсегмент приближенных значений отсчетов остатка кратковременного пред-
сказания, которые используются при обработке следующего подсегмента.
В результате применения алгоритма кодирования 20-мс блок 13-битовых от-
счетов речи сжимается до 260 битов. Таким образом, полученная скорость пере-
дачи данных составляет 13 кбит/с.
На рис. 8.5 изображена упрощенная схема RPE-LTP-декодера. Он содержит
такой же контур обратной связи, как и кодер. В случае отсутствия ошибок пере-
дачи, выходной сигнал этой части декодера восстанавливает последователь-
ность отсчетов остатка кратковременного предсказания. Затем эти отсчеты на-
Рис. 8.5. Блок-схема RPE-LTP-декодера речи
Прореживание последовательности импульсов. В данном случае интервал следования
импульсов возбуждения обычно втрое превышает интервал дискретизации исходного
сигнала (прим. ред.).
Глава 8. Сотовая GSM-телефония - физический уровень
249
правляются на вход STP фильтра-синтезатора, после чего обрабатываются бло-
ком постфильтрации для компенсации предыскажений, внесенных фильтром на
входе кодера. Сигнал на выходе блока постфильтрации представляет собой вос-
становленные фрагменты речевого сигнала.
8.3.2. Кодирование речи с половинной скоростью
Кратко рассмотрим GSM-кодер речи с половинной скоростью [4]. В нем
используется подход «анализ через синтез» в версии VSELP, которая кратко
описывалась в разделе 1. Процедура «анализ через синтез» используется для
поиска наилучшего кодового слова4, характеризующего сигнал возбуждения
для каждого 20-мс сегмента. Такое кодовое слово находится путем применения
каждого кодового слова из словаря для возбуждения CELP-синтезатора. Затем
синтезированный речевой сигнал сравнивается с входным речевым сигналом и
вычисляется их разность. Разностный сигнал взвешивается спектральным
взвешивающим фильтром с характеристикой li'(z) и вторичным взвешиваю-
щим фильтром C(z). В результате получается сигнал ошибки е(п). Кодовое сло-
во, обеспечивающее наименьшую среднюю мощность сигнала ошибки е(и),
выбирается как наиболее точно соответствующее данному сегменту. Характе-
ристики взвешивающего фильтра выбираются таким образом, чтобы обеспе-
чить наилучшее субъективное восприятие синтезируемого речевого сигнала
человеческим ухом. Второй взвешивающий фильтр C(z) контролирует количе-
ство ошибок в гармониках речевого сигнала. На рис. 8.6 изображена упрощен-
ная блок-схема кодера с половинной скоростью. Оба взвешивающих фильтра
расположены в цепях входного и синтезированного сигналов перед вычитаю-
щим устройством, сравнивающим сигналы обеих цепей. В процессе «анализа
через синтез» кодер вычисляет 18 параметров, которые характеризуют каждый
20-мс сегмент. Параметры единичного сегмента представляются 112 битами,
что эквивалентно скорости передачи данных 5,6 кбит/с на выходе полускорост-
ного кодера.
Декодер с половинной скоростью представляет собой усечённый вариант
кодера. На основе принятых параметров речь генерируется тем же синтезатором,
что и в кодере.
Количество битов, представляющих 20-мс сегмент, значительно меньше,
чем при кодировании с полной скоростью; следовательно, безошибочные пере-
дача и декодирование этих битов оказывают более существенное влияние на
качество синтезируемой в приемнике речи. Поэтому здесь используется более
строгий сверточный код, чем применяемый в выходном блоке полноскоростного
кодирования, рассмотренного в предыдущем параграфе. Вследствие примене-
4 В польском варианте вместо термина «кодовое слово» используется «последователь-
ность отсчетов» (прим. ред.).
250
Системы полвижнои радиосвязи
Рис. 8.6. Упрошенная блок-схема CSM-кодера речи с половинной скоростью
A(z) - кратковременный спектральный фильтр; B(z) - долговременный фильтр с за-
держкой L-, |3 - весовой коэффициент
ния сверточного кодирования и введения контроля четности сегмента добавле-
нием нескольких концевых битов, количество представляющих 20-мс кадр би-
тов возрастает до 228. Это равнозначно скорости потока данных 11,4 кбит/с на
выходе канального кодера, что составляет ровно половину скорости на выходе
канального кодера, работающего совместно с полноскоростным кодером речи.
Основное преимущество кодера речи с половинной скоростью заключается
в удвоении емкости физического канала. Один и тот же временной слот может
использоваться чередующимися полускоростными каналами трафика. Внедре-
ние кодирования речи с половинной скоростью связано с попытками обойти
проблемы с емкостью системы в густонаселенных районах. Это привело к необ-
ходимости внедрить в мобильные телефоны кодеры, которые могут работать с
обоими стандартами. Основной недостаток кодирования речи с половинной ско-
ростью- это худшее качество передачи речи по сравнению с полноскоростым ко-
дированием.
Глава 8. Сотовая GSM-телефония - физический уровень
251
8.3.3. Улучшенное кодирование речи с полной скоростью
Улучшенное кодирование речи с полной скоростью (EFR) было стандарти-
зовано в документе [5]. В основе такого кодера лежит модель линейного предска-
зания с кодовым возбуждением (англ. Code-Excited Linear Prediction -CELP).
В этой модели используется линейный фильтр синтеза с кратковременным пред-
сказанием 1/A(z) 10-го порядка (рис. 8.7). После него применяется LTP-фильтр
синтеза, который реализован с использованием адаптивной кодовой книги. Пе-
редаточная функция LTP-фильтра задается выражением
1 1
£(z)~l-gpz~r’
где Г-период следования импульсов возбуждения; gp - коэффициент усиления.
Рис. 8.7. Упрошенная блок-схема EFR-кодера
В модели синтеза речи CELP сигнал возбуждения на входе фильтра синтеза
с кратковременным линейным предсказанием формируется путем сложения
двух векторов возбуждения из адаптивной и фиксированной кодовых книг. Рече-
вой сигнал синтезируется путем фильтрации сигнала возбуждения в фильтре-
синтезаторе кратковременного предсказания. Оптимальный вектор возбуждения
ищется в кодовой книге с помощью процедуры «анализ через синтез» - анало-
гичной той, которая используется в кодировании речи с половинной скоростью.
Таким образом, выбирается тот кодовый вектор, для которого мощность взве-
шенной ошибки между входным и синтезированным сигналами минимальна.
Кодер речи работает с 20-мс сегментами речевых отсчетов. Для каждого сегмента
(160 отсчетов) определяются такие параметры модели CELP, как коэффициенты
фильтра линейного предсказания, адреса в адаптивной и фиксированной кодо-
вой книгах, а также весовые коэффициенты. Затем они кодируются и Пересы-
252
Системы подвижной радиосвязи
лаются на приемник. Декодер использует принятые параметры для восстановле-
ния речевого сигнала в CELP-синтезаторе, идентичном применяемому в пере-
датчике при анализе речи.
EFR-кодер генерирует поток данных со скоростью 13 кбит/с. При этом при-
меняются такие же канальное кодирование и перемежение, как и в стандартном
полноскоростном (RPE-LTP) кодере. Тесты показали, что EFR-кодирование по-
зволяет получить намного лучшее качество передачи речи, чем RPE-LTP-коди-
рование. Такой тип кодеров в основном используется во вновь разворачиваемых
сетях, в частности, в сетях PCS-1900 в Северной Америке. В новых моделях мо-
бильных телефонов среди имеющихся речевых кодеров существует возмож-
ность использования EFR.
Таблица 8.1. Сравнение трех кодеров речи в системе GSM
Кодер речи Млн команд в секунду (MIPS) ROM-память под программу и данные, тыс. слов RAM, тыс. слов
GSMFR 2,5-4,5 4-6 1-2
GSM HR 17,5-22 16-20 ~5
GSM EFR 17-22 15-20 ~5
В табл. 8.1 [6] приведено сравнение потребности различных кодеров речи
системы GSM в вычислительных ресурсах. Как видим, стандартный полноско-
ростной кодер существенно проще двух остальных. Потребность в объемах па-
мяти для хранения данных и самой программы у него также в несколько раз
меньше.
8.4. МОДУЛЯЦИЯ GMSK
В предыдущем разделе было показано, что скорость передачи данных в од-
ном пакете TDMA составляет 270,833 кбит/с, при том, что каналы отделены друг
от друга всего лишь на 200 кГц. Это накладывает жесткие требования к типу ис-
пользуемой модуляции, которые касаются не только ширины главного лепестка
спектра сигнала, но и скорости снижения уровня мощности боковых спектраль-
ных лепестков. Другое требование связано с необходимостью обеспечения по-
стоянной огибающей сигнала и относится к возможности использования в по-
движной станции нелинейного усилителя радиодиапазона. Последнее особенно
важно для энергетического бюджета подвижной станции.
GSM-стандартом [7] рекомендуется использование гауссовской манипуля-
ции с минимальным сдвигом (англ. Gaussian Minimum Shift Keying - GMSK).
В разделе 1 было показано, что GMSK-модуляция представляет собой FSK-mo-
дуляцию (частотную манипуляцию) с непрерывной фазой, индексом модуляции
Глава 8. Сотовая CSM-телефония - физический уровень
253
Рис. 8.8. Обобщенная блок-схема GMSK-модулятора
h = 1/2 и частотным импульсом соответствующей формы. На рис. 8.8 изображена
обобщенная схема GMSK-модулятора.
Двоичный символ в и-й момент времени прибавляется по модулю 2 к преды-
дущему символу. Это своего рода дифференциальное кодирование, которое реа-
лизуется модулятором в GSM, однако в общем случае в GMSK-модуляторе его
может и не быть. Результирующий символ, после преобразования в форму NRZ
(англ. Non Return to Zero — «без возврата к нулю»), направляется на вход фильтра
с гауссовской импульсной характеристикой, те.
(8-1)
где о = л/1п2/(2лВГ); ВТ- 0,3; В- ширина спектра импульса h(t) по уровню ЗдБ;
Т - длительность одного бита.
Эффективная длительность импульсного отклика фильтра составляет от
4Т до 5Т Выходной сигнал фильтра возбуждает генератор, управляемый на-
пряжением. На рис. 8.9 изображена спектральная плотность мощности на выхо-
де идеального GMSK-модулятора (ВТ= 0,3), нормализованного по отношению
Рис. 8.9. Спектральная плотность мощности сигнала GMSK
в сравнении с сигналами MSK и BPSK
254
Системы полвижнои ралиосвязи
Временной слот (7500/13 мкс)
Рис. 8.10. Маска огибаюшей излучаемой мощности передатчика GSM с учетом
переходных процессов при включении/выключении усилителя мощности
к периоду Т. В реальных системах модулятор работает только во время передачи
пакета в выделенном временном слоте. Существует проблема технической реа-
лизации быстрого включения/выключения усилителя мощности, при котором
длительность переходных процессов соответствует стандарту GSM [7]. Маска
огибающей излучаемой мощности передатчика во времени с учетом длительно-
сти переходных процессов при включении/выключении усилителя мощности
приведена на рис. 8.10.
8.5. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ДАННЫХ
Ранее уже упоминалось о том, что в подвижных и базовых станциях системы
GSM для обработки последовательностей применяется, как правило, алгоритм
Витерби. Он представляет собой последовательный детектор, т.е. решения о дан-
ных принимаются алгоритмом на основании всей последовательности данных,
в отличие от посимвольного детектирования, при котором последовательные ре-
шения вырабатываются, основываясь на отдельных информационных символах.
Здесь нужно вспомнить некоторые особенности канала передачи GSM, име-
ющие решающее значение при выборе алгоритма детектирования. Известно, что
сигнал прибывает в приемник в виде отраженных и рассеянных лучей. Одиноч-
ные пути прохождения сигнала от передатчика до приемника имеют различные
длины, поэтому реплики сигнала характеризуются различными задержками.
В особенно неблагоприятных случаях разница между первой и последней репли-
ками может достигать 20 мкс (сравните с рис. 3.20 в разделе 3) при длительности
одного символа, равной 3,69 мкс. Это с очевидностью приводит к возникновению
Глава 8. Сотовая CSM-телефония - физический уровень
255
межсимвольной интерференции. Другой фактор, затрудняющий процесс детек-
тирования, - эффект Доплера, обусловленный движением подвижной станции.
Перемещение абонентской станции и/или нестационарность элементов окружа-
ющей среды вызывают изменения во времени характеристик канала. К счастью,
в течение одного временного интервала эти характеристики меняются не очень
сильно даже при максимально допустимой скорости движения подвижной станции.
Настроечная последовательность в середине пакета также позволяет снизить
влияние изменения характеристик канала на производительность системы [9].
В стандарте [9] перечислены восемь различных настроечных последовательно-
стей, которые обеспечивают хорошие корреляционные свойства эквивалентного
модулирующего GMSK-сигнала (см. формулы (1.25)-( 1.28) в разделе 1). С их по-
мощью фрагменты импульсного отклика канала можно оценить по формуле
hi=2LyjdLj^ (8.2)
J=-N
где у} - следующие друг за другом символы на выходе приемного фильтра, ну-
мерация которых начинается с середины обучающей последовательности;
dt = d'. + jd? - символы данных обучающей последовательности GMSK.
Примем модель эквивалентного канала в виде фильтра с конечной импуль-
сной характеристикой (КИХ). Она описывается выражением
У, = Y^d.-j +V,-, (8.3)
j=-N
где v; - фрагмент аддитивного белого гауссовского шума. По приближенным
значениям /г,. фрагментов импульсного отклика эквивалентного канала h, (i = -N,
..., N) в основной полосе частот приемник Витерби осуществляет детектирова-
ние последовательности {d„}, минимизируя функцию стоимости
где 2Vmax - номер последнего отсчета пакета, считая от его середины.
Таким способом находится информационная последовательность, следую-
щая за последовательностью обучающей. Стоит упомянуть, что остальная часть
пакета, предшествующая обучающей последовательности, хранится в RAM-па-
мяти и может быть точно так же обработана в направлении от середины пакета к
его началу. Единственное отличие такой обработки заключается в необходимо-
сти обращения фрагментов импульсного отклика канала.
На рис. 8.11 изображена обобщенная схема приемника, в котором использу-
ется алгоритм Витерби и блок оценки имульсного отклика канала. В детекторе
Витерби функция стоимости D минимизируется последовательно; при этом ис-
пользуются преимущества представления канала в виде автомата, описываемого
256
Системы полвижнои радиосвязи
последовательность
(средняя часть пакета)
Рис. 8.11. Обобщенная схема последовательного детектора,
реализующего алгоритм Витерби
решетчатой диаграммой аналогично тому, как это было сделано для сверточного
кодера (сравните с рис. 1.18). Поскольку GMSK - двоичная модуляция, такой авто-
мат имеет 22N состояний, где 2N + 1 - это длительность импульсного отклика ка-
нала. На практике детекторы в системе GSM имеют 24 = 16 состояний. На решет-
чатой диаграмме представлены все возможные пути из состояний в и-й момент в
состояния в (и + 1)-й момент. В разделе 1 было показано, что кратчайший путь к
искомому состоянию на решетчатой диаграмме в и-й момент, характеризуемый
минимальной функцией стоимости D, состоит из кратчайшего пути в одно из со-
стояний в (и - 1)-й момент и пути из этого состояния в искомое состояние в и-й
момент. Это правило позволяет работать в итерационном режиме, в котором те-
кущие результаты (в виде кратчайших путей в каждое состояние на предыдущем
шаге) используются для вычисления кратчайших путей на следующем шаге.
Минимизация функции стоимости D является практической реализацией
приема, соответствующего максимуму правдоподобия. Подвижные станции
стандарта GSM - это, наверное, самый первый массовый продукт, в котором ал-
горитм Витерби используется для декодирования сверточных кодов и информа-
ционных последовательностей.
Описанный выше метод детектирования представляет собой стандартное
решение. Существуют различные упрощения (например, описанные в [10]), при
которых уменьшается количество состояний на решетчатой диаграмме. Читате-
лю, интересующемуся терминалами GSM, рекомендуется обратиться к изданию
[11]. Уменьшение количества состояний особенно важно при использовании не-
двоичных модуляций. В разделе 9 будет показано, что в расширенной версии си-
стемы GSM (EDGE), адаптированной для высокоскоростной передачи данных,
используется модуляция 8-PSK. Таким образом, количество состояний на решет-
чатой диаграмме должно составлять 82Л. Даже для каналов с коротким импуль-
сным откликом такое количество состояний было бы чрезмерным. Поэтому при-
ходится использовать упрощенные алгоритмы детектирования.
Глава 8. Сотовая CSM-телефония - физическии уровень
257
ЛИТЕРАТУРА
1. R.Krenz, К.Wesolowski, «Pan-European System of GSM Cellular Telephony»
(in Polish), Przeglad Telekomunikacyjny, №6, 1993, pp. 279-284.
2. ETSI EN 300 909, Digital Cellular Telecommunications System (Phase 2+); Chan-
nel coding (GSM 05.03, version 8.3.0), April 2000.
3. ETSI EN 300 961, Digital Cellular Telecommunications System (Phase 2+); Full ra-
te speech; Ttanscoding (GSM 06.10, version 7.0.2), December 1999.
4. ETSI EN 300 969, Digital Cellular Telecommunications System (Phase 2+); Half
rate speech; Half rate speech transcoding (GSM 06.20, version 7.0.1), January 2000.
5. ETSI EN 300 726, Digital Cellular Telecommunications System (Phase 2+); En-
hanced Full Rate (EFR) speech transcoding (GSM 06.60, version 6.0.1), January 2000.
6. S.M.Redl, M.K. Weber, M.W.Oliphant, GSM and Personal Communications Hand-
book, Artech House, Boston, 1998.
7. ETSI EN 300 959, Digital Cellular Telecommunications System (Phase 2+); Modu-
lation (GSM 05.04, version 7.1.0), January 2000.
8. ETSI EN 300 910, Digital Cellular Telecommunications System (Phase 2+); Radio
transmission and reception (GSM 05.05, version 8.3.0), April 2000.
9. ETSI EN 300 908, Digital Cellular Telecommunications System (Phase 2+), Multi-
plexing and multiple access on the radio path (GSM 05.02, version 8.3.0), April 2000.
10. K.Wesolowski, R.Krenz, K.Das, «Efficient Receiver Structure for GSM Mobile
Radio», International Journal of Wireless Information Networks, Vol. 3, №2, 1996,
pp. 117-123.
11. Z.Zvonar, R.Baines, «Integrated Bolutions for GSM Terminals», International
Journal of Wireless Information Networks, Vol. 3, №3, 1996, pp. 147-161.
Глава 9
ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ В СИСТЕМЕ CSM
9.1. ВВЕДЕНИЕ
Сотовые системы были введены в эксплуатацию в начале 80-х годов XX в., и
основной их задачей изначально была передача речи. Рост потребности в инфор-
мационном обмене, вызванный развитием компьютерных сетей, привел к необ-
ходимости реализации в системах сотовой связи услуг передачи данных. Систе-
мы первого поколения, передающие голосовой сигнал при помощи аналоговой
FM-модуляции, мало пригодны для передачи данных. Они обеспечивают надеж-
ную передачу данных со скоростью до 1200 бит/с [1] или, в стандартной версии,
вообще не предоставляют такую услугу. Гораздо лучше для передачи данных
приспособлены сотовые системы второго поколения, поскольку они основаны
на цифровых технологиях.
В этом разделе мы остановимся на передаче данных в системе GSM. Напом-
ним, что скорость передачи двоичных данных в каждом из пакетов GSM состав-
ляет 270,833 кбит/с. Как нам известно, столь высокая скорость передачи данных
обусловлена применением TDMA-режима, в котором временной ресурс разделя-
ется между восемью пользователями. Вспомним также, что скорость потока дво-
ичных данных на выходе канального кодера составляет 22,8 кбит/с вне зависи-
мости от типа передаваемых сигналов - речи или данных. При пакетной передаче
эти два типа сигналов неразделимы. Поэтому организация передачи данных бо-
лее или менее связана с процедурами передачи оцифрованного речевого сигнала.
Стандарт GSM [2] устанавливает скорость передачи данных не более чем
9600 кбит/с, а в некоторых особых случаях - 14,4 кбит/с. Чтобы скорость переда-
чи данных соответствовала скорости 22,8 кбит/с, принятой в пакетах данных, не-
обходимо использовать специальные корректирующие коды, вид которых зави-
сит от скорости потока входных данных. В действительности блоки передачи
данных образуют цепь, параллельную блокам, задействованных при передаче
речи. Следует отметить, что подключение модема к акустическому входу по-
Глава 9. Передача данных в системе CSM
259
движной станции не имеет смысла, поскольку речевой кодер оптимизирован по
отношению к человеческой речи, а статистические и спектральные свойства сиг-
нала, модулированного данными, на выходе акустического модема сильно отли-
чаются от свойств речевого сигнала.
9.2. ОРГАНИЗАЦИЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В СИСТЕМЕ CSM
Сеть GSM можно рассматривать в качестве сети доступа к другим телеком-
муникационным сетям, таким, как телефонная коммутируемая сеть общего
пользования (ТфОП, англ. Public Switched Telephone Networks - PSTN), сеть пе-
редачи данных общего пользования с коммутацией каналов (англ. Circuit-Switc-
hed Public Data Network - CSPDN) или сеть передачи данных общего пользова-
ния с коммутацией пакетов (англ. Packet-Switched Public Data Network -
PSPDN). Специфика цифровой передачи в сети GSM обуславливает необходи-
мость стыка (интерфейса), который адаптирует генерируемый в сети GSM поток
данных к особенностям других сетей. Поэтому центр коммутации подвижной
связи (MSC) оборудован модулем сопряжения, реализующим функцию межсе-
тевого взаимодействия (англ. InterWorking Function - IWF), который предназна-
чен для конвертирования протоколов обмена данными между системой GSM и
другими сетями. Основные задачи IWF-модуля - адаптация скорости передачи
данных, выполнение процедур ARQ и реализация функций акустического моде-
ма. Поскольку обмен данными между терминалом GSM и терминалом, подклю-
ченным к другой сети общего пользования, может осуществляться в синхронном
или асинхронном режиме со скоростями 300, 1200, 1200/75, 2400, 4800, и 9600
бит/с, то входящий в IWF-модуль акустический модем работает в соответствии с
рекомендациями ITU-T V.21, V.22, V.22bis, V.23, V.26ter, V.32, а также V.29 (в слу-
чае факсимильной передачи).
На другом конце линии связи как источником, так и приемником потока дан-
ных может быть компьютер или измерительное устройство, присоединенные к
подвижной станции GSM. С точки зрения обмена данными подвижные станции
подразделяются на три типа, которые отличаются друг от друга расположением
блока, реализующего функции терминального адаптера (англ. Terminal Adapta-
tion Function - TAF), сопрягающего подвижную станцию и внешний терминал.
Существуют следующие типы подвижных станций:
• MT0 (Mobile Termination type 0) - полностью интегрированная подвижная
станция, не имеющая интерфейса с внешними устройствами. К этому ти-
пу относятся как простейшие подвижные станции, которые совсем не
поддерживают передачу данных, так и чрезвычайно сложные коммуника-
ционные устройства, объединяющие в себе терминал данных, факс, а так-
же служит для передачи речи;
• МТ2 - подвижная станция с последовательным интерфейсом V.24/RS-232,
т.е. TAF-блок интегрирован с подвижной станцией;
260
Системы полвижнои ралиосвязи
• МТ1 - подвижная станция, оборудованная ISDN 64-кбит/с S-интерфсй-
сом. Для того чтобы соединить стандартный терминал с интерфейсом мо-
дема (V.24), требуется специальный терминальный адаптер.
Рис. 9.1. Расположение блоков TAF и IWF в цепи
передачи данных системы CSM
На рис. 9.1 показано расположение TAF- и IWF-блоков в цепи передачи дан-
ных системы GSM.
9.3. УСЛУГИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В СИСТЕМЕ GSM
Предлагаемые системой GSM услуги можно разделить на два класса:
• телеуслуги (англ. Teleservices') - система GSM предоставляет полный
спектр услуг в рамках сети; абонент может воспользоваться этими услу-
гами без дополнительных внешних устройств. В число телеуслуг входит
передача речи, SMS (англ. Short Message Service - служба коротких сооб-
щении) и факсимильная передача;
• услуги передачи данных (англ. Bearer Services) - система GSM обеспечи-
вает поддержку услуг нижнего уровня, т.е. реализует транспортный меха-
низм между точками доступа. Для того чтобы воспользоваться этими
услугами, на обоих концах соединения должен находиться портативный
компьютер, карманный компьютер или сервер. Услуги передачи данных
имеют свои собственные протоколы верхнего уровня. Система GSM осу-
ществляет только перенос данных, не вдаваясь в подробности о конкрет-
ном типе предоставляемой услуги.
С точки зрения представленной классификации, передача данных относится
ко второму типу услуг. Услуги передачи данных предъявляют различные требо-
вания к сети, которые зависят от вида конкретной услуги. Как уже упоминалось,
данные могут передаваться с различной скоростью как в синхронном, так и в
асинхронном режиме. Перенос информации может быть реализован в виде пере-
дачи цифровой информации без ограничений (англ. Unrestricted Digital Informa-
tion - UDT) или при помощи сигналов акустического модема с шириной полосы
3,1 кГц. По первому варианту выполняется обмен данными между абонентом се-
ти GSM и абонентом ISDN или сети с коммутацией пакетов. По второму - при
Глава 9. Передача данных в системе CSM
261
установлении соединения между абонентом сети GSM и абонентом сети PSTN
или в том случае, когда сеть PSTN выступает в качестве промежуточной сети, к
которой подключена сеть GSM. Канал передачи информации может соединять
два индивидуальных терминала (режим передачи «пючка-точка» - англ. Ро-
int-to-Point - РТР), или же обеспечивать передачу данных с одного терминала на
несколько терминалов (режим передачи «точка-многопючка» - англ. Point-
to-Multipoint - РТМ). Для обмена данными между двумя терминалами может
быть реализован физический канал, предназначенный только для данного соеди-
нения (передача с коммутацией каналов) или же пакеты данных, дополненные
адресами отправителя и получателя, пересылаются по сети между соседними уз-
лами до достижения ими пункта назначения (передача с коммутацией пакетов).
В стандартной системе GSM реализуется режим передачи «точка-точка» с ком-
мутацией каналов.
Передача данных может быть прозрачной или непрозрачной. Мы полагаем,
что передача является прозрачной (англ, transparent - Т), если при соединении
между терминальным оборудованием, подвижной станцией и IWF-блоком на
другом конце системы GSM не выполняются никакие процедуры автоматическо-
го повтора передачи ошибочных либо потерянных кадров или пакетов. В резуль-
тате скорость передачи данных и задержка передачи остаются постоянными, а
количество ошибок может меняться. Помимо этого, в сотовых системах скорость
передачи данных, а следовательно, и число ошибок, существенно возрастает во
время хэндовера. Поэтому необходимо наличие защиты от ошибок на верхних
уровнях передачи.
Передача считается непрозрачной (англ, non-transparent - NT), если при сое-
динении между абонентским терминалом и IWF-блоком используется протокол
с защитой от ошибок. В системе GSM терминал, подвижная станция или TAF-
блок реализуют так называемый Radio Link Protocol (RLP - протокол радиокана-
ла). В основе этого протокола лежит технология ARQ. Он позволяет достичь вы-
сокой надежности передачи данных, однако скорость потока данных и задержка
становятся переменными. Скорость передачи данных существенно снижается во
время передачи соединения в другую соту из-за необходимости повторять кад-
ры, которые были потеряны при смене обслуживающей базовой станции.
Необходимо отметить, что в обоих используемых в системе GSM типах пе-
редачи данных (прозрачная и непрозрачная) применяется кодирование с коррек-
цией и детектированием ошибок на физическом уровне, описанное в предыду-
щем разделе.
В табл. 9.1 перечислены все предлагаемые стандартной системой GSM
услуги передачи данных. PAD означает блок сборки/разборки пакетов' (англ.
Packet Assembler/Disassembler - PAD). Применение PAD-блоков - это один из
Устройство в сетях с коммутацией пакетов, которое разбивает потоки данных на паке-
ты перед отправкой и восстанавливает их при получении (прим. ред.).
262
Системы полвижнои ралиосвязи
Таблица 9.1. Услуги передачи данных, предлагаемые системой GSM
№ Услуга Доступ Информация
Структура Скорость, кбит/с Передача Аттрибут
21 Асинхр. 300 бит/с Асинхр. 0,3 UDI или 3,1 кГц Т или NT
22 Асинхр. 1,2 кбит/с Асинхр. 1,2 UD1 или 3,1 кГц Т или NT
23 Асинхр. 1,2/0,075 кбит/с Асинхр. 1,2/0,075 UDI или 3,1 кГц Т или NT
24 Асинхр. 2,4 кбит/с Асинхр. 2,4 1Л)1илиЗ,1 кГц Т или NT
25 Асинхр. 4,8 кбит/с Асинхр. 4,8 1Л)1илиЗ,1 кГц Т или NT
26 Асинхр. 9,6 кбит/с Асинхр. 9,6 UDI или 3,1 кГц Т или NT
31 Синхр. 1,2 кбит/с Синхр. 1,2 ЦЛ1илиЗ,1 кГц Т
32 Синхр. 2,4 кбит/с Синхр. 2,4 ЦО1илиЗ,1 кГц Т или NT
33 Синхр. 4,8 кбит/с Синхр. 4,8 UDI или 3,1 кГц Т или NT
34 Синхр. 9,6 кбит/с Синхр. 9,6 UDI или 3,1 кГц Т или NT
41 PAD-доступ 300 бит/с Асинхр. 0,3 UDI Т или NT
42 PAD-доступ 1,2 кбит/с Асинхр. 1,2 UD1 Т или NT
43 PAD-доступ 1200/75 бит/с Асинхр. 1,2/0,075 UD1 Т или NT
44 PAD-доступ 2,4 кбит/с Асинхр. 2,4 UD1 Т или NT
45 PAD-доступ 4,8 кбит/с Асинхр. 4,8 UDI Т или NT
46 PAD-доступ 9,6 кбит/с Асинхр. 9,6 UD1 Тили NT
51 Пакетный доступ 2,4 кбит/с Синхр. 2,4 UDI NT
52 Пакетный доступ 4,8 кбит/с Синхр. 4,8 UD1 NT
53 61 81 Пакетный доступ 9,6 кбит/с Чередование речи/данных Передача речи после данных Синхр. 9,6 UD1 NT
Глава 9. Передача данных в системе CSM
263
способов установить соединение с сетями с коммутацией пакетов через сети
PSTN или ISDN.
Из табл. 9.1 следует, что с передачей данных связана 21 различная услуга, на-
чиная с чрезвычайно медленной асинхронной передачи со скоростью 0,3 кбит/с и
заканчивая прямым пакетным доступом в синхронном режиме со скоростью
9,6 кбит/с.
9.3.1. Адаптация скорости передачи
Во всех услугах, связанных с передачей данных, скорость передачи необхо-
димо согласовать, с одной стороны, со скоростью 22,8 кбит/с, применяемой в па-
кетах GSM, а с другой стороны - со скоростью передачи данных в фиксирован-
ной сети, соединяющей BTS, BSC и MSC. В последнем случае выгодно объеди-
нять потоки данных различных пользователей в 16- или 64-кбит/с каналы, соеди-
няющие BSS и MSC. Для того чтобы это можно было сделать, Рекомендация
ITU-T V. 110 [4] была доработана соотносительно к системе GSM. В зависимости
от конфигурации передачи данных используются различные адаптационные
функции. Ниже приведено их краткое описание.
• RA0 - адаптационная функция, используемая в асинхронном интерфейсе.
Эта функция преобразует генерируемый пользователем асинхронный по-
ток в синхронный с первой более высокой допустимой скоростью. Это
осуществляется путем прибавления или вычитания стоповых битов, со-
держащихся в асинхронном потоке.
• RA1 - функция, используемая для адаптации потока данных к промежу-
точным скоростям. На вход RA1-блока поступают данные с выхода
RAO-блока или просто синхронный поток данных. Этот блок трансфор-
мирует поток данных в 8- или 16-кбит/с поток путем повтора битов. Кад-
ры потока на выходе этого блока содержат биты синхронизации, управля-
ющие биты и повторенные информационные биты. В табл. 9.2 приведены
параметры трансформации потока данных в блоке RA1.
• RA2 - адаптационная функция, используемая для конвертирования пото-
ка с выхода блока RA1 в 64-кбит/с поток (A-интерфейс) согласно Реко-
мендации ITU-T V.110. Биты информационного 8-кбит/с потока помеща-
ются в позицию первого бита в каждый октет 64-кбит/с потока. Биты
16-кбит/с потока помещаются в первые две позиции каждого октета.
Оставшиеся биты октета заполняются логическими единицами. Неэф-
фективного представления потока данных в блоке RA2 можно избежать
путем мультиплексирования нескольких 8- или 16-кбит/с потоков дан-
ных. В этом случае биты мультиплексированных потоков данных распо-
лагаются в последующих разрядах октетов;
• RA1’ - адаптационная функция, которая трансформирует поток данных,
полученных с терминала (DTE) в поток со скоростями, используемыми в
264
Системы подвижной радиосвязи
радиоинтерфейсе. Поток данных дополняется управляющими битами.
Источником данных для RA1’ служит выход RAO-блока или синхронный
поток данных. В табл. 9.3 приведены скорости потоков данных в термина-
ле DTE и в радиоинтерфейсе. Стоит упомянуть, что скорости 3,6; 6,0; 12,0
и 14,5 кбит/с относятся к потоку данных до канального кодирования.
Процесс канального кодирования при передаче данных будет описан в сле-
дующем параграфе. Тогда станут ясны причины выбора конкретных скоростей
передачи данных по радиоинтерфейсу.
Таблица 9.2. Входные и промежуточные скорости потоков данных
в адаптационном блоке RA1
Скорость синхронного потока данных, кбит/с Промежуточная скорость, кбит/с Дублирование, количество раз
0,6 8 8
1,2 8 4
2,4 8 2
4,8 8 1
9,6 16 1
Таблица 9.3. Адаптация скоростей синхронных потоков данных к скоростям
потоков перед кодированием в радиоинтерфейсе
Скорость синхронного потока данных, кбит/с Скорость потока данных перед кодированием в радиоинтерфейсе, кбит/с
<2,4 3,6
4,8 6,0
9,6 12,0
14,4 14,5
Рассмотрим адаптацию скорости асинхронной прозрачной передачи дан-
ных. Это всего лишь один из возможных вариантов обмена данными. На рис. 9.2
изображена адаптация для трех различных входных скоростей передачи данных.
В случае поступления на вход синхронного потока данных, первый блок (RA0)
пропускается.
Асинхронный поток данных преобразуется в синхронный с первой более
высокой скоростью (функция RA0). При этом формируется синхронный поток
данных со скоростью 2,4; 4,8 или 9,6 кбит/с. Применение функции RA1 ’ преоб-
разует его в поток со скоростью 3,6; 6,0 или 12,0 кбит/с. Затем применяется ка-
нальное кодирование с перфорированием и перемежением, соответствующее
конкретной скорости потока данных. Это приводит к формированию потока дан-
Глава 9. Передача данных в системе GSM
265
Скорости
входного
потока
данных,
кбит/с
3,6<-»8,0<-»64,0
6,0<-*8,0<-э64,0
12,0^16,0^64,0
<2,4<->2,4<->3,6
4,8<-»4,8<->6,0
. 9,6«->9,6<-> 12,0
Асинхр. Синхр.
RAO RA1'
RAV/RA1 RA2
Рис. 9.2. Примеры функций адаптации скорости, используемых
в асинхронной передаче данных в системе GSM
Скорости
входного
потока
данных,
кбит/с
<2,4<->2,4Г-
4,8е->4,8 ш
9,6<^9,б|__
ш 12,0«-> 1б,0<->64,0
9,6с->12,0
Синхр.
RA1' RA1'/RA1 RA2
Рис. 9.3. Функции адаптации скорости для непрозрачной синхронной
передачи данных по полноскоростному каналу
ных со скоростью 22,8 кбит/с. Из этих данных компонуются пакеты GSM и пере-
даются по радиоканалу. По получении в фиксированной части сети GSM данные
декодируется в поток со скоростью 3,6; 6,0 или 12,0 кбит/с соответственно. По-
следний конвертируется в 8- или 16-кбит/с поток (RA17RA1) и, наконец, поме-
щается в октеты ISDN (RA2).
Непрозрачная передача данных организована аналогичным образом. В ней
используются более высокие скорости радиоинтерфейса. Рассмотрим адапта-
цию скорости синхронного обмена данных. При непрозрачной передаче блоки
данных защищены протоколом RLP, который будет рассмотрен ниже в этом раз-
деле. На рис. 9.3 представлены последовательные этапы адаптации скорости пе-
редачи данных в случае применения полноскоростного канала радиоинтерфей-
са. Можно использовать и полускороспюй канал, что приведет к уменьшению
пропускной способности. Заметим, что RLP-протокол является внешним по от-
ношению к канальному кодированию.
266
Системы подвижной радиосвязи
9.3.2. Канальное кодирование
Канальное кодирование, используемое при передаче данных, зависит от ско-
рости потока данных по радиоинтерфейсу. Как ранее упоминалось, результатом
применения функции адаптации RA1’ является поток данных со скоростью 3,6,
6,0 или 12,0 кбит/с. Этот поток может быть передан по полно- или полускорост-
ному каналу. Все известные конфигурации канального кодирования рассмотре-
ны в работе [2]. Ниже приведены только два примера процедур канального коди-
рования, используемых при передаче данных в системе GSM.
Рассмотрим передачу данных со скоростью 9,6 кбит/с по полноскоростному
каналу. Требуемая скорость передачи данных по радиоинтерфейсу составляет
12 кбит/с. Терминальное оборудование (англ. Data Terminal Equipment - DTE} по-
дает на канальный кодер блоки данных длиной 60 битов каждые 5 мс. Кодер об-
рабатывает сразу по четыре блока (240 битов). В случае непрозрачной передачи
данных 240 битов составляют один RLP-кадр. К блоку из 240 битов добавляются
четыре нулевых бита, после чего он кодируется при помощи сверточного кода с
коэффициентом 1/2, описываемого полиномами
g1(x) = l + x3+х4, (91)
g2(x}= 1 + х + х3 + х4.
После кодирования блок имеет размер 488 битов, 32 из которых затем исклю-
чаются при помощи перфорирования. Таким образом, конечный размер блока
составляет 456 битов. Затем производится перестановка и перемежение коди-
рованных битов, и 456-битовый блок передается в виде 22 последовательных
пакетов.
В качестве второго примера рассмотрим канальное кодирование, используе-
мое при передаче данных со скоростью 2,4 кбит/с и менее. В этом случае ско-
рость передачи данных по радиоинтерфейсу составляет 3,6 кбит/с. Каждые 10 мс
DTE выдает 36 информационных битов. При кодировании обрабатывается сразу
два блока (72 бита). К такому 72-битовому блоку добавляются четыре нулевых
бита, после чего он кодируется при помощи сверточного кода с коэффициентом
1/6, описываемого полиномами
g,(x) = 1+х + х3 +Х4, g2(x) = l + X2 +Х4, g2(x}= 1 +Х + Х2 +Х3 + JC4, (д 2}
g4 (х) = 1 + X + х3 + х4, gs (х) = 1 + х2 + х4, g6 (х) = 1 + X + X2 + X3 + х4.
Заметим, что g,(x) = g4(x), g2(x) = g5(x) и g3(x) = g6(x), так что кодируемые
биты передаются дважды. Размер блока на выходе кодера составляет 456 битов.
Перемежение и отображение перемеженных битов в нормальном пакете осуще-
ствляются точно так же, как и при передаче речевого сигнала с полной скоростью.
Два приведенных примера демонстрируют то, что в зависимости от скоро-
сти входного потока данных и требуемого качества, уровень защиты может силь-
но отличаться.
Глава 9. Передача данных в системе GSM
267
9.3.3. RLP - протокол радиоканала
Прозрачная передача данных требует применения своеобразного протокола
обмена данными, внешнего по отношению к системе GSM. Это позволит обеспе-
чить высокое качество предоставляемых услуг. Такое решение не всегда можно
реализовать в связи с необходимостью больших временных затрат и высокой ре-
сурсоемкое™, поскольку цепочка блоков при передаче сигнальной информации
может быть очень длинной. Эта цепочка состоит из терминального оборудова-
ния (DTE), подвижной станции (MS), подсистемы базовой станции (BSS), цент-
ра коммутации подвижной связи (MSC), блока организации межсетевого взаи-
модействия (IWF), внешней фиксированной сети и терминального оборудования
второго пользователя. Если второй пользователь также является абонентом сис-
темы подвижной связи, то вся приведенная выше цепочка повторяется с его сто-
роны в обратном порядке. Поэтому при непрозрачной передаче во многих случа-
ях применение протокола RLP (англ. Radio Link Protocol) является более удоб-
ным. В случае использования протокола RLP защиту от ошибок обеспечивает
ARQ-процедура между блоками TAF и IWF.
240-битовый RLP-кадр имеет очень простую структуру, изображенную на
рис. 9.4. Кадр начинается с 16-битового заголовка, при помощи которого реали-
зуются такие управляющие функции, как установление или освобождение
RLP-канала, подсчет кадров и передача сигналов об ошибочных кадрах, переда-
чу которых необходимо повторить. Следующее поле имеет длину 200 битов и со-
держит пользовательские данные. Кадр заканчивается 24-битовой контрольной
последовательностью кадра (англ. Frame Check Sequence - FCS), вычисляемой
путем деления содержимого кадра на полином циклического кода (см. раздел 1).
Заголовок Информация FCS
16 бит 200 бит 24 бита
Рис. 9.4. Структура RLP-кадра
Протокол RLP имеет два режима. Первый режим, называемый асинхронным
режимом без установления соединения (англ. Asynchronous Disconnected Mode -
ADM), означает, что канал RLP еще не установлен. Необходимое условие уста-
новления RLP-канала - это выделение канала трафика конкретному соединению.
RLP находится в асинхронном балансном режиме (англ. Asynchronous Balanced
Mode -ABM), если имеет место обмен пронумерованными кадрами и подтверж-
дение их приема.
В RLP-протоколе используются кадры трех типов. Кадры, относящиеся к
первому типу, называются ненумерованными (англ. Unnumbered - U). Заголовок
такого кадра, помимо всего прочего, содержит команды на установление и осво-
268
Системы подвижной радиосвязи
бождение канала RLP. Контрольные (англ. Supervisory - 5) кадры используются
во время обмена для передачи контрольной информации о статусе принятых
кадров, статусе приемника и количестве принятых кадров. Кадры третьего типа
представляют собой комбинацию контрольных кадров и блоков информации. За-
головки таких кадров содержат команды, указывающие количество принятых и
отправленных кадров, а также статус принятого кадра и приемника.
9.3.4. Передача данных и доступ к различным сетям
Как нам известно, абонент системы GSM, передающий данные, может свя-
зываться с абонентами различных типов сетей. Сеть PSTN (ТфОП) - наиболее
распространенная среди них. Цифровое соединение может быть также установ-
лено с сетью ISDN или с сетью с коммутацией пакетов. Мы коротко рассмотрим
характерные черты каналов для различных типов сетей.
На рис. 9.5 изображен канал передачи данных между абонентом GSM и поль-
зователем сети PSTN или хостом2, соединенным с внешним миром через сеть
PSTN. Хотя в наше время PSTN все чаще имеет цифровую реализацию, в момент
установления соединения свойства канала PSTN оказываются еще не известны-
ми. Поэтому сеть GSM использует аналоговый модем IWF-блока для связи с уда-
ленным оборудованием DTE (сервером или компьютером абонента), соединен-
ным с сетью PSTN также через модем. Модем IWF-блока генерирует ИКМ-от-
счеты аналогового сигнала. Таким образом, сигнал модема становится похожим
на любой другой речевой или акустический информационный сигнал, представ-
ляемый в сети PSTN в цифровом виде. Типы поддерживаемых системой GSM и
используемых в IWF-блоке модемов приведены в параграфе 9.2.
Рис. 9.5. Передача данных через сети CSM и PSTN
Второй тип сети, с которой может соединяться сеть GSM, - это сеть ISDN.
В этом случае канал полностью цифровой, поэтому аналоговые модемы больше
не нужны. Вместо них должны использоваться блоки адаптации скорости, чтобы
привести в соответствие скорость передачи данных терминала, присоединенно-
го к сети GSM, со скоростью передачи данных в сети ISDN (рис. 9.6).
В польском варианте - сервером (прим. ред.).
Глава 9. Передача данных в системе GSM
269
Рис. 9.6. Передача данных через сети GSM и ISDN
Взаимодействие сетей GSM и PSPDN более сложное. Абонент сети GSM мо-
жет установить соединение с сетью с коммутацией пакетов через промежуточ-
ную сеть PSTN или напрямую. Если в качестве промежуточной сети выступает
сеть PSTN, то необходимо использовать аналоговые модемы IWF, а также на
стыке сетей PSTN и PSPDN. На рис. 9.7 изображено прямое соединение сетей
GSM и PSPDN. Здесь модемы не нужны. Доступ к сети PSPDN может быть осу-
ществлен при помощи блока сборки/разборки пакетов (англ. Packet Assembler/
Disassembler - PAD) или же блока управления пакетами (англ. Packet Handler -
PH), принадлежащего сети PSPDN. Тип используемого блока зависит от прото-
кола, поддерживаемого терминалом мобильного абонента (DTE + MS). Если воз-
можна передача данных с мобильного терминала в соответствии с пакетным
протоколом Х.32, то используется блок PH. Если подвижный терминал не под-
держивает данный протокол, то используется блок PAD.
Стандарты GSM нормализуют правила взаимодействия канала передачи
данных с сетями общего пользования с коммутацией каналов (англ. Circuit-Swit-
ched Public Data Network-CSPDN), а также правила передачи факсов. Мы опус-
тим их описание. Интересующийся этим вопросом читатель может обратиться к
стандартам GSM или к работе [3].
Рис. 9.7. Передача данных через сети GSM и PSPDN
а - при помощи PAD-блока, б - при помощи РН-блока
270
Системы полвижнои радиосвязи
9.4. SMS - ПЕРЕДАЧА КОРОТКИХ СООБЩЕНИЙ
Служба коротких сообщений (англ. Short Message Service - SMS) реализует
очень популярную услугу, предоставляемую операторами сетей GSM. Она осо-
бенно привлекательна для молодых абонентов ввиду своей низкой стоимости.
Эта услуга относится к услугам передачи данных. SMS - это своеобразный пей-
джинг с подтверждением получения сообщения. Если получатель SMS-сообще-
ния находится вне области покрытия сети или его мобильный телефон выклю-
чен, то система будет хранить сообщение до тех пор, пока эта подвижная станция
не появится снова в сети. После чего сообщение будет доставлено. Такой меха-
низм называется передачей с промежуточным хранением. SMS-сообщение мо-
жет быть доставлено параллельно с передачей речи. Отдельное сообщение мо-
жет иметь длину до 160 символов, которые передаются 140 байтами при помощи
специального алфавита.
На рис. 9.8 изображена сетевая архитектура услуги SMS. Сетевой элемент,
выступающий в роли источника SMS-сообщения, так и называется - источник
короткого сообщения (англ. Short Message Entity - SME}.
Источником могут быть:
• подвижная станция MS, зарегистрированная в той же или в другой сети;
• компьютер, соединенный непосредственно с центром обслуживания SMS
(англ. Service Center-SC), принадлежащий оператору сети и функциони-
рующий как точка доступа к SMS-сервису;
• компьютер, доставляющий текущие новости (например, биржевые ко-
тировки);
• компьютер, подключенный к фиксированной сети (например, Internet).
Рис. 9.8. Элементы сети, принимающие участие в передаче SMS-сообшений
Глава 9. Передача данных в системе CSM
271
Центр обслуживания - это наиболее важный элемент, обеспечивающий
предоставление услуги SMS. Формально он не является частью подвижной сети,
однако достаточно часто он интегрируется с центром коммутации подвижной
связи. Задачи центра обслуживания заключаются в следующем. SC принимает
сообщения от SME и передает их мобильным абонентам. Если подвижная стан-
ция, которой предназначено конкретное сообщение, в данный момент недоступ-
на, то центр обслуживания хранит сообщения в течение ограниченного периода
времени. Центр обслуживания также информирует отправителя сообщения об
успешной доставке или отсутствии возможности доставить SMS-сообщение.
Следующий блок на рис. 9.8 обозначает функции, связанные с SMS, кото-
рые реализуются в MSC. Сообщения, отправляемые на подвижные станции,
обслуживает блок SMS-GMSC (Short Message Service - Gateway Mobile Switc-
hing Center), в то время как сообщения, отправляемые с подвижных станций,
обслуживает блок SMS-IWMSC (Short Message Service - Interworking Mobile
Switching Center). SMS-GMSC принимает сообщение из центра обслуживания
и с помощью сетевого регистра HLR выполняет поиск мобильного абонента,
которому оно предназначено. После нахождения в HLR соответствующего
MSC, обслуживающего зону местоположения, в которой зарегистрирована вы-
зываемая подвижная станция, сообщение направляется в этот MSC. MSC до-
ставляет сообщение адресату. SMS-IWMSC реализует функции, позволяющие
своему собственному центру обслуживания (см. рис. 9.8) принимать сообще-
ния от MSC и затем передавать их центру обслуживания, к которому приписана
подвижная станция-адресат.
На рис. 9.9 изображена кадровая структура SMS-сообщений, отправляемых
с подвижных станций и принимаемых подвижными станциями.
Кратко рассмотрим структуру кадра SMS-сообщения, принимаемого по-
движной станцией. Первый байт содержит несколько полезных флагов и комби-
нацию из трех нулей, идентифицирующую принимаемое подвижной станцией
сообщение. Флаг RP (Reply Path) означает, что ответ на принятое сообщение бу-
дет оплачен отправителем. Флаг SRI (Status Report Indicator) указывает на то, что
отправитель сообщения желает получить уведомление о его доставке. MMS
(More Message to Send) указывает, что определенное число сообщений ожидает
доставки адресату. Наконец, флаг MTI (Message Type Indicator) определяет тип
сообщения, содержащегося в кадре. Назначение остальных полей кадра более
или менее понятно. Поле «Адрес отправителя» обычно содержит телефонный
номер вызывающей станции. Идентификатор протокола описывает тип прото-
кола, который должен быть использован для доставки данного SMS-сообщения.
Он играет особенно важную роль в случаях, когда сообщение предназначено
абоненту сети другого типа. Поле «Схема кодирования данных» указывает тип
представления пользовательских данных. Стандартный алфавит предусматрива-
ет семь битов для представления одного символа. В поле «Отметка времени
центра обслуживания» указано время прибытия сообщения в центр обслужива-
ния. Поле «Длина сообщения пользователя» определяет количество символов в
272
Системы подвижной радиосвязи
SMS на подвижную станцию
SMS от подвижной станции
RP, SRR, VPF, MTI
Идентификатор (номер)
1 сообщения
? Адрес получателя
Идентификатор протокола
Схема кодирования данных
Период действия
Длина поля данных
У абонента
> Данные абонента
Рис. 9.9. Кадровая структура SMS-сообшений, отправляемых с подвижных
станций и принимаемых подвижными станциями
RP - Reply Path - наличие обратного адреса; SRI - Status Report Indication - индикация
требования о подтверждении доставки; MMS-More-Message-to-Send - наличие других
сообщений для передачи; MTI - Message Type Indicator - индикация типа сообщения;
SRR - Status Report Request - требование о подтверждении доставки; VPF - Validity Peri-
od Format - наличие и формат периода действия
сообщении пользователя. Поле «Пользовательские данные» содержит до 160 сим-
волов (не более 140 байтов при использовании 7-битового представления).
Аналогичные параметры и флаги содержатся в сообщении, отправляемом с
подвижной станции. Первый байт содержит нужные флаги и комбинацию из
двух нулей, которая идентифицирует отправку сообщение с подвижной станции.
Флаг SRR (Status Report Request) указывает, желает ли отправляющий мобиль-
ный абонент получить уведомление о доставке сообщения. Флаг VPF (Validity
Period Flag) указывает, содержится ли в передаваемом кадре поле «Период дей-
ствия» (англ. Validity Period). Поле «Адрес назначения» содержит телефонный
номер станции назначения. Поле «Период действия» определяет время, в течение
которого центр обслуживания должен пытаться доставить сообщение адресату.
Рассмотрим путь SMS-сообщения от отправителя до подвижной станции,
которой оно предназначено. Пусть SMS-сообщение было сгенерировано одним
из возможных источников (SME), например, подвижной станцией или специали-
зированным компьютером. Сообщение попадает в центр обслуживания, кото-
рый проверяет период действия сообщения, его приоритет и количество сообще-
ний, предназначенных тому же адресату. К сообщению добавляется отметка вре-
мени. Центр обслуживания информирует функциональный блок SMS-GMSC о
том, что сообщение необходимо доставить конкретной подвижной станции.
Блок SMS-GMSC ищет в реестре HLR центр MSC, обслуживающий область, в
которой требуемая подвижная станция находится в текущий момент, и затем пе-
Глава 9. Передача данных в системе GSM
273
ресылает само сообщение в этот MSC. MSC определяет зону местоположения
подвижной станции в своем реестре VRL, и обслуживающие эту область базо-
вые станции начинают вызывать требуемую подвижную станцию. Базовая стан-
ция, в зоне обслуживания которой обнаружена подвижная станция, устанавлива-
ет с ней соответствующий канал связи и передает на нее сообщение SMS.
Тип канала, устанавливаемого для передачи SMS-сообщения, зависит от те-
кущего состояния подвижной станции. Если эта станция находится за пределами
сети или выключена, то сообщение не может быть доставлено. Попытки доста-
вить сообщение будут производиться до тех пор, пока не истечет период дейст-
вия сообщения. Если подвижная станции находится в режиме ожидания, она
следит за общими каналами управления. Поэтому SMS-сообщение передает-
ся по выделенному каналу управления (SDCCH), который позволяет передать
184 бита за 240 мс. Если подвижная станция находится в активном режиме (про-
исходит передача речи или данных), то для передачи SMS-сообщения использу-
ется медленный ассоциированный канал управления (SACCH). При этом ско-
рость передачи будет в два раза меньше, чем в предыдущем случае.
В представленном кратком описании системы SMS опущены многие подроб-
ности этой услуги. Более подробное описание приведено в издании [3]. Читатель
может также обратиться к стандартам ETSI [6] и [7].
9.5. HSCSD - ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ ПЕРЕДАЧА
ДАННЫХ С КОММУТАЦИЕЙ КАНАЛОВ
Несмотря на наличие в системе GSM большого количества услуг, связанных
с передачей данных, их основным недостатком считается низкая скорость пере-
дачи. Этой скорости, как правило, недостаточно для Internet-приложений, и сое-
динение, вследствие его продолжительности, становится слишком дорогим.
Поэтому предпринимались многочисленные попытки улучшить возможности
передачи данных в рамках системы GSM. Было найдено два общих решения:
• увеличение скорости передачи данных при внесении в систему минималь-
ных изменений - реализуется путем выделения одному соединению не-
скольких временных слотов в одном кадре. При этом обеспечивается со-
хранение связи с коммутацией каналов при увеличении емкости соединения;
• повышение эффективности использования ресурсов системы путем вне-
дрения коммутации пакетов с возможностью выделения нескольких вре-
менных слотов кадра для передачи пакета данных. В этом случае требует-
ся внесение существенных изменений в структуру и организацию работы
системы.
В настоящем параграфе будет рассмотрен первый, более традиционный под-
ход, получивший название услуги высокоскоростной передачи данных с комму-
тацией каналов (англ. High-Speed Circuit-Switched Data Service - HSCSD).
Подробное описание этой системы приведено в работах [8] и [9].
274
Системы подвижной радиосвязи
Как уже упоминалось, система HSCSD основана на выделении нескольких
полноскоростных каналов (TCH/F) одному HSCSD-соединению.
Теоретически, если все восемь временных слотов будут выделены одному
соединению, то при использовании полноскоростного канала трафика TCH/F9.6
со скоростью передачи данных, равной 9,6 кбит/с, можно получить скорость пе-
редачи пользовательских данных, равную 8x9,6 кбит/с = 76,8 кбит/с.
На практике максимальная скорость 57,6 кбит/с достигается при выделе-
нии одному соединению четырех временных слотов каналов TCH/F14.4. Стан-
дартная скорость передачи данных составляет 38,4 = 4x9,6 кбит/с при использо-
вания четырех каналов3 TCH/F9.6. Все используемые каналы подвергаются од-
ной и той же процедуре скачкообразной перестройки частоты, имеют одну и ту
же обучающую последовательность. К ним применяется одинаковое канальное
кодирование, перемежение и процедуры адаптации скорости. Однако у каждого
канала имеется свой собственный ключ шифрования, определяемый на основа-
нии одного и того же ключа Кс, хранящегося в SIM-карте. Каждому составному
каналу выделяется медленный ассоциированный канал управления (SACCH).
Каждое HSCSD-соединение использует один быстрый ассоциированный канал
управления (FACCH), который называется главным подканалом HSCSD (англ.
Main HSCSD Subchannel - МНСН). Логически все каналы трафика радиоинтер-
фейса HSCSD принадлежат одной HSCSD-конфигурации и рассматриваются се-
тью как один радиоканал. Это важно для выполнения сотовых операций, напри-
мер, хэндовера.
На рис. 9.10 изображена архитектура системы HSCSD. Модернизации под-
лежат, в основном, TAF-блок мобильной части системы и IWF-блок в MSC. Оба
блока выполняют объединение и разделение п составных потоков данных (и = 1,
2,..., 8), передаваемых по различных каналам трафика. Необходимо также не-
сколько модифицировать подсистему базовых станций (BSS), для совместной
обработки нескольких каналов трафика, участвующих в одном HSCSD-соедине-
Рис. 9.10. Архитектура системы HSCSD
Напомним, что временной слот и канальный интервал (канал) - суть одно и то же
(прим. ред.).
Глава 9. Передача данных в системе CSM
275
нии. В Л-интерфейсе составные потоки данных должны быть мультиплексиро-
ваны в один 64-кбит/с канал (рис. 9.11).
Рис. 9.11. Промессы разделения и объединения каналов
при передаче данных HSCSD
При установлении HSCSD-соединения подвижная станция абонента указы-
вает максимальное (англ. Desired Number of Channels - DNC) и минимальное
(англ. Required Number of Channels - RNC) количество каналов трафика, необхо-
димое для реализации выбранной услуги. Она также указывает приемлемое ка-
нальное кодирование, тип удаленного модема и значения скорости передачи дан-
ных в фиксированной сети пользователя. Если соединение непрозрачное, то ука-
зывается требуемая скорость передачи данных по радиоинтерфейсу пользовате-
ля. Абонент может менять свои требования во время передачи данных, если та-
кая возможность была оговорена при установлении соединения. Все выбранные
параметры передачи формируют характеристику HSCSD, которая используется
сетью для выделения ресурсов HSCSD-соединению.
Услуга HSCSD позволяет устанавливать как прозрачные, так и непрозрач-
ные соединения. Соединение может иметь симметричную или асимметричную
конфигурацию. При соединении с симметричной конфигурацией нисходящей и
восходящей линиям связи выделяется равное количество каналов. При соедине-
нии с асимметричной конфигурацией нисходящей линии связи выделяется боль-
шее количество каналов, чем восходящей. Асимметричная конфигурация приме-
няется, если требования абонента не могут быть удовлетворены симметричной
конфигурацией. В первую очередь, сеть пытается выполнить требования, свя-
занные со скоростью передачи данных в нисходящей линии связи.
В прозрачных HSCSD-услугах передачи данных используются протоколы
X.30/V. 110, которые реализуют трехуровневую адаптацию к пользовательскому
интерфейсу. Статус линий модема V.24 от блока GMSC-IWF одинаков для не-
скольких каналов трафика, поэтому он передается только по одному из них.
Освободившиеся биты используются для нумерации каналов во избежание воз-
можных проблем с временным сдвигом каналов трафика.
276
Системы подвижной радиосвязи
В основе непрозрачной HSCSD-услуги передачи данных лежит протокол
RLP. Для того чтобы RLP-блок мог поддерживать до восьми каналов передачи
данных, в него необходимо внести небольшие изменения. Это подробно описано
в издании [10]. В табл. 9.4 показано соответствие скорости передачи пользова-
тельских данных по радиоинтерфейсу (англ. A ir Interface User Rate - Al UR) коли-
честву каналов трафика (TCH/F) при предоставлении непрозрачных услуг [8].
Таблица 9.4. Представление скорости передачи данных по абонентскому
радиоинтерфейсу в каналах трафика при непрозрачной передаче
Скорость передачи данных по абонентскому радиоинтерфейсу, кбит/с TCH/F4.8 TCH/F9.6 TCH/F14.4
4,8 1 N/A N/A
9,6 2 1 N/A
14,4 3 N/A 1
19,2 4 2 N/A
28,8 N/A* 3 2
38,4 N/A 4 N/A
43,2 N/A N/A 3
57,6 N/A N/A 4
* N/A - нет данных.
HSCSD считается первой крупной попыткой расширить возможности систе-
мы GSM, связанные с передачей данных. Поскольку речь шла о незначительной
модификации базовой системы, то в системе HSCSD сохранилась коммутация
каналов, как и в стандартной версии GSM. Поэтому она не очень хорошо подхо-
дит для пакетного трафика, характерного для передачи данных. Резервирование
более одного временного слота на всю сессию обмена данными (если не были
выделены динамические ресурсы системы) увеличивает вероятность блокиро-
вания в соте. Стоимость услуги HSCSD определяется количеством использован-
ных каналов и продолжительностью сессии.
9.6. GPRS - ПАКЕТНАЯ РАДИОПЕРЕДАЧА ДАННЫХ
Введение услуги пакетной радиопередачи данных GPRS (англ. General Pac-
ket Radio Service) стало значительным улучшением и расширением стандартной
системы GSM. Причин для ее возникновения много. Скорости передачи данных
в существующих сетях подвижной связи были недостаточными, а время уста-
новления соединения - слишком большим. Передача данных по сети с коммута-
цией каналов не соответствовала пакетному и асимметричному характеру тра-
фика, что приводило к неэффективному использованию существующих ресур-
Глава 9. Передача данных в системе CSM
277
сов системы. В конечном итоге было принято решение о применении передачи
данных с коммутацией пакетов. В результате в таком режиме абоненты получили
возможность задействовать одни и те же физические каналы, а системные ресур-
сы распределяются более эффективно благодаря статистическому мультиплек-
сированию. Последствием применения пакетной коммутации является принцип
оплаты за услугу, базирующийся на количестве переданных пакетов данных.
Сессия может длиться достаточно долго, однако пользователь будет платить толь-
ко за объем переданных данных.
9.6.1. Архитектура системы GPRS
В каком-то смысле, введение услуги GPRS приводит к появлению сети, па-
раллельной сети GSM. Новая система использует множество ресурсов GSM, од-
нако основные сетевые элементы соединены друг с другом при помощи отдель-
ной опорной сети, в основе которой лежит протокол IP. На рис. 9.12 изображена
обобщенная архитектура системы GPRS. Главными новыми элементами сети
GPRS являются узлы поддержки GPRS (англ. GPRS Support Nodes - GSN). Они
обеспечивают доставку пакетов данных и определяют их маршрут между по-
движной станцией и внешними сетями с коммутацией пакетов.
Рис. 9.12. Обобщенная структура сети GPRS
278
Системы подвижной радиосвязи
Узел текущей поддержки GPRS (англ. Serving GPRS Support Node - SGSN)
отвечает за доставку и получение пакетов в своей зоне обслуживания. Он рабо-
тает таким же образом, как и центр коммутации подвижной связи в обычной сис-
теме GSM. SGSN определяет маршрут передаваемых пакетов и пересылает их на
соответствующие узлы. Кроме того, он контролирует перемещение подвижной
станции и отвечает за управление логическими каналами. SGSN обеспечивает
аутентификацию подвижной станции и сохраняет информацию об абонентах
услуги GPRS, зарегистрированных в данном SGSN в регистре местоположения.
Эта информация включает в себя индекс текущей соты, текущий регистр VLR, а
также профиль абонента, включающий в себя международный идентификаци-
онный номер (IMSI) и адрес абонента в сети с коммутацией пакетов.
Узел шлюзовой поддержки GPRS (англ. Gateway GPRS Support Node -
GGSN) обеспечивает интерфейс между опорной сетью GPRS и внешними сетя-
ми с коммутацией пакетов. Этот узел преобразовывает GPRS-пакеты в соответ-
ствующий формат протокола пакетных данных (англ. Packet Data Protocol -
PDP), зависящего от типа сети назначения этого пакета. После преобразования
пакеты передаются в сеть назначения. Обработка приходящих из внешних сетей
пакетов заключается в преобразовании адреса из формата PDP в формат GSM и
передаче обработанных пакетов на соответствующий узел SGSN. Для этого узел
GGSN запрашивает из своего регистра местоположения сохраненный профиль
абонента и обслуживающий его текущий узел SGSN. Система GPRS обеспечи-
вает взаимодействие с несколькими типами внешних сетей с коммутацией паке-
тов, поэтому существует несколько различных узлов GGSN. С другой стороны,
один узел GGSN может отсылать свои пакеты нескольким узлам SGSN, отвечаю-
щим за различные зоны обслуживания.
В регистре HLR хранятся данные обо всех GPRS-пользователях, зарегист-
рированных в своей системе GSM. Они включают в себя профиль пользователя и
его текущие SGSN- и PDP-адреса. Информация обновляется каждый раз, когда
пользователь регистрируется в новом узле SGSN.
Регистр VLR, объединенный с MSC (MSC/VLR), выполняет большее коли-
чество функций, чем в стандартной системе GSM. Он позволяет осуществлять
взаимодействие каналов GPRS и обычной сети GSM с коммутацией каналов.
Пример такой услуги - осуществляемый узлом SGSN пейджинг для вызова в се-
ти с коммутацией каналов, при котором происходит обмен данными между
MSC/VLR и SGSN. В регистре MSC/VLR тоже происходит обновление текущих
данных об абонентах, подписавшихся на услуги GSM и GPRS.
Система GPRS также позволяет передавать SMS-сообщения. Для этого осу-
ществляется обмен данными между блоками SMS-GMSC и/или SMS-IWMSC и
соответствующим узлом SGSN.
Все блоки системы GPRS связаны с блоками системы GSM соответствую-
щими стандартизованными интерфейсами (см. рис. 9.12). Как уже упоминалось,
все узлы GPRS соединены опорной сетью с использованием IP-протокола. Пере-
даваемые пакеты конвертируются узлами GSN и передаются в соответствующий
Глава 9. Передача данных в системе CSM
279
сетевой узел при помощи протокола туннелирования GPRS (англ. GPRS Tunne-
ling Protocol — GTP). Узлы системы GPRS связаны со своей собственной сетью с
помощью внутренней опорной сети (intra-PLMNbackbone network). Соединение
с внешними PLMN-сетями осуществляется при помощи внешней опорной сети
(inter-PLMN backbone network). Как и в обычных GSM-сетях, для обмена данны-
ми между различными сетями необходимо заключить соглашение о роуминге
между поставщиками услуг GPRS. Межсетевое inter-PLMN-взаимодействие
осуществляется через граничные шлюзы {border gateways), которые защищают
сети от несанкционированного доступа.
9.6.2. Физическим уровень GPRS
Физический уровень системы GPRS очень похож на физический уровень
стандартной системы GSM. Тем не менее, пакетная передача и асимметрия тра-
фика потребовали внесения в него некоторых изменений и дополнений. Прежде
всего, система GPRS предусматривает работу в многослотовом режиме, в котором
одной подвижной станции может быть выделено до восьми временных слотов в
кадре. Асимметричность пакетного трафика приводит к тому, что восходящей и
нисходящей линиям связи выделяются различные ресурсы. Выделение канала
производится только на время передачи или приема пакета. В промежутках между
передачей последовательных пакетов этот канал может использоваться другими
подвижными станциями. Так реализуется правило емкость по требованию. Это
означает, что количество выделенных физических каналов является функцией ин-
тенсивности трафика, приоритета услуг и класса многослотового режима работы.
Физические каналы могут совместно использоваться системами GSM и GPRS.
Рис. 9.13. Логические каналы в системе GPRS
1 - восходящий канал; 2 - нисходящий канал; 3 - двунаправленный канал
Основной физический канал GPRS называется каналом передачи пакетных
данных (англ. Packet Data Channel—PDCH). В GPRS применяется несколько ло-
гических каналов, организация которых показана на рис. 9.13. Они выполняют
следующие функции:
280
Системы подвижной радиосвязи
• канал трафика пакетных данных (англ. Packet Data Traffic Channel -
PDTCH) используется для передачи пользовательских данных. Одному
GPRS-терминалу может быть выделен один или несколько каналов
PDTCH;
• широковещательный канал управления (англ. Packet Broadcast Control
Channel - PBCCH) используется базовой станцией для извещения всех
подвижных станций своей соты об организации GPRS и GSM;
• общий пакетный канал управления (англ. Packet Common Control Chan-
nel - РСССРГ) включает в себя следующие каналы:
• пакетный канал случайного доступа (англ. Packet Random Access
Channel - РRACH) используется подвижными станциями для запро-
са одного или более каналов PDTCH;
• пакетный канал предоставления доступа (англ. Packet Access Gran-
ted Channel - PAGCH) используется для передачи подтверждения о
выделении подвижной станции одного или более каналов PDTCH;
• пакетный вызывной канал (англ. Packet Paging Channel - РРСН) ис-
пользуется базовой станцией для вызова требуемой подвижной стан-
ции и определения соты, в которой она находится в текущий момент;
• пакетный канал оповещения (англ. Packet Notification Channel-PNCH)
предназначается для оповещения подвижной станции о наличии
многоадресных (multicast) сообщений или групповых вызовов;
• пакетный ассоциированный канал управления (англ. Packet Associated
Control Channel - PACCH) применяется для передачи управляющей ин-
формации, связанной с одним или более каналами PDTCH, используемых
подвижной станцией. Это двунаправленный канал;
• пакетный канал управления переключением режимов прием/передача
(англ. Packet Timing Advance Control Channel - PTCCH/U и PTCCH/D)
используется в восходящей (U) и нисходящей (D) линиях связи для на-
стройки временного сдвига кадра, обеспечивая тем самым кадровую
синхронизацию.
Пытаясь зарегистрироваться в сети, подвижная станция ищет канал РВССН,
а затем - РСССН. В случае их отсутствия, станция выполняет поиск каналов
ВССН и СССН обычной системы GSM, также имеющихся в соте.
Используемые в GPRS логические пакетные каналы распределены по физи-
ческим каналам физического уровня системы GPRS аналогично тому, как это
сделано в стандартной системе GSM. Все же следует отметить некоторые отли-
чия. Как мы помним, в стандартной системе GSM мультикадр состоит из 26 кад-
ров каналов трафика или 51 кадра каналов управления. В GPRS мультикадр со-
стоит из 52 кадров (рис. 9.14). Четыре последовательных кадра образуют блок.
С точки зрения канального кодирования блок становится единым. Мультикадр
содержит 12 блоков (В0-В11). Два кадра не заняты, еще два используются для
Глава 9. Передача данных в системе GSM
281
Номер блока
О 3 4 7 8 11 1213 16 17 2021 242526 2930 3334 373839 4243 4647 5051
Блок 0 Блок 1 Блок 2 Т А Блок 3 Блок 4 Блок 5 I Блок 6 Блок 7 Блок 8 Т А —1—,—J— Блок 9 Блок 10 -1—1—г Блок 11 1
Рис. 9.14. Структура мультикадра CPRS
ТА - кадр временного сдвига (англ. Timing Advance), I - незанятый кадр (англ. Idle)
обновления временного сдвига. Как упоминалось ранее, в GSM один нормаль-
ный пакет переносит 114 битов пользовательских данных. Таким образом, состо-
ящий из четырех кадров блок содержит 4x114 = 456 битов, и каждая схема коди-
рования, используемая в GPRS, приводит к появлению 456-битового блока.
В системе GPRS используется, как правило, двухуровневое канальное коди-
рование. Внешний код - блочный. К концу кодового слова обычно добавляются
несколько конечных битов, после чего оно подвергается сверточному кодирова-
нию, а затем перфорированию, чтобы получить кодовое слово длиной 456 битов.
В табл. 9.5 приведена основная информация о схемах кодирования, используе-
мых в системе GPRS. Флаг USF (англ. Uplink State Flag - флаг состояния восхо-
дящей линии связи) используется в нисходящей линии связи для оповещения по-
движной станции о свободном восходящем канале.
Схемы кодирования CS-1-CS-4 соответствуют различным условиям. Все че-
тыре схемы используются в пакетных каналах трафика, а схема CS-1 - еще и для
защиты от ошибок каналов сигнализации (кроме PRACH). Выбор схемы кодиро-
вания зависит от состояния радиоканала и требований к услуге. CS-1 - более
строгая схема кодирования - используется в каналах с плохими условиями и по-
зволяет передавать данные со скоростью 9,6 кбит/с на временной слот. CS-4, нао-
борот, применяется в каналах с очень хорошими условиями. В этом случае свер-
Таблица 9.5. Основные параметры схем кодирования GPRS
Схема Предварительное кодирование USF, битов Количество битов RLC-блока Количество битов CRC V с Конечные биты Количество битов после сверточного кодирования Количество перфорированнных битов Скорость кодирования Скорость передачи
CS-1 3 181 40 4 456 0 1/2 9,05
CS-2 6 268 16 4 588 132 2/3 13,4
CS-3 6 312 16 4 676 220 3/4 15,6
CS-4 12 428 16 0 456 0 1 21,4
282
Системы полвижнои радиосвязи
точное кодирование не используется вовсе, и скорость передачи данных возрас-
тает до 21,4 кбит/с на один слот, что позволяет достичь скорости 171,2 кбит/с при
выделении одному пользователю всех восьми временных интервалов. Графиче-
ское представление описанных схем кодирования приведено на рис. 9.15.
Различные схемы кодирования и скорости передачи данных позволяют пре-
доставлять целый набор различных услуг, характеризуемых соответствующим
в)
а)
б)
Рис. 9.15. Схемы кодирования GPRS
а - CS-1; б- CS-2/CS-3; в - CS-4
Глава 9. Передача данных в системе CSM
283
качеством обслуживания (англ. Quality of Service-QoS). Требования к качеству
обслуживания сильно зависят от конкретного применения. В системе GPRS про-
фили QoS были сформированы на основании ряда параметров, таких, как прио-
ритет услуги, надежность, задержка и пропускная способность. Параметр
«пропускная способность» определяет максимальную4 и среднюю скорости пе-
редачи данных. В зависимости от типа услуги допускаются различные вероятно-
сти потери, повтора и повреждения пакета. Определены три класса надежности,
которые характеризуются конкретными значениями указанных выше параметров.
В табл. 9.6 приведены требования к этим классам. Аналогично, установлены три
класса допустимой задержки (табл. 9.7).
Таблица 9.6. Классы надежности GPRS
Класс Вероятность
потери пакета повтора пакета изменения порядка пакета повреждения пакета
1 10~9 10~9 Ю-9 10ч
2 |0-4 10’5 ю~5 КГ6
3 10~2 10’5 ю5 10 2
Таблица 9.7. Классы задержки
Класс Пакет из 128 байтов Пакет из 1024 байтов
Средняя задержка, с Задержка 95%, с Средняя задержка, с Задержка 95%, с
1 <0,5 <1,5 <2 <7
2 <5 <25 < 15 <75
3 <50 <250 <75 <375
4 Как можно лучше
Мобильный абонент может выбирать QoS-профиль, требуемый ему для про-
ведения каждой новой сессии передачи данных в зависимости от требуемой
услуги и доступных в текущий момент сетевых ресурсов.
Пиковую (прим. ред.).
284
Системы полвижнои ралиосвязи
9.6.3. Управление передачей в системе CPRS
Перед началом передачи в системе GPRS необходимо выполнить некоторые
специальные процедуры для подготовки подвижной станции и сети к обмену
данными.
Прежде всего, подвижная станция должна зарегистрироваться в узле SGSN,
который обслуживает район ее местонахождения. Эта процедура называется
GPRS-подключение (англ. GPRS Attach). Сеть производит аутентификацию поль-
зователя, пересылает информацию о пользователе из реестра HLR в SGSN и вы-
деляет пользователю временный пакетный идентификационный номер мобиль-
ного абонента (англ. Packet Temporary Mobile Subscriber Identity - PTMSI). Для
некоторых классов подвижных станций осуществляется совместная
GSM/GPRS-регистрация.
До начала процедуры GPRS-соединения подвижная станция не видна в сети
GPRS и находится в состоянии бездействия5 (англ. idle). После соединения с се-
тью MS6 переходит в режим готовности (англ, ready), в котором она отправляет
информацию в SGSN после каждого перемещения в новую соту. Таким образом,
местонахождение подвижной станции в режиме готовности известно с точно-
стью до конкретной соты. В состоянии готовности MS может передавать и при-
нимать пакеты после соответствующего инициирования обмена данными (см.
следующий абзац). Если же подвижная станция не передает и не получает паке-
ты данных в течение некоторого времени, она переходит в режим ожидания
(англ, standby). Местонахождение MS в состоянии ожидания отслеживается с
точностью до группы сот, называемой областью маршрутизации (англ. Routing
Area -RA). Для отправки пакета на подвижную станцию в режиме ожидания, вы-
полняется вызов для определения соты, в которой она находится.
Обмен пакетами производится с использованием протокола пакетных дан-
ных (англ. Packet Data Protocol - PDP). Для того чтобы начать обмен пакетами
MS - сеть с коммутацией пакетов (например, на базе протоколов IP или Х.25),
подвижная станция получает PDP-адрес в этой сети передачи данных, называе-
мый адресом. Затем для каждой сессии создается PDP-контекст. Этот контекст
содержит тип протокола PDP, PDP-адрес подвижной станции, требуемый QoS и
адрес шлюзового GSN (GGSN), соединяющего систему GPRS с соответствую-
щей сетью передачи данных. Контекст хранится в нескольких блоках - подвиж-
ной станции, SGSN и в соответствующем GGSN. Таким образом, MS становится
видна во внешней сети передачи данных.
Рассмотрим соединение подвижной станции с сетью IP. MS посылает паке-
ты на адрес назначения через сеть GPRS и внешние сети. Вначале она отправляет
пакеты через подсистему базовых станций на соответствующий узел SGSN.
Иначе называемом свободным режимом (прим. ред.).
MS (Mobile Station) - подвижная станция (прим. ред.).
Глава 9. Передача данных в системе GSM
285
SGSN проверяет PDP-контекст подвижной станции, конвертирует приходящие с
подвижной станции IP-пакеты и отправляет их через базовую IP-сеть на шлюзо-
вый GSN (GGSN), соединяющий систему GPRS с требуемой сетью передачи
данных. Узел GGSN выполняет распаковку (decapsulation) пакетов и шлет их да-
лее в сеть передачи данных, которая доставляет их по адресу назначения.
9.6.4. Услуги GPRS
Передача данных в системе GPRS осуществляется в рамках выбранных
услуг передачи данных или дополнительных услуг. При этом услуги передачи
данных можно разделить на две категории:
• услуга1 «точка-точка» (англ. Point-to-Point - РТР) - соединение между
двумя индивидуальными пользователями, которое может быть реализова-
но как в режиме без установления соединения (при помощи IP-сети), так
и в режиме с установлением соединения (при помощи Х.25-сети);
• услуга «точка-многоточка» (англ. Point-to-Multipoint — РТМ) - соедине-
ние между одним пользователем и определенной группой абонентов.
Пользователи могут выбираться по своему расположению в указанной
географической области - так называемая многоадресная услуга (англ.
Multicast Service), или их адреса могут быть указаны в особом списке -
групповая услуга (англ. Group Service).
Передача SMS является еще одной услугой, доступной с помощью GPRS.
Планируется предоставление других дополнительных и нестандартных услуг.
9.6.5. Архитектура протокола GPRS
На рис. 9.16 изображен стек протоколов GPRS в плоскости передачи (англ.
Transmission Plane) для подвижной станции, узла текущей поддержки GPRS
(SGSN) и шлюзового узла поддержки GPRS (GGSN), через который производит-
ся обмен данными с внешней сетью с коммутацией пакетов. На рис. 9.16 изобра-
жены также интерфейсы между блоками сети.
Передача сигнала, включая модуляцию и демодуляцию, осуществляется в
рамках физического радиочастотного подуровня RFL. Канальное кодирование,
перемежение и контроль перегрузки физической линии связи производится в
рамках подуровня физического канала PLL. Доступ подвижной станции к сис-
темным ресурсам контролируется на подуровне управления доступом к среде
МАС. Как и в GSM, в системе GPRS МАС-алгоритм основан на принципе син-
Авторский термин услуга в данном пункте больше соответствует термину режим (тип)
передачи данных в сети пакетной передачи данных (прим. ред.).
286
Системы подвижной радиосвязи
II
в ”
>х
X
MS BSS SGSN GGSN
Приложение Сетевой уровень (IP, Х.25) SNDCP LLC 1 1 1 1 1 I I 1 । । । । । i । । ^Ретран SNDCP~'~~~i LLC слятоо^— '""GTP TCP/UDP Сетевой уровень (IP, Х.25) GTP TCP/UDP
RLC 1 1 1 —^£етран RLC'~~~ СЛЯТО^^--— BSSGP i i i BSSGP IP IP
MAC 1 1 MAC Сетевая услуга i i i Сетевая услуга Уровень звена данных Уровень звена данных
PLL RFL 1 1 1 1 1 1 PLL RFL Физический уровень i । । । 1 Физический уровень Физический уровень физический уровень
Рис. 9.16. Стек протоколов плоскости передачи CPRS
SNDCP (Subnetwork Dependent Convergence Protocol) - зависимый от подсети протокол
конвергенции; LLC (LogicalLink Control) - подуровень управления логическим звеном;
RLC (Radio Link Control) - подуровень управления радиоресурсами; MAC (Medium Ac-
cess Control) - подуровень управления доступом к радиосреде (среде передачи); PLL
(Physical Link Layer) - физический подуровень; RFL (Physical RF Layer) - физический
радиочастотный подуровень; BSSGP (BSS GPRS Application Protocol) - протокол GPRS
для подсистемы базовых станций; GTP (GPRS Tunneling Protocol) - протокол туннели-
рования GPRS; TCP (Transmission Control Protocol) - протокол контроля передачи
сообщений; UDP (User Datagram Protocol) - протокол дейтаграмм пользователя;
IP (Internet Protocol) - протокол сети Интернет
хронной Aloha. Надежный канал между подвижной станцией и подсистемой ба-
зовых станций устанавливается на подуровне управления радиоресурсами RLC.
Наиболее важными задачами этого уровня являются сегментация кадров, со-
зданных на подуровне управления логическим звеном LLC, в RLC-блоки дан-
ных, а также выполнение процедуры ARQ для кодовых слов, не подлежащих
восстановлению. Функционирование LLC основано на протоколе высокоуровне-
вого управления цифровым каналом (англ. High-Level Data Link Control - HDLC).
На этом уровне осуществляются контроль последовательности и соответствую-
щее упорядочивание пакетов, управление потоком данных, детектирование оши-
бок, а также повторная передача и шифрование данных. Зависимый от подсети
протокол конвергенции SNDCP управляет обменом данными между MS и соот-
ветствующим GGSN. Этот протокол выполняет мультиплексирование несколь-
ких соединений сетевого уровня в одно логическое соединение LLC-уровня, а
также производит сжатие и восстановение сжатых пользовательских данных и
заголовков пакетов. Выполняемые на сетевом уровне процедуры определяются
соединением подвижной станции с соответствующей внешней сетью передачи
Глава 9. Перелача ланных в системе GSM
287
данных. Наконец, абонент решает свои задачи (чтение электронной почты, про-
смотр web-страниц, ftp и т.д.) на уровне приложений.
Из рис. 9.16 видно, что многие описанные выше протоколы используются и
в других элементах сети, таких, как BSS, SGSN и GGSN. Протокол GPRS для
подсистемы базовых станций BSSGP - новый в стеке протоколов BSS. Он отве-
чает за маршрутизацию и передачу информации между BSS и SGSN с требуе-
мым QoS. Протокол сетевой службы (англ. Network Service Protocol) выполняет
передачу данных или управляющую информацию, сигнализирует о перегрузке
сети и ее состоянии. В основе протокола сетевой службы лежит Frame Relay.
Обмен данными между SGSN и GGSN осуществляется при помощи опор-
ной IP-сети. Для этого были разработаны специальные уровни интерфейса
SGSN-GGSN. На физическом уровне и уровне звена данных осуществляется пе-
редача данных в форматах Ethernet, ISDN и ATM. Протокол сети Интернет (IP)
используется на IP-уровне. Над этим уровнем в зависимости от типа сети (Х.25
или IP) используется соответственно протокол контроля передачи сообщений
(TCP) или протокол дейтаграмм пользователя (UDP). Наконец, пользовательские
пакеты данных передаются между SGSN и GGSN по протоколу туннелирования
GPRS (GTP).
Эти протоколы могут быть рассмотрены и в сигнальной плоскости. Заинте-
ресованный читатель может обратиться к учебной статье [11].
* * *
Систему GPRS можно считать значительным усовершенствованием системы
GSM, учитывающим растущие потребности в передаче данных по сетям подвиж-
ной связи. Эта система оптимизирована с точки зрения передачи пакетных дан-
ных, реализуемой при обмене данными между индивидуальными абонентами и,
например, сетью Internet. В результате использования радиоинфраструктуры си-
стемы GSM и добавления новых сетевых элементов - специализированных бло-
ков SGSN и GGSN - была получена новая система, которая хорошо подходит для
передачи пакетных данных. Стоит упомянуть, что в новой системе тарификация
основана на подсчете количества полученных пакетов данных, а не на продолжи-
тельности соединения, как в стандартной системе GSM с коммутацией каналов.
9.7. ТЕХНОЛОГИЯ EDGE
Система GPRS позволяет, при необходимости, передавать пакетные данные
в режиме коммутации пакетов с использованием более одного временного слота
в кадре, если это возможно с точки зрения системных ресурсов. Однако скорость
такой передачи данных не очень высока по сравнению с проводным подключе-
нием к сети Internet. Технология повышения скорости передачи данных для гло-
бальной эволюции EDGE (англ. Enhanced Data ratefor Global Evolution) позволя-
ет удовлетворить потребность в более высоких скоростях. Первоначально EDGE
288
Системы полвижнои ралиосвязи
интерпретировалась как расширение системы GPRS. Сейчас эта аббревиатура
приобрела множество значений. С точки зрения системы GSM, EDGE - это
эволюция систем GPRS и HSCSD в системы EGPRS (Enhanced GPRS) и ECSD
(Enhanced Circuit Switched Data) соответственно. В США система EDGE стала
базой для расширения системы персональной подвижной связи TDMA IS-136,
что привело к появлению IS-136 HS (High Speed), предназначенной для исполь-
зования вне помещений.
EDGE для TDMA-систем в настоящее время реализуется в двух вариантах -
EDGE Compact и EDGE Classic [ 15], [ 16]. В системе EDGE Compact применяется
новая структура каналов управления шириной 200 кГц. Базовые станции работа-
ют в синхронном режиме, и для реализации системы достаточно полосы спектра
в 1 МГц. Каналы передачи пакетных данных организованы с коэффициентом по-
вторного использования частот, равным 1/3. В системе EDGE Classic применяет-
ся традиционная структура каналов управления шириной 200 кГц, характерная
для GSM. Коэффициент повторного использования несущих частот вещательно-
го канала управления составляет 4/12 (см. раздел 5). Система EDGE Classic в ми-
нимальной комплектации требует наличия 12 несущих или, другими словами,
2,4 МГц с защитными полосами.
Ниже будет рассмотрена европейская версия системы EDGE.
9.7.1. Основные усовершенствования на физическом уровне
В системе EDGE для GSM используются некоторые усовершенствования,
которые позволяют передавать пакеты данных с более высокими скоростями,
чем в стандартных системах GSM или GPRS. Первое усовершенствование -
это применение 8-Р8К-модуляции в высокоскоростных режимах. В низкоскоро-
стных режимах по-прежнему используется GMSK-модуляция. 8-Р8К-модуля-
ция позволяет обеспечить в три раза большую скорость передачи данных по
сравнению со стандартной системой GSM при условии использования той же
символьной скорости 270,833 кбит/с и 200-кГц частотного растра. Это обуслов-
лено тем, что при 8-Р8К-модуляции каждый информационный символ представ-
ляется тремя битами. Используемый в системе EDGE 8-Р8К-сигнал описывает-
ся выражением
f ж 1 Г Зтс "1 1
X0 = Re] Х^)ехР J~dk X'-£7)exp[j27t/£/] к (9.3)
( к L ° J J
где информационные символы принадлежат набору
(9.4)
где к - временной индекс информационного символа. Индекс I, входящий в ин-
формационный символ, определяется текущим трехбитовым блоком.
Глава 9. Перелача ланных в системе CSM
289
Побитовое соответствие блоков символам подчиняется правилу Грея
(англ. Gray). Стоит заметить, что помимо фазового сдвига, определяемого ин-
формационными битами, фаза дополнительно сдвигается на Зл78 на каждый
период передачи одного символа. Это позволяет избежать низких уровней оги-
бающей, поэтому отношение максимальной и средней мощности составляет
всего 3,2 дБ. Для того чтобы привести сигнал в соответствие с шириной спект-
ра канала и сохранить форму GMSK-спектра, используется модулирующий им-
пульс р(Г). В линеаризованной версии GMSK форма импульса рассчитывается
по методу Лорана [12]. Изображенная на рис. 9.17 форма импульса похожа на
гауссовскую кривую и рассчитана при помощи численных методов. В разделе 8
говорилось о том, что при GMSK-модуляции в приемнике обычно применяется
подбор последовательности по принципу максимального правдоподобия Витер-
би. В случае 8-РБК-модуляции количество состояний в алгоритме Витерби бы-
ло бы чрезвычайно большим, поэтому используется выбранный субоптималь-
ный последовательный алгоритм.
Рис. 9.17. Импульсная характери-
стика фильтра формирования
импульсов в 8-Р5К-молуляторе
системы EDG
Другая особенность системы EDGE - это медленная скачкообразная пере-
стройка частоты, которая представляет собой опцию в стандартной системе
GSM. Скачкообразную перестройку частоты можно рассматривать как измене-
ние частоты, помогающее избежать замирания канала. Она также существенно
влияет на уровень внутриканальных помех и, следовательно, на суммарную ем-
кость системы. При использовании скачкообразной перестройки частоты каж-
дый кодовый блок передается на четырех различных несущих.
Следующее важное свойство системы EDGE - контроль качества радиока-
нала. Подвижные станции передают на базовые станции информацию о качестве
канала. На основании этой информации принимается решение о том, какую ком-
бинацию модуляции и канального кодирования следует использовать. В системе
EDGE могут применяться два типа модуляции (GMSK и 8-PSK) и девять скоро-
стей кодирования. Каждая комбинация имеет свою характеристику, выражае-
мую в зависимости пропускной способности (на один временной слот) от отно-
290
Системы подвижной радиосвязи
шения сигнал/шум. Переключение между комбинациями кодирования и модуля-
ции позволяет максимизировать пропускную способность. Принцип адаптации
к качеству канала радиосвязи иллюстрируется на рис. 9.18.
Рис. 9.18. Пропускная способность на один временной слот для различных
комбинаций кодирования и модуляции
Пакет данных в системе EDGE имеет тот же самый формат, что и в стандарт-
ной системе GSM. Однако в случае использования 8-Р8К-модуляции двоичные
символы заменяются 8-уровневыми информационными символами. Пакет со-
держит 26-символьную срединную последовательность, три краевых символа в
начале и в конце пакета и два блока пользовательских данных по 57 символов.
Это составляет 348 информационных битов на канальный интервал (временной
слот) при использовании 8-Р8К-модуляции или по 116 битов на слот при исполь-
зовании GMSK-модуляции. Мультикадровая структура системы EDGE совпадает
со структурой системы GPRS. Мультикадр состоит из 52 кадров (см. рис. 9.14), в
которых размещены 12 блоков данных. Каждый 13 кадр не несет пользователь-
ской информации и используется для корректировки временного сдвига или про-
ведения измерений. Таким образом, с учетом всех перечисленных факторов,
максимальная скорость передачи данных на одну несущую (если используются
все временные слоты) составляет 556,8 кбит/с для 8-PSK и 185,6 кбит/с для
GMSK. Очевидно, что максимальная доступная пользователю скорость переда-
чи данных будет меньше из-за необходимости использования канального коди-
рования. Используемые коэффициенты канального кодирования лежат в диапа-
зоне от R = 0,38 до R = 1.
Контроль качества радиоканала, реализованный в системе EDGE при помо-
щи адаптивного выбора модуляции и кодирования, полностью подтверждается
теорией информации. С ее помощью можно показать, что для достижения мак-
Глава 9. Перелача ланных в системе CSM
291
симальной пропускной способности скорость передачи данных должна быть вы-
сокой при хорошем качестве радиоканала (при больших отношениях сигнала к
шуму) и низкой при временном снижении качества канала. Необходимо подчерк-
нуть, что такая адаптация возможна только при наличии обратной связи между
приемником и передатчиком. В табл. 9.8 приведены возможные комбинации ко-
дирования и модуляции. Они поделены на три семейства (А, В и С). Коэффици-
ент кодирования может изменяться только в рамках одного семейства.
Таблица 9.8. Схемы модуляции и кодирования, используемые
в системе EDGE (EGPRS)
Схема Модуляция Максимальная скорость, кбит/с Коэффициент* кодирования Кодирование заголовка PDU/ 20 мс Размер PDU, байтов Семейство
MSC-9 8-PSK 473 1,0 0,36 2 74 А
MSC-8 8-PSK 435 0,92 0,36 2 68 А
MSC-7 8-PSK 358 0,76 0,36 2 56 В
MSC-6 8-PSK 234 0,49 1/3 1 74 А
MSC-5 8-PSK 179,2 0,37 1/3 1 56 В
MSC-4 GMSK 141 1,0 1/2 1 44 С
MSC-3 GMSK 119 0,80 1/2 1 37 А
MSC-2 GMSK 90 0,66 1/2 1 28 В
MSC-1 GMSK 70,4 0,53 1/2 1 22 С
Иначе: скорость кодирования (прим. ред.).
Радиоблок8 - это наименьший элемент передаваемых в рамках системы
EDGE данных. Каждый радиоблок содержит один или два блока пакетных дан-
ных (англ. Packet Data Unit - PDU). Количество PDU в радиоблоке зависит от
выбранной схемы модуляции и кодирования. После выполнения перемежения
передача радиоблока производится четырьмя кадрами, причем каждый из них -
на своей несущей, используя скачкообразную перестройку частоты. Кодирован-
ные радиоблоки содержат по 1392 бита в случае использования 8-Р8К-модуля-
ции и по 464 бита - в случае GMSK-модуляции. Структура радиоблока при
8-Р8К-модуляции показана на рис. 9.19. Структура некодированных и кодиро-
Радиоблок данных. Не следует путать с устройством, работающим в радиодиапазоне
(прим. ред.).
292
Системы полвижнои ралиосвязи
Рис. 9.19. Пример формата и кодирования радиоблока в системе EDGE
с 8-Р5К-модуляиией [16]
ванных блоков будет несколько различаться в зависимости от выбора схемы мо-
дуляции и кодирования; тем не менее, общая схема (рис. 9.19) остается верной.
В случае непрозрачной передачи данных, как правило, используется метод
ARQ. В разделе 1 отмечалось, что в основе стандартного метода ARQ лежит до-
бавление CRC-битов четности, вычисленных передатчиком, к концу блока дан-
ных. В приемнике CRC-биты заново рассчитываются по принятому блоку дан-
ных. Если вычисленные биты совпадают с принятыми, то приемник посылает
подтверждение приема (АСК), и передатчик начинает передавать следующий
блок. Если рассчитанные приемником CRC-биты не совпадают с принятыми, то
весь блок отбрасывается и подлежит повторной передаче. Вместо простой схемы
ARQ может использоваться принцип ARQ с нарастающей избыточностью
(англ. Incremental Redundancy - IR).
В основе метода IR ARQ лежит повторное использование ошибочного блока
для детектирования ошибок. В процессе кодирования на выходе сверточного ко-
дера применяется перфорирование по двум или трем различным схемам (Pl, Р2
или РЗ). Вначале передается кодированный блок, подвергнутый перфорирова-
нию по схеме РЕ Если в нем обнаружены ошибки, то передаются биты, получен-
Глава 9. Передача данных в системе CSM
293
ные при перфорировании по схеме Р2, которые добавляются к ранее переданно-
му блоку. Затем этот блок снова декодируется. При этом возрастает количество
битов четности (избыточности), и декодирование целого блока приводит к гораз-
до лучшей коррекции ошибок. Если были получены все биты, рассчитанные но
всем схемам перфорирования, а ошибки не были устранены, то повторяется весь
процесс передачи блока.
Ж ☆ #
Выше приведено краткое описание отдельных аспектов расширения
GSM/GPRS, известного под названием EDGE. Как уже упоминалось ранее, кон-
цепция EDGE была адаптирована для американской системы сотовой
TDMA-телефонии IS-136, что привело к существенному сближению этих двух
широко распространенных технологий. На самом деле, благодаря высоким ско-
ростям передачи данных, достижимых в системе EDGE, она рассматривается
как одно из возможных предложений к реализации систем третьего поколения
(3G). В ближайшем будущем станет ясно, насколько введение EDGE в сети GSM
повлияет на распространение системы UMTS.
ЛИТЕРАТУРА
1. J.Jayapalan, М.Burke, «Cellular Data Services Architecture and Signalling», IEEE
Personal Communications, Second Quarter 1994, pp. 44-55.
2. ETSI EN 300 909 V. 8.3.0, Digital Cellular Telecommunications System (Phase 2т);
Channel Coding (GSM 05.03, Release 1999), April 2000.
3. S.M.Redl, M.K. Weber, M.W.Oliphant, GSM and Personal Communications Hand-
book, Artech House, Boston, 1998.
4. ITU-T Recommendation V. 110, Support by an ISDN of Data Terminal Equipments
with V-Series Type Interfaces, Geneva, October 1996.
5. ETSI EN 300 945 V. 7.0.3, Digital Cellular Telecommunications System (Phase 2т);
Rate Adaptation on the Mobile Station - Base Station System (MS-BSS) Interface
(GSM 04.21), December 1999.
6. ETSI TS 100 901, Digital Cellular Telecommunications System (Phase 2+); Tech-
nical Realization of the Short Message Service (SMS) (GSM 03.40, version 7.4.0, Re-
lease 1998).
7. ETSI TS 100 942, Digital Cellular Telecommunications System (Phase 2+); Point-
to-Point (PP) Short Message Service (SMS) Support on Mobile Radio Interface (GSM
04.11, version 7.0.0, Release 1998).
8. ETSI TS 101 625, Digital Cellular Telecommunications System (Phase 2+);
High Speed Circuit Switched Data (HSCSD); Stage 1 (GSM 02.34, version 7.0.0, Re-
lease 1998).
294
Системы полвижнои ралиосвязи
9. ETSI TS 101 038, Digital Cellular Telecommunications System (Phase 2^);
High Speed Circuit Switched Data (HSCSD); Stage 2 (GSM 03.34, version 7.0.0. Re-
lease 1998).
10. B.H.Walke, Mobile Radio Networks'. Networking and Protocols, John Wiley &
Sons, Ltd., Chichester, 1999.
11. Ch.Bettstetter, H.-J.Vogel, J.Eberspacher, «GSM Phase 2+ General Packet Radio
Service GPRS - Architecture, Protocols, and Air Interface», IEEE Communication
Surveys and Tutorials, http://www.comsoc.org/tutorials, 3rd Quarter 1999.
12. P. A.Laurent, «Exact and Approximate Construction of Digital Phase Modulations
by Superposition of Amplitude Modulated Pulses (AMP)», IEEE Trans Commun.,
Vol. COM-34, 1986, pp. 150-160.
13. A.Furuskar, J.Naslund, H.Olofsson, «EDGE: Enhanced Data Rates for GSM and
TDMA/136 Evolution», Ericsson Review, № 1, 1999, pp. 28-37.
14. A.Furuskar, S.Mazur, F.Miiller, H.Olofsson, «EDGE: Enhanced Data Rates for
GSM and TDMA/136 Evolution», IEEE Personal Communications, June 1999,
pp. 56-66.
15. Ch.Lindheimer, S.Mazur, J.Molno, M.Waleij, «Third-Generation TDMA», Erics-
son Review, № 2, 2000, pp. 68-79.
16. R.Ramesh, K.C.Zangi, «Enhanced Data Rates for Global Evolution: A Tutorial»,
Proceedings of a Tutorial Course, IEEE VTC-Fall, 2000.
Глава 10
СТАНДАРТ CDMA В СИСТЕМАХ
ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ
10.1. ВВЕДЕНИЕ
В предыдущих разделах были рассмотрены системы подвижной связи, ис-
пользующие методы многостанционного доступа FDMA и TDMA. В последние
годы в центре внимания промышленных и академических исследовательских
центров оказался метод многостанционного доступа с кодовым разделением ка-
налов (англ. Code Division Multiple Access-CDMA). Это привело к развитию ком-
муникационных систем с многостанционным доступом на основе технологии
расширения спектра, в которых каждый пользователь имеет индивидуальную
расширяющую последовательность. В настоящее время CDMA считается доми-
нирующим методом многостанционного доступа в системах подвижной связи
третьего поколения (3G). В основе большинства предложений для семейства
стандартов IMT-2000 (англ. International Mobile Telecommunications)' Междуна-
родного союза электросвязи (ITU) лежит метод многостанционного доступа
CDMA. Поэтому стоит рассмотреть преимущества и недостатки этого метода.
10.2. МОТИВАЦИЯ ПРИМЕНЕНИЯ CDMA
КАК ПОТЕНЦИАЛЬНОГО МЕТОДА
МНОГОСТАНЦИОННОГО ДОСТУПА
Аналоговые FDMA- и цифровые FDMA/TDMA-системы требуют частотно-
го планирования для реализации многократного использования одних и тех же
канальных частот в достаточно удаленных друг от друга сотах. Расстояние меж-
1 Более подробная информация о системах IMT-2000 и 3G приведена в разделе 17.
296
Системы подвижной радиосвязи
ду такими сотами конечно, поэтому многократное использование частот приво-
дит к возникновению интерференционных помех, наводимых друг на друга
подвижными станциями, использующими одни и те же несущие в различных
сотах. Многократное использование частот характеризуется коэффициентом
повторного использования частот (англ, frequency reuse factor), который пред-
ставляет собой величину, обратную размеру сотового кластера N. Разделение сот
на секторы (как правило, натри сектора) не приводит к улучшению коэффициен-
та повторного использования (каждый сектор имеет свой набор выделенных со-
те несущих частот); однако применение направленных антенн позволяет осла-
бить внутриканальные помехи. Использование непересекающихся наборов
несущих частот в соседних сотах (секторах) TDMA- и FDMA-систем обусловли-
вает необходимость быстро переключать соединения с текущей базовой станции
на соседнюю в момент пересечения границы между сотами. Такой процесс, свя-
занный с необходимостью изменения несущей частоты, часто называют жест-
ким хэндовером (ашл. hard handover). При наличии в системе погрешностей и
неоднородностей передача соединения может сопровождаться искажениями или
даже потерей соединения.
Одним из главных типов искажений в системах подвижной связи считается
многолучевое распространение, которое приводит к возникновению замираний.
Плоские замирания характерны для узкополосных систем. Селективные замира-
ния наблюдаются в системах с более широким спектром, когда при многолучевом
распространении попадающие в приемник компоненты сигнала имеют относите-
льные задержки, меньшие, чем обратная2 ширина спектра сигнала. Искажения
амплитуды, приводящие к появлению межсимвольных помех, приходится ослаб-
лять при помощи сложных адаптивных эквалайзеров (см. раздел 8). Все недостат-
ки TDMA- и FDMA-систем, а именно: ограниченная емкость, жесткая передача
соединения, чувствительность к плоским и селективным замираниям, обусловили
необходимость разработки широкополосных систем с методом доступа CDMA.
10.3. РАСШИРЯЮЩИЕ КОДОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ
Прежде чем анализировать базовые схемы CDMA-передатчика и приемни-
ка, следует вспомнить основные свойства и типы псевдослучайных последова-
тельностей (ПСП), используемых в широкополосных системах.
Широкополосные системы первоначально разрабатывались для военных
приложений. Перед ними ставилась задача скрыть сам факт цифровой передачи
данных, усложнить перехват радиопередачи и сделать ее устойчивой к предна-
меренному глушению. Псевдослучайные (псевдошумовые) последовательно-
сти - это полностью детерминированные периодические цифровые последова-
2 Единица, деленная на ширину спектральной полосы (прим. ред.).
Глава 10. Стандарт CDMA в системах подвижной связи
297
тельности с настолько длинным периодом по сравнению с временем передачи
одного элемента последовательности, что внешнему наблюдателю они кажутся
случайными. В действительности, такие последовательности не могут быть
полностью случайными, поскольку они должны быть повторены в приемнике.
Для достоверной имитации шума энергетический спектр сигнала должен быть
белым. Поэтому корреляционная функция должна представлять собой идеаль-
ный импульс, т.е. символы идеальной псевдослучайной последовательности не
должны быть коррелированы. Поскольку среднее значение «белой» последова-
тельности равно нулю, то автокорреляционная функция должна принимать нуле-
вые значения при ненулевых аргументах. Последнее свойство гарантирует так-
же уверенный прием сигнала, приходящего в приемник в виде эхо-копий, имею-
щих временной сдвиг относительно друг друга. Отдельные эхо-копии можно эф-
фективно выделить при помощи корреляции совокупного принятого сигнала с
псевдослучайным, синхронизованным с сигналом, содержащимся в требуемой
копии. Обобщая вышесказанное, можно утверждать, что «белый» спектр и нуле-
вая автокорреляционная функция являются необходимыми свойствами идеаль-
ной расширяющей ПСП.
Возникает следующий вопрос - какие свойства должны иметь расширяю-
щие последовательности в случае, если несколько пользователей выполняют ра-
диопередачу в одном и том же диапазоне, как это происходит в CDMA-системе?
Чтобы различить пользователей, каждый из них должен использовать отличную
от других последовательность, которая позволит выделить сигнал конкретного
абонента из смеси всех приходящих в приемник сигналов. Поэтому все исполь-
зуемые последовательности должны обладать нулевыми функциями взаимной
корреляции. Это можно осуществить двумя способами. В невоенных приложе-
ниях все пользователи применяют одну и ту же псевдослучайную периодиче-
скую последовательность, имеющую однозначно идентифицируемый для каж-
дого пользователя временной сдвиг. В этом случае необходимо решить задачу
эффективной генерации сдвинутых по времени версий заданной ПСП. Для ре-
шения военных задач такой подход считается недостаточным и приходится ис-
пользовать разные взаимно некоррелирующие последовательности.
Рассмотрим основные типы псевдослучайных последовательностей, исполь-
зуемых в CDMA-системах с расширением спектра. Заинтересованный читатель
может обратиться к замечательному разделу работы [2], посвященному теории и
применению ПСП, а также к соответствующим разделам работах [3] и [4]. Знаю-
щие немецкий язык читатели могут обратиться к изданию [5]. Нельзя забыть и о
фундаментальной книге по ПСП Голомба (Golomb) [6].
10.3.1. m-последовательности
Так называемые т-последователъности вызвали большой интерес и нашли
применение благодаря простоте их генерации. Простейший метод генерации
псевдослучайных двоичных последовательностей (в том числе и т-последова-
298
Системы подвижной радиосвязи
тельностей) - применение каскадного сдвигового регистра с линейными обрат-
ными связями (англ. Linear Feedback Shift Register - LFSR).
На рис. 10.1 приведен пример LFSR. Если LFSR-генератор инициализиро-
ван с ненулевым содержимым его N ячеек памяти, то из 2'v возможных состояний
TV-разрядного регистра могут иметь место не более 2Л - 1. Нулевое состояние
следует исключить, поскольку LFSR будет находиться в нем постоянно. Таким
образом, период генерируемой последовательности не может превышать 2Л - 1.
Если период равен максимально возможному, то такая последовательность
называется последовательностью с максимальной длиной, или - т-последо-
вательностыо.
Рис. 10.1. Пример LFSR и автокорреляционной функции биполярного
выходного сигнала LFSR
Используемые для вычисления обратной связи отводы выбираются на
основании соответствующего полинома. Можно доказать, что для генерации
m-последовательности при помощи LFSR полином, определяющий структуру
LFSR, должен быть неприводимым и примитивным. Многочлен считается не-
приводимым, если его нельзя разложить на полиномы меньшего порядка с гем
же самым набором коэффициентов (в нашем случае - двоичных). Полином
считается примитивным, если его корень является примитивным элементом
надполя GF(2W) (см. параграф 1.4.4). Возможные полиномы, определяющие от-
воды регистров LFSR, которые позволяют генерировать /и-послсдоватсльно-
сти, занесены в таблицы. Количество различных неприводимых примитивных
полиномов быстро растет с увеличением порядка N. ^-последовательности об-
ладают следующими свойствами:
• балансное свойство. В одном полном периоде /«-последовательности
длиной 2N- 1 количество двоичных единиц составляет 2,v l, а количество
двоичных нулей - 2W~ 1 - 1;
Глава 10. Стандарт CDMA в системах подвижной связи
299
• свойство случайности серий в одном периоде последовательности. Име-
ется 2Л 1 различных серий, состоящих из последовательных единиц или
нулей; половина серий имеет длину 1; 1/22 серий - длину 2, и 1 /2* серий
длину к. Наконец, есть одна серия нулей длиной N- 1 и одна серия единиц
длиной N;
• свойство корреляции. Автокорреляционная функция биполярной3 т-по-
следовательности принимает значение -1 для отличающихся от нуля ар-
гументов, а максимальное значение автокорреляционной функции со-
ставляет 2n~ 1.
Приведенные выше свойства позволяют применять ^-последовательности в
системах с расширением спектра и в CDMA-системах. Однако стоит заметить,
что автокорреляционная функция m-последовательности не совсем равна нулю.
Хотя при больших N ее значение R(n) =-1 очень мало по сравнению с 7?(0) = 2Л - 1,
^-последовательность не полностью ортогональна к своим копиям, имеющим
временные сдвиги. Это может привести к возникновению проблем при исполь-
зовании множества сдвинутых по времени относительно друг друга последова-
тельностей, принадлежащих к одной области. Неполная ортогональность приво-
дит к увеличению уровня шума и ограничению количества одновременных
пользователей.
С точки зрения теории кодирования ^-последовательность можно считать
одним кодовым словом линейного циклического кода4 (п, к) = (2Л - 1, А), извест-
ного под названием код максимальной длины и двойственного коду Хемминга.
Известно, что в линейном коде каждое кодовое слово может быть синтезировано
в виде линейной комбинации выбранных соответствующим образом к кодовых
слов. В случае кода максимальной длины эти к = N кодовых слов наблюдаются
последовательно на следующих друг за другом позициях регистра LFSR.
Поскольку код циклический, то при добавлении выходов избранных ячеек памя-
ти LFSR можно синтезировать копии опорного кодового слова (т-последова-
тельности), сдвинутые на любое требуемое количество циклов. Логическую
цепь, выполняющую операцию линейной комбинации выходов LFSR, которая
приводит к появлению сдвинутой по времени ^-последовательности, часто на-
зывают маской. В следующем разделе будет показано, что цепь такого типа ис-
пользуется в передатчиках и приемниках CDMA-системы IS-95. На рис. 10.2 по-
казана генерация сдвинутой по времени копии опорной ^-последовательности
при помощи маски. Соответствующая комбинация положений LFSR выбирается
с помощью элементов вектора (ть т2,..., mN), принимающих значения в значе-
ния «0» или «1». Символ © обозначает сложение по модулю 2.
3 В биполярной последовательности производится замена символов «0» на «+1» и «1» на
«-1», т.е. на биполярные символы (прим. ред.).
4 Напомним, что в циклическом коде каждое кодовое слово является циклической пере-
становкой другого кодового слова.
300
Системы полвижной ралиосвязи
Рис. 10.2. Применение маски
для генерании сдвинутой
по времени реплики
т-последовательности
Трудности реализации возникают, когда период используемой /л-последо-
вательности существенно превышает количество чипов в одном периоде ин-
формационной последовательности. Это происходит в большинстве широко-
полосных систем. Поэтому в приемнике производится частная корреляция
(см. следующий параграф), а значения автокорреляционной функции могут от-
личаться от значений автокорреляционной функции, рассчитываемой для всего
периода последовательности. Если автокорреляция вычисляется с ш-го момен-
та для М элементов а,.-последовательности с периодом длиной Р = 2Л - 1, то
можно доказать [2], что среднее значение частной автокорреляционной функ-
ции RM (к, т) составляет
м-\__________
E[RM(k, т)} = X 4+„A+,„-* =
/=о
М при к =0
-М , „
—— при к тП),
(10.1)
а дисперсия частной автокорреляционной функции составляет
Var[RM(k, w)] =
при к = 0
при к #0,
(10.2)
Из (10.1) и (10.2) можно сделать вывод, что для синхронизованных последо-
вательностей частная автокорреляция дает точные результаты; однако при к Ф 0
ее результаты могут сильно отличаться от результатов автокорреляции по полно-
му периоду. Этот факт необходимо учитывать при рассмотрении искажений в
реальных CDMA-системах.
Глава 10. Стандарт CDMA в системах подвижной связи
301
10.3.2. Последовательности Голда и Касами
Рассмотренные /«-последовательности легко генерировать, и они обладают
хорошими автокорреляционными свойствами, однако взаимная корреляция двух
различных5 последовательностей одной длины может достигать относительно
высоких значений, сравнимых с максимумом (2Л - 1) автокорреляционной функ-
ции /«-последовательности. Это серьезный недостаток, который существенно
влияет на CDMA-системы со множеством пользователей, использующих раз-
личные последовательности. Пример решения этой проблемы - последователь-
ности Голда (Gold) и Касами (Kasami).
Голд [7] обнаружил, что некоторые пары (х, у) ///-последовательностей дли-
ной 2N- 1 имеют функцию взаимной корреляции Rn.(k) с тремя значениями:
Rxy(k)e{-\, t(N)-2},
(10.3)
где
Г 2(W»l)/2 + j
W=|2lW+2)/2 +1
для нечетных К
для четных N.
(Ю.4)
Такие пары (х,у) называются предпочтительными последовательностями.
Значения (10.3) намного меньше максимальных значений функции взаимной
корреляции любой пары /«-последовательностей такой же длины. Последова-
тельности Голда генерируются на базе пары предпочтительных последователь-
ностей при помощи сложения по модулю 2 первой /«-последовательности с лю-
бой циклически сдвинутой копией второй ///-последовательности. В результате
этой операции формируется новая периодическая последовательность с перио-
дом 2N - 1. Количество полученных таким образом и образующих одно семейст-
во последовательностей Голда составляет 2N + 1, поскольку количество возмож-
ных сдвинутых копий второй последовательности равно 2Л- 1, и обе предпоч-
тительные последовательности без сдвига также включаются в семейство.
На рис. 10.3 изображен пример генератора последовательностей Голда длиной
63. Стоит упомянуть, что последовательности Голда используются в системе
UMTS (см. раздел 17).
Последовательности Касами получаются аналогично последовательно-
стям Голда. Рассмотрим /«-последовательность х длиной 2Л - 1, где N - четное
число. Построим последовательность у при помощи прореживания каждого
(2Л/2 + 1)-го бита последовательности х. Можно доказать, что последователь-
ность у является периодической с периодом 2Л/2 - 1. Последовательности Каса-
ми формируются сложением по модулю 2 последовательности х и сдвинутых и
повторенных последовательностей у. Количество возможных сдвинутых ко-
Т.е. сгенерированных регистрами LFSR с различными полиномами одного порядка.
302
Системы подвижной радиосвязи
д~Ах) = 1 +х + х2 + х5 + х6
Рис. 10.3. Генератор последова-
тельностей Голда на основе
полиномов g,(x) = I + х + х”
И g2(x) = 1 + X -Г X' + X ’ + х“
пий последовательности у составляет 2Л/2 - 1, поэтому, если включить после-
довательность х в семейство последовательностей Касами, то суммарное ко-
личество последовательностей в семействе составит 2Л/". Можно также дока-
зать, что значения автокорреляционных функций и функций взаимной корре-
ляции, составляющих семейство последовательностей, принадлежат множеству
{- 1, - (2Л/2 + Г), 2Л/2 - 1} и что последовательности Касами имеют наименьшую
взаимную корреляцию среди всех пар двоичных последовательностей с перио-
дом п = 2Л/2 - 1 из набора М последовательностей (для последовательностей
Касами М= 2Ж).
10.3.3. Последовательности Уолша
Последовательности Уолша (Walsh) находились в центре внимания в 1970-х
годах и считались серьезной альтернативой синусоидальным сигналам, лежа-
щим в основе анализа Фурье. Причиной такого интереса была их точная взаим-
ная ортогональность. Это свойство, как известно, является ключевым в
CDMA-системах. В отличие от ^-последовательностей взаимная корреляция
двух различных последовательностей Уолша точно равна нулю. Поэтому после-
довательности Уолша используются в CDMA-системе IS-95 (см. следующий раз-
дел). Последовательности Уолша образуются при помощи рекурсивного преоб-
разования матриц Адамара:
Я,=
1
-1
Нк.
(10.5)
Каждая последовательность формируется строкой матрицыНк. На рис. 10.4
изображены последовательности Уолша длиной 64 при к = 5.
Последовательности Уолша также имеют некоторые недостатки; основной
из них - это ненулевая функция взаимной корреляции последовательности
Глава 10. Стандарт CDMA в системах подвижной связи
303
W61
W62
W63
W0
SJ
S3
st
W7
W8
W9
WW
W11
W43
W44
S8
si?
W50
SIJ
W56
Sil
W24
S8
sa
Рис. 10.4. Набор функций Уолша длиной 64
Уолша со своей циклически сдвинутой копией или с циклически сдвинутой ко-
пией другой последовательности Уолша той же самой длины. Этот недостаток
проявляется, если в CDMA-приемник приходят эхо-копии сигнала с различной,
вследствие многолучевого распространения, задержкой.
10.4. ОБОБЩЕННЫЕ СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ПЕРЕДАТЧИКА
И ПРИЕМНИКА СИГНАЛОВ В СИСТЕМЕ CDMA
В разделе 1 говорилось о том, что в методе доступа CDMA все пользовате-
ли делят между собой один и тот же диапазон. Спектр их сигналов намного ши-
ре, чем необходимо с точки зрения скорости передачи данных. Это обусловле-
но применением расширяющей последовательности, чиповая скорость кото-
рой существенно превышает скорость передачи информации. В идеальном
случае последовательности различных абонентов не взаимодействуют между
собой, поскольку являются взаимно ортогональными. Пользуясь этим свойст-
вом, можно выделить интересующий нас сигнал при помощи корреляции при-
нимаемого сигнала многих пользователей с уникальной расширяющей после-
304
Системы подвижной радиосвязи
довательностью конкретного абонента, отбросив при этом все остальные сиг-
налы. Взаимная ортогональность расширяющих последовательностей чрезвы-
чайно важна для корректной работы всей системы, в основе которой лежит
схема доступа CDMA.
На рис. 10.5 изображены обобщенные структуры CDMA-передатчика и при-
емника [1]. Двоичный сигнал, представляющий пользовательские данные, под-
вергается кодированию с коррекцией ошибок и перемежению. Полученная по-
следовательность умножается на пару псевдослучайных последовательностей с
чиповым периодом Тс. Умножение на ПСП приводит к рассеиванию и значитель-
ному расширению спектра информационного сигнала. Чиповая скорость таких
последовательностей намного выше скорости передачи элементов последовате-
льностей данных на выходе кодера. После преобразования рассеянных инфор-
мационных последовательностей в биполярный вид происходит спектральное
формирование биполярных импульсов в фильтрах с передаточной функцией
H(f ). Затем синфазная и квадратурная компоненты модулирующего сигнала
сдвигаются в требуемый диапазон при помощи двух модуляторов с косинусои-
дальной и синусоидальной несущими.
Принимаемый сигнал 5(<) сдвигается обратно в исходный диапазон при по-
мощи синфазного и квадратурного демодуляторов, позволяющих выделить син-
фазную и квадратурную компоненты. Затем обе компоненты проходят через при-
емные фильтры H(f \ которые одновременно осуществляют их согласованную
Рис. 10.5. Обобщенные структурные схемы передатчика
и приемника в системе DS/CDMA
Глава 10- Стандарт CDMA в системах подвижной связи
305
фильтрацию6. Фрагменты выходного сигнала фильтра берутся с периодом Т, и
умножаются на ту же самую пару синхронизованных псевдослучайных после-
довательностей, что и в передатчике. Принятые фрагменты обрабатываются в
блоке, обозначенном на рис. 10.5 как процессор. В результате этой обработки
формируется приближение dn информационной последовательности. После дс-
перемежения и декодирования последовательности dn получаем двоичную ин-
формационную последовательность, которая является приближением пользова-
тельской информационной последовательности.
Структура блока процессора зависит от типа канала, используемого для
CDMA-передачи данных. Если канал моделируется как имеющий постоянный
коэффициент усиления и аддитивный белый гауссовский шум, то процессор со-
держит цепь, интегрирующую сигнал по временному интервалу передачи поль-
зовательского символа, в течение которого расширяющие последовательности
различных пользователей взаимно ортогональны. Такой интегратор и устройст-
во умножения на пару ПСП образуют коррелятор (для сравнения см. рис. 1.39).
Если канал вносит многолучевость, то ситуация усложняется. Благодаря ис-
пользуемой в передатчике высокой чиповой скорости псевдослучайной последо-
вательности, используемой в передатчике, многолучевые компоненты сигнала
приходят в приемник со столь большими взаимными задержками по отношению
к чиповому периоду, что становится возможным выделение отдельных сигналов
при помощи корреляции с синхронизированным псевдослучайным сигналом,
генерируемым в приемнике. Таким образом мы получаем сигналы, приходящие
по различным путям распространения и несущие один и тот же информацион-
ный символ; однако их затухания, фазовые сдвиги и задержки будут разными.
Это явление может быть использовано в системах с расширением спектра, осо-
бенно, в CDMA-системах. Оно применяется в приемнике с многолучевым разне-
сением, примером реализации которого является RAKE-приемник.
10.5. RAKE-ПРИЕМНИК
Пусть модулирующий сигнал на выходе демодулятора описывается выра-
жением
r(t) = /?(т; t)s(t) + v(t), (10.6)
6 Предположим, что двоичный поток передается в виде длящихся 7' секунд импульсов
±Л(7) по каналу с аддитивным белым гауссовским шумом. Можно доказать, что оптималь-
ный приемник такого сигнала, обеспечивающий минимальную вероятность появления
ошибок, представляет собой цепь, которая выполняет корреляцию принимаемого сиг-
нала (передаваемого сигнала с шумом) с опорным сигналом Л(г) в течение Т секунд. Тако-
го же результата можно добиться при помощи фильтрации искаженного шумом сигна-
ла в фильтре с импульсной характеристикой h(T-t) и использования фрагмента выход-
ного сигнала фильтра в момент Т. Такой фильтр называется согласованным с h(l).
306
Системы подвижной радиосвязи
где все функции принимают комплексные значения. Функция й(т; t) характери-
зует изменяющийся во времени канал с многолучевым распространением (вклю-
чая все фильтры), s(t) представляет собой эквивалентный модулирующий пере-
даваемый сигнал, а v(/) - аддитивный шум. Заметим, что переменная времени т
определяет время, прошедшее с момента возбуждения канала, а переменная /
описывает медленное изменение импульсной характеристики канала во време-
ни. Для упрощения рассмотрим биполярную передачу в виде:
ДО = а,п(Г) при 0<t<T,
(Ю.7)
где Т- длительность передачи одного информационного символа; и( г) - модули-
рованный сигнал; одна из возможных форм u(j)~ биполярная расширяющая
последовательность.
Наши дальнейшие рассуждения основываются на материалах работы [8].
Пусть диапазон сигнала u(f) ограничен W/2 Гц. Тогда на основании теоремы о
дискретизации7 этот сигнал можно представить в виде
«(0 = У W
sinfrHy-K/EP)]
nW(t-n/W)
(10.8)
а его спектр выражается следующим образом:
щ.п=
о
ехр(-у2л>/(Г)
W j
при |/|<И72
(Ю.9)
в остальных случаях
Сигнал (без шума), принимаемый на выходе изменяющегося во времени
канала с передаточной функцией H{f \ t) и возбуждением w(t), описывается
выражением
r(t) = \ t)U(f)exp(j2itfi)df.
После подставки (10.9) в (10.10) имеем:
r(0 = ^ £ uXXt)exp(-j2nf(t - n/W))df =
(10.10)
(10.11)
где /г(т; t) - импульсный отклик изменяющегося во времени канала Я( /; t).
Теорема Шеннона - Котельникова (прим. ред.).
Глава 10. Стандарт CDMA в системах подвижной связи
307
Если поменять местами переменные в (10.11), получится
Определив
получим
. 1 V ( П П 1
w,t.[ W J (W J
1 f fi A
h,M = — h\—; t\,
W [W )
1 ( П A
r(t) = — >, h(t)u\ t-.
[ W)
(10.12)
(10.13)
(10.14)
Из (10.14) следует, что при условии (10.13) импульсный отклик канала
имеет вид
“ f и
h(v,t)=
77 ——оа I Г У
(10.15)
Пусть эффективная длительность импульсного отклика канала составляет
Т„, секунд. Тогда этот отклик достаточно хорошо аппроксимируется с помощью
L = [Е„,W] + 1 коэффициентов hn(t)(и = 0, 1), т.е.:
n=o I ГУ
(10.16)
Вернемся к анализу процесса на выходе канала при передаче сигнала (10.7).
Пусть импульс п(() длится намного дольше импульсного отклика канала. Это
означает, что импульсные отклики канала на последовательные сигналы u(t)
практически не перекрываются. Принятый сигнал описывается формулой
1+40 при 0<кТ.
»=о I W I
(10.17)
Если коэффициенты импульсного отклика канала известны, то оптимальным
приемником будет коррелятор, использующий в качестве опорного сигнал вида
?(0 = XM0iq t-~
л=о I ГУ
(10.18)
Коррелятор выполняет операцию
о "=° о \ ГУ J
(10.19)
308
Системы подвижной радиосвязи
Рис. 10.6. Схема оптимального
приемника для многолучевого
канала (длительность импульса
значительно превышает длитель-
ность импульсного отклика канала)
Как правило, изменением импульсной характеристики за время передачи од-
ного информационного символа Т можно пренебречь. Поэтому функционирова-
ние приемника приближенно описывается выражением
a, = 5X(r)J r(t)u
«=0 о
(10.20)
Анализ выражения (10.20) позволяет построить схему приемника, показанную
на рис. 10.6. Сопряженная версия импульса w(f) передается по линии задержки с
отводами. Расстояние между отводами составляет 1/W, и коэффициенты отвода
А* (и = 0, ..., L - 1). Сигналы с последовательных отводов взвешиваются с коэф-
фициентами отвода и коррелируются с полученным сигналом г(1). Выходные
сигналы корреляторов обрабатываются (как правило, они просто складываются
друг с другом), и на основании результатов этой обработки принимается решение.
В системах с расширением спектра импульс u( t) представляет собой после-
довательность псевдослучайных двоичных символов (чипов), поэтому дискре-
тизацию с частотой W можно в приближении заменить дискретизацией с часто-
той следования чипов 1/7), С точки зрения реализации такая операция эквива-
лентна подаче принимаемого сигнала на вход линии задержки с отводами и
выполнения корреляции сигнала отвода с сопряженной псевдошумовой после-
довательностью w'(f). При этом для сохранения эквивалентности необходимо
переставить весовые коэффициенты в обратном порядке. Такой вариант приемника
изображен на рис. 10.7. Он известен под названием КАКЕк-приемник. Корреля-
торы отдельных отводов называются «пальцами». Каждый «палец» принимает
сигнал, пришедший по одному из лучей распространения радиосигнала. Затем
8 RAKE - не аббревиатура. В переводе с английского - грабли. Своим названием алго-
ритм обязан эпюре сигнала на выходе согласованного фильтра. Отсюда и пальцы гре-
бенки (прим. ред.).
Глава 10. Стандарт CDMA в системах подвижной связи
309
Рис. 10.7. Упрошенная структура
RAKE-приемника
выполняется оптимальное суммирование всех сигналов с весовыми коэффици-
ентами /г* (/ = 0, 1). В этом смысле такой приемник осуществляет прием с
разнесением лучей и оптимальным суммированием.
При практической реализации на чиповых скоростях порядка нескольких
мсгачипов в секунду, количество пальцев RAKE-приемника обычно не превы-
шает 3—4. Выбираются тс ветви, в которых мощность сигнала максимальна. Что-
бы их найти, специальной коррелятор ищет лучи наибольшей мощности, после-
довательно измеряя мощность сигнала на выходе каждой ветви. Представленная
структура RAKE-приемника является оптимальной и эквивалентной фильтру,
согласованному с расширяющей последовательностью в свертке с импульсным
откликом канала. Другие субоптимальные структуры приемника RAKE различа-
ются методами обработки выходных сигналов корреляторов и применяются, ког-
да определение весовых коэффициентов затруднено.
10.6. СОВМЕСТНОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ CDMA
Ранее мы анализировали прием широкополосного сигнала одним пользовате-
лем. Вследствие многолучевости канала, сигнал, попадающий в приемник, пред-
ставляет собой сумму эхо-копий с взаимными задержками, кратными чиповому
периоду Тс. Поэтому нулевое (вне ее пика) значение автокорреляционной функции
широкополосных сигналов является необходимым условием для корректной ра-
боты приемника. В этом случае RAKE-приемник является оптимальным.
Ситуация усложняется, если мы рассматриваем систему CDMA, в которой
множество пользователей одновременно передает сигналы в одном и том же диа-
пазоне. Здесь свойства взаимной корреляции расширяющих последовательно-
стей различных пользователей играют важнейшую роль, определяя качество
приема CDMA-сигналов. В реальных системах взаимная корреляция нс равна
точно нулю, поэтому пользователи создают интерференционные помехи друг
310
Системы полвижнои ралиосвязи
другу. Эта интерференция - основной ограничивающий фактор в CDMA-систе-
мах. Хотя RAKE-приемник в этой ситуации не является оптимальным, тем не
менее, в большинстве случаев используется именно он. При приеме сигнала од-
ного конкретного пользователя RAKE-приемник не учитывает сигналы других
пользователей, которые после соответствующей обработки могут быть отброше-
ны или использованы в процессе детектирования.
Проанализируем с использованием результатов работ [9] и [ 10] простую мо-
дель синхронной передачи CDMA от К подвижных станций к базовой станции
(рис. 10.8). Она позволяет рассматривать структуры приемников, которые при-
нимают во внимание сигналы от всех пользователей CDMA. Такие приемники
называются совместными детекторами CDMA9.
Рис. 10.8. Модель синхронной CDMA-передачи от подвижных станиии к базовой
Информационные символы d„ (k = 1,..., К), где п - временной индекс симво-
ла, а к - номер пользователя, рассеиваются последовательностью ик (J) и переда-
ются по каналу с импульсным откликом hk(i). На приемник базовой станции
приходит сумма сигналов всех пользователей и аддитивного шума v(z). Сигнал
каждого пользователя выделяется корреляционным устройством при помощи
опорного сигнала (ик (z) hk (z)) . Заметим, что это корреляционное устройство эк-
вивалентно RAKE-приемнику. Решения могут приниматься на основании вы-
ходных сигналов корреляционного устройства у*; однако из-за частной корреля-
ции пользовательских сигналов, вызванной многолучевым распространением и
несовершенной взаимной корреляции расширяющих последовательностей,
Другое название - многопользовательский детектор (прим. ред.).
Глава 10. Станларт CDMA в системах полвижнои связи
311
фрагменты у* содержат информацию не только требуемого /ого пользователя, ио
также и остальных пользователей.
Рассмотрим обобщенные структуры, которые могут быть использованы при
совместном детектировании сигналов всех пользователей. Эквивалентная мо-
дель системы будет рассмотрена в предположениях, введенных для RAKE-при -
емника в предыдущем параграфе. В этой модели расширяющие последователь-
ности представляют собой свертки используемых в передатчике кодовых после-
довательностей и /ого импульсного отклика канала
£*(') = ыА(ОМ')- (10.21)
В к-м корреляционном устройстве используется опорная последователь-
ность g*k (i). Тогда можно считать, что каналы имеют только коэффициенты
усиления Ак (к = 1,..., К). Если представить информационные символы и выход-
ные сигналы корреляционных устройств в векторном виде d, = [б/л',..., d^ ]'' и
у „ = [у,1, > • •, У„ ]Т,то можно описать работу системы формулой
у„ =RJ,Ad„ + z„, (10.22)
где Rg - матрица взаимной корреляции расширяющих последовательностей
gk (к - 1, • • К)', А - диагональная матрица коэффициентов каналов; z„ - век-
тор шума, наблюдаемый на выходах корреляторов.
На основании вектора ул детектор базовой станции производит оценку d„
вектора входных данных dn. Самый простой способ нахождения оценки
dn = dec(dn) - левостороннее умножение обеих сторон выражения (10.22) на
матрицу R”1. В результате получаем
d„ =R;'y„ =Ad„ +r;'z„. (Ю.23)
Детектор, выполняющий операцию (10.23), называют декоррелирующим де-
тектором [11]. В идеальном случае он обнуляет межканальные помехи. Его так-
же часто называют ZF-детектором (англ. Zero-Forcing - форсирование нуля).
Выполняемые таким детектором операции приводят к усилению шума, выража-
ющегося вторым слагаемым в (10.23). Декоррелирующий детектор (рис. 10.9)
представляет собой линейную цепь, реализация которой требует знания точного
вида матрицы взаимной корреляции Rj;.
Другой тип линейного детектора - детектор с минимальной среднеквадра-
тичной ошибкой (англ. Minimum Mean-Squared Error - MMSE). В нем выходной
вектор коррелятора уи умножается не на обратную матрицу взаимной корреля-
ции Rg', а на матрицу QMSE, которая обеспечивает минимизацию среднеквадра-
тичной ошибки
=£[(d„ -QMSEy„)n(d„ -QMSEy„)]. (10.24)
где (,)w обозначает транспонирование и комплексное сопряжение вектора.
Можно доказать, что минимизация Ен приводит к появлению следующего
вида матрицы QMSE, обозначаемого QMMSE:
312
Системы подвижной радиосвязи
Рис. 10.9. Обобщенная структура
декоррелируюшего детектора
QmmSe=[Rk+(^0/2)A-2]', (10.25)
где Ао/2 - спектр плотности мощности аддитивного белого шума на входе
приемника.
Поскольку MMSE-детектор учитывает этот шум в работе, он обеспечивает,
как правило, меньшую вероятность появления ошибок, чем декоррелирующий
детектор; однако оказывается чувствительным к точности оценки коэффициен-
тов усиления каналов.
Оптимальный детектор совместного детектирования, работающий по прин-
ципу максимального правдоподобия (англ. Maximum Likelihood - ML) в предполо-
жении о взаимной статистической независимости фрагментов шума каналов,
определяет такой вектор d для которого минимизируется слудующее выражение:
||y-RA||> <10-26)
где ||а|| обозначает квадратичную норму вектора а.
Минимизация (10.26) требует поиска вектора данных d и среди М к всех воз-
можных векторов (М - размер алфавита символов).
Хотя с помощью алгоритма Витерби выполнение такого поиска возможно,
во многих случаях подобный приемник окажется слишком сложным и требова-
тельным к вычислительным ресурсам, чтобы его можно было реализовать. Поэ-
тому приходится использовать субоптимальные решения. Среди них важней-
шую роль играют детекторы с подавлением помех от других пользователей. Их
можно разделить на несколько типов:
• детектор с последовательным подавлением помех (англ. Successive Inter-
ference Cancellation - SIC) (рис. 10.10);
• детектор с параллельным подавлением помех (англ. Parallel Interference
Cancellation - PIC)',
Глава 10. Стандарт CDMA в системах полвижнои связи
313
• детектор с форсированием нуля и решающей обратной связью (англ Ze-
ro-Forcing Decision-Feedback - ZF-DF) (рис. 10 J I).
Рис. 10.10. Структура многокаскадного декодера
с последовательным подавлением
Рис. 10.11. Детектор с форсированием нуля и решающей обратной связью
В SIC-детекторе с помощью обычного детектора находится сильнейший
пользовательский сигнал, после чего принимается решение о переданном сим-
воле данных. Затем, на основании этого информационного символа, кодовой
последовательности и характеристик канала, приближенное значение сигнала
восстанавливается и вычитается из суммарного принимаемого сигнала. Таким
образом, последовательно детектируются и отбрасываются все пользователь-
ские сигналы, начиная с самого сильного и заканчивая самым слабым.
Детектор PIC оценивает и вычитает взаимные помехи от всех пользователей
параллельно. Как правило, такой детектор имеет многоступенчатую10 структуру
(см. рис. 10.10). Первая ступень позволяет получить приближенные решения при
помощи обычных или дскоррслирующих детекторов. Следующая ступень на
Иначе - многокаскадную (прим. ред.).
314
Системы полвижной ралиосвязи
основании этих решений дает возможность восстановить и подавить взаимные11
помехи от всех пользователей. Подобная операция может неоднократно повторя-
ться на последующих ступенях, что позволяет существенно увеличить качество
детсктир ова! шя.
Детектор с с форсированием нуля и решающей обратной связью совмещает
две операции. Первая операция производится на основе набора отбеливающих
филътрое (англ. Whitened Matched Filter- WMF), в которых используется разло-
жение Холсцкого для матрицы корреляции R = Fr F, где F - нижняя треугольная
матрица. При второй - выполняется последовательное подавление помех с исполь-
зованием решающей обратной связи так, что решения по более сильным сигналам
пользователей применяются для выделения более слабых сигналов.
Все описанные выше детекторы требуют больших вычислительных ресур-
сов. В каждом детекторе производятся оценка матрицы корреляции, вычисление
матрицы, обратной ей, либо факторизация матрицы. Несмотря на это,
приемники с совместным детектированием будут применяться в некоторых
CDMA-системах подвижной связи третьего поколения.
10.7. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СИСТЕМЫ
ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ CDMA
Предыдущие параграфы были посвящены обзору расширяющих последо-
вательностей, используемых в CDMA-системах, и соответствующих структур-
ных схем приемников. Теперь остановимся на основных особенностях типич-
ной сотовой системы CDMA, которые делают ее привлекательной с точки зре-
ния реализации.
Первый признак, который отличает систему CDMA от FDMA или TDMA -
это величина коэффициента повторного использования частоты. В FDMA и
TDMA она равна 1/7 или 4/12, а в CDMA составят 1. Это означает, что в каждой
соте может использоваться весь выделенный системе спектр. Такое высокое зна-
чение коэффициента повторного использования обусловлено применением в со-
седних сотах различных, практически ортогональных, расширяющих последо-
вательностей, что определяет высокую емкость системы. Получить полную ор-
тогональность кодовых последовательностей нс позволяет как способ их генера-
ции, так и многолучевость канала. В связи с этим возрастает уровень взаимных
межпользовательских помех. Поскольку количество абонентов, как правило, ве-
лико, интерференция проявляется в виде аддитивного шума, с которым можно
мириться вплоть до определенного уровня, при котором все еще обеспечивается
приемлемое качество детектирования данных. Очевидно, что уровень помех, ис-
Иначе - интерференционные (прим. ред.).
Глава 10. Стандарт CDMA в системах подвижной связи
315
ходящих от конкретного пользователя, строго зависит от уровня мощности его
сигнала, поэтому она должна быть настолько мала, насколько это возможно при
обеспечении качественного приема.
Следующее свойство CDMA-систем следует из рассуждений об уровне сиг-
нала. В CDMA-системах необходим точный контроль мощности сигналов поль-
зователей. Если не осуществлять регулировку мощности, излучаемой подвиж-
ной станцией, то передаваемый от границы соты сигнал в приемнике базовой
станции будет иметь намного меньший уровень, чем сигнал, исходящий от близко
расположенной подвижной станции. Это хорошо известная проблема «ближ-
ний-далъний» (англ, near-far problem). Уровни сигналов от различных подвиж-
ных станций, поступающих на базовую станцию, должны быть одинаковы (до-
пускается отклонение не более, чем на 2 дБ) независимо от расстояния между
подвижной и базовой станциями. Иначе уровень ненулевой взаимной корреля-
ции расширяющих последовательностей нужного пользователя и пользователя,
создающего помеху, может быть сравнимым с пиковым значением функции кор-
реляции сигнала нужного пользователя. Это может, в свою очередь, существен-
но помешать детектированию сигнала.
Грубая регулировка мощности заключается в том, что подвижная станция
излучает сигнал, мощность которого обратно пропорциональна мощности
сигнала, принимаемого с базовой станции. Точная регулировка мощности
осуществляется по замкнутому контуру. Базовая станция измеряет мощность
сигнала, принимаемого с определенной подвижной станции, и отправляет ей
команду увеличить или уменьшить излучаемую мощность. Динамический
диапазон регулирования излучаемой мощности составляет 80-100 дБ с точ-
ностью до 2,5 дБ. Эти значения необходимо поддерживать для получения тре-
буемой емкости CDMA-системы. Точная регулировка мощности позволяет
держать уровень передаваемых сигналов на 20-30 дБ ниже среднего уровня
сигнала MS в аналоговой системе. Это очень полезное свойство системы
CDMA, поскольку оно позволяет обеспечить низкий уровень взаимных помех
пользователей, продлить срок службы батареи и снизить уровень излучения
подвижной станции.
Благодаря применению в подвижной станции RAKE-приемника и использо-
ванию одинаковых частотных диапазонов в соседних сотах, подвижная станция
может принимать сигналы одновременно с двух базовых станций. Это может
происходить на границе двух сот. Перед тем как переключиться с текущей базо-
вой станции на новую, подвижная станция может быть временно соединена с
обеими. Такой динамический процесс называют мягким хэндовером (англ, soft
handover) (рис. 10.12). При мягком хэндовере передача соединения протекает бо-
лее гладко, а качество приема сигнала на границе соты становится выше, чем при
обычном хэндовере, поскольку подвижная станция использует одновременно
две базовые станции. Это явление можно рассматривать как прием с многолу-
чевым разнесением. Оно влияет на суммарную емкость системы.
Основная причина ограничения емкости системы CDMA - это взаимные по-
мехи пользователей. Уровень помех можно снизить применением контроля речс-
316
Системы полвижнои ралиосвязи
Рис. 10.12. Иллюстрация мягкого хэндовера в сотовой системе CDMA
вой активности, подобно тому, как это делается в системе GSM. Как нам извест-
но, активная речь типичного телефонного абонента составляет около 35% всего
времени разговора. При помощи измерения уровня речевой активности можно
представить речевой сигнал в виде цифрового потока данных с переменной ско-
ростью, соответствующей речевой активности пользователя. Это позволяет ре-
гулировать мощность передаваемого сигнала в зависимости от текущей скоро-
сти потока данных и устанавливать ее на том уровне, который требуется для
обеспечения допустимого значения частоты появления ошибок.
Следующее средство повышения качества работы системы и увеличения ее
емкости - применение строгого кодирования с коррекцией ошибок одновремен-
но с перемежением. Известно, что кодирование с коррекцией ошибок имеет
смысл, если дает выигрыш от кодирования. Под выигрышем от кодирования по-
дразумевается возможность уменьшения требуемого отношения сигнал/шум
при приемлемой частоте появления ошибок. Эффективное кодирование в
CDMA-системе позволяет снизить, и уровень мощности передаваемого сигнала
и уровень помех, что приводит к увеличению емкости системы.
А. Витерби [1] предложил приближенную формулу для определения коли-
чества пользователей восходящей радиолинии в соте:
Nu [Эрл/сота], (10.27)
где W/R - коэффициент расширения спектра (W- ширина полосы частот сис-
темы, R - скорость передачи данных); Eb/N0 - требуемое отношение сиг-
нал/помеха (Еь - энергия на один бит информации, 7V0 - спектральная плот-
ность мощности шума, состоящего из термального шума и помех от абонентов,
Глава 10. Станларт CDMA в системах полвижнои связи
317
находящихся как в соте, так и вне се); f - соотношение мощностей помех от
пользователей, находящихся вне соты, к помехам от пользователей, находя-
щихся внутри соты; Gv - коэффициент, определяемый переменной активно-
стью речи; Cf, - коэффициент, определяемый секторизацией антенны;
[(1 -T])F] - потери, обусловленные неточной регулировкой мощности и пере-
менной интенсивностью трафика.
Описанные выше методы, призванные увеличить емкость системы (много-
кратное использование частоты, применение RAKE-приемника и кодирование
с коррекцией ошибок), позволяют уменьшить знаменатель в выражении (10.27).
В настоящее время достижимы следующие значения параметров в выраже-
нии (10.27): Gv = 2,5, GA = 3,Eb/No = 5 (7 дБ), /= 0,55, [(1 - р)А] = 0,75. Следова-
тельно, количество абонентов, которых можно обслужить в одной соте, состав-
ляет приблизительно N н ~0,T3W/R, что примерно в пять раз выше, чем в тради-
ционной FDMA-системе [1].
10.8. ВЫВОДЫ
В настоящем разделе проанализированы основные свойства систем подвижной
связи, в основе которых лежит схема доступа CDMA. Рассмотрены необходимые
свойства расширяющих кодовых последовательностей, схема оптимального од-
нопользовательского приемника сигнала с расширением спектра. Представлены
основные типы многопользовательских детекторов. Проведен анализ характер-
ных особенностей CDMA-системы и рассмотрены на основные факторы, влия-
ющие на ее емкость. Приведена формула для оценки количества пользователей
системы CDMA [1].
ЛИТЕРАТУРА
1. A.Viterbi, «The Orthogonal-Random Waveform Dichotomy for Digital Mobile
Personal Communications», IEEE Personal Communications, First Quarter 1994,
pp. 18-24.
2. J.S.Lee, L.E.Miller, CDMA Systems Engineering Handbook, Artech House Pub-
lishers, Boston, 1998.
3. J.D.Gibson (ed.), The Mobile Communications Handbook, CRC Press in coopera-
tion with IEEE Press, 1996.
4. D.Gerakoulis, E.Geraniotis, CDMA Access and Switching for Terrestrial and Satel-
lite Networks, John Wiley & Sons, Ltd., Chichester, 2001.
5. A.Finger, Pseudorandom-Signalverarbeitung, B.G.Teubner, Stuttgart, 1997.
6. S.W.Golomb, Shift Register Sequences, Holden-Day, San Francisco, 1967.
318 Системы подвижной радиосвязи
7. R.Gold, «Maximal Recursive Sequences with 3-valued Recursive Cross-Correlati-
on Functions», IEEE Trans. Inform. Theory, IT-14, 1966, pp. 154—156.
8. J.G.Proakis, Digital Communications, McGraw-Hill, Englewood Cliffs, 1995.
9. A.Duell-Hallen, J.Holtzman, Z.Zvonar, «Multiuser Detection for CDMA Systems»,
IEEE Personal Communications, April 1995, pp. 46-58.
10. S.Moshavi, «Multi-User Detection for DS-CDMA Communications», IEEE
Communications Magazine, October 1996, pp. 124-136.
11. R.Lupas, S.Verdu, «Linear Multi-User Detectors for Synchronous Code-Division
Multiple-Access Channels», IEEE Trans. Inform. Theory/, 35, 1989, pp. 123-136.
Глава 11
ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ IS-95
11.1. ВВЕДЕНИЕ
В данном разделе рассмотривается конкретная реализация CDMA-системы,
известная как IS-95 и cdmaOne. Ее радиоинтерфейс описан в стандартах IS-95
[1]-[3]. В начале 1990-х годов она стала образцовой системой для применения
инновационных решений. CdmaOne использовалась для проверки многих новых
идей и часто служила образцом при проведении сравнительных анализов.
11.2. ЧАСТОТНЫЕ ДИАПАЗОНЫ
Система IS-95 работает в двух диапазонах, в которых используется дуплекс-
ная передача с частотным разделением (FDD). Первый диапазон - Band Class 0 -
ранее был занят системой AMPS, а теперь перешел к IS-95. Как правило, стан-
дарт IS-95 позволяет подвижной станции работать в обоих режимах - AMPS и
IS-95 (CDMA). Нисходящая линия связи реализована в диапазоне 824...849 МГц,
а восходящая - в диапазоне 869...894 МГц. Диапазоны различаются на 45 МГц.
Система IS-95 может быть также развернута в диапазоне 1800 МГц [2] системы
Таблица 11.1. Частотный диапазон Band Class О
Система Частотный диапазон передачи сигналов, МГц
Подвижная станция Базовая станция
А 824,025...835,005 844,995...846,495 869,025...880,005 889,995...891,495
В 835,005...844,995 846,495...848,985 880,005...889,995 891,495...893,985
320
Системы полвижнои радиосвязи
Т а б л и и а 11.2. Частотный диапазон Band Class 1
Система Частотный диапазон передачи сигналов, МГц
Подвижная станция Базовая станция
А 1850...1865 1930... 1945
D 1865...1870 1945... 1950
В 1870...1885 1950... 1965
Е 1885...1890 1965... 1970
F 1890... 1895 1970...1975
С 1895...1910 1975... 1990
PCS (англ. Personal Communication System), который обозначается Band Class I.
В этом случае нисходящая линия связи реализуется в диапазоне 1930... 1990 МГц,
а восходящая - в диапазоне 1850...1910 МГц. В табл. 11.1 и 11.2 представлены
выделенные системе полосы частот двумя блоками в первом и шестью - во вто-
ром частотном диапазоне.
11.3. ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ
ПО НИСХОДЯЩЕЙ АИНИИ СВЯЗИ
В системе IS-95 стандартные нисходящие и восходящие каналы называются
соответственно прямыми и обратными. Правила передачи данных по нисходя-
щим и восходящим линиям связи различаются, поэтому они будут описаны
раздельно. Начнем с нисходящей линии связи.
При передаче с базовой на подвижные станции, все передатчики расположе-
ны в одном и том же месте, поэтому их работа полностью синхронизирована. Пе-
редача данных по нисходящей линии связи осуществляется с использованием
следующих физических каналов:
• пилот-канал;
• канал синхронизации;
• пейджинговые каналы {paging channels)',
• каналы трафика {traffic channels).
Во всех каналах используется передача данных с прямым расширением спек-
тра (англ. Direct Sequence Spread Spectrum - DS-SS) co скоростью 1,2288 Мчип/с.
В синфазной и квадратурной ветвях используются две различные псевдошумо-
вые последовательности (ПШП, ант. pseudonoise - PN) длиной 215 чипов, кото-
рые часто обозначают соответственно как PNI и PNQ. Все передатчики базовых
станций генерируют одну и ту же пару псевдошумовых последовательностей,
Глава 11. Описание системы IS-95
321
однако последовательности в различных сотах имеют временной сдвиг относи-
тельно системных часов, соответствующий данной конкретной соте.
В случае применения секторных антенн вышесказанное относится к секто-
рам, а не сотам. PNI- и PNQ-последовательности генерируются регистрами
LFSR1 и описываются полиномами
g, (х) = х15 + х13 + X9 + X8 + X7 + X5 + 1
gg(x) = X15 +х12 +х" + х10 + X6 + X5 + X4 + X3 +1
(11.1)
Напомним, что регистр LFSR может генерировать PN-последовательность
длиной 2n - 1 (в нашем случае N- 15). Для того чтобы сделать период этой по-
следовательности равным 215, к последовательности из 14 нулей, которая встре-
чается в каждом периоде псевдошумовой последовательности, добавляется еще
один нуль. Пара последовательностей, которые генерируют регистры LFSR, за-
даваемые приведенными выше полиномами, называется коротким кодом.
На рис. 11.1 изображена схема передатчика базовой станции. В каждой соте
(секторе) может быть использовано максимум 64 канала. Такое количество обу-
словлено 64 функциями Уолша, применяемыми для обеспечения взаимной ортого-
нальности сигналов, передаваемых по радиоканалам. До сих пор рассматривались
два типа последовательностей. Выбор конкретной функции Уолша эквивалентен
выбору определенного канала в соте, тогда как временной сдвиг используемых
PNI- и PNQ-последовательностей определяет соту. Поэтому последовательно-
сти Уолша часто называют кодами каналообразования (channelizing codes'), а
PNL и PNQ-последовательности -расширяющими кодовыми последовательно-
стями (spreading sequences).
Пилот-каналу соответствует функция Уолша И), (эквивалентная логическо-
му нулю), а каналу синхронизации - функция FF32. Остальные 62 канала могут
использоваться для организации пейджинговых каналов и каналов трафика.
Стандартом IS-95 предусматривается организация до семи пейджинговых кана-
лов с применением функций Уолша с по W7. Неиспользованные пейджинго-
вые каналы могут быть использованы в качестве каналов трафика.
Информация, подаваемая на вход каналов синхронизации, трафика, а также
пейджинговых каналов, подвергается сверточному кодированию, повторению и
блоковому перемежению. В системе IS-95A стандартизованы два набора скоро-
стей передачи данных. Первый набор (Rate Set 1) включает в себя скорости 1200,
2400,4800 и 9600 бит/с. Во второй набор (Rate Set 2) входят скорости 1800,3600,
7200 и 14400 бит/с. Каждая подвижная станция обязана поддерживать первый
набор скоростей и может поддерживать второй набор. В первом наборе скорость
потока данных на входе и выходе блокового перемежителя составляет 19,2 кбит/с
независимо от скорости входного потока (1200, 2400, 4800 или 9600 бит/с). Это
1 Напомним, что LFSR - регистр сдвига с отрицательной обратной связью (прим. ред.).
322
Системы подвижной радиосвязи
Пилот-канал
(все "0“)
Функция
Уолша 0
I ПСП
| 1,2288 Мчип/с
-Я±Ь--------А
Функция
Уолша 32
Пейджинговый
канал 9,6 кбит/с*
4,8 кбит/с
Сверточный
кодер
г= 1/2,
Кодовые
символы
19,2 кбит/с
9,6 кбит/с
____________Символы
Устройство |мод^яции
повторения
символов
19,2 кбит/с
Блочный
переме-
житель
Символы
модуляции
19,2 кбит/с
Функция
Уолша р
псп
1,2288 Мчип/с
)---------► А
кбит/с
Маска длинного кода
для пейджингового
канала р
Генератор
длинной
ПСП
Деци матор
-----------------............> (перфори-
1,2288 Мчип/с рование)
Пилотная ПСП
Л канала,
1,2288 Мчип/с
Пилотная ПСП sin(2лfct)
Q-канала,
1,2288 Мчип/с
Рис. 11.1. Схема передатчика базовой станции в CDMA-системе IS-95
Глава 11. Описание системы IS-95
323
Рис. 11.2. Схема сверточного кодера, используемого
в нисходяшей линии связи системы IS-95
обусловлено применением сверточного кодирования с коэффициентом R - 1/2 и
длиной кодового ограничения L = 9 (рис. 11.2), а также применением побитово-
го повторения к потокам данных со скоростями ниже 9600 бит/с. Исключение
представляет канал синхронизации, поскольку скорость потока данных в нем по-
сле повторения символов и перемежения составляет 4800 бит/с. Данные из кана-
лов пейджинга и трафика прибавляются по модулю 2 к выходной псевдослучай-
ной последовательности генератора, создающего последовательность длиной
242 - 1 (называемую длинным кодом - long code) со скоростью 19200 бит/с, ис-
пользуя маску отдельного пользователя или пейджингового канала. Цель этой
операции состоит в индивидуализации конкретного пользователя и обеспечении
конфиденциальности передачи. Каждый бит полученного 19,2-кбит/с потока
данных представляется целым периодом последовательности Уолша длиной
64 символа в прямом или логически инвертированном виде в зависимости от
значения бита данных. Последовательность Уолша применяется как расширяю-
щая. В результате получаются сигналы с расширенным спектром и скоростью
потока данных 19200 х 64 = 1,2288 Мбит/с. Затем в каждом канале эти сигналы
прибавляются по модулю 2 к двум псевдошумовым последовательностям PN1 и
PNQ. Полученный дибит2 задает фазы QPSK-модулятора или, что то же самое,
задает амплитуды синфазной и квадратурной компонент QPSK-созвездия (рис.
11.3). После формирования в широкополосных модулирующих фильтрах син-
фазные и квадратурные импульсы сдвигаются в нужный частотный диапазон
квадратурными модуляторами. Сигналы из каждого канала суммируются и в ре-
зультате образуют составной сигнал, передаваемый базовой станцией.
В случае канала трафика, некоторые из битов подвергнутого кодированию и
перемежению потока данных, характеризующих речевой сигнал, заменяются
мультиплексором на биты регулировки мощности, которые отсылаются подвиж-
ной станции по этому каналу. Такой поток данных представляет собой реализа-
цию подканала регулировки мощности. Средняя скорость потока некодирован-
2 Двухбитовая комбинация. Любое из четырех сочетаний двух последовательных битов:
00,01, 10 и 11 (прим. ред.).
324
Системы подвижной радиосвязи
Рис. 11.3. Созвездие QPSK-
сигнала в нисходяшей линии
связи системы IS-95
ных символов регулировки мощности составляет 800 бит/с. Символ «0» обозна-
чает команду подвижной станции увеличить среднюю излучаемую мощность на
1 дБ, а «1» - уменьшить ее на 1 дБ. Положение битов регулировки мощности в
кадре данных определяется удаленными битами генератора длинного кода. Бла-
годаря этому биты регулировки мощности появляются в потоке данных на псев-
дослучайных позициях.
Если в канале трафика используется скорость из второго набора, то
блок-схема передатчика отличается от изображенной на рис. 11.1. Часть схемы,
относящаяся к каналам трафика, должна быть взята из схемы, изображенной на
рис. 11.4. В случае второго набора скоростей, данные пользователя в 20-мс кадре
составляют 267,125, 55 или 21 бит; при этом скорости входных потоков данных
составляют 13350, 6250, 2750 или 1050 бит/с соответственно. К каждому 20-мс
кадру добавляется один резервный бит или флаговый бит, биты качества кадра и
8-битовый блок контроля четности. В результате скорости потоков данных воз-
растают соответственно до 14400, 7200, 3600 или 1800 бит/с.
Применение сверточного кодирования с длиной кодового ограничения L = 9
и коэффициентом кодирования R = 1/2 приводит к удвоению скоростей потоков
Рис. 11.4. Фрагмент структуры канала трафика, применяемой
при втором наборе скоростей
Глава 11. Описание системы IS-95
325
данных. В потоках со скоростями ниже 28,8 кбит/с для повышения последних до
этого значения применяется повторение битов. Чтобы скорость такого потока
данных совпадала с постоянной скоростью 19,2 кбит/с в других типах каналов, а
также в каналах, использующих первый набор скоростей, выполняется выка-
лывание (англ, puncturing) двух из каждых шести битов входного потока.
Остальные структурные блоки передатчика для канала трафика при обоих набо-
рах скоростей идентичны.
Данные, передаваемые по каналу трафика, обычно являются либо результа-
том QCELP-кодирования речи (англ. Qualcomm Code Excited Linear Prediction)*,
либо потоком данных с терминала. QCELP-кодер генерирует поток данных с
одной из четырех возможных скоростей, которые выбираются в зависимости
от речевой активности пользователя. Кодер работает с 20-мс кадрами. При пе-
редаче данных с самой высокой скоростью каждый кадр состоит из 160 битов
данных и 11-битового блока четности. Такой поток данных имеет скорость
8550 бит/с. В случае трех меньших скоростей кадр состоит из 80,40 и 16 битов
соответственно, а скорости имеют значение 4000, 2000 и 800 бит/с. Скорости
передачи данных по каналу при этом составляют 9600,4800,2400 и 1200 бит/с,
и для того чтобы конечная скорость потока данных составила 9600 бит/с, каж-
дый бит повторяется несколько раз. Повторенные биты передаются с меньшей
мощностью. Это позволяет уменьшить межканальные помехи и существенно
увеличить емкость системы.
Необходимо отметить, что для системы IS-95, помимо вышеупомянутого,
были предусмотрены еще два типа речевых кодеров. Это усовершенствованный
кодек с переменной скоростью передачи (англ. Enhanced Variable Rate Codec -
EVRC) и кодек с линейным предсказанием с алгебраическим кодовым возбужде-
нием (англ. Algebraic Code Excited Linear Prediction - ACELP). Первый кодек ге-
нерирует поток данных со скоростью 8000 бит/с, второй - 13 кбит/с.
Сигнал, передаваемый базовой станцией, принимается подвижной станцией
и декодируется четыре раза в соответствии с четырьмя возможными скоростями
передачи данных на выходе речевого кодера. Результатом декодирования являет-
ся та двоичная последовательность, при декодировании которой обнаружено
наименьшее количество ошибок.
В системе IS-95 применяется перемежение с глубиной 20 мс. Декодирование
сверточного кода, выполняемое в подвижной станции, осуществляется при по-
мощи алгоритма Витерби с мягким решением. При этом выигрыш от кодирования
составляет 4,5 дБ при вероятности появления ошибок 10 3.
При передаче данных в нисходящем направлении (прямая передача) прием-
ник подвижной станции осуществляет синхронный прием благодаря пилот-ка-
налу, который генерируется базовой станцией. Мощность пилот-канала на 4-6 дБ
превышает мощность канала трафика. Пилот-канал позволяет оценить многолу-
См. параграф раздела 1, посвященный кодированию речи.
326
Системы полвижнои радиосвязи
чевость распространения сигнала. Для выбора сильнейших сигналов использу-
ется RAKE-приемник с тремя отводами. Остальные блоки приемника подвиж-
ной станции выполняют задачу, обратную соответствующим блокам базовой
станции, и рассматриваться не будут.
Функционирование всех базовых станций синхронизовано с системными
часами при помощи глобальной системы позиционирования GPS (англ. Global
Positioning System), что допускает использование одних и тех же расширяющих
последовательностей с соответствующим временным(циклическим) сдвигом.
Циклические сдвиги устанавливаются с шагом в 64 чипа4, при помощи которых
можно создать 511 возможных сдвигов исходной последовательности. Это по-
зволяет каждую соту идентифицировать уникальным образом.
Рассмотрим функции каналов различных типов в нисходящей линии связи.
Пилот-канал выполняет фазовый и опорный сдвиг для обеспечения синхро-
нной демодуляции, выполняемой подвижными станциями. Как упоминалось ра-
нее, в пилот-канале передается немодулированный широкополосный сигнал,
который позволяет подвижной станции провести синхронизацию и идентифика-
цию соты или сектора. Результаты измерений мощности контрольного сигнала,
производимые подвижной станцией используются в петле регулирования мощ-
ности. Результаты измерений мощности пилот-сигналов, передаваемых в сосед-
них сотах, используются в процедуре хэндовера.
Задачей канала синхронизации является передача данных, позволяющих вы-
полнить быструю и надежную синхронизацию на системном уровне. Скорость
передаваемого потока данных составляет 1200 бит/с. Он включает в себя сооб-
щение канала синхронизации {Sync Channel Message) и биты заполнения. Сооб-
щение содержит идентификатор системы и сети, сдвиг короткого кода в данной
соте или секторе, состояние длинного кода в указанный момент времени, пара-
метры, позволяющие определить текущее системное время и локальное время
по отношению к эталонным часам, а также скорость передачи данных в каналах
пейджинга. Передача данных в канале синхронизации организована в виде кад-
ров и суперкадров. Каждый кадр состоит из бита начала сообщения (англ. Start
Of Message - SOM) и 31 бита данных. Три кадра составляют суперкадр длиной
96 битов; его передача длится 80 мс. Сообщение канала синхронизации может
быть длиннее одного кадра, поэтому в дополнение к битам данных суперкадра
используются биты заполнения. Сообщение Sync Channel Message имеет 8-би-
товый заголовок, определяющий длину сообщения, минимум 2 и максимум
1146 битов данных и 30 битов контроля четности (CRC).
По завершении синхронизации с помощью пилот-канала и канала синхро-
низации, подвижная станция начинает прослушивание канала пейджинга. На-
помним, что каналу пейджинга может быть выделено до семи последовательно-
Шаг равен (М чип) xPILOT INC, где PILOT ING принимает значение от 1 до4(прим. ред.).
Глава 11. Описание системы IS-95
327
стей Уолша (W\ - Iff). Данные по этому каналу передаются со скоростью 4800
либо 9600 бит/с. Сообщения, передаваемые с его помощью, имеют унифициро-
ванную структуру. Каждое сообщение содержит 8-битовый заголовок, за кото-
рым следует блок данных с длиной от 2 до 1146 битов, а также 30 битов CRC.
Сообщения разделены на 47- или 95-битовые части, которые после добавления к
ним однобитового флага последовательно передаются в виде полукадров канала
пейджинга (англ. Paging Channel Half-Frames). Восемь полукадров образуют
80-мс слот5 пейджингового канала. Сообщение может занимать до 2048 слотов.
Один канал пейджинга, работающий со скоростью 9600 бит/с, может обслужить
до 180 процессов пейджинга.
Подвижная станция прослушивает выделенный ей базовой станцией ка-
нал пейджинга. Данная операция может выполняться как в режиме с выделен-
ным слотом, так и без выделенного слота. При назначении выделенного слота
приемник включается только в соответствующие временные интервалы, что
позволяет снизить энергопотребление, т.е. увеличить продолжительность ра-
боты от батарей.
По каналу пейджинга могут быть переданы сообщения нескольких типов,
таких, как:
• сообщения, определяющие конфигурацию системы:
• System Parameter Message (сообщение с параметрами системы),
которое содержит сведения о конфигурации каналов пейджинга,
задает параметры, необходимые для настройки на пилотную по-
следовательность, и количество каналов пейджинга в данной соте.
При «входе» в систему подвижная станция прослушивает первый
канал пейджинга, в котором передается эта информация;
• Access Parameter Message (сообщение с параметрами доступа) - за-
дает параметры, которые могут понадобиться подвижной станции
для организации передачи на базовую станцию по каналу доступа;
• Neighbor List Message (сообщение с граничным перечнем) - содер-
жит параметры соседних сот, в частности, перечень циклических
сдвигов ПСП;
• CDMA Channel List Message (сообщение co списком CDMA-кана-
лов) - содержит список CDMA-несущих;
• пейджинговые сообщения - пейджинг6 осуществляется в случае, когда
базовая станция получает команду установить соединение с данной конк-
ретной подвижной станцией. Сигнал вызова, как правило, генерируется
несколькими базовыми станциями;
Временной интервал (прим. ред.).
Вызов (прим. ред.).
328
Системы полвижнои ралиосвязи
• командные (order) сообщения - большой класс сообщений, обеспечиваю-
щих бесперебойную работу системы. Они используются в процессе реги-
страции подвижной станции, для подтверждения других операций и т.д.
Есть и некоторые другие важные типы сообщений:
• Channel Assignment Message (сообщение о выделении канала) - использу-
ется для передачи подвижной станции команды настроиться на указан-
ную частоту;
• Data Burst Message (сообщение с пакетом данных) - используется для
передачи данных с базовой станции на подвижную;
• Authentication Challenge Message (аутентификационное сообщение) - ис-
пользуется для передачи данных, связанных с процедурой подтверждения
аутентичности подвижной станции.
В системе IS-95 каналы трафика могут работать с двумя наборами скоро-
стей - RS 1 и RS2 (англ. RS-Rate Set - набор скоростей). Первый набор поддержи-
вается всегда, а второй (RS2) рассматривается как дополнительный. В соте/сек-
торе с одним каналом пейджинга можно реализовать 61 канал передачи данных.
Использование семи пейджинговых каналов приводит к уменьшению числа
каналов трафика до 55.
Каналы трафика используются для передачи речи или данных пользователя
(первичный трафик), данных (вторичный трафик) и информации сигнализа-
ции. Поскольку по одному каналу трафика информация может передаваться со
скоростью до 9600 бит/с (RS1) или 14400 бит/с (RS2), то первоначальный ва-
риант системы IS-95 был существенно переработан, что позволило достичь бо-
лее высоких скоростей передачи данных [3]. Стало возможным использовать в
одном соединении более одного канала. Поэтому каналы трафика, задействован-
ные в соединении, разделяют на основной кодовый канал (англ, fundamental code
channel) и дополнительные кодовые каналы (англ, supplemental code channels).
Соединению может быть выделено до семи дополнительных кодовых каналов,
которые работают всегда на самой большой скорости, доступной в данном наборе.
Таким образом, при использовании RS2 максимальная скорость передачи дан-
ных составляет 8 х 14,4 = 115,2 кбит/с.
Пользовательские данные передаются в виде 20-мс кадров. Структура кадра
изображена на рис. 11.5. Длины конкретных полей зависят от скорости передачи
данных и приведены в табл. 11.3.
Индикатор качества кадра содержит CRC-биты, рассчитанные на основании
информационных битов кадра. В кадр могут входить биты первичного, вторич-
ного или сигнального трафика - как по отдельности, так и в виде смеси.
Базовая станция передает по каналу трафика, в процессе аутентификации,
при хэндовере, регулировке мощности, обновлении системных параметров пу-
тем передачи информации о соседних сотах, а также предупреждений, регистра-
ции и т.д., множество сигнальных сообщений. Эти сообщения аналогичны по
Глава 11. Описание системы IS-95
329
Т а б л и и а 11.3. Параметры кадров прямых каналов передачи данных
Скорость передачи данных, бит/с Длина кадра, L, битов Значение бита флага/резерва Биты данных, D, битов Индикатор качества кадра, F, битов Оконечные биты, Т. битов
9600 192 0 172 12 8
4800 96 0 80 8 8
2400 48 0 40 0 8
1200 24 0 16 0 8
14400 288 1 267 12 8
7200 144 1 125 10 8
3600 72 1 55 8 8
1800 36 1 21 6 8
Длина кадра, L, битов (20 мс)
Резерв- ный бит/ флаг Данные, D, битов Индикатор качества кадра, F, битов Концевые биты, Т
Рис. 11.5. Структура кадра прямого канала трафика
форме сообщениям, передаваемым по каналу пейджинга. Каждое сообщение
включает 8-битовый заголовок с длиной сообщения, тело сообщения (англ, mes-
sage body) длиной от 16 до 1160 битов и 16-битовый CRC-блок. Неиспользуемая
часть кадра содержит биты заполнения, не несущие информации.
11.4. ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ ПО ВОСХОДЯЩЕЙ ЛИНИИ СВЯЗИ
Передача данных от подвижной станции к базовой существенно отличается
от передачи данных в противоположном направлении. В передатчике подвиж-
ной станции (рис. 11.6) имеются две параллельные ветви, реализующие канал
доступа (Access Channel) и каналы восходящего трафика. Заметим, что, как и
при передаче по нисходящей линии связи, помимо основного кодового канала
трафика, для увеличения скорости может использоваться до семи дополнитель-
ных кодовых каналов. Последовательность функциональных блоков для одного
дополнительного канала приведена на рис. 11.6. Отметим, что несущая фаза, со-
ответствующая Z-му каналу, сдвигается на угол ср,, относительно опорной фазы.
Одна и та же короткая ПСП длиной 32768 чипов используется при передаче
как по восходящей (обратной), так и по нисходящей (прямой) линиям. Все подвиж-
ные станции в одной соте работают с одним и тем же временным сдвигом ПСП.
330
Системы полвижнои ралиосвязи
длинного кода
Рис 11.6 Схема передатчика подвижной станиии в системе IS-95
Глава 11. Описание системы IS-95
331
Сигналы от разных подвижных станций различаются благодаря применению
длинной ПСП, генерируемой со скоростью 1,2288 Мчип/с с использованием
маски, уникальной для каждой подвижной станции. Суммирование по модулю 2
информационной и расширяющей последовательностей повышает конфиден-
циальность передачи.
Двоичная последовательность, характеризующая сигнал, кодируется свер-
точным кодом с коэффициентом R = 1/3 и длиной кодового ограничения L = 9.
Кодированная последовательность подвергается блоковому перемежению с
глубиной 20 мс. Результирующая выходная последовательность имеет скорость
R = 28,8 кбит/с. Она группируется в 6-битовые блоки, которые составляют адрес
одной из 64 взаимно ортогональных последовательностей Уолша. В результате
получается поток последовательностей Уолша со скоростью 307,2 кбит/с. Затем
информационная последовательность направляется в рандомизатор пакетов
данных. Работа этого блока зависит от текущей скорости потока данных, гене-
рируемого речевым кодером. Если активность пользователя низка и речевой
кодер генерирует поток данных со скоростью менее 9600 бит/с, то информаци-
онные биты повторяются и рандомизатор пакетов выбрасывает некоторые из
них псевдослучайным образом. Это позволяет минимизировать мощность ге-
нерируемого сигнала. Полученная информационная последовательность рас-
сеивается при помощи коротких ПСП PNI и PNQ. После преобразования дво-
ичной последовательности в форму биполярных импульсов, сигнал направля-
ется в квадратурную и синфазную ветви OQPSK-модулятора (см. раздел 1).
OQPSK-модуляция позволяет более эффективно использовать усилитель мощ-
ности подвижной станции.
Схему, аналогичную изображенной на рис. 11.6, можно построить и для об-
ратного канала передачи со вторым набором скоростей (RS2). В этом случае вме-
сто кода с коэффициентом R = 1/3 используется сверточный код с коэффициен-
том R = 1/2, и скорости передачи данных составляют 14,4, 7,2, 3,6 и 1,8 кбит/с.
Помимо обычного первичного трафика (поток речевой информации), в
20-мс кадре может передаваться вторичный трафик (поток данных) или сигналь-
ная информация. Мультиплексирование нескольких потоков может осуществ-
ляться двумя различными способами. В режиме blank-and-burst сигнальная ин-
формация замещает первичные данные. В режиме dim-and-burst первичный и
сигнальный/вторичный трафики размещаются в одних и тех же кадрах.
Существует множество различных сообщений, которые могут передаваться
по восходящему (обратному) каналу и размещаются в сигнальной части стандар-
тного кадра. Они связаны с передачей отчетов об измерении мощности, регули-
ровке мощности, хэндовере, аутентификации и т.д.
По каналу доступа данные передаются со скоростью 4800 бит/с. Канал до-
ступа используется подвижной станцией для инициации вызова, обновления ин-
формации о местоположении подвижной станции и для ответа на вызов базовой
станции. Каждый канал доступа связан с одним каналом пейджинга, поэтому их
может быть до семи. Большинство функциональных блоков, задействованных в
332
Системы подвижной радиосвязи
реализации канала доступа, совпадает с блоками, реализующими канал трафика,
поэтому их описание здесь не дается.
Структура сообщений, передаваемых по каналу доступа, аналогична струк-
туре сообщений, передаваемых по каналу синхронизации. Каждое сообщение
имеет 8-битовый заголовок с длиной сообщения, блок данных длиной от 2 до
842 битов и CRC-блок длиной 30 битов. Сообщения размещаются в 20-мс кадрах.
Поскольку скорость передачи данных по каналу доступа составляет 4800 бит/с,
то в одном кадре помещается 96 битов. Кадр состоит из 88 информационных би-
тов и восьми конечных битов кодирования; он также может содержать преамбулу
канала доступа, представляющую собой 96 нулей. Преамбула канала доступа и
последовательность кадров канала доступа формируют слот канала доступа
(англ. - access channel slot). Передача данных в пределах слота начинается с ко-
роткой случайной задержкой, для того чтобы разнести по времени моменты на-
чала передачи данных нескольких подвижных станций, использующих разные
каналы доступа. Когда подвижная станция использует канал доступа в первый
раз, она отправляет последовательность пробных сообщений7 с увеличением
мощности до тех пор, пока приемлемый для данной MS уровень мощности не
будет определен. Базовая станция может принимать сигналы одновременно от
нескольких подвижных станций. Исключение составляет ситуация, когда две по-
движных станции используют один и тот же канал доступа и одинаковые вре-
менные сдвиги ПСП. Однако, чтобы ограничить нагрузку на систему, обуслов-
ленную передачей данных по каналам доступа, базовая станция ограничивает
количество пользователей, одновременно занимающих один и тот же канал
доступа. Доступ к каналам контролируется путем отправки сообщений с пара-
метрами доступа по каналу пейджинга.
Одна из самых важных контрольных процедур в системе IS-95 - это регист-
рация подвижной станции. При ее выполнении подвижная станция информиру-
ет базовую станцию о своем местоположении и состоянии. Существует несколь-
ко типов регистрации:
• при включении питания или в момент перехода с аналогового стандарта
AMPS или иного альтернативного стандарта к цифровой CDMA-системе;
• при выключении питания для уведомления системы о том, что подвижная
станция стала неактивной;
• периодическая, связанная с обнулением счетчика времени (англ. - timer
expiration)-,
• при перемещении подвижной станции на расстояние, существенно уда-
ленное от места предыдущей регистрации;
• при переходе подвижной станции в новую системную зону (аналог облас-
ти местоположения);
Пробы доступа (прим. ред.).
Глава 11. Описание системы IS-95
333
• при изменении некоторых параметров подвижной станции;
• по запросу базовой станции;
• по запросу базовой станции после успешного использования подвижной
станцией канала доступа.
Другие важные процедуры - аутентификация и шифрование сообщений.
Подвижная станция обладает ключом шифрования и набором совместно исполь-
зуемых данных. Подвижная станция добавляет 18-битовую аутентичную под-
пись к сообщениям, передаваемым по каналу доступа, связанным с вызовом,
ответом на вызов, регистрацией и передачей данных. Выделенные MS закрытые
данные совместного использования могут уточняться и дополняться в ответ на
команду с базовой станции. Шифрование пользовательских данных может быть
активировано после получения соответствующей команды (англ. Privacy Mode
Command) от центра коммутации подвижной связи.
11.5. УПРАВЛЕНИЕ МОЩНОСТЬЮ
Как уже упоминалось ранее, управление мощностью чрезвычайно важно
для работы CDMA-системы. В системе IS-95 реализованы различные механиз-
мы регулировки мощности.
При работе в режиме открытой петли управления мощностью, подвижная
станция измеряет мощность сигнала, принимаемого от базовой станции, пыта-
ясь установить уровень этого сигнала в блоке автоматической регулировки уси-
ления (АРУ, англ. Automatic Gain Control - AGC). Мощность сигнала на выходе
передатчика подвижной станции описывается выражением [4]:
средняя выходная мощность [дБм] =
= -(средняя входная мощность) [дБм] +
+ пороговый уровень мощности + параметры.
(Н.2)
Пороговый уровень мощности зависит от диапазона, в котором работает си-
стема, и равен -73 дБ для 800-МГц диапазона и -76 дБ для 1800-МГц диапазона.
Используемые в (11.2) параметры передаются по каналу синхронизации и опре-
деляются размером соты, чувствительностью приемника и уровнем эффектив-
ной излучаемой мощности.
Заметим, что приведенный выше способ управления мощностью не очень
точен, поскольку при дуплексной передаче данных реализовано частотное разде-
ление, и частоты восходящих и нисходящих каналов различаются на 45 МГц в
800-МГц диапазоне и на 80 МГц в 1800-МГц диапазоне. Поэтому мощность при-
нимаемого подвижной станцией сигнала лишь частично характеризует потери
при распространении по восходящей линии связи. Если говорить более точно, ра-
бота в режиме открытой петли управления мощностью не может скомпенсировать
быстрые замирания в восходящей линии связи. Для решения этой проблемы базе-
334
Системы полвижнои ралиосвязи
вая станция измеряет мощность принимаемого от подвижной станции сигнала и
посылает соответствующие команды управления мощностью. Каждый 20-мс
кадр разделен на 16 групп управления мощностью. Каждая группа эквивалентна
шести битам последовательности, передаваемой по восходящей линии связи,
или, что тоже самое, одному символу Уолша, используемому в ортогональной
модуляции при передаче данных по восходящей линии связи. В каждой группе
управления мощностью измеряется отношение сигнал/помеха, которое затем
сравнивается с опорным значением. В зависимости от результата принимается ре-
шение об уменьшении или увеличении мощности подвижной станции. Как уже
отмечалось ранее, биты управления мощностью замещают собой биты, располо-
женные в псевдослучайных положениях кадра, определяемых генератором длин-
ной ПСП. Динамический диапазон системы замкнутой петли управления мощ-
ностью с обратной связью составляет ±24 дБ. Если принимать во внимание
управление мощностью по открытой петле управления, то суммарный динами-
ческий диапазон составит ±32 дБ для 800-МГц диапазона и ±40 дБ для 1800-МГц
диапазона. Конечной целью физического уровня системы считается обеспече-
ние требуемого качества передачи данных, которое определяется допустимой
частотой появления ошибок. Поэтому уровень отношения сигнал/шум устанав-
ливается так, чтобы обеспечить достижение указанной цели в данной соте.
В нисходящей линии связи также осуществляется регулировка мощности в
узком динамическом диапазоне. Базовая станция постепенно уменьшает излуча-
емую мощность с периодичностью 15-20 мс до тех пор, пока количество ошибок
в кадре, измеряемое подвижной станцией, не достигнет заданного предела.
11.6. УПРОШЕННАЯ ПРОЦЕДУРА
УСТАНОВЛЕНИЯ СОЕДИНЕНИЯ
Рассмотрим процедуру установления соединения, инициируемую подвиж-
ной станцией. Предположим, что питание подвижной станции включено и она
зарегистрирована.
Сначала пользователь набирает номер вызываемого абонента и нажимает
кнопку «отправить» (англ. - send). Подвижная станция отправляет по каналу до-
ступа на базовую станцию сообщение, инициирующее вызов. Базовая станция
выделяет подвижной станции канал трафика, используя пейджинговый канал, а
также передает номер вызываемого абонента в центр коммутации подвижной
связи (MSC). По завершении MSC процедуры установления соединения, по-
движной станции выделяется обратный канал трафика, по которому она начина-
ет передачу. В результате этой процедуры соединению выделяется прямой канал
передачи данных и маска длинного кода для обеспечения конфиденциальности
разговора.
Процедура установления соединения с подвижной станцией осуществляет-
ся следующим образом. При получении вызова система подвижной связи начи-
Глава 11. Описание системы IS-95
335
нает поиск подвижной станции путем отправки пейджинговых сообщений по ка-
налам пейджинга в области расположения подвижной станции, т.е. в соты или в
секторы возможного нахождения подвижной станции. После получения вызова
подвижная станция отвечает на него по каналу доступа, и ей выделяется канал
трафика. По полной инициализации канала трафика базовая станция посылает
специальное сообщение, получив которое подвижная станция начинает издавать
сигнал звонка. При ответе абонента, базовая станция информируется об ответе
пользователя на вызов.
11.7. УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ ВЕРСИЯ СИСТЕМЫ IS-95B
ААЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
Ранее уже говорилось о том, что скорость передачи данных 115,2 кбит/с в
системе IS-95 может быть достигнута без внесения изменений на физическом
уровне, путем выделения соединению большего количества последовательно-
стей Уолша. При этом пользователям могут быть предложены новые услуги,
такие, как доступ к базам данных, передача файлов и электронная почта [5].
Большинство подобных услуг генерирует пакетный трафиком. Поэтому изме-
нения, внесенные в систему IS-95, относятся к обеспечению высокоскоростной
передачи пакетов данных. Новая версия получила название IS-95B. При пакет-
ной передаче трафик в прямом и обратном направлении является асимметрич-
ным. В прямом направлении на время передачи пакета соединению выделяется
основной и до семи дополнительных кодовых каналов. В обратном направле-
нии каждому дополнительному каналу выделяется маска ПСП, отличающаяся
циклическим сдвигом. Каждая маска является производной от маски главной
последовательности. Каждый выделенный канал является полноскоростым.
Регулировка мощности всех дополнительных кодовых каналов основано на
главном кодовом канале.
Все это позволяет ввести услугу высокоскоростной пакетной передачи дан-
ных (англ, high-sped packed data service option). Эта услуга реализуется между
оборудованием межсетевого взаимодействия (англ. InterWorking Function -
IWF) и подвижным терминалом (рис. 11.7). В ходе процедуры согласования по-
движная станция указывает свои возможности высокоскоростной передачи дан-
ных, выражаемые в количестве параллельных каналов, которые могут быть ис-
пользованы в восходящей и нисходящей линиях связи. Со своей стороны, базовая
станция указывает максимальное количество последовательностей Уолша, кото-
рое может быть выделено восходящей и нисходящей линиям связи. Во время
осуществления пакетной передачи данных подвижная станция может находить-
ся в двух состояниях:
• в активном - когда подвижной станции и соединению выделен канал пере-
дачи данных, и между подвижной станцией и IWF-блоком реализован прото-
кол двухточечного соединения РРР (англ. Point-to-Point Protocol)-,
336
Системы полвижнои ралиосвязи
Основной кодовый канал
Рис. 11.7. Конфигурация системы для высокоскоростной пакетной передачи данных
IWF - оборудование межсетевого взаимодействия, PDN - сеть передачи данных с
коммутацией пакетов
• в неактивном* (англ, dormant state) - когда соединению не выделено ни-
каких радиочастотных или системных ресурсов, однако за пользовате-
лем сохраняется регистрация на услугу пакетной передачи данных и
протокол РРР.
Подвижная станция, пользующаяся услугой пакетной передачи данных,
остается в активном состоянии в течение заданного периода времени после
отправки пакета данных. Если длительность ожидания следующего пакета
данных превышает этот период, подвижный терминал переходит в неактив-
ное состояние.
Коротко рассмотрим сценарий отправки пакетов в восходящем направлении
[5]. Пусть подвижный терминал находится в неактивном состоянии. При появле-
нии подлежащих передаче данных подвижный терминал переходит в активное
состояние. Если объем данных превышает заданный порог, то подвижная стан-
ция запрашивает выделение дополнительных кодовых каналов. Этот запрос пе-
редается по основному кодовому каналу. В отвез базовая станция отправляет по
основному кодовому каналу сообщение, в котором указывается длина пакета, ко-
личество выделенных дополнительных кодовых каналов и момент начала пере-
дачи пакета. Подвижная станция может запросить об увеличении выделенного
времени на передачу пакета до его завершения. Если более нет данных для от-
правки, подвижная станция отправляет сообщение с запросом на нулевое коли-
чество дополнительных кодовых каналов. В ответ на этот запрос, происходит
освобождение радиоресурсов, которые с этого момента могут быть выделены
другим абонентам. При передаче данных в противоположном направлении вы-
полняется аналогичная последовательность действий. В этом случае выделение
дополнительных кодовых каналов инициирует IWF-оборудование.
Дежурное состояние (прим. ред.).
Глава 11. Описание системы IS-95
337
It It "ft
В данном разделе были кратко рассмотрены принципы работы и архитекту-
ра системы IS-95. Детали реализации этой системы можно найти в стандартах
[1], [2J и [3]. Необходимо отметить, что описание системы IS-95 соответствует
эталонной модели TR45/46 [5], поэтому практически все компоненты системы
имеют такие же названия, как и компоненты системы GSM. Читатели, интересу-
ющиеся принципами работы системы IS-95 и общими правилами функциониро-
вания CDMA-систем, могут обратиться к работе [7]. Детальное описание этих
систем можно найти в работе [8].
Несмотря на свою сложность, метод CDMA стала основной технологией,
предлагаемой для использования в системах третьего поколения. Многие реше-
ния, использованные в системе IS-95 и запатентованные разработчиками, легли в
основу систем, известных под названиями cdma2000 и UMTS. Однако необходи-
мо понимать, что из-за ограниченности спектральных ресурсов расширение
спектра, практикующееся в CDMA, не всегда может быть реализовано, особенно
при очень высоких скоростях передачи данных. Поэтому приходится применять
другие технологии, например, OFDM (см. раздел 1).
ЛИТЕРАТУРА
1. TIA/EIA IS-95A, Mobile Station-Base Station Compatibility Standard for Dual
Mode Spread Spectrum Cellular System, 1995.
2. ANSI J-STD-008, Personal Station-Base Station Compatibility Requirements for
1,8 to 2,0 GHz Code Division Multiple Access (CDMA) Personal Communications
Systems, 1995.
3. TIA/EIA IS-95B, Mobile Station-Base Station Compatibility Standard for Dual
Mode Wideband Spread Spectrum Cellular System, 1998.
4. T.Ojanpera, R.Prasad (eds), WCDMA: Towards IP Mobility and Mobile Internet,
Artech House, Boston, 2001.
5. D.N.Knisely, B.Kumar, B.Laha, B.Nanda, «Evolution of Wireless Data Services:
IB-95 to cdma2000», IEEE Communications Magazine, October 1998, pp. 140-149.
6. TIA TR-46, Reference Model, 1991.
7. J.B.Lee, L.E.Miller, CDMA Systems Engineering Handbook, Artech House Pub-
lishers, Boston, 1998.
8. V.K.Garg, IS-95 CDMA and cdma2000 Cellular/PCS Systems Implementation,
Prentice-Hall PTR, Upper Baddie River, N.J., 2000.
Глава 12
ТРАНКИНГОВЫЕ СИСТЕМЫ
Транкинговые системы представляют собой класс систем подвижной связи,
удовлетворяющий требованиям, которые предъявляются к системам связи
транспортных средств специализированных правительственных и обществен-
ных служб, таких, как полиция, скорая помощь, противопожарные службы и
транспортные компании. Как правило, такие службы и компании используют
корпоративные системы связи, называемые PMR (англ. Private Mobile Radio - ча-
стная подвижная радиосвязь)'. В традиционной PMR-системе каждый радиока-
нал постоянно закреплен за определенной группой пользователей. Недостатком
такого управления каналами является ситуация, при которой пользователи пере-
груженного канала не могут получить доступ к сети, несмотря на наличие дру-
гих свободных каналов. Такие системы часто называют традиционными1 2 дис-
петчерскими системами.
12.1. ИДЕЯ ТРАНКИНГА
Для более рационального использования ресурса частотных каналов, была
предложена идея транкинга, подобная организации транковых каналов в обыч-
ных проводных системах связи. В основе этой идеи лежит выделение определен-
ного количества каналов всем пользователям системы. Канал динамически вы-
деляется каждому абоненту на время соединения. Это позволяет использовать
ресурсы системы более эффективно и повысить конфиденциальность разговора
и качество предоставляемых услуг.
На рис. 12.1 представлено сравнение идеи транкинга с традиционной дис-
петчерской системой. Заметим, что количество абонентов, обслуживаемых тран-
1 В литературе аббревиатура PMR иногда расшифровывается как Professional Mobile
Radio (профессиональная подвижная радиосвязь) [1].
2 Другое название - конвенциональная система (прим. ред.).
Глава 12. Транкинговые системы
339
Конвенциональная
диспетчерская система
Транкинговая система
Управление каналами
ООО о
ООО
оо о
t
Обслужи ваем ые
пользователи
Пользователи,
ожидающие
обслуживания
Обслуживаемые
пользователи
Пользователи,
ожидающие
обслуживания
□
□
□
□ 2
Рис. 12.1. Сравнение принципов выделения каналов в конвенциональной
и транкинговой системах
1 - занятые каналы; 2 - свободные каналы
кинговой системой, равно количеству каналов. Количество пользователей, ожи-
дающих соединения, намного меньше, чем в конвенциональной системе. Оче-
видно, что транкинговая система требует управления распределением каналов, а
подвижная станция должна уметь быстро синтезировать требуемую канальную
частоту.
Отметим, что, поскольку ни один из каналов не закреплен за конкретной
группой пользователей, надежность системы в целом существенно увеличи-
вается. Неисправность одного канала приведет к небольшому снижению ем-
кости всей системы, а не прервет доступ к ее ресурсам для целой группы поль-
зователей, как это случилось бы в конвенциональной системе. Кроме того, в
периоды полной загрузки всех каналов транкинговая система не отвергает
вызовы, а помещает их в очередь на обслуживание. Продолжительность раз-
говора может быть ограничена системой, что также повышает эффективность
организации связи.
Благодаря динамическому выделению канала паре пользователей и тому,
что во время соединения другая подвижная станция не может получить доступ к
этому каналу, повышается защита разговорного канала. В случае аналоговых си-
стем дальнейшее повышение защиты от прослушивания разговора представля-
ется достаточно затруднительным.
Специфика транкинговых систем, отличающая их от систем сотовой связи,
определяется особенностями типовых категорией пользователей. Особенность
генерируемого трафика состоит в частых соединениях диспетчера с подвижны-
340
Системы подвижной радиосвязи
ми пользователями (парком транспортных средств). Иногда с диспетчером сое-
диняются несколько пользователей одновременно. С другой стороны, соедине-
ния с телефонной сетью общего пользования (ТфОП) достаточно редки. В связи
с этим транкинговые системы предназначены для установления специфических
типов соединений, в том числе:
• индивидуальные;
• групповые со всеми членами группы;
• с сетью ТфОП (для ограниченного круга абонентов);
• для подачи тревожных и аварийных сигналов;
• для прямой связи с общественными службами;
• для передачи коротких цифровых сообщений;
• для реализации передачи данных.
Характерная особенность традиционных транкинговых и диспетчерских
систем - это двухсимплексный режим работы подвижных станций. Базовые
станции работают в дуплексном режиме. На время разговора паре пользовате-
лей выделяется пара частотных каналов (восходящий и нисходящий). В конк-
ретный момент подвижная станция может передавать данные только в одном
направлении, т.е. абонент может либо говорить, либо слушать. Базовая стан-
ция принимает сигнал от говорящего пользователя на одной частоте и переда-
ет его слушающему пользователю на другой. Благодаря такому способу испо-
льзования канальных ресурсов, становится возможным организация группо-
вых соединений без необходимости указания индивидуальных номеров чле-
нов группы.
Транкинговые системы могут находиться в собственности отдельных
компаний или быть общественными. С точки зрения эффективности использова-
ния спектра и организации системы наиболее выгодной считается система PAMR
(англ. Public Access Mobile Radio - система подвижной радиосвязи общего до-
ступа). Компании могут организовывать свои собственные подсети в рамках се-
ти PAMR. Им не надо приобретать лицензии на использование выделенных час-
тот. Оператор сети обладает лицензиями на все используемые частоты.
12.2. СТАНДАРТ МРТ 1327
Существует несколько стандартов аналоговых транкинговых сетей. Некото-
рые стандарты принадлежат компаниям (например, Motorola, Ericsson), другие
являются общественными. Во второй половине 80-х годов XX в. Министерство
почты и телекоммуникаций Великобритании установило целое семейство стан-
дартов. Наиболее важный из них - стандарт, описывающий протокол обмена
данными между базовой станцией и подвижными станциями. Этот протокол на-
Глава 12. Транкинговые системы
341
зывается МРТ 1327 [2]. Многие ведущие компании предлагают транкинговые
системы именно на его основе. Ниже перечислены другие стандарты, связанные
с МРТ 1327.
• МРТ 1317 - передача цифровой информации по радиоканалам3;
• МРТ 1318 - инженерный меморандум об эффективности транкинга;
• МРТ 1343 - спецификация радиоинтерфейса подвижной станции, регла-
ментирующая процедуры обмена сообщениями для транкинговых систем
общего пользования;
• МРТ 1347 - спецификация радиоинтерфейса базовой станции, регламен-
тирующая процедуры обмена сообщениями для фиксированной части си-
стемы в транкинговых сетях общего пользования;
• МРТ 1352 - порядок проведения испытаний и оценки качества подвиж-
ных радиостанций.
Стандарт МРТ 1327 определяет метод произвольного доступа к системе,
называемый Синхронная ALOHA с динамической длиной кадра (англ. Dynamic
Framelength Slotted ALOHA). Генерируемые подвижными станциями кадры име-
ют переменную длину, кратную нескольким временным слотам. Если кадр поме-
щается в одном слоте, то следующий временной слот может быть использован
другой подвижной станцией для установления соединения. В случае, когда кадр
имеет длину, превышающую длительность одного слота, другие подвижные
станции, пытающиеся установить соединение, выбирают свободный временной
слот произвольным образом.
Управление процессом установления соединения выполняется транкинго-
вым контроллером (англ. Trunking System Controller - TSC). Он управляет дли-
ной кадра в зависимости от возникновения коллизий между попытками доступа
к системе различных подвижных станций. Передача информации сигнализации
между TSC и подвижными станциями производится по каналу управления.
Стандарт описывает цифровую передачу MSK-модулированных данных со ско-
ростью 1200 бит/с. Управляющее сообщение передается подвижным станциям
по каналу управления каждые 106,7 мс4. Сообщение поочередно содержит одну
из двух управляющих последовательностей длиной 64 бита. Первая управляю-
щая последовательность называется Системным кодовым словом канала управ-
ления (англ. Control Channel System Codeword - CCSC), а вторая - Адресным ко-
довым словом (англ. Address Codeword-АС) (рис. 12.2).
Сообщение начинается со слова CCSC. Оно состоит из однобитового
стартового индикатора, равного «0», 15-битового идентификатора системы
Прежде всего, определяет формат кода синхронизации для передачи цифровой инфор-
мации по радиоканалам (прим. ред.).
106,7 мс - длительность временного слота, содержащего 128 бит (прим. ред.).
342
Системы подвижной радиосвязи
Рис. 12.2 Структура сообщении, передаваемых по каналу
управления в системе МРТ 1327
(англ. System Identity - SYS), 16-битовой последовательности завершения кода
(англ. Code Completion Sequence - CCS), 16-битовой преамбулы (SYNC) и 16-би-
тового CRC-блока контроля четности. Блок CRC содержит значение C4D7и,
поэтому содержимое CCS-слова выбирается так, чтобы вычисление результа-
тов CRC дало результат CAD7H. Преамбула используется для синхронизации и
содержит слово ААААН. Адресное кодовое слово начинается с индикатора
(флагового бита), равного «1», за которым следует кодовое сообщение (англ. Co-
deword Message - CDM), содержащее 47 битов информации. Сообщение завер-
шает 16-битовый CRC-блок четности.
Кодовое сообщение может иметь различные значения. Оно может нести
информацию от TSC с номером временного слота для доступа к системе, за-
прос от TSC к подвижной станции на подтверждение готовности к соедине-
нию, а также команду на переход подвижной станции с канала управления на
указанный рабочий канал или смену рабочего канала. При помощи кодового
сообщения всем подвижным станциям может передаваться статус системы. Ко-
довое сообщение может быть также отправлено подвижной станцией и содер-
жать запрос на установление соединения или подтверждение готовности при-
нять вызов. Сообщения, передаваемые по каналу управления, принимают сле-
дующие значения:
• ALOHA (ALH) - сообщение TSC с приглашением на связь. Сообщение
ALH(n) обозначает, что через п временных слотов возможно установле-
ние соединения;
• AHOY (AHY) - сообщение TSC как требование подтверждения подвиж-
ной станцией готовности принять соединение;
• REQUEST (RQS) - запрос со стороны подвижной станции на установле-
ние соединения;
• ACKNOWLEDGE (АСК) - подтверждение приема сообщения RQS
или AHY;
Глава 12. Транкинговые системы
343
• GO ТО TRAFFIC CHANNEL п (GTC) - команда TSC на переключение по-
движной станции с канала управления на разговорный канал или с теку-
щего разговорного канала на n-й разговорный канал;
• BROADCAST (BCAST) - широковещательное сообщение, содержащее
системную информацию.
Пример транкинговой сети на основе стандарта МРТ 1327 - сеть
ACTIONET компании Nokia [3] (рис. 12.3). Эта система может функционировать
в нескольких различных конфигурациях. В простейшей конфигурации система
состоит из некоторого количества подвижных станций и транкингового контрол-
лера5 МХВ, совмещенного с базовой станцией. По такой схеме может быть реа-
лизована небольшая частная корпоративная сеть.
Рис. 12.3. Транкинговая сеть ACTIONET [3]
В типовую конфигурацию входит транкинговый контроллер (англ. Mobile
Exchange - MX), одна или несколько базовых станций и некоторое количество
подвижных станций. В сетях более сложной конфигурации используется не-
сколько контроллеров MX и базовых станций, несколько терминалов диспетчер-
ских или контрольных пунктов (англ. Control Point - СР), присоединенных к
В оригинале - центра коммутации. В отечественной литературе используется тер-
мин контроллер (прим. ред.).
344
Системы подвижной радиосвязи
контроллерам MX. Такие сети, как правило, связаны с сетью PSTN (ТфОП) или
учрежденческими АТС (англ. Private Automatic Branch Exchange - PABX).
Основная задача контроллера MX в локальной сети - обеспечить автомати-
ческое соединение между двумя подвижными пользователями, между подвиж-
ным пользователем и пользователем фиксированной сети РАВХ или PSTN. Кон-
трольный пункт - это телефонный терминал, состоящий из клавиатуры, микро-
телефона и буквенно-цифрового дисплея.
Если зона охвата транкинговой сети достаточно велика, то применяется до-
полнительный элемент - системный контроллер (англ. System Exchange - SLY),
который объединяет локальные части сети. Для повышения надежности основ-
ные его блоки продублированы. В случае большой сети, при выходе подвижной
станции за границы области обслуживания «домашнего» контроллера MX, мо-
жет потребоваться обновление информации в реестре, Кроме того, существуют
очень большие сети с несколькими независимыми областями трафика. Предпо-
лагается, что подвижная станция остается в своей области трафика и что весь
трафик концентрируется в таких областях. Однако существует необходимость
организации информационного обмена между этими областями. Для этого такие
сети дополнительно оборудуются регистром системного роуминга (англ. System
Roaming Handler - SRH), т.е. базой данных о текущем местоположении пользова-
телей, и регистром информации о вызовах (англ. Call Information Handlers -
CIH), т.е. базой данных об установленных соединениях и непрошедших вызовах,
используемой при тарификации.
Как правило, соединения между различными контроллерами реализованы с
помощью сети PSTN. Управление и техническое обслуживание каждого конт-
роллера системы выполняются с помощью центра управления и обслуживания
(англ. Operation and Maintenance Center - ОМС). Центр ОМС обеспечивает кон-
фигурирование системы и оборудования, а также предпринимает определенные
действия в случаях сбоев системы или по соображениям безопасности.
В целом, транкинговые сети на базе протокола МРТ 1327 характеризуются
простотой технологий и обслуживания, а также доступностью оборудования.
Однако у них есть некоторые недостатки: низкая спектральная эффективность,
небольшое значение коэффициента многократного использования частот, отно-
сительно низкая конфиденциальность разговора, высокая стоимость устройств,
позволяющих повысить конфиденциальность, дороговизна организации сети
из-за необходимости выделять каждому разговорному каналу отдельную несу-
щую частоту, а также низкие скорости передачи данных.
12.3. EDACS - ПРИМЕР ФИРМЕННОГО СТАНДАРТА
Усовершенствованная система цифровой связи EDACS (англ. Enhanced
Digital Communication System) [4] была разработана компанией Ericsson в рам-
ках закрытого стандарта. Компания владеет исключительными правами на по-
строение инфраструктуры сети и абонентское оборудование. Система была
Глава 12. Транкинговые системы
345
разработана преимущественно для применения в службах безопасности и об-
ладает некоторыми характерными особенностями. В ней реализовано малое
время доступа (<250 мс) и возможность передавать речь и данные по всем ка-
налам. Это увеличивает надежность системы, поскольку канал управления
может быть размещен на любой несущей частоте. Поскольку система исполь-
зуется в службах общественной безопасности, в ней был реализован экстрен-
ный вызов по нажатию одной кнопки. При этом подвижная станция получает
высший приоритет и занимает первый же свободный канал. Экстренный вы-
зов передается другим подвижным станциям и обозначается специальным
звуковым сигналом, а на дисплее отображается идентификатор пославшей
вызов подвижной станции.
Система EDACS существует в узко- и широкополосной версиях. В первой
версии разнесение каналов составляет 12,5 кГц, а во второй - 25 кГц. EDACS мо-
жет предоставлять услуги связи четырех видов:
• аналоговая передача речи;
• цифровая передача зашифрованной речи (Voice Guard) (в широкополос-
ной версии EDACS) со скоростью 9600 бит/с;
• передача данных (4800 бит/с в узкополосной или 9600 бит/с в широкопо-
лосной версии системы);
• соединение с сетью ТфОП.
Как известно, основной вид связи в транкинговых системах - это групповые
соединения. Групповые соединения в системе EDACS обладают следующими
свойствами:
• блокирование двойной передачи6 - один абонент в группе передает ин-
формацию, а остальные члены группы могут только прослушивать ее;
• возможность поиска групп - отдельные абоненты могут прослушивать
вызовы в некоторых других группах;
• идентификация подвижной станции - на дисплеях подвижных станций
данной группы отображается идентификатор передающего в настоящий
момент абонента той же группы;
• автоматическое присоединение к группе - подвижная станция автомати-
чески присоединяется к своей группе после включения питания или при
входе в зону покрытия системы.
Система может функционировать в различных конфигурациях в зависимо-
сти от размера зоны покрытия. В начальную конфигурацию входит одна базовая
станция. Конфигурация первого уровня поддерживает полный транкинг; на вто-
Циркулярная связь с широковещательным вызовом - односторонняя (симплексная)
передача типа «точка-многоточка».
346
Системы подвижной радиосвязи
ром уровне система оборудована электронным управлением диспетчерской кон-
соли; конфигурация третьего уровня поддерживает передачу данных. Конфигу-
рация четвертого уровня позволяет обслуживать большую площадь и реализует
принцип одновременного вещания (англ. - simulcast), когда несколько базовых
станций передают и принимают сигналы одновременно.
Широкополосная версия системы EDACS может работать в частотных диа-
пазонах 136...174, 403...515 и 806...870 МГц. Узкополосная версия работает в
диапазоне 894...941 МГц.
Транкинговая система EDACS, обладающая возможностями постепенно-
го расширения и улучшения сервиса, предназначалась компанией Ericsson
для осуществления плавного перехода к транкинговой системе второго поко-
ления TETRA.
12.4. СТАНДАРТ TETRA
В начале 90-х годов XX в. в рамках Европейского союза был определен но-
вый цифровой стандарт систем транкинговой связи. Его создание обусловлено
перечисленными выше недостатками аналоговых транкинговых систем и их вза-
имной несовместимостью. В результате появилась серия стандартов ETSI, кото-
рые определяют систему транкинговой подвижной связи второго поколения7
(англ. Terrestrial Trunked Radio - TETRA )8. Фактически были разработаны два се-
мейства стандартов:
• стандарт интегрированной передачи речи и данных (англ. V+D - Voice
plus Data Standard)',
• специализированный стандарт пакетной передачи данных (англ. Packet
Data Optimized Standard - PDO).
Стандарт V+D описывает цифровую транкинговую систему второго поколе-
ния, в то время как семейство стандартов PDO определяет систему радиопереда-
чи пакетных данных.
Система TETRA обладает следующими свойствами:
• в 2-4 раза более высокая спектральная эффективность по сравнению с
аналоговыми системами;
• лучший коэффициент многократного использования частоты;
• намного более высокая конфиденциальность разговора благодаря приме-
нению цифрового кодирования речи с возможностью шифрования;
7 Дословный перевод - наземная система транкинговой радиосвязи (прим. ред.).
8 Ранее эта аббревиатура расшифровывалась как Trans-European Trunked Radio -
Трансевропейская система транкинговой радиосвязи (прим. ред.).
Глава 12. Транкинговые системы
347
• качество передачи речи менее зависимо от уровня мощности принимае-
мого сигнала;
• высокая скорость передачи данных;
• возможность разделения сот на секторы.
12.4.1. Услуги, предоставляемые стандартом TETRA
Система TETRA предоставляет широкий спектр услуг как в режиме с
коммутацией каналов, так и в режиме с коммутацией пакетов. Подобно систе-
ме GSM, все услуги можно разделить на две категории - телеуслуги9 и переда-
ча данных. В рамках телеуслуг предлагается пять различных типов речевых
соединений:
• индивидуальное соединение - соединение типа «точка-точка» между дву-
мя отдельными абонентами;
• групповое соединение - соединение типа «точка-многоточка» между
инициирующим вызов абонентом и группой пользователей, объединя-
емых номером группы. Передача осуществляется в полудуплексном
режиме;
• прямое соединение - непосредственное соединение типа «точка-точка»
между двумя абонентами (подвижными станциями) без передачи сигна-
лов через базовую станцию. При этом хотя бы одна из подвижных стан-
ций соединена с базовой станцией по иному каналу, чем канал прямого
соединения;
• групповое соединение с подтверждением — соединение типа
«один-ко-многим» между пользователем и группой пользователей, харак-
теризуемых номером группы. Вызываемые пользователи подтверждают
свое участие в разговоре;
• широковещательное соединение (циркулярная связь) — соединение типа
«один-ко-многим», в котором вызываемые пользователи могут только
прослушивать информацию вызывающего абонента.
Система TETRA, работающая в режиме V+D, предлагает следующие услуги
службы передачи данных:
• цифровая передача речи или данных с коммутацией каналов в диапазоне
скоростей 7,2-28,8-кбит/с без кодовой защиты;
• цифровая передача речи или данных с коммутацией каналов в диапазоне
скоростей 4,8-19,2-кбит/с с минимальной кодовой защитой;
Иначе -услуги телеслужб (прим. ред.).
348
Системы полвижнои ралиосвязи
• цифровая передача речи или данных с коммутацией каналов в диапазоне
скоростей 2,4-9,6-кбит/с и обеспечением максимального уровня кодовой
защиты;
• пакетная передача данных типа «точка-точка» с установлением соеди-
нения;
• пакетная передача данных типа «точка-точка» в стандартном формате без
установления соединения;
• пакетная передача данных без установления соединения в специальном
формате («точка-точка», «многоточка», широковещание).
Последние три услуги также предлагаются в режиме PDO системы TETRA.
Поскольку система TETRA может использоваться в системах общественной
безопасности, был предложен ряд дополнительных услуг. Некоторые из них пе-
речислены ниже:
• запрос на аутентификацию абонента, выполняемый диспетчером;
• выборочное прослушивание переговоров абонента уполномоченным
пользователем;
• приоритетный доступ с правом прерывания существующих соединений;
• установление приоритетности вызовов;
• удержание соединения - пользователь может отложить текущий разго-
вор, для того чтобы принять новый вызов, а затем вернуться к первому
соединению;
• идентификация вызывающего абонента;
• адресация по короткому номеру;
• динамическое создание, модификация и удаление групп пользователей.
12.4.2. Обобщенная архитектура системы TETRA
На рис. 12.4 изображена обобщенная архитектура системы TETRA и интер-
фейсы между ее различными блоками [8]. На этом рисунке также представлены
типы станций, используемых в системе TETRA, блоки управления, реестры и
возможные соединения с внешними сетями.
Подвижная станция включает в себя подвижную оконечную станцию
{Mobile Termination), представляющую собой радиотелефон, и терминальное обо-
рудование {Terminal equipment), позволяющее пользователю передавать данные.
Фиксированная станция {Line station) работает так же, как и подвижная
станция, однако, она подключена к инфраструктуре коммутации и управления
при помощи канала ISDN. Линейная станция может быть использована в корпо-
ративной сети в качестве диспетчерской станции.
Глава 12. Транкинговые системы
349
Подвижная станция
Оконечное |4| т нальное
~1 оборудование
14 Терминальное
Фиксированная
станция
Линейное
окончание
Терминальное
оборудование
12
Средства удаленного
управления
Подвижная станция
в режиме DMO
SwMI - подсис ема управления и коммутации
Управление
сетью
Управление
абонентами
BTS
LSC
Оборудо-
вание
локального
управления
Шлюзы I
PSTN ISDN PDN PTN
TETRA1
MSC
|омс|
Ретранслятор сигналов
в режиме DMO
PSTN ISDN PDN PTN
Транзитная
сеть для 13
Управление
сетью
TETRA 12 {
J j Шлюзы ।
W i А1!
$5 Транзитная
сеть для 15
Подвижная станция
в режиме DMO
Подвижная станция
в режиме DMO
I Подвижная станция [
в режиме DM О, ।
I выполняющая I
I функции шлюза {
13
Рис. 12.4. Обобщенная архитектура системы TETRA
с интерфейсами взаимодействия
Подсистема коммутации и управления (англ. Switching and Management Inf-
rastructure - SwMI) состоит из базовых станций (БС), главного центра коммута-
ции (англ. Main Switching Center-MSC), локальных центров коммутации10 (англ.
Local Switching Center-LSC) с реестрами местоположения (англ. Location Regis-
ters -LR) и центром эксплуатации и технического обслуживания (англ. Operation
and Maintenance Center — ОМС).
Таблица 12.1. Типы интерфейсов в системе TETRA
Обозначение интерфейса Функция интерфейса Обозначение интерфейса Функция интерфейса
11 Радиоинтерфейс 14 Интерфейс терминального оборудования
12 Интерфейс фикси- рованной станции 15 Интерфейс управления сетью
13 Межсистемный интерфейс 16 Радиоинтерфейс прямого (DMO) соединения
Часто называемого центральным коммутатором (прим. ред.).
350
Системы подвижной радиосвязи
Необходимо отметить возможность установления непосредственных^ сое-
динений между подвижными станциями без использования сетевой инфраст -
руктуры (англ. Direct Mode Operation - DMO). Существует некоторое количест-
во интерфейсов взаимодействия элементов системы. Типы интерфейсов приве-
дены в табл. 12.1.
12.4.3. Физический уровень системы TETRA
В системе TETRA установлены следующие стандартизованные параметры
физического уровня:
• ширина частотного канала - 25 кГц;
• реализация на каждой несущей частоте четырех каналов передачи речи/
данных в режиме TDMA с перемеженным каналом управления;
• прямые соединения между подвижными станциями возможны при огра-
ниченном расстоянии между этими станциями и с некоторыми другими
техническими ограничениями;
• выделение системе стандарта TETRA в странах Европы следующих час-
тотных диапазонов:
• восходящая линия связи: 380...390 МГц, нисходящая: 390...400 МГц;
• восходящая линия связи: 410.. .420 МГц, нисходящая: 420.. .430 МГц;
• восходящая линия связи: 450...460 МГц, нисходящая: 460...470 МГц;
• восходящая линия связи: 870...888 МГц, нисходящая: 915...933 МГц;
• определение типов абонентских устройств: ручные, переносные, монти-
руемые в транспортные средства, а также стационарные установки с воз-
можностью соединения с компьютером (модем для передачи данных со
скоростью 4800 бит/с);
• возможность использования более чем одного временного слота в час-
тотном канале шириной 25 кГц для передачи данных со скоростями до
28800 бит/с.
Коротко опишем физический уровень системы TETRA [5]. Рассмотрим сле-
дующие аспекты:
• организация пакетов и мультиплексирование логических каналов;
• кодирование, переупорядочение последовательностей, перемежение и
скремблирование;
• дифференциальное кодирование и модуляция.
11 Прямых (прим. ред.).
Глава 12. Транкинговые системы
351
Как ранее упоминалось, система работает в режиме TDMA с четырьмя фи-
зическими каналами на каждой несущей частоте, с разнесением несущих на
25 кГц. Основной единицей времени считается временной слот, равный 14,166 мс
(85/6 мс). Скорость передачи двоичной последовательности в одном слоте со-
ставляет 36 кбит/с. Таким образом, в одном слоте передается 510 битов или. что
то же самое, 255 четырехуровневых информационных символов. На рис. 12.5
изображена временная структура системы TETRA.
1 гиперкадр = 60 мулыикадров = 61,2 с
1 | 2 | 3 | 4 | 5~[~ ~Т Т I I 60
1 мультикадр = 18 TDMA-кадров = j,02 с
1 I 2 | 3 | 4 | 5 | ~~~ | 17 | 18 '
1 TDMA-кадр = 4 временных слота ~ 56,67 мс
Самый крупный элемент в иерархии - это гиперкадр. Он имеет длитель-
ность 61,2 с и состоит из 60 мультикадров. Каждый мультикадр длится 1,02 с и
состоит из 18 кадров. Каждый восемнадцатый кадр - управляющий. Каждый
кадр имеет длительность 56,67 = 170/3 мс и состоит из четырех слотов. Времен-
ные слоты в восходящей линии связи могут быть разделены на два субслота каж-
дый. Пакеты с информационными последовательностями передаются в грани-
цах одного временного слота. Существует несколько типов пакетов, к описанию
которых мы вернемся в конце этого параграфа.
В системе TETRA определены три типа физических каналов:
• физический канал управления (англ. Control Physical Channel - СР}. По
этому каналу передаются исключительно управляющие сообщения. Один
из физических каналов управления определен как основной канал управ-
352
Системы подвижной радиосвязи
ления (англ. Main Control Channel - МССН), а остальные называются до-
полнительными каналами управления (англ. Secondary Control Channel -
SCCH). Несущая, на которой передается основной канал управления, на-
зывается главной несущей. Канал МССН всегда передается в первом
временном интервале главной несущей;
• физический канал трафика (англ. Traffic Physical Channel - ТР). Предназ-
начен для реализации логических каналов трафика;
• свободный физический канал (англ. Unallocated Physical Channel - UP).
Предназначен для передачи вещательных или пустых сообщений.
В системе TETRA логические каналы организуются в соответствии с режи-
мами работы:
• при передаче данных:
• режим непрерывной нисходящей передачи (англ. Downlink Continuous
Transmission Mode -D-CT);
• режим нисходящей передачи с разделением времени доступа к несу-
щей (англ. Downlink Carrier Timesharing Mode - D-CTT)',
• режим нисходящей передачи с разделением времени доступа к глав-
ном каналу управления (англ. Downlink Main Control Channel Times-
haring Transmission Mode - D-MCCTT)',
• многослотовый режим передачи (англ. Multiple Slot Transmission
Mode — MTS)',
• в целях управления:
• нормальный режим управления (англ. Normal Control Mode-NCM)\
• минимальный режим управления (ант. Minimum Control Mode-MCM).
Режим D-CT обязателен для подвижных станций. Это означает, что подвиж-
ная станция должна уметь взаимодействовать с базовой станцией, работающей в
этом режиме. Режим NCM обязателен для всего оборудования системы TETRA.
Все подвижные станции должны поддерживать работу в минимальном режиме
управления.
В режиме D-СТ базовые станции передают непрерывные пакеты данных в
нисходящем направлении (на рис. 12.9 изображена структура пакетов в системе
TETRA). Передача на главной несущей - непрерывная, а на остальных же несу-
щих допускается дискретная передача пакетов.
В режиме D-CCT несущая частота может использоваться в нескольких со-
тах. Каждый из физических каналов на этой несущей частоте (реализованных в
четырех возможных временных интервалах) может быть выделен различным со-
там. В этом случае базовая станция выполняет прерывистую передачу пакетов
данных в нисходящем направлении.
Глава 12. Транкинговые системы
353
В режиме D-MCCTT основной канал управления совместно используется
несколькими сотами. Каждый кадр этого канала независимо выделен различ-
ным сотам.
В режиме MTS возможно выделение одному соединению от двух до четырех
физических каналов. Это позволяет повысить скорость передачи или выполнить
передачу смешанных двоичных потоков речи и данных.
Режим NCM требует выделения основного канала управления (МССН). При
этом обеспечивается полный набор функций управления. В режиме МСМ услу-
ги системы TETRA предоставляются в ограниченном виде. В этом режиме все
физические каналы каждой несущей частоты системы содержат каналы переда-
чи данных.
Рассмотрим последовательность подготовки сигнала к передаче по радиока-
налу (рис. 12.6).
Двоичный поток, поступивший из речевого кодера или терминала ввода
данных, подвергается канальному кодированию (блочному и/или сверточно-
му), перемежению и скремблированию. Тип кода с коррекцией ошибок и пере-
межения зависит от вида логического канала. Более подробно это иллюстриру-
ется на рис. 12.7. Аббревиатуры на рис. 12.7 расшифровываются следующим
образом:
• укороченный код RM -(30,14) код Рида-Маллера;12
12 Код Рида-Маллера (RM) представляет собой двоичный блочный код, эквивалентный
циклическому коду, к которому добавлен бит проверки четности всех битов кодового
слова. Укороченный (30,14) код РМ получается из (32,16) кода RM обнулением двух
информационных битов и отбрасыванием их при передаче.
354
Системы полвижнои ралиосвязи
• код RCPC - совместимый по скорости перфорированный сверточный
код (англ. Rate Compatible Punctured Convolutional Code — см. раздел 1),
который реализуется в системе TETRA в два этапа:
• первичное кодирование 16-уровневым материнским кодом с фикси-
рованной скоростью;
• перфорирование некоторых битов для получения требуемой ско-
рости кодирования.
SCH/HD,
AACH BSCH ТСН/4.8 ТСН/2.4 ТСН/7.2 BNCH, STCH SCH/HU SCH/F
30 битое 120 битое 432 битов 432 битое 432 битов 216 битое 168 битов 432 битов
Рис. 12.7. Кодирование с коррекцией ошибок, перемежение и скремблирование,
применяемые в различных логических каналах системы TETRA (V+D)
После кодирования и перемежения выполняется мультиплексирование би-
тов и формирование информационных полей пакетов соответствующего логиче-
ского канала. Полученный поток двоичных данных подвергается дифферен-
циальному кодированию и направляется на вход модулятора.
В отличие от системы GSM, в которой используется достаточно сложная
GMSK-модуляция, в системе TETRA применяется так называемая
л/4-ПрР8К-модуляция - вариант дифференциальной квадратурной фазовой ма-
нипуляции. Скорость потока данных равна 36 кбит/с. Двоичный поток разбива-
ется на дибиты, определяющие фазовый сдвиг относительно предыдущего
периода модуляции. Возможные варианты фазового сдвига - ±л/4 либо ±Зл/4.
Глава 12. Транкинговые системы
355
На рис. 12.8 изображены траектории сигнала для всех возможных комбинаций
дибитов в случае, когда цифровые символы формируются модулирующим
фильтром с характеристикой в виде корня квадратного из приподнятого косину-
са и коэффициентом сглаживания, равным 0,35. Несмотря на то, что модуляция
не обладает постоянной огибающей, ее колебания ограничены, и она никогда не
достигает нуля. Это помогает бороться с нелинейными искажениями, вносимы-
ми нелинейностью усилителей мощности подвижных станций. Модуляция
л/4-DQPSK уже применялась в американских TDMA-стандартах сотовой связи и
системах персональной связи IS-54/136 [6].
Рис. 12.8. Синфазная и квадратурная
компоненты передаваемого сигнала
(модуляция тг/4-DQPSK)
Стандартом TETRA [5] определен набор частотных каналов для передачи
данных в восходящем и нисходящем направлениях. В общих чертах эти частоты
задаются выражениями
+0,001G + 0,025(n-0,5), n = l,2,..„ N,
Fdw,„ =Fup,m^ +D, п = 1,2,..., N.
гдеF ,Fdw_п - n-ные частоты для передачи данных в восходящем и нисходящем
направлениях соответственно, МГц; G - защитный интервал, кГц; D - разнесе-
ние дуплексных частот.
Стандарт TETRA определяет классы подвижных и базовых станций, уро-
вень интермодуляционных искажений сигнала и нежелательного внеполосного
излучения. Установлено десять классов мощностей передатчика базовой стан-
ции - от 40 до 0,6 Вт, что эквивалентно уровням мощности от 46 до 28 дБм на
каждую несущую частоту. Для подвижных станций определено четыре13 класса
В настоящее время - семь (прим. ред.).
356
Системы подвижной радиосвязи
мощности - 30, 10, 3 и 1 Вт, что эквивалентно номинальному уровню мощности
45, 40, 35 и 30 дБм.
Как и в системе GSM, логический канал представляет собой логическое сое-
динение между двумя или более пользователями. Рассмотрим типы и назначение
логических каналов в системе TETRA.
Все логические каналы можно разделить на две категории:
• каналы трафика, предназначенные для передачи двоичных последователь-
ностей речевого сигнала или данных в режиме коммутации каналов;
• каналы управления, предназначенные для передачи сигнальных сообще-
ний и пакетов информации.
Существует несколько типов каналов передачи данных:
• трафик-канал для передачи речи (англ. Speech Traffic Channel - TCH/S)\
* трафик-канал для передачи данных в режиме коммутации каналов со ско-
ростью 7,2 (ТСН/7.2), 4,8 (ТСН/4.8) и 2,4 (ТСН/2.4) кбит/с.
При выделении одному соединению более одного временного интервала мож-
но получить более высокие скорости передачи данных - 9,6; 19,2 или 28,8 кбит/с.
Существует пять категорий каналов управления:
• циркулярный канал управления'^ (англ. Broadcast Control Channel -
ВССН) - однонаправленный канал, используемый всеми подвижными
станциями. По нему передается общая информация, необходимая всем
подвижным станциям. Выделяются два типа вещательного канала
управления:
• циркулярный канал передачи параметров сети (англ. Broadcast Ne-
twork Channel — BNCH), по которому информация о сети передается
подвижным станциям;
• циркулярный канал передачи параметров цикловой и тактовой син-
хронизации (англ. Broadcast Synchronization Channel - BSCH), по ко-
торому передается информация, необходимая для временной син-
хронизации и синхронизации скремблирования подвижных станций;
• каналы линеаризации (англ. Linearization Channel - LCH) используются
для линеаризации14 15 передатчиков базовых станций по каналу линеариза-
14 Русский перевод терминов согласно Руководящему документу РД.45-226-2001 (прим. ред.).
15 Линеаризация применяется к усилителю мощности подвижной станции, которому
вследствие энергетических ограничений источника питания приходится работать в
области нелинейности характеристик. Применяемая в системе TETRA модуляция не
обладает постоянной огибающей, что дает возможность использовать устройство вво-
да предыскажений, вносящее в сигнал перед его усилением искажения, позволяющие
обеспечить неизменность сигнала на выходе передатчика после прохождения через
усилитель мощности.
Глава 12. Транкинговые системы
357
1 временной слот =510 битов модуляции = 255 символов модуляции
субслот 1 = 255 битов = 127,5 символов субслот 2 = 255 битов = 127,5 символов
34 бита
Восходящий полупакет управления
мощностью (SSN1 или 2)
84 скремблиро- ванных бита Расширенная обучающая пос- 30 битов 84 скремблиро- I B's В fc. I I а> * I
Восходящий полупакет
управления мощностью (SSN1)
—I
।------ц
,, I Защитный!
Управление мощностью и линеаризация, 240 битов I интервал. I
I 15 битов I
—.—-----------------------------------------------1-_______I
Стандартный восходящий пакет
{ 0,94 мс
МОЩНОСТЬЮ и
34 бита
216
скремблированных
битов, блок 1
Обучающая
последова-
22 бита
216
скремблированных
битов, блок 2
• Регулировка
। фазы, биты
Стандартный нисходящий пакет
непрерывного канала
Регулировка
фазы, биты
12 4- 2 216 скремблированных битов, блок 1 14 -4- Обучающая последова- тельность. 22 бита 16 216 скремблированных битов илн битов управле- ния мощностью, блок 2 2 10
। Обучающая после-
} довательность, биты
Скремб ли рованные
биты, блок вещания
Обучающая после- ।
довательность, биты {
} Регулировка
1 фазы, биты
Регулировка {
фазы, биты {
Синхронизирующий нисходящий
пакет непрерывного канала
12 4- т 2 Коррекция 80 битов 120 скремблиро- синхронизации, блок 1 Обучающая последовательность синхронизации, 38 битов 30 4_ 216 скремблированных битов или битов управле- ния мощностью, блок 2 2 10
• Обучающая после-
{довательность, биты
Скремблированные
биты, блок вещания
Обучающая после-
довательность. биты
г Обучающая после-
। довательность, биты
Стандартный одиночный
нисходящий пакет
Регулировка
фазы, биты
Управление мощностью | ’0
и линеаризация, битов Г .
2 2 216 скремблированных битов, блок 1 14 Обучающая последова- тельность, 22 бита 16 -U 216 скремблированных битов, блок 2 2 2
8Х
Защитный
интервал,
битов
м мс
Скремблированные
биты, блок вещания
Обучающая после- [
довательность, биты I
Регулировка
фазы, биты
Управление мощностью
и линеаризация, битов
110
! Обучающая после- Синхронизирующий одиночный
! довательность, биты НИСХОДЯЩИЙ Пакет
2 2 Коррекция частоты, 80 битов 120 скремблиро- синхронизации. блок 1 Обучающая последовательность 38 битов 30 216 скремблированных битов, блок 2 2 2
8 I
Защитный
интервал,
битов
Скремблированные Обучающая после-
биты, блок вещания довательность, биты
Рис. 12.9. Структура пакетов в системе TETRA (V+D)
358
Системы полвижнои радиосвязи
ции базовой станции (англ. Base Station Linearization Channel - BLCH) и
передатчиков подвижных станций по каналу линеаризации абонентских
радиостанций (англ. Common Linearization Channel - CLCH),
• канал сигнализации (англ. Signaling Channel - SCH) используется всеми
подвижными станциями. Однако сообщения по этому каналу могут пере-
даваться одной подвижной станции или группе. В каждой базовой стан-
ции реализован, по крайней мере, один канал сигнализации. Существуют
следующие типы каналов сигнализации:
• полноформатный канал сигнализации (англ. Full Size Signaling
Channel - SCH/F) - двунаправленный канал, по которому передают-
ся полноразмерные сообщения;
• нисходящий канал сигнализации (англ. Half-size Downlink Signaling
Channel - SCH/HD) используется для передачи укороченных сооб-
щений с базовой станции на подвижные;
• восходящий канал сигнализации (сообщения укороченного формата,
направление «вниз») (англ. Half-size Uplink Signaling Channel -
SCH/HU) используется для передачи укороченных сообщений в вос-
ходящем направлении;
• канал предоставления доступа (англ. Access Assignment Channel - АА CH) -
нисходящий канал, описывающий распределение временных интервалов
для передачи данных в восходящем и нисходящем направлениях;
• канал управления на базе части ресурса трафик-канала (англ. Stealing
Channel — STCH) связан с каналом передачи данных и использует часть
его емкости для быстрой передачи сигнальной информации.
Как уже упоминалось ранее, информация в системе TETRA передается па-
кетами данных, как и в системе GSM. Пакет данных представляет собой физи-
ческое содержимое одного временного слота или субслота. Существует шесть
типов пакетов (рис. 12.9). Очевидно, что пакеты системы TETRA похожи на
многие пакеты системы GSM, описанные в разделе 7. Как и в системе GSM, в
середине пакета размещаются обучающие последовательности. Благодаря
меньшему количеству временных слотов в кадре, пакеты данных имеют боль-
шую длину и переносят большее количество битов, чем в GSM. В этих пакетах
реализованы дополнительные функции, особенно связанные с циркулярной
связью. Еще раз упомянем о линеаризации усилителя мощности и подстройке
частоты, которые производятся с помощью пакетов синхронизации.
* * *
В настоящем разделе рассматривались, главным образом, услуги, типы сое-
динений и физический уровень организации системы TETRA (Terrestrial Trun-
ked Radio). Более высокие уровни организации этой системы выходят за рамки
данного краткого обзора. Интересующийся читатель может обратиться к стан-
Глава 12. Транкинговые системы
359
дартам системы TETRA или ознакомиться с разделом книги [7], посвященным
этой системе. В работе [8] можно найти обзор различных систем транкинговой
радиосвязи.
ЛИТЕРАТУРА
1. J.G.Gibson (ed.), The Mobile Communications Handbook, CRC Press, Inc. and
IEEE Press, Boca Raton, Fl., 1996.
2. MPT 1327, A Signaling Standard for Trunked Private Land Mobile Radio Sys-
tem, 1988.
3. E.Juszkiewicz, «ACTIONET - A Nokia Trunking System», Przeglad Telekomunika-
cyjny (in Polish), 1995, pp. 265-270.
4. «EDACS - A Modern Radio Trunking System», Ericsson, 1996.
5. Draft ETS 300 392-2, Radio Equipment and Systems (RES); Trans-European Trun-
ked Radio (TETRA); Voice plus Data (V+D); Part 2: Air Interface (Al), Second Editi-
on, December 1999.
6. L.J.Harte, A.D.Smith, Ch.A.Jacobs, IS-136 TDMA Technology, Economics, and
Services, Artech House, Boston, 1998.
7. B.H.Walke, Mobile Radio Networks: Networking and Protocols, John Wiley &
Sons, Ltd., Chichester, 1999.
8. N.J.Boucher, The Trunked Radio and Enhanced PMR Radio Handbook, John Wiley
& Sons, Inc., New York, 2000.
Глава 13
ЦИФРОВАЯ БЕСШНУРОВАЯ ТЕЛЕФОНИЯ
Бесшнуровая телефония имеет большое значение не только потому, что
обеспечивает беспроводной доступ к сети связи; она явилась базой для созда-
ния других приложений, таких, как система беспроводного абонентского ра-
диодоступа (англ. Wireless Local Loop - WLL), которая рассмотривается в раз-
деле 14.
Бесшнуровая телефония позволяет пользователю устанавливать соединение
между телефонной трубкой (подвижной станцией)1 и базовой станцией, подклю-
ченной к сети ТфОП или к УПАТС2. Радиус действия бесшнуровых телефонов,
как правило, ограничивается несколькими сотнями метров. Предполагается, что
пользователь имеет низкую мобильность, т.е. передвигается пешком. Существу-
ет несколько стандартов бесшнуровой телефонии: СТ1, СТ2, СТЗ - Cordless Te-
lephony (беспроводная телефония), DECT - Digital Enhanced Cordless Telecom-
munications (цифровая улучшенная беспроводная связь), PACS - Personal Access
Communications System (система связи с персональным доступом), PHS-Perso-
nal Handyphone System (персональная система мобильной телефонии). Две по-
следние системы используются соответственно в США и Японии.
Простейшие варианты бесшнуровой телефонии используются во многих
жилых и офисных комплексах. Они отличаются друг от друга применяемыми
техническими решениями, уровнем сложности и стоимостью. Во многих из
них реализуется аналоговая дуплексная передача речи в режиме FDD с частот-
1 В бесшнуровой телефонии Росснн сложилась своя нормативная терминология. Так, ба-
зовая станция бесшнуровой связи называется базовый радиоблок (БРБ), подвижная
станция - абонентский радиоблок (АРБ). В зависимости от предназначения, АРБ мо-
жет обозначаться:
ПАРЕ - портативный абонентский радиоблок (соответствует англ. Handset)',
ТАРЕ - терминальный абонентский радиоблок (прим. ред.).
2 УПАТС - учрежденческо-производственная автоматическая телефонная станция (прим. ред.).
Глава 13. Шифровав бесшнуровая телефония
361
ной модуляцией. Чаще всего подвижная станция работает с одной базовой стан-
цией, а количество бесшнуровых телефонов в области охвата базовой станции
невелико. Канал передачи информации не защищен от прослушивания. В наи-
более примитивных системах один телефон может создавать помехи другому
или полностью его замещать. В более продвинутых - подвижная или базовая
станция в момент установления соединения ищет частоты, которые не задейст-
вованы под передачу данных в непосредственной близости от нее. Следующее
усовершенствование заключается в обмене паролями между подвижной и ба-
зовой станциями, для того, чтобы предотвратить установление соединения с
внешним («чужим») телефоном.
Т а б л и и а 13.1. Основные параметры стандартов СТ2, DECT, PACS и PHS
Система СТ2/СА1 DECT PACS PHS
Ширина спектра сигнала, МГц 4 20 PCS-диапазон США 23
Частотный диапазон, МГц 864...868 1880...1900 PCS-диапазон США 1895...1918
Разнесение несущих, кГц 100 1728 300 300
Метод доступа FDMA FDMA/ TDMA TDMA/ FDMA TDMA/ FDMA
Метод дуплексного разноса TDD TDD FDD TDD
Количество несущих 40 10 16 пар/10 МГц 77
Каналов на несущую 1 12 8 на пару 4
Количество каналов 40 120 - 308
Модуляция BFSK + гаусс. фильтр 72 кбит/с GMSK 1152 кбит/с тт/4-DQPSK 384 кбит/с л/4-DQPSK 384 кбит/с
Передача соединения Нет Есть Есть Есть
Кодирование речи ADPCM ADPCM ADPCM ADPCM
Передача вызова в обе стороны Нет Есть Есть Есть
Скорость передачи данных, кбит/с Радиус соты, м 32 30-100 32 30-200 32 32
Продолжительность, кадра, мс 2 10 2,5 5
Пиковая выходная мощность, мВт 10 250 200 80
362
Системы полвижнои ралиосвязи
В 1984 г. большинство европейских стран приняло стандарт СТ1 аналоговой
бесшнуровой телефонии; однако система СТ1 была ненадежной и не могла обес-
печить конфиденциальность разговора. Это дало стимул к развитию цифрового
кодирования речи, что, в свою очередь, увеличило технические возможности
бесшнуровых телефонов. Так появился стандарт СТ2. Он был дополнен стандар-
том радиоинтерфейса CAI (англ. Common Air Interface), принятым Министерст-
вом почты и телекоммуникаций Великобритании. В 1989 г. этот интерфейс был
описан в рамках британского стандарта МРТ 1375, а в 1991 г он был стандарти-
зирован ETSI. В нем учитывалась возможность взаимодействия бесшнуровых
телефонов и базовых станций различных производителей. Компанией Ericsson
был также представлен стандарт СТЗ, в котором были устранены некоторые не-
достатки стандарта СТ2; однако он не стал популярным, поскольку в Европе был
стандартизован DECT.
В табл. 13.1 приведены основные параметры стандартов CT2/CAI, DECT,
PACS и PHS.
13.1. СТАНДАРТ СТ2
Как уже отмечалось, стандарт СТ2 был разработан по инициативе Великоб-
ритании и напрямую связан с системой связи под названием Telepoint, предназ-
наченной для одночастотной связи подвижных абонентов с абонентами ТфОП.
Эта услуга была представлена в Великобритании в 1989 г. и не вызвала большого
интереса со стороны местных абонентов, однако стала весьма популярной в Гон-
конге и Сингапуре. Система Telepoint выделялась малогабаритными, недороги-
ми подвижными станциями малой мощности (около 10 мВт). Их можно было
использовать в коммерческих центрах и центральных частях городов, аэропор-
тах и железнодорожных вокзалах на расстоянии до 200 м от базовой станции.
Telepoint позволяла устанавливать только исходящие соединения и не поддер-
живала хэндовер. В последующих версиях систем СТ2 (стандарт СТ2+) были
реализованы вызовы в обе стороны и хэндовер [1], а также дополнительные
возможности, такие, как система отслеживания местоположения абонента для
установления связи.
В стандарте СТ2 40 каналов размещаются в частотном диапазоне 864,1-
868,1 МГц. Несущие разнесены на 100 кГц. На время соединения паре пользова-
телей выделяется одна несущая. Пользовательские потоки данных в обоих на-
правлениях передаются в дуплексном режиме с использованием метода времен-
ного дуплексного разноса (англ. Time Division Duplex - TDD) (рис. 13.1). Ско-
рость потока двоичных данных составляет 72 кбит/с.
Кадр системы СТ2 (рис. 13.2) состоит из блока данных, передаваемых от
базовой станции к абонентской, и блока данных, передаваемых в обратном
направлении. Длительность кадра - 2 мс. Каждый блок данных (слот) содер-
жит 64 бита пользовательской информации и 4 бита управляющей информа-
Глава 13. Пифровая бесшнуровая телефония
363
Рис. 13.1. Реализация дуплексной передачи в системе СТ2
Рис. 13.2. Структура кадра и временного слота в системе СТ2
(формат Multiplex 1.4)
G - защитный интервал; D - канал управления
ции, поделенной на две 2-битовые порции. Соседние блоки разделены защит-
ными интервалами длиной 3,5 и 4,5 бита. Суммируя все биты в блоках дан-
ных, передаваемых в восходящем и нисходящем направлениях, с добавлени-
ем защитных периодов, получаем 144 бита в 2-мс кадре. Это соответствует
скорости передачи данных 72 кбит/с. Несущая модулируется потоком данных
по методу BFSK (англ. Binary Frequency Shift Keying - двухчастотная мани-
пуляция) с гауссовским формированием частотных импульсов. При разносе
несущих на 100 кГц спектральная эффективность составляет 0,72 бит/с/Гц.
Речевой сигнал подвергается ADPCM-кодированию в соответствии с Реко-
мендацией ITU-T G.721 (см. раздел 1). Качество передачи речи в этом случае
сопоставимо с РСМ 64 кбит/с.
В СТ2 организована система трехуровневой сигнализации. Первый уровень
предназначен для установления двунаправленной радиолинии, выбора радиока-
нала и определения конфигурации уплотнения трех типов каналов, используе-
мых на различных этапах обмена данными. В-канал используется для передачи
речи и данных; D-канал - для передачи управляющей и сигнальной информа-
ции, а SYNC-канал - для обеспечения синхронизации как битовой, так и пакетов
данных). Все эти каналы упаковываются соответствующим образом в СТ2-кад-
364
Системы полвижной ралиосвязи
ры. В нижней части рис. 13.2 изображен так называемый формат Multiplex 1.4.
В формате Multiplex 1.2 в пакете содержится только 2 бита D-канала, а защитные
интервалы на концах пакета удлинены на 1 бит. Формат Multiplex 1 используется
для двухсторонней передачи информации (речи или данных) после завершения
процедур установления соединения и синхронизации.
Формат Multiplex 2 (рис. 13.3) применяется для установления соединения
между базовой станцией и отдельным АРБ3. Базовая станция использует D-ка-
нал для передачи своего идентификатора вызываемой подвижной станции и
SYNC-канал для синхронизации с ней. Слово СНМ содержит так называемый ка-
нальный маркер (англ. Channel Marker) и используется для назначения канала.
Установление канала подтверждается словом SYNC различным для подвижной
станции и для базовой станции.
1 мс = 72 бита
1 3 16 битов Преамбула Слово CHM/SYNC 16 битов 3!
1 G L D 10 битов 24 бита D g!
Рис. 13.3. Организация пакета СТ2 в формате Multiplex 2
Формат Multiplex 3 предназначен для установления соединения по ини-
циативе подвижного абонента. Подвижная станция вызывает базовую стан-
цию в течение 10 мс, передавая преамбулу, свой идентификатор и идентифи-
катор базовой станции, с которой требуется установить соединение. В тече-
ние следующих 4 мс АРБ прослушивает канал, ожидая ответного сообщения
со своим идентификатором и SYNC-сообщения от базовой станции. Обнару-
жение этих сообщений позволяет подвижной станции полностью синхрони-
зоваться с базовой станцией и переключиться в формат Multiplex 2 для обмена
с ней данными.
Сигнализация второго уровня связана с реализуемыми в канале управления
протоколами обнаружения и коррекции ошибок, подтверждения получения со-
общений, поддержания соединения и идентификации завершения соединения
[2]. Пакеты второго уровня состоят из 64-битового адресного слова и последова-
тельности информационных кодовых слов (от 0 до 5) длиной по 64 бита. Эти па-
кеты передаются по D-каналу. Если передавать нечего, то D-канал переходит в
состояние ожидания и передает чередующиеся единицы и нули. Сообщениям с
пакетами данных предшествует синхронизационный шаблон.
Наконец, сигнализация третьего уровня отвечает за безошибочную пере-
дачу телефонных сообщений по радиоканалу. Эти сообщения относятся к
См. сноску на с. 360.
Глава 13. Пифровая бесшнуровая телефония
365
клавиатуре мобильного телефона, его дисплею либо служат для доступа к
местной АТС.
Несмотря на существование более новых стандартов, СТ2 все еще привлека-
телен для некоторых приложений. Так, например, на его основе реализуются си-
стемы беспроводного абонентского радиодоступа. Он может успешно использо-
ваться как в жилых комплексах, так и в бесшнуровых системах с локальной АТС,
обеспечивающей связь в корпоративных комплексах, складах и т.д.
13.2. СИСТЕМА DECT
Как и система GSM, система DECT возникла в результате работы комитета
стандартизации ETSI. Она описывается серией стандартов под названием Об-
щий интерфейс (англ. Common Interface), в которых сформулированы общие
принципы работы системы [3], а также определены физический уровень (англ.
Physical Layer -PHL) [4], уровень управления доступом к среде передачи (англ.
Media Access Control-MAC) [5], уровень управления звеном данных (англ. Data
Link Control -DLC) [6], сетевой уровень (англ. Network Layer-NKW) [7], иденти-
фикация и адресация, средства обеспечения конфиденциальности, кодирование
и передача речи, профили общественного доступа и приемосдаточные испыта-
ния (см. также другие стандарты в сериях EN 300 175 и 176).
Как и СТ2, система DECT реализует радиосвязь с фиксированными сетя-
ми в областях с плотным телекоммуникационным трафиком. Система состоит
из недорогих и небольших переносных радиотелефонов - ПАРЕ, которые мо-
гут устанавливать связь с базовыми станциями, расположенными неподалеку
(см. табл. 13.1). Технология DECT может использоваться в следующих системах:
• телефонные сети в жилых помещениях;
• небольшие корпоративные системы с одним абонентским узлом и одной
сотой;
• большие корпоративные системы с множеством абонентских узлов и
большим количеством сот;
• общественные системы беспроводного доступа;
• системы беспроводного доступа к локальным вычислительным сетям
(англ. Wireless Local Area Network - WLAN)',
• системы беспроводного абонентского доступа (WLL).
13.2.1. Архитектура DECT
В основе структуры системы DECT лежат микросоты с радиусом в несколь-
ко сот метров. В этих сотах АРБ - переносные устройства (англ. Portable
366
Системы подвижной радиосвязи
Parts — РР) - связываются со стационарными устройствами БРБ (англ. Fixed
Parts - FP). В системе DECT допускается перемещение подвижных станций со
скоростью до 20 км/ч. На рис. 13.4 изображена базовая архитектура этой сис-
темы. Кроме того, система включает в себя управляющий контроллер (УК)
(англ. DECT Fixed System - DFS), который управляет всеми базовыми станция-
ми. Доступ к внешним сетям осуществляется при помощи БКС - блока комму-
тации и сопряжения, (англ. Interworking Unit-IWU\ Управление пользователь-
скими соединениями осуществляется при помощи простой базы данных (англ.
Data Base - DB), соединенной с системой DFS4 5.
Базовые
РР
Подвижные радиостанции -
переносные устройства (РР)
Рис. 13.4. Типовая конфигурация системы DECT
{PSTN
ISDN
Х.25
Х.400
Конкретная конфигурация системы DECT зависит от ее размера и области
применения. В системах, предназначенных для работы в жилых помещениях,
используется одна базовая станция - БРБ и несколько АРБ, работающих в преде-
лах одной соты. Беспроводные УПАТС и системы Telepoint могут работать с не-
сколькими базовыми станциями (рис. 13.4). Наконец, крупные и/или распреде-
ленные системы могут иметь несколько подсистем управления (англ. Subsystem
Control Unit-SCU), управляющих некоторым количеством БРБ. Блоки SCU сое-
динены друг с другом опорной магистральной сетью [11]. УК управляет работой
всей системы.
На рис. 13.5 изображен пример использования технологии DECT в беспро-
водной УПАТС (англ. Wireless Private Branch Exchange - WPABX) [8]. Система
4 В терминологии других систем СПС - блок межсетевого взаимодействия (прим. ред.).
5 Конструктивно БКС и УК часто объединяются в единый блок, а в домашнем бесшнуро-
вом телефоне там же размещается БРБ (прим. ред.).
Глава 13. Шифровав бесшнуровая телефония
367
Рис. 13.5. Типовая конфигурация системы WPABX 18]
(с разрешения Alcatel Telecommunications Review)
WPABX включает в себя не только центральный контроллер, но и необходимые
интерфейсы взаимодействия с сетями и оборудованием, в которых не использу-
ется технология DECT. Через базовые станции каждый DECT-интерфейс конт-
ролирует некоторое количество АРБ, работающих в областях покрытия БРБ.
13.2.2. Физический уровень DECT
Основные технические параметры физического уровня системы DECT
приведены в табл. 13.1. Заметим, что DECT работает в режиме TDMA/TDD
(рис. 13.6). Двенадцать дуплексных каналов размещаются в 10-мс кадре, разде-
ленном на 24 временных интервала (слота). Первые 12 слотов используются
Частота
DECT
TDMA/TDD
J
1,728 МГц
llinii.4 00Я00Е1].!ЕПа0 4 00И00ШШЕ1
Рис. 13.6. Реализация дуплексной передачи в системе DECT
368
Системы полвижнои ралиосвязи
для передачи данных в нисходящем направлении, остальные 12 - в восходящем.
Временная структура размещенных в интервалах пакетов данных определяет
достаточно высокую суммарную скорость передачи информации в системе
DECT - 1152 кбит/с. Скорость потока данных в одном канале, реализованном в
конкретном временном слоте, намного ниже и составляет до 32 кбит/с в канале
передачи данных (так называемом В-полё) и до 6,4 кбит/с в А-поле, используемом
для управления и сигнализации. На рис. 13.7 изображена структура типового
DECT-пакета. Помимо этих пакетов стандарт DECT содержи! короткие физиче-
ские пакеты длиной 96 битов, которые размещаются в полуинтервалах (длиной
180 битов), и длинный пакет длиной 900 битов, требующий двойного временно-
го интервала. Разделенный на 24 временных слота кадр представляет собой
структурную единицу DECT-мультикадра. Мультикадр состоит из 16 кадров и
длится 160 мс.
Рис. 13.7. Структура пакета в системе DECT
Н - заголовок; PC - биты контроля четности; CRC - биты циклического избыточного
кода контроля четности; G - защитный интервал
Пакет данных занимает один временной слот длительностью 0,417 мс, что
соответствует 480 битам. Пакет содержи!' 420 битов, поэтому время, необходи-
мое для передачи 60 битов, фактически используется как защитный интервал.
Как и в системе GSM, защитный интервал используется для нейтрализации не-
точностей расположения пакета в рамках временного интервала и для включе-
Глава 13. Пифровая бесшнуровая телефония
369
ния и выключения усилителя мощности АРБ. 420-битовый пакет начинается с
16-битовой преамбулы и 16-битовой синхропоследовательности. Следующие
388 битов разделены на 64-битовое поле управления и сигнализации (J-поле) и
320-битовое информационное поле (.6-поле). Пакет заканчивается 4-битовым
CRC-блоком контроля четности всего пакета. Поскольку поле управления и сиг-
нализации чрезвычайно важно для надежной и бесперебойной работы всей сис-
темы, оно имеет 8-битовый заголовок, 40-битовый блок служебных данных и
16-битовый CRC-блок, который представляет собой результат применения
(63,48) кода БЧХ с коррекцией ошибок, дополненный битом суммарной четно-
сти. Этот код позволяет обнаружить до пяти случайных ошибок, все пакеты оши-
бок длиной до 16 битов и все последовательные комбинации ошибок при не-
четном их количестве. В зависимости от фазы текущего мультикадра, блок
управления и сигнализации содержит различные сообщения, связанные с рабо-
той МАС-уровня:
• идентификационная информация - базовая станция передает свой иден-
тификацоионный номер АРБ;
• системная информация и маркер мулыпикадра - передается один раз в
каждом мультикадре для синхронизации АРБ и содержит информацию о
БРБ;
• пейджинговая информация - базовая станция пересылает широковеща-
тельную информацию, а также некоторую информацию МАС-уровня;
• управляющая информация МАС-уровня - используется для установления
соединения, его поддержания и разрыва, а также для обслуживания за-
просов на хэндовер;
• управляющая информация высших уровней.
5-поле может быть защищено кодом с упреждающей коррекцией ошибок
(БЕС) или оставаться незащищенным (см. рис. 13.7). При использовании
FEC-кодирования пользовательские данные разделяются на четыре 64-битовых
блока, к каждому из которых прибавляется 16-битовый CRC-блок.
Двоичные данные передаются по радиоканалу при помощи GMSK-модуля-
ции со значением ВТ= 0,56. Такой сигнал демодулируется в некогерентном при-
емнике без адаптивного корректора многолучевости канала распространения
сигнала. Поскольку время передачи одного бита со скоростью 1152 кбит/с со-
ставляет 0,868 мкс, а приемник без подавления межсимвольной интерференции
допускает задержку сигнала на 10% времени передачи одного символа, то эта за-
держка не может превышать 200-300 нс. Это значение соответствует 100-метро-
вому расстоянию между различными путями распространения сигнала. Такое
Напомним, что В - это 3-дБ ширина полосы пропускания фильтра с гауссовой характе-
ристикой, а Т— длительность одного бита.
370
Системы полвижнои ралиосвязи
условие выполняется при большинстве типов окружающей среды для сота с ра-
диусом около 200 м. Во всех остальных случаях расположение БРБ должно тща-
тельно планироваться7, поэтому возникает необходимость в секторных антен-
нах. Антенны базовых станций должны иметь коэффициент усиления около
22 дБи [9]. Отношение уровней мощности сигнал/помеха на несущей частоте
должно составлять не менее 10 дБ.
В системах DECT возможен как внутрисотовый, так и межсотовый хэндо-
вер. Необходимо, чтобы время между двумя хэндоверами составляло не менее
3 с. Это позволяет предотвратить ненужные смены каналов и переходы в другие
соты, возможные из-за того, что в DECT реализуется динамическое выделение
каналов. Хэндовер выполняется с учетом перечисленных ограничений в случае,
если АРБ получает с другой базовой станции сигнал большей мощности, чем с
текущей, или если другой канал в той же соте может обеспечить лучшее качество
связи [10].
13.2.3 . МАС-уровень DECT
Уровень управления доступом к среде передачи (англ. Media Access Control —
МАС) чрезвычайно важен для работы всей системы DECT. Он решает следую-
щие задачи:
• управление ресурсами системы;
• мультиплексирование каналов сигнализации;
• защиту от ошибок.
Первая задача МАС-уровня заключается в создании, поддержании и осво-
бождении радионесущих путем выделения и освобождения физических кана-
лов. Управление ресурсами системы осуществляется путем динамического
распределения каналов (англ. Dynamic Channel Allocation - DCA). При этом
имеется возможность выделения одному соединению более одного временного
слота в кадре.
В разделе 5 говорилось о том, что в основе фиксированного статистическо-
го распределения каналов лежит постоянное распределение их по сотам системы
подвижной связи, учитывающее ожидаемую интенсивность трафика в каждой
соте. Однако в системах с пико- и микросотами может временно возникнуть си-
туация, когда количество подвижных станций в конкретной соте превышает ее
емкость, определяемую количеством выделенных каналов, в то время как в со-
седних сотах часть несущих не используется. Динамическое распределение ка-
Это не означает, что нужно планировать распределение частот по каналам, как это де-
лается в классической сотовой телефонии. В системах DECT осуществляется динами-
ческое выделение каналов (см. раздел 5).
Глава 13. Пифровая бесшнуровая телефония
371
налов позволяет обойти этот недостаток. Каналы динамически распределяются
по сотам с учетом нужд пользователей. Однако такое распределение каналов
нельзя считать полностью свободным, поскольку требуется постоянный монито-
ринг уровня помех, чтобы определить, не является ли расстояние между разными
сотами, использующими один и тот же канал, слишком малым.
Каждый БРБ (FP) посылает маркерный сигнал (beacon signal), который гово-
рит о том, что по крайней мере один канал этой базовой станции активен. По это-
му каналу транслируется системная информация и идентификатор базовой стан-
ции. АРБ (РР), находящийся в состоянии ожидания, настраивается на БРБ с самым
сильным сигналом и принимает пейджинговые сообщения со всех активных ра-
диоканалов. АРБ, желающий установить соединение, сканирует каналы, пока не
находит маркерный сигнал. Во временном слоте того же канала, предназначен-
ном для передачи в восходящем направлении, АРБ отправляет сообщение с за-
просом на установление соединения (выделение несущей частоты и временного
слота, в котором выполняется обмен информацией). БРБ отвечает по тому же са-
мому каналу (во временном интервале, предназначенном для передачи данных в
нисходящем направлении). Во время установленного соединения, благодаря ис-
пользованию TDMA, АРБ имеет достаточно времени для систематического по-
иска других каналов с требуемым отношением сигнал/шум. При необходимости
он запрашивает разрешение переключиться на новый канал в той же самой или в
другой соте. Как видим, благодаря активному участию АРБ в поиске новых кана-
лов, в системе DECT реализуется децентрализованное динамическое распреде-
ление каналов.
Вторая задача МАС-уровня, т.е. мультиплексирование каналов сигнализации,
сводится к управлению передачей соответствующих сигнальных сообщений в
Л-поле пакетов. Мультиплексирование каналов сигнализации связано с номером
текущего кадра в мультикадре. Третья задача МАС-уровня - коррекция ошибок -
рассматривалась при описании пакетной структуры DECT.
Заметим, что в системе DECT существует возможность выделения одному
соединению нескольких временных слотов. Количество слотов, выделенных
восходящей и нисходящей линиям связи, может различаться. Это позволяет ис-
пользовать стандарт DECT в локальных вычислительных сетях.
13.2.4 . Взаимодействие систем DECT и GSM
Как уже отмечалось, системы DECT устанавливаются не только в жилых и
офисных комплексах, но и в общественных местах, характеризующихся особен-
но высокой плотностью трафика, например, в аэропортах, на железнодорожных
вокзалах и в деловых районах городов. Система DECT также может использо-
ваться совместно с системой сотовой связи, особенно с GSM (рис. 13.8). Для это-
го требуются специальные двухсистемные подвижные станции GSM/DECT.
Двухсистемный телефон работает как телефон GSM там, где доступна система
GSM или при передвижении абонента с высокой скоростью. В охваченных сис-
372
Системы подвижной радиосвязи
Рис. 13.8. Схема взаимодействия систем DECT и GSM
темой DECT районах с более плотным трафиком, в которых система GSM не мо-
жет обслужить всех абонентов, двухсистемный телефон может переключаться в
режим DECT. В районах с GSM-покрытием могут быть дополнительно размеще-
ны «островки» системы DECT. Фиксированная часть системы DECT (УК)
соединена с центром коммутации подвижной связи (MSC) через БКС (см.
рис. 13.8). БКС взаимодействует с MSC с использованием Л-интерфейса сис-
темы GSM. Задачей БКС является трансляция8 протоколов управления мо-
бильностью и связью системы DECT в соответствующие протоколы системы
GSM и обратно. MSC GSM воспринимает УК/БКС как контроллер базовой
станции. Взаимодействие этих двух систем было стандартизовано ETS1 пу-
тем введения профиля взаимодействия GSM. В объединенной системе
DECT/GSM предоставляются услуги передачи данных и SMS.
13.2.5 . Описание типового абонентского
радиоблока системы DECT
В этом параграфе рассматривается блок-схема стандартного АРБ DECT, со-
ответствующая структуре, представленной в работе [8].
Приемопередатчик носимой части телефонного аппарата DECT можно
разделить на радиочастотный блок и блок управления и цифровой обработки
модулирующего сигнала (рис. 13.9).
В блоке передатчика аналоговый речевой сигнал конвертируется в циф-
ровую форму 13-битовым линейным аналогово-цифровым преобразовате-
лем, работающим с частотой 8 кГц. Затем цифровые фрагменты речевого сиг-
нала подвергаются ADPCM-кодированию (см. раздел 1), что приводит к появ-
лению потока данных со скоростью 32 кбит/с. Биты данных упаковываются
Преобразование (прим. ред.).
Глава 13. Пифровая бесшнуровая телефония
373
Рис. 13.9. Блок-схема типового абонентского радиоблока системы DECT
1 - активный режим/режим ожидания; НРА - усилитель мощности; BPF - полосовой
фильтр; LNA - малошумящий усилитель
блоком сборки пакетов в 320-битовые В-поля DECT-пакетов. В Л-полях паке-
тов размещаются сигнальные и управляющие сообщения. Сформированные
пакеты направляются в радиочастотный блок передатчика. Двоичный поток
данных формируется гауссовским фильтром и направляется на вход частотно-
го модулятора, генерирующего GMSK-сигнал, который затем сдвигается в час-
тотный диапазон 1880-1900 МГц. Этот сигнал усиливается и направляется на
антенну через циркулятор или активный переключатель.
Принимаемый антенной сигнал направляется в приемный блок, где он филь-
труется и усиливается усилителем с низким уровнем собственных шумов. Затем
сигнал переводится на первую промежуточную частоту, фильтруется и перево-
дится на вторую промежуточную частоту, после чего он обрабатывается в неко-
герентном демодуляторе, который, как правило, представляет собой частотный
дискриминатор9. Восстановленный TDMA-пакет обрабатывается в логической
цепи, которая выделяет управляющие и сигнальные сообщения и 320-битовый
блок данных, представляющий речевой сигнал. Полученный сигнал направляет-
ся в ADPCM-декодер и после преобразования в аналоговый вид отправляется на
динамик телефонного аппарата.
Передающий и принимающий блоки управляются контроллером, кото-
рый работает с протоколами передачи данных, сигнализацией, управляет ра-
диочастотным блоком и пользовательским интерфейсом-клавиатурой, дисп-
леем и устройством звуковой сигнализации. Существуют специальные сигна-
лы, которые активируют и дезактивируют передающий и принимающий
блоки, управляют уровнем излучаемой мощности и выбирают синтезируемую
Это не единственный, но наиболее дешевый метод демодуляции, используемый в сис-
теме DECT.
374
Системы полвижнои ралиосвязи
несущую частоту. Управление различными блоками мобильного телефона в
режиме ожидания имеет большое значение и влияет на время между подзаряд-
ками батареи.
13.3. PACS - СИСТЕМА ПЕРСОНАЛЬНОЙ СВЯЗИ
Система персональной связи (англ. Personal Access Communications System -
PACS) - это американский аналог системы DECT. В основе большинства стан-
дартов PACS лежит система беспроводной связи (англ. Wireless Communicati-
ons System - WACS) Bell Communications Research. Существует три версии сис-
темы PACS:
• версия, обозначаемая PACS, которая работает в режиме FDD в лицензи-
рованных диапазонах PCS (англ. Personal Communications System)
1850...1910 и 1930...1990 МГц;
• версия, известная под названием PACS-UB, которая работает в режиме
TDD в нелицензированном диапазоне 1910... 1930 МГц аналогично систе-
ме PACS;
• система PACS-WUPE (англ. Wireless User Premises Equipment), основан-
ная на японской системе PHS (см. следующий параграф).
Основные параметры системы PACS приведены в табл. 13.1. Система PACS
обладает теми же преимуществами, что и DECT. Для нее характерны небольшие
и недорогие базовые станции (радиопорты, англ. Radio Ports - RP) с малой обла-
стью покрытия, маломощные небольшие мобильные телефоны с невысокой
вычислительной сложностью и способность предоставлять телекоммуникаци-
онные услуги с таким же качеством и надежностью, как в проводных система
связи. Система PACS оптимизирована для предоставления услуг внутри поме-
щений и в местах с высокой плотностью трафика, поэтому в таких районах она
представляет собой экономически эффективное решение. Простота используе-
мого радиопротокола позволяет легко объединять блоки системы PACS с сото-
выми мобильными станциями любой системы, действующей на территории
Америки, например, AMPS, IS-95,1S-136 или PCS 1900.
Мобильные телефоны PACS (абонентские блоки, англ. Subscriber Unit -
SU) взаимодействуют с базовыми станциями (радиопорты, англ. Radio Pons -
RP) в режиме TDMA/FDD (рис. 13.10). Радиопорты соединены с блоками
управления радиопортами (англ. Radio Port Control Unit-RPCU). Канал между
RP и RPCU реализуется на основе главного уровня иерархии РСМ (протокол Т1
в Америке со скоростью передачи данных 1,544 Мбит/с или Е1 в остальных
странах, в которых используется РСМ-30/32) или на основе протокола HDSL
(англ. High-speed Digital Subscriber Line). Радиопорты, которые по существу
выступают в роли радиомодемов, питаются от местной телефонной станции по
линии HDSL. Это устраняет необходимость в автономном источнике питания.
Глава 13. Пифровая бесшнуровая телефония
375
Рис. 13.10. Упрошенная архитектура системы РАС
Радиопорты и мобильные телефоны системы PACS имеют настолько простую
структуру, насколько это возможно, для того чтобы потребление электроэнер-
гии было минимальным. Пиковая излучаемая мощность мобильного телефона
составляет 200 мВт, а средняя мощность - 25 мВт. Большая часть электронных
и вычислительных устройств расположена в блоках RPCU. Менеджер доступа
(англ. Access Manager - AM) - это блок, который решает задачи, связанные с
сетью: ищет удаленные базы данных с информацией о пользователях в роумин-
ге, участвует в установлении соединений и доставке вызовов, координирует пе-
редачу соединений между различными блоками RPCU и управляет радиопорта-
ми. Менеджер доступа может представлять собой отдельный блок, быть совме-
щенным с блоком RPCU или с другими элементами сети.
Резервный бит
Управление
мощностью
Рис. 13.11. Структура восходящего и нисходящего кадров в системе PACS
376
Системы подвижной радиосвязи
Радиопередача данных в системе PACS осуществляется в виде 2,5-мс кад-
ров, состоящих из восьми временных интервалов (рис. 13.11). Пятый интервал
каждого кадра используется для передачи системной информации со скоростью
16 кбит/с по каналу системного вещания (англ. System Broadcast Channel - SBC).
В физическом канале SBC реализуются три логических канала: канал преду-
преждения (англ. Alerting Channel-АС), предназначенный для информирования
PACS-телефонов о входящих вызовах, канал системной информации (англ. Sys-
tem Information Channel-SIC), по которому распространяется системная инфор-
мация (идентификаторы, таймеры, константы протоколов), и канал приоритет-
ного вызова (англ. Priority Request Channel - PRC), используемый мобильными
телефонами для передачи экстренных вызовов.
Один временной интервал вмещает 120 битов, таким образом, скорость пе-
редачи данных составляет 384 кбит/с. Из 120 битов только 80 используются для
передачи пользовательской информации в формате быстрого канала (англ. Fast
Channel - FC). Остальные 40 вспомогательных битов пакета передачи данных в
нисходящем направлении используются следующим образом:
• 14 битов - для синхронизации;
• 10 битов медленного канала (англ. Slow Channel — SC) — для дополнитель-
ной синхронизации, индикации ошибок в словах, передачи сигнальных
сообщений и абонентской информации;
• 15 CRC-битов - для детектирования ошибок;
• 1 бит - для регулировки излучаемой мощности мобильного телефона.
В свою очередь, пакет передачи данных в восходящем направлении органи-
зован следующим образом:
• 12 битов представляют собой защитный интервал;
• 2 бита используются для передачи опорного символа дифференциально-
го кодирования (DC) л/4-рР8К-модуляции, используемой в системе
PACS;
• 10 битов медленного канала (SC);
• 80 битов пользовательской информации (FC);
• 15 CRC-битов;
• 1 бит зарезервирован для других приложений.
80 битов пользовательской информации в каждом кадре соответствует ско-
рости передачи данных 32 кбит/с. Этой скорости достаточно для реализации
ADPCM-кодирования речи. Система PACS также предоставляет каналы со ско-
ростями 16 и 8 кбит/с. Для достижения скоростей передачи данных, превыша-
ющих 32 кбит/с, в одном кадре может использоваться два и более временных
интервалов.
Глава 13. Пифровая бесшнуровая телефония
377
Интересная особенность передачи данных в системе PACS - это разнесен-
ный прием, используемый как в мобильных телефонах, так и в базовых станци-
ях (радиопортах). В мобильных телефонах используется так называемое пред-
варительное разнесение. Мобильный телефон производит измерения в ходе
непрерывной передачи данных в нисходящем направлении. Поэтому перед по-
лучением пакета телефон может выбрать антенну, которая обеспечит лучшее
качество приема. При передаче данных в восходящем направлении базовая
станция использует разнесение приемников - она выбирает тот приемник, кото-
рый принимает более качественный сигнал. Дополнительно мобильный теле-
фон и базовая станция применяют разнесение с переключением передатчиков.
Они информируют друг друга о наличии ошибок в принятых пакетах. Если
ошибки имели место, то передатчик выбирает другую антенну для передачи
следующего пакета.
Наряду с физическим уровнем организации стандарт PACS определяет не-
которые системные функции, необходимые для реализации доступа к радиока-
налам и сетевых функций.
Первая группа функций связана с поддержанием радиоканала и соответст-
вующими измерениями. Для поддержания качества радиосвязи во время разго-
вора регулируется излучаемая мобильным телефоном мощность и проводятся
необходимые измерения. Наряду с уровнем радиосигнала определяется отноше-
ние сигнал/шум и количество ошибочных битов в каждом временном интервале.
На основании этих измерений система PACS может производить несколько ти-
пов автоматической передачи соединения (англ. Automatic Link Transfer - ALT).
Автоматическая передача соединения представляет собой переход на другой
временной интервал в том же самом кадре или на другую базовую станцию. В за-
висимости от того, какой блок управляет работой новой и текущей базовой стан-
ции, процедура передачи соединения может быть более или менее сложной.
Простейшая процедура выполняется при передаче соединения между двумя ба-
зовыми станциями, контролируемыми одним и тем же блоком RPCU. Передача
соединения между базовыми станциями, принадлежащими разным блокам
RPCU и менеджерам доступа, более сложна.
Система также выполняет функции, связанные с управлением мобильно-
стью пользователей. После включения питания и при переходе из одной реги-
страционной области в другую мобильный телефон регистрируется в визит-
ном регистре местоположения (англ. Visited Location Register - VLR). Из ре-
гистра VLR данные о текущем местоположении пользователя передаются в
регистр HLR (англ. Ноте Location Register). Исключение пользователя из ре-
гистра VLR может производиться в двух случаях. В первом случае мобиль-
ный телефон исключается из VLR, если он не перерегистрировался в течение
определенного периода времени. Во втором случае мобильный телефон иск-
лючается, если он не ответил на периодический запрос системы за определен-
ное время.
Прочие выполняемые системой PACS функции связаны с идентификацией
пользователей и шифрованием данных, передаваемых по радиоканалу. В систе-
378
Системы подвижном радиосвязи
ме PACS реализуются также сервисные функции, связанные с поддержкой вызо-
вов с мобильных телефонов, доставкой вызовов на эти телефоны и некоторыми
дополнительными услугами.
Частоты для базовых станций планируются в системе PACS автоматически.
Такое автоматическое выделение частот называется квазистатическим авто-
номным распределением частот (англ. Quasi-Static Autonomous Frequency Assig-
nment- QSAFA). Это итерационная процедура, которую выполняет блок управ-
ления несколькими радиопортами (RPCU). В ней используются результаты из-
мерений, проведенных приемопередатчиками радиопортов [12].
13.4. PHS - ПЕРСОНАЛЬНАЯ СИСТЕМА
МОБИЛЬНОЙ ТЕЛЕФОНИИ
PHS (англ. Personal Handyphone System) - это японский аналог систем
DECT и PACS. Основные параметры этой системы приведены в табл. 13.1. Сис-
тема PHS используется в тех же приложениях, что и системы DECT, СТ2 и
PACS. На рис. 13.12 изображены различные конфигурации системы PHS для
применения дома, в офисе и в общественных местах. Стоит обратить внимание
на то, что система PHS соединена с сеть ISDN, хотя существуют и полностью
автономные сети PHS. Система PHS предлагает передачу речевого сигнала со
скоростью 32 кбит/с ADPCM-кодированием, факсов группы 3 со скоростями
2,4-4,8 кбит/с и дуплексную модемную передачу данных со скоростями от 2,4
(/„-интерфейс
В/?-интерфейс
Дом
Офис
Сети общего
пользования
Рис. 13.12. Приложения системы PHS
CS - сотовая станция; PS - персональная станция; US - пользовательская станция;
BR - базовая скорость; PR - главная скорость; I - интерфейс между станцией CS и
цифровой сетью; БД - база данных
Глава 13. Пифровая бесшнуровая телефония
379
до 9,6 кбит/с. Также существует возможность передавать данные со скоростя-
ми 32 и 63 кбит/с.
Выделенный спектр (1895...1918,1 МГц) поделен на 77 частотных каналов
шириной по 300 кГц. Из 77 частот 40 отведено под услуги связи общего пользо-
вания, а остальные 37 предназначены для использования в домашних и офисных
системах. Цифровая передача данных организована в режиме TDMA/TDD. В од-
ном кадре реализовано четыре дуплексных канала. Первые четыре временных
интервала предназначены для передачи данных в нисходящем направлении, а
остальные - для передачи в восходящем направлении. На рис. 13.13 изображена
организация кадра и его содержимое в случаях передачи данных и управляющей
информации.
Слот физического канала управления
4 2 62
R SS PR
32
Уникаль-
ное слово
42 или 70
Заголовок
62 или 34 16 16
Информация CRC
240 битов = 625 мкс
Рис. 13.13. Форматы временных интервалов и кадров в системе PHS
Один временной интервал вмещает 240 битов. Каждый интервал начинается
с 4-битового периода нарастания сигнала (R), в течение которого персональная
станция (англ. Personal Station-PS) или сотовая станция (англ. Cell Station - CS)
включает свой передатчик. Затем идет 2-битовый стартовый символ (англ. Start
Symbol - S3), служащий опорным символом для л/4-DQPSK-демодуляции. Сле-
дующее поле используется для синхронизации временных слотов. Уникальное
слово представляет собой известную заранее двоичную последовательность,
различающуюся для восходящих, нисходящих каналов и каналов управления;
используется для детектирования перечисленных каналов, а также, совместно с
CRC-блоком, для обнаружения ошибок. Поле идентификатора канала (англ.
Channel Identifier - CI) содержит информацию о типе логического канала, пере-
даваемого в данном интервале. Информационное поле содержит пользователь-
скую последовательность данных. В физических пакетах управления перед этим
380
Системы подвижной радиосвязи
полем стоит заголовок с адресами станции CS или CS и PS. Пакет заканчивается
16-битовым CRC-блоком. Остальная часть слота - 16 битов - используется в ка-
честве защитного интервала.
ТСН
(Каналы трафика)
ССН
(Каналы управления)
Общие ВССН .Г* РСН
Индивидуальные И- SCCH UPCH г* SACCH
AVVI 1 * I L* FACCH
Рис. 13.14. Структура логических каналов системы PHS
В системе PHS используются логические каналы (рис. 13.14):
• канал трафика (англ. Traffic Channel-ТСН) - двунаправленный канал ти-
па «точка-точка» для передачи пользовательских данных;
• вещательный канал управления (англ. Broadcast Control Channel —
ВССН) - нисходящий канал, при помощи которого станция CS осущест-
вляет вещание управляющей информации - структуры каналов, систем-
ной информации и системных ограничений;
• общий канал управления (англ. Common Control Channel — СССН) ис-
пользуется для передачи управляющей информации, необходимой
для установления соединения. Он состоит из следующих логических
каналов:
• канал вызова (англ. Paging Channel - PCH) - нисходящий канал пе-
редачи пейджинговой информации на станцию PS, находящуюся в
сотах, которые принадлежат одной области пейджинга;
• сигнальный канал управления (англ. Signaling Control Channel -
SCCH) - двунаправленный канал типа «точка-точка» для передачи
информации, необходимой для поддержания соединения;
• канал передачи пакетов пользователя (англ. User Packet Channel -
UPCH) - двунаправленный канал типа «точка-многоточка» для передачи
управляющей информации и пакетных данных (например, SMS, если
станция PS не используется в данный момент для разговора);
• совмещенный канал управления (англ. Associated Control Channel -
АССН) - связанный с каналом ТСН двунаправленный канал для передачи
управляющей информации и пакетных данных, необходимых для поддер-
жания соединения; канал АССН подразделяется на медленный (SACCH)
и быстрый (FACCH) каналы.
Глава 13. Цифровая бесшнуровая телефония
381
Передача вещательной и управляющей информации организована в виде так
называемого логического канала управления (англ. Logical Control Channel -
LCCH), который имеет суперкадровую структуру. В каждом п-м кадре сотовая
станция (CS) передает LCCH слот. Суперкадр состоит из m LCCH-слотов. В рам-
ках суперкадра могут передаваться каналы ВССН, PCH, SCCH и, возможно,
UPCH. Вещательный канал управления передается в первом LCCH-слоте супер-
кадра. В восходящей линии связи суперкадровой структуры нет. Персональные
станции начинают передачу данных с отправки SCCH-слота на сотовую стан-
цию по принципу синхронной ALOHA.
Как уже отмечалось, система PHS взаимодействует с цифровыми сетями
(см. рис. 13.12). Это позволяет абонентам использовать возможности сигнализа-
ции в таких сетях, связанные с управлением мобильностью абонентов, таких,
как определение местоположения всех подвижных станций, регистрация,
аутентификация (дополнительная услуга) и доставкой входящих вызовов.
Ж Ж
Недостаток места не позволяет более подробно рассмотреть системы СТ2,
DECT, PACS и PHS. Дополнительную информацию о системах DECT и PHS
можно найти в [11]. Заинтересованный читатель может обратиться к стандартам,
описывающим системы PACS и PHS [13]—[ 15].
ЛИТЕРАТУРА
1.1-ETS 300 131, Radio Equipment and Systems (RES); Common air interface speci-
fication to be used for interworking between cordless telephone apparatus in the frequ-
ency band 864,1 MHz to 868,1 MHz including public access services, November
1994, Second Edition.
2. R.Pandya, Mobile and Personal Communication Systems and Services, IEEE Press,
New York, 2000.
3. EN 300 175-1, Digital Enhanced Cordless Telecommunications (DECT); Common
Interface (CI); Part 1: Overview, V. 1.4.2, June 1999.
4. EN 300 175-2, Digital Enhanced Cordless Telecommunications (DECT); Common
Interface (CI); Part 2: Physical Layer, V. 1.4.2, June 1999.
5. EN 300 175-3, Digital Enhanced Cordless Telecommunications (DECT); Common
Interface (CI); Part 3: Medium Access Control (MAC) Layer, V. 1.4.2, June 1999.
6. EN 300 175-4, Digital Enhanced Cordless Telecommunications (DECT); Common
Interface (CI); Part 4: Data Link Control (DLC) Layer, V. 1.4.2, June 1999.
7. EN 300 175-5, Digital Enhanced Cordless Telecommunications (DECT); Common
Interface (CI); Part 5: Network (NKW) Layer, V.l.4.2, June 1999.
382
Системы полвижнои ралиосвязи
8. V.Werbus, A.Veloso, A.Villanueva, «DECT - Cordless Functionality in New Gene-
ration Alcatel PABXs», Electrical Communication, 2nd Quarter 1993, pp. 51-57.
9. K.David, T.Benkner, Digitale Mobilfunksysteme. B.G.Teubner, Stuttgart, 1996.
10. S.Chaheri Niri, R.Tafazolli, B.G.Evans, «Wide Area Mobility for DECT», Proc, of
GLOBECOM'96, pp. 1119-1125.
11. B.H.Walke, Mobile Radio Networks: Networking and Protocols, John Wiley &
Sons, Ltd., Chichester, 1999.
12. A.R.Noerpel, Y.-B. Lin, H.Sherry, PACS: Personal Access Communications
System - A Tutorial, IEEE Personal Communications, June 1996, pp. 32-43.
13. ANSI J-STD 014, Personal Access Communication Systems Air Interface Stan-
dard, New York, 1998.
14. ANSI J-STD 014 supplement B, Personal Access Communication System Unli-
censed (version B), New York, 1998.
15. Research and Development Center for Radio Systems, Personal Handyphone
System, RCR Standard, Version 1, RCR STD 28, Tokyo, December 1993.
Глава 14
СИСТЕМЫ БЕСПРОВОДНОГО
АБОНЕНТСКОГО РАДИОДОСТУПА (WLL)
14.1. ВВЕДЕНИЕ
Развитие и эксплуатация многих новых, в основном цифровых, систем по-
движной связи, технически позволяющих обеспечить конфиденциальность раз-
говора, представили новые возможности реализации систем абонентского до-
ступа. Система абонентского доступа1 - это самая дорогая часть телефонной се-
ти общего пользования. Для улучшения доступа к услугам электросвязи многим
странам, включая некоторые страны Восточной Европы и развивающиеся страны,
приходится инвестировать огромные средства в телекоммуникационную инфра-
структуру. Соединение абонентов с ТфОП не считается сложным с инженерной
точки зрения, но оказывается очень трудоемким и требует больших финансовых
затрат. Развитие телекоммуникационной инфраструктуры в малонаселенных
районах может быть экономически невыгодно. В таких районах поставщик
услуг связи не получит больших прибылей из-за низкой интенсивности трафика.
Технология беспроводного абонентского радиодоступа (АРД, англ. Wireless
Local Loop - WLL) [1]—[3], реализуемая в последние годы, решает множество
проблем, связанных с организацией быстрого и недорогого доступа к телеком-
муникационной сети. Поскольку в этом случае связь носит беспроводной харак-
тер, системы WLL не требуют больших затрат на содержание персонала и долго-
срочных инвестиций. Для внедрения системы беспроводного абонентского до-
ступа требуется совсем немного времени. Телекоммуникационная сеть может
1 В традиционной ТфОП (PSTN) - телефонной сети общего пользования, система або-
нентского доступа (абонентский канал) представляет собой пару медных проводов,
соединяющих телефон абонента с коммутатором (УПАТС, АТС и т.п.).
384
Системы подвижной радиосвязи
быть быстро развернута в нужном месте, даже если сеть назначения носит
проводной характер либо требуется организовать временную сеть связи. Вы-
шеперечисленные преимущества играют особенно важную роль в сельской
местности. Снижение цен на радиооборудование, вызванное быстрым рас-
пространением сотовых систем, дает дополнительный стимул к развитию
технологий WLL.
Технологии WLL существенно упрощают конкуренцию на рынке телеком-
муникационных услуг. Во многих странах телекоммуникационная сеть принад-
лежит государству или одной компании. При общей тенденции к демонополиза-
ции рынка связи, системы беспроводного абонентского доступа - наиболее
важный фактор, влияющий на устранение монополии операторов телекоммуни-
кационных сетей.
В настоящем разделе приводится обзор нескольких систем WLL на основе
технологии РМР (англ. Point-to-MultiPoint - «один-ко-многим»), сотовой связи и
беспроводной телефонии. Рассматриваются новые приложения описанных ра-
нее систем.
14.2. СИСТЕМЫ РМР
Системы РМР не считаются системами абонентского доступа, однако мы
рассмотрим их для полноты изложения.
Системы РМР существуют уже давно. Для них характерна передача оцифро-
ванной речи с 64-кбит/с PCM-кодированием или 32-кбит/с ADPCM-код ировани-
ем. В качестве примера рассмотрим архитектуру типичной системы на основе
технологии ALCATEL 9800, изображенную на рис. 14.1.
Рис. 14.1. Архитектура системы РМР на примере Alcatel 9800
Глава 14. Системы беспроводного абонентского радиодоступа (WLL)
385
Система соединена с телефонной сетью общего пользования (PSTN) через
центральную станцию (XBS). Центральная станция соединена с центральной
радиостанцией (RSC), которая передает и принимает сигналы в режиме TDMA с
оконечных радиостанций (RST) или радиоретрансляционных станций (RSN).
Если используются направленные антенны, то расстояние по линии прямой ви-
димости между антеннами оконечных станций и центральной станции не может
превышать 50 км. Радиоретрансляционные станции используются, если расстоя-
ние между центральной станцией и оконечными станциями превышает это зна-
чение, или характер местности не позволяет разместить антенны на линии пря-
мой видимости. Сигналы, принимаемые конечной станцией, распределяются по
абонентам при помощи медных абонентских линий, к которым подключены
обычные телефонные аппараты. Система ALCATEL 9800 также поддерживает
беспроводные абонентские линии на основе технологии DECT. Длина абонент-
ской линии не может превышать 5 км.
Как правило, системы РМР обеспечивают качество связи с сетью PSTN не
хуже, чем проводные каналы. Заметим, что благодаря РСМ- или ADPCM-коди-
рованию, двоичные сигналы регенерируются радиорелейными станциями, рабо-
тающими точно так же, как и ретрансляторы в PCM-сетях. Это позволяет избе-
жать снижения качества передачи, связанного с увеличением количества интер-
валов связи. Благодаря стандартному РСМ- и ADPCM-кодированию акустиче-
ских сигналов возможно использование модемов, предназначенных для передачи
данных по обычным телефонным линиям. Потоки двоичных данных, представ-
ляющие РСМ- и ADPCM-фрагменты, передаются без зашиты от ошибок, хотя
такая возможность не исключается. Поскольку передаваемый сигнал имеет циф-
ровой вид, его не так просто перехватить с помощью обычного аналогового обо-
рудования, как в аналоговых системах сотовой связи. Благодаря кодированию и
кадровой структуре, совместимым с PCM-системами, возможно создание базо-
вого канала доступа к сети ISDN2 (2В + £>) или установление раздельных каналов
передачи данных. Временная структура и совместимость с ТфОП позволяет
стандартной РМР-системе поддерживать 30- или 60-кбит/с РСМ-соединения.
Принимая вероятность блокировки равной 0,01 и среднюю интенсивность тра-
фика одного абонента равной 0,05 Эрланга, получим, что система может обслу-
жить около 400 абонентов.
В РМР-системах данные передаются в виде пакетов, передавеимых по ни-
сходящей линии связи в режиме TDMA. В обратном направлении оконечные
станции пересылают пакеты в том же режиме, но на другой несущей частоте.
Длина пакетов каждой оконечной станции зависит от количества соединенных с
ней абонентов и интенсивности генерируемого ими трафика. Режим TDMA тре-
2 В базовом канале доступа к сети ISDN абоненту выделяется два 64-кбит/с дуплексных
канала (5-канала) для его приложений и один 16-кбит/с дуплексный канал управления
(D-канал). Скорость суммарного потока данных составляет 144 кбит/с.
386
Системы полвижнои ралиосвязи
бует синхронизации оконечных станций. Очень часто используется метод мно-
гостанционного доступа с предоставлением каналов по требованию (англ. De-
mand Assignment Multiple Access - DAMA).
РМР-системы используют частотные диапазоны, предназначенные для
фиксированного радиодоступа. Как правило, они распределяются соответствую-
щими государственными организациями. Обычно соединению выделяется диа-
пазон шириной 2 МГц для передачи данных в каждом направлении в режиме
FDD. Для развертки РМР-системы в сельской местности ей должен быть выде-
лен диапазон шириной около 500 МГц. Рекомендация [5] определяет следующие
частоты в диапазоне 1...3 ГГц:
• диапазоны 1,350...1,375 и 1,492...1,517 ГГц для систем малой емкости ти-
па «точка-точка» и «точка-многоточка»;
• диапазоны 1,375...1,400 и 1,427...1,452 ГГц для систем малой емкости ти-
па «точка-точка» и «точка-многоточка»;
• диапазоны 2,025...2,ПО и 2,200...2,290 ГГц для традиционных много-
канальных, многопролетных радиорелейных систем и современных при-
ложений организации радиодоступа;
• диапазоны 2,520...2,593 и 2,597...2,670 ГГц для систем типа «точка-точка»
и «точка-многоточка» в одно- и многопролетных реализациях.
Существует мнение, что РМР-системы не очень эффективно используют
выделенный им спектр. Другой недостаток этих систем - высокая стоимость
направленных антенн и необходимость их расположения на линии прямой ви-
димости.
14.3. ПРИМЕНЕНИЕ СОТОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ В WLL
Массовое производство сотового оборудования привело к снижению его
стоимости, что, в свою очередь, сделало его привлекательным для систем бес-
проводного абонентского доступа. Имеются примеры применения известных
стандартов сотовой телефонии (NMT 450, TACS, AMPS, GSM и IS-95) при раз-
работке систем WLL.
Сотовые технологии в системах WLL используются в упрощенном виде.
Причиной этого является стационарность абонентов. В этих системах отсутству-
ют хэндовер и роуминг, что позволяет существенно упростить сетевой уровень
системы. Однако оконечная станция (эквивалент подвижной станции в сотовой
телефонии) должна быть оборудована стандартным интерфейсом для подключе-
ния обычного телефонного аппарата. Качество системы WLL и предоставляе-
мых ею услуг сильно зависит от используемой технологии. Как правило, постро-
ение систем WLL на базе сотовых технологий хорошо подходит для реализации
простых услуг обычной телефонной связи на обширных малонаселенных терри-
Глава 14. Системы беспроводного абонентского радиодоступа (WLL)
387
ториях. Это обусловлено и большим размером сот (радиусом до нескольких
десятков километров), и известными ограничениями их емкости.
Системы WLL, основанные на аналоговых технологиях сотовой связи, об-
ладают всеми недостатками соответствующих систем подвижной связи. Каче-
ство речевого сигнала в них ниже, чем в обычной проводной телефонии, и сни-
жается по мере увеличения расстояния между базовой и оконечной станцией.
Речевой сигнал остается практически незащищенным. Конфиденциальность
разговора может быть обеспечена применением дорогостоящего аналогового
вокодера. Скорость передача данных по речевому каналу, равно как и факсими-
льных сообщений группы 3, не превышает 4,8 кбит/с. Тем не менее, несмотря
на все недостатки и ограничения, на рынке присутствует несколько таких сис-
тем для малонаселенных районов. Заметим, что применение аналоговой сото-
вой технологии в системах WLL позволяет использовать уже имеющееся обо-
рудование и, следовательно, обеспечить некоторый возврат инвестиций, не-
смотря на то, что большинство пользователей уже перешло на современные
цифровые системы.
Существует возможность применения технологии GSM при реализации си-
стем WLL. Вышеупомянутые упрощения систем сотовой связи остаются в силе
и в этом случае, тем не менее GSM предоставляет более широкий спектр услуг' и
обеспечивает лучшую конфиденциальность соединения, чем аналоговые систе-
мы. Использование технологии GSM выгодно в случае, если тариф оплаты ста-
ционарных соединений в системе WLL установлен на конкурентном, по сравне-
нию с сотовыми системами, уровне.
Описанная в разделе 11 система IS-95 также была адаптирована для исполь-
зования в системах беспроводного абонентского доступа. Системы WLL на
основе технологии IS-95 предлагались компаниями Qualcomm (QCTel) и Moto-
rola. Структура таких систем не сильно отличается от исходной IS-95. Система
QCTel состоит из контроллера базовых станций, самих базовых станций и або-
нентских блоков. Абонентский блок представляет собой телефонный аппарат с
интегрированным радиоблоком, станции же оборудованы интерфейсом для
присоединения к ним обычного телефонного аппарата и таксофонов. Речевой
сигнал подвергается QCELP-кодированию, благодаря чему передается со скоро-
стью 13,2 кбит/с на каждый канал. Кроме передачи речи, предлагаются дополни-
тельные услуги, такие, как передача факсимильных сообщений группы 3 и пере-
дача данных со скоростями до 14,4 кбит/с.
На базовых станциях применяются направленные антенны. Зона покрытия
каждой БС делится на сектора с общим количеством не более девяти. В каждом
секторе одновременно может быть установлено до 45 соединений. Примем сред-
нюю интенсивность трафика, приходящегося на одного абонента, равной 0,1 Эр-
ланга, вероятность блокировки - 0,01, а верхний предел интенсивности трафика
в секторе - 35,6 Эрланга. Получим количество обслуживаемых абонентов в сек-
торе, равное 334. Тогда одна базовая станция может обслуживать до 2700 або-
нентов. Радиус соты может достигать 50 км.
388
Системы полвижнои ралиосвязи
Рис. 14.2. Структурная схема сети связи Air Loop
Помимо систем WLL, основанных на готовой технологии IS-95, существу-
ют специально разработанные системы для реализации беспроводного абонент-
ского доступа, в основе которых лежит метод CDMA. Пример такой системы -
Air Loop компании Lucent Technologies [6]. На рис. 14.2 изображена схема орга-
низации связи этой системы.
Телефонная станция подключена к центральной станции - управляющему
контроллеру/транскодеру3 (УТК, англ. Central Access and Transcoding Unit -
CATU). УТК поддерживает аналоговый или цифровой интерфейс с автоматиче-
ской телефонной станцией (АТС), контролирует установление соединения, осу-
ществляет шифрование данных и кодирование речи, а также обрабатывает
данные, связанные с управлением и мониторингом. Он также поддерживает ин-
терфейс с несколькими центральными радиостанциями (ЦРС, англ. Central
Transmitter/Receiver Units - CTRU)- аналогами базовых станций. Одна из наибо-
лее важных функций УТК - транскодирование речи из 64-кбит/с PCM-формата в
32-кбит/с ADPCM или 16-кбит/с LD-CELP4. УТК и ЦРС связаны проводным или
беспроводным каналом5.
ЦРС передает на оконечные станции и принимает от них радиосигналы с ко-
дированием по методу CDMA. Радиус действия ЦРС достигает 15 км, если око-
нечные станции находятся на линии прямой видимости, и 6 км, если это условие
не выполняется. Абоненты могут быть подключены к блоку ЦРС и при помощи
проводного соединения.
3 Буквально - центральному узлу доступа и транскодирования (прим. ред.).
4 LD-CELP означает линейное предсказание с кодовым возбуждением и малой задерж-
кой (англ. Low Delay Code-Excited Linear Prediction - CELP).
5 В отечественной нормативной литературе обычно объединяются в ЦС - центральную
станцию (прим. ред.).
Глава 14. Системы беспроводного абонентского радиодоступа (WLL)
389
Оконечная станция в системе Air Loop называется терминальной станцией
(ТС, англ. Network Interface Unit - NIU) и состоит из абонентского радиоблока
(АРБ, англ. Subscriber Transmitter/Receiver Units - STRU) и интеллектуальной
телефонной точки доступа (англ. Intelligent Telephone Sockel ITS)b. Блок АРБ
интегрирован с приемопередающей антенной. Он обычно устанавливается на
улице и соединяется с блоком ITS, установленным в помещении. Блок ITS обес-
печивает базовый доступ к сети ISDN (25 + D) или доступ к двум аналоговым ли-
ниям. Существуют версии ITS, которые поддерживают до восьми аналоговых
соединений. Конфигурация абонентского аналогового или ISDN-канала уста-
навливается программным путем из центра управления и технического обслу-
живания (ОМС). К аналоговому стыку можно присоединить обычный телефон-
ный аппарат с DTMF- или импульсным набором номера, аппарат факсимильной
связи группы 3, телефонный модем со скоростью передачи данных до 19,2 кбит/с
или телефон-автомат общего пользования.
Система Air Loop работает в диапазоне частот от 3,6 до 4,0 ГГц. Разнос час-
тот восходящей и нисходящей линий связи составляет 110 МГц. В одном канале
(восходящем или нисходящем) шириной 10 МГц обычно размещается 24 ISDN-
соединения (25 + £)). В другом варианте конфигурации в 10-МГц канале разме-
щается один 80-кбит/с и 60 32-кбит/с или 120 16-кбит/с каналов.
Предположим, что средняя интенсивность трафика, приходящегося на одно-
го абонента, составляет 0,05 Эрланга, вероятность блокировки равна 0,01, а на
базовых станциях установлены ненаправленные антенны. В этом случае одна
базовая станция может обслужить до 4060 абонентов.
На основании приведенного описания можно сделать вывод, что система Air
Loop предназначена для обеспечения доступа к сетям ISDN и PSTN в районах
среднего размера со средней плотностью населения. Существенный недостаток
системы Air Loop - относительно большая ширина используемого спектра. С
другой стороны, эта система способна обеспечить конфиденциальность разгово-
ра благодаря применению кодирования речи и технологии расширения спектра.
Представленные выше системы, основанные на технологиях сотовой связи
или их модификациях, характеризуются относительно большим радиусом дей-
ствия и ограниченной емкостью. Сотовые технологии разумно использовать для
реализации беспроводного абонентского доступа в системах, теряющих своих
абонентов, и в сотах, емкость которых превышает реальные нужды.
6 К ITS подключается абонентское устройство (АУ), в наиболее простом случае теле-
фонный аппарат. В отечественной нормативной литературе определяется интерфейс, а
сама точка доступа отдельно не рассматривается (прим. ред.).
390
Системы подвижной радиосвязи
14.4. ПРИМЕНЕНИЕ СТАНДАРТОВ БЕСШНУРОВОЙ
ТЕЛЕФОНИИ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ WLL
Стандарты бесшнуровой телефонии также используются для реализации
систем беспроводного абонентского радиодоступа. Существуют решения на
основе технологий СТ2, DECT и PACS. Мы остановимся на применении в таких
системах стандарта DECT.
Известно, что системы DECT оптимизированы для городских и пригород-
ных районов с высокой плотностью трафика [7]. Номинальная дальность дейст-
вия базовых станций DECT составляет несколько сотен метров при использова-
нии ненаправленных антенн и наличии мобильных абонентов. Однако в случае
фиксированных оконечных станций и при использовании направленных антенн
радиус действия базовых станций может быть увеличен до 5 км. Дальность огра-
ничивается структурой TDMA-кадров и временем распространения сигнала,
которое должно быть менее длины защитного интервала DECT-пакета, эквива-
лентного по длительности 60 битам [8]. При наличии препятствий или для уве-
личения дальности используется беспроводная ретрансляционная (релейная)
станция (англ. Wireless Repeater Station - WRS) [9]. Она позволяет увеличить
дальность еще на 5 км.
На рис. 14.3 изображена структура системы WLL, основанной на примене-
нии стандарта DECT. Управляющий контроллер радиоподсистемы RNC (англ.
Radio Network Controller) соединен с несколькими базовыми станциями - узлами
Рис. 14.3. Структура системы беспроводного абонентского доступа
на основе стандарта DECT
Глава 14. Системы беспроволного абонентского ралиолоступа (WLL)
391
доступа DAN (англ. DECT Access Node) 2-Мбит/с каналами по проводным ли-
ниям связи либо с использованием радиорелейных линий связи. Станция
DAN включает в себя несколько направленных антенн, установленных таким об-
разом, чтобы обеспечить покрытие во всех направлениях. Абонентам предостав-
ляется стационарный (фиксированный) блок доступа (англ. Fixed Access Unit -
FAU), позволяющий присоединить одну или несколько телефонных линий и
взаимодействующий с базовой станцией (DAN) с использованием направлен-
ной антенны.
Применение ретрансляционных станций WRS стандартизировано институ-
том ETS1 [9]. Существует несколько способов использования станции WRS. Так,
применение нескольких направленных антенн позволяет обеспечить зону радио-
покрытия района, иначе недоступного для охвата системы. Кроме того. WRS мо-
жет быть оборудована направленной антенной для взаимодействия с базовой
станцией (DAN), и ненаправленной - для связи с оконечными станциями (FAU),
организуя пикосоту. Чаще всего станции WRS оборудуются двумя направленны-
ми антеннами для увеличения дальности действия системы.
Благодаря особенностям DECT, системы абонентского радиодоступа на
основе этого стандарта представляют собой экономичное решение для неболь-
ших густонаселенных районов с высокой или средней ожидаемой интенсивно-
стью трафика.
* * *
Приведенный краткий обзор технологий абонентского радиодоступа позво-
ляет сделать вывод о том, что системы WLL хорошо подходят для быстрой и эко-
номичной реализации базовых абонентских услуг. При этом они пригодны как
для сельской местности со слаборазвитой или требующей крупных инвестиций
инфраструктурой связи, так и для густонаселенных городских районов, где мо-
дернизация существующей инфраструктуры может стоить очень дорого. Кроме
того, технологии WLL являются инструментом демонополизации рынка теле-
коммуникационных услуг. Выбор конкретной технологии WLL зависит от
многих факторов, в особенности от размера зоны развертывания системы, ожи-
даемой плотности телекоммуникационного трафика и спросом на более слож-
ные услуги, чем стандартная передача речи.
ЛИТЕРАТУРА
1. W.Webb, Introduction to Wireless Local Loop, Artech House Publishers, Boston,
1998.
2. D.C.Cox, «Wireless Loops: What Are They?», International Journal of Wireless In-
formation Networks, Vol. 3, №3, 1996, pp. 125-138.
3. W.C.Y.Lee, «Spectrum and Technology of a Wireless Local Loop System», IEEE
Personal Communications, February 1998, pp. 49-54.
392 Системы полвижнои ралиосвязи
4. A.Adolski, «Fast and Inexpensive - ALCATEL 9800» (in Polish), TELECOM Fo-
rum, Special Edition. December 1996, pp. 8-9.
5. ERC/Recommendation T/R 13-01, Preferred channel arrangements for digital ter-
restrial fixed systems operating in the range 1-3 GHz, Montreux, 1993.
6. EJuszkicwicz, «AT&T Air Loop - A High Capacity Access System» (in Polish),
Przeglad Telekomunikacyjny, №8, 1995.
7. S.Kandiyoor, P. van de Berg, S.Blomstergren, «DECT: Meeting Needs and Creating
Opportunities for Public Network Operators» , Proc, of International Conference on
Personal Wireless Communications, New Delhi, February 1996, pp. 28-32.
8. J.Henry, M.H.Kori, «DECT Based Rural Radio Local Loop for Developing Coun-
tries», Proc. of International Conference on Personal Wireless Communications ,New
Delhi, February 1996, pp. 44-46.
9. ETS 300 700, Radio Equipment and Systems (RES); Digital European Cordless Te-
lecommunications (DECT); Wireless Relay Station (WRS), March 1997.
Глава 15
СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ
ПЕРСОНАЛЬНОЙ РАДИОСВЯЗИ
Совместно с Рафалом Кренцом (Rafal Krenz),
Ханной Богуцкой (Hanna Bogucka)
и Войцехом Ласецким (Wojciech Lasecki)
15.1. ВВЕДЕНИЕ
Этот раздел посвящен относительно новому типу систем связи с подвижны-
ми объектами - системам персональной спутниковой радиосвязи. Начнем со
сравнения систем персональной связи с другими системами спутниковой радио-
связи, приведем их классификацию, оценим возможности развития. Большая
часть раздела будет отведена для обсуждения некоторых действующих систем.
Автор учитывает нестабильность ситуации на рынке персональной спутниковой
связи, которая оказывает серьезное влияние на конечную конфигурацию систем
и актуальность их описания в этой книге.
Размышления по поводу будущих систем связи привели к появлению кон-
цепции универсальной персональной связи (англ. Universal Personal Telecom-
munications - UPT). Согласно этой концепции несколько коммуникационных се-
тей - фиксированные сети, системы наземной подвижной связи и спутниковые
сети подвижной связи - будут взаимодействовать друг с другом, образуя интег-
рированную систему, поддерживающую широкий спектр персональных услуг.
Каждый пользователь определяется уникальным абонентским номером, не зави-
сящим от сети, в которой находится в текущий момент. Системы персональной
спутниковой связи играют важную роль в концепции UPT. Эти системы нацеле-
ны на обеспечение доступа к телекоммуникационной сети из любой точки Зем-
ли, особенно из районов, не охваченных другими системами связи, такими, как
сеть ТфОП или системы наземной подвижной связи.
394
Системы полвижнои ралиосвязи
15.2. ПЕРВОЕ И ВТОРОЕ ПОКОЛЕНИЕ
СЕТЕЙ ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ
Основная задача первого и второго поколения сетей подвижной спутнико-
вой связи [2], [25], [14] заключалась в обеспечении связи с судами и грузовыми
автомобилями, перемещающимися на большие расстояния. На рынке невоенных
и коммерческих услуг доминировала организация INMARSAT (англ. Internatio-
nal Maritime Telecommunication Satellite Organization - Международная органи-
зация морской спутниковой связи). Версии систем INMARSAT (А, В, С, М и
авиа) представлены в первых пяти строках табл. 15.1 [2].
Введенная в эксплуатацию в 1982 г. система INMARSAT А осуществляет пе-
редачу речи с использованием аналоговой FM-модуляции, поддерживает услуги
телекса, факса и передачи данных из любой точки на земном шаре. Терминалы,
как правило, устанавливаются на судах и нефтепромысловых платформах. Сис-
тема INMARSAT В, начавшая работу в 1993 г., заменяет INMARSAT А и предла-
гает те же самые услуги тем же самым абонентам с использованием цифровых
технологий. Речевые сигналы передаются со скоростью 16 кбит/с.
Система INMARSAT С эксплуатируется с 1991 г. Ее основная задача - пере-
дача данных из любой точки планеты со скоростью, не превышающей 600 бит/с.
Системой поддерживается услуга телекса с отложенной доставкой (store & for-
ward), передача данных, а также услуга автоматического определения местопо-
ложения APR (англ. -Automatic Positioning Reporting). Терминалы устанавлива-
ются в основном на борту малых судов, а также на поездах.
Следующая версия системы - INMARSAT М - была введена в 1992-1993 гг.
Она поддерживает более совершенное кодирование речи со скоростью 6,4 кбит/с
и передачу данных со скоростью 2,4 кбит/с. Принципиальной новизной стало
уменьшение габаритов терминала до размеров чемодана-дипломата.
Авиационная версия системы INMARSAT предназначена для поддержания
связи с гражданской авиацией.
В конце 80-х годов XX в. компания Qualcomm Inc. запустила в эксплуатацию
в США спутниковую систему OmniTracs. Аналогичная система под названием
EutelTracs была запущена в Европе в 1991 г. совместно с компанией ALCATEL
[4]. Обе системы предназначены для передачи коротких сообщений в восходя-
щем и нисходящем направлениях, поддерживают услугу APR для подвижных
станций и используют диапазон Ки (12/14 ГГц)1.
Все перечисленные системы используют геостационарные спутники, разме-
щенные на экваториальной орбите на высоте примерно 35780 км над Землей.
Системы характеризуются высокой стоимостью терминалов и предоставляемых
услуг, что ограничивает количество потенциальных абонентов.
В приложении в конце раздела приведены частоты конкретных диапазонов.
Таблица 15.1. Первое поколение систем подвижной спутниковой связи
(НА - нисходящая линия связи, ВЛ - восходящая линия связи, APR - Automatic Positioning Reporting*)
Организация Стандарт (год начала работы) Услуги (зона охвата) Скорость передачи данных, кбит/с Основное применение
INMARSAT А (1982) Голосовая связь, телекс, факс, передача данных (весь мир) Аналоговая FM - до 9,6, передача данных - до 64 Суда, нефте-промысловые платфор- мы, переносные терминалы
INMARSAT В (1993) Голосовая связь, телекс, факс, передача данных (Х.25) 16 (речь) 24 (данные) Постепенно замещает INMARSAT А
INMARSAT С (1991) Передача телексов с буфери- зацией, передача данных, APR (весь мир) 0,6 Малые суда, яхты, поезда
INMARSAT М(1992-93) Передача речи, факс, передача данных (весь мир) 6,4 (речь) 2,4 (до 4,8) Переносные терминалы, малые суда
INMARSAT Aero (1992) AERO-C AERO-L AERO-H Передача речи, факс, данных (весь мир) Передача данных (store & forward) Двунаправленный обмен данными Передача данных, факс (группа 3), речи 0,6 0,6 10,5/4,8 Коммерческие и частные самолеты
INMARSAT D (1995) Пейджинг ... Передача сообщений, удаленное управление
Qualcomm OmniTracs (1989) Двунаправленная передача коротких сообщений, APR (Северная Америка) 5-15 (НЛ) 55-165 (ВЛ) Дальние перевозки
ALCATEL Qualcomm EutelTracs (1991) Двунаправленная передача ко- ротких сообщений, APR (Европа) 5- 15 (НЛ) 55-165 (ВЛ) Дальние перевозки
Автоматическое определение местоположения (прим. ред.).
Глава 15. Спутниковые системы персональной ралиосвязи 395
396
Системы полвижнои ралиосвязи
Системы подвижной спутниковой связи второго поколения характеризуют-
ся существенно более низкой стоимостью терминала и услуг и цифровой фор-
мой сигналов. Большая часть систем имеет ограниченную зону покрытия, на-
пример, ESA (англ. European Space Agency - Европейское космическое агент-
ство), OPTUS (Австралия), AMSC/TMI (Северная Америка) или DoCoMo
(Япония). Они, как правило, используют диапазон L и предлагают передачу ре-
чи, данных и факсимильных сообщений с низкими скоростями. Как и системы
первого поколения, они имеют ограниченное количество абонентов либо специ-
ализированы для обеспечения связи с судами и авиацией.
15.3. ПЕРСОНАЛЬНАЯ СПУТНИКОВАЯ СВЯЗЬ
Как уже отмечалось, концепция универсальной персональной связи подра-
зумевает, что абонент такой системы должен быть доступен в любой точке Земли
через любую сеть с однозначным определением его по уникальному номеру.
Сеть персональной спутниковой связи позволяет абоненту, расположенному в
любой точке планеты, получить доступ к телекоммуникационной сети при помо-
щи переносного терминала и установить соединение, по крайней мере, с одним
спутником.
На нижнем уровне иерархии систем подвижной связи (рис. 15.1) стоят сис-
темы, работающие в пикосотах (как правило, внутри помещений). Следующий
уровень иерархии - беспроводная телефония в микросотах, например, в центра-
льных районах городов, аэропортах, больших супермаркетах и т.д. Классиче-
ские сотовые системы, обслуживающие макросоты, обрабатывают трафик сред-
ней плотности, и предусматривают связь с быстро перемещающимся термина-
Рис. 15.1. Место систем спутниковой связи в иерархии беспроводной связи
Глава 15. Спутниковые системы персональной ралиосвязи
397
лом. Спутниковые системы находятся на самом верхнем уровне. Они могут
использоваться в случае отсутствия доступа к любым другим телекоммуникаци-
онным сетям, т.е. в малонаселенных районах, либо в случае временной перегрузки
другой системы. Поэтому считается, что системы спутниковой связи дополняют
сотовые системы, но не заменяют их. Естественно, емкость систем спутниковой
связи намного ниже емкости систем наземной подвижной связи.
Носимая форма подвижного терминала приводит к серьезным последстви-
ям при разработке всей системы спутниковой связи. Бюджет мощности носимо-
го терминала чрезвычайно мал вследствие ограничения размера элемента пита-
ния. Один из критериев, определяющих коммерческий успех терминала - это
время работы в режиме ожидания до полного разряда батареи. Излучаемую
мощность мобильного устройства, размещаемого во время разговора вплотную
к голове пользователя, приходится ограничивать, чтобы не нанести ущерба его
здоровью. Дополнительным фактором, влияющим на коммерческий успех всей
системы, является время задержки на передачу речи. Слишком большая задерж-
ка, обусловленная большим временем распространения сигнала до спутника и
обратно, создает дискомфорт для пользователей. Величина задержки также
влияет на эффективность обмена блоками данных с применением метода ARQ
(см. раздел 1). Большая задержка на распространение требует значительного
увеличения емкости буферной памяти.
Рис. 15.2. Типы орбит, используемых в системах
спутниковой подвижной связи
Указанные факторы позволяют выделить несколько типов систем спутни-
ковой связи, различающихся расположением спутников. По высоте орбит
(рис. 15.2) спутниковые системы делятся на следующие классы [3].
398
Системы подвижной радиосвязи
• LEO (англ. Low Earth Orbit - низкая околоземная орбита) - системы,
использующие КА2 на низких круговых орбитах. Спутники нестационар-
ны. Каждый из них пребывает в поле видимости абонентской антенны не-
сколько минут и несколько раз в сутки. Высота орбиты составляет от 700
до 1500 км. Из-за малой высоты орбиты для покрытия всей Земли требу-
ется хотя бы 40 спутников. Количество сот на поверхности Земли, пере-
мещающихся вследствие подвижности КА, составляет не менее 3000. За-
держка сигнала, определяемая временем его распространения на спутник
и обратно, не превышает 50 мс. Большое количество сот приводит к до-
статочно большой емкости системы, приходящейся на единицу частотно-
го спектра. К сожалению, стоимость системы, приходящаяся на единицу
покрываемой площади, слишком велика. Заслуживает внимания малая за-
держка сигнала, обеспечивающая комфортное восприятие передаваемой
речи. Для вывода на соответствующие орбиты всех низкоорбитальных
спутников требуются ракеты-носители со средними параметрами3. Однако,
для вывода большого количества КА на их орбиты, необходимо выпол-
нить большое количество запусков. Устройство систем с низкоорбиталь-
ными группировками требует точного расчета орбит; при этом необходи-
мо проведение своевременной коррекции орбит КА. Вследствие малого
времени видимости LEO спутников, хэндовер выполняется относительно
часто. По мере перемещения КА над горизонтом и расстояние от него до
наземного терминала изменяется в широком диапазоне. При этом требу-
ется обеспечение сложной системы автоматической регулировки усиле-
ния спутниковых радиосредств. Кроме того, здесь существенно сказыва-
ется влияние эффекта Доплера.
• МЕО (англ. Medium Earth Orbit - средневысотная околоземная орбита) -
эти системы также называют ICO (англ. Intermediate Circular Orbit - про-
межуточная круговая орбита). КА размешаются на высоте 10-15 тыс. км
над поверхностью Земли. Вследствие более высокой орбиты спутники
имеют существенно большие зоны покрытия, поэтому их требуется мень-
ше (10-15). Количество сот в системах МЕО составляет около 800. Болес
высокие, чем LEO, орбиты определяют большую задержку сигнала, кото-
рая составляет около 150 мс. Негативным последствием уменьшения
количества сот является уменьшение коэффициента многократного ис-
пользования частот в режимах FDMA или FDMA/TDMA, что, в свою оче-
редь, приводит к уменьшению емкости системы. Уменьшение количества
спутников снижает стоимость системы.
2 КА - космический аппарат. Отечественный обобщающий термин, используемый для
обозначения спутников, космических платформ и т.п. (прим. ред.).
3 В отечественной литературе отмечается, что для создания низкоорбитальных группи-
ровок применяются легкие носители (ракеты-носители малой грузоподъемности). Они
выполняют как групповые, так и одиночные запуски (прим. ред.).
Глава 15. Спутниковые системы персональной радиосвязи
399
• GEO (англ. Geostationary Earth Orbit - геостационарная околоземная
орбита) - системы с геостационарными КА, размещенными в экватори-
альной плоскости на орбите высотой около 35780 км. Для покрытия по-
верхности Земли вплоть до 75° широты4 требуется всего 3-4 спутника. За-
держка распространения сигналов превышает 300 мс. Количество сот
определяется количеством излучаемых спутником лучей5, однако оно не
превышает 800. Емкость, приходящаяся на единицу спектра, и стоимость
систем GEO намного ниже емкости и стоимости систем LEO. В системах
GEO используются хорошо проверенные космические технологии. Эф-
фектом Доплера можно пренебречь. С другой стороны, для выведения на
орбиту КА систем GEO требуются дорогие ракетоносители. Поскольку
спутники расположены на экваториальных орбитах, то для терминалов,
находящихся севернее 50° северной широты или южнее 50° южной широ-
ты, угол возвышения6 настолько мал, что сигнал дополнительно ослабля-
ется верхними слоями атмосферы, и происходит многолучевое распро-
странение. Большая высота орбиты требует излучения высокой мощно-
сти. Это означает, что носимые терминалы не могут быть использованы в
системах GEO. Таким образом, они не являются системами персональной
спутниковой связи.
Помимо классификации систем спутниковой связи по высоте орбит, их мож-
но разделить на классы по размерам КА:
• большие спутники GEO;
• большие спутники LEO/ICO;
• малые спутники LEO:
• миниспутники LEO массой 100-750 кг;
• микроспутники LEO массой 50-100 кг.
Количество существующих или проектируемых систем спутниковой связи
достаточно велико. В следующих параграфах мы рассмотрим конкретные систе-
мы персональной спутниковой связи и некоторые проектируемые системы,
предназначенные для передачи мультимедийных данных и для обеспечения до-
ступа к сети Internet.
По отечественным источникам 76,50 как северной, так и южной широты (прим. ред.).
Лепестков диаграммы направленности (прим. ред.).
Угол возвышения - это угол между линией горизонта и направлением на спутник.
400
Системы подвижной радиосвязи
15.4. УСЛУГИ, ПРЕДОСТАВЛЯЕМЫЕ СИСТЕМАМИ
ПЕРСОНАЛЬНОЙ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ
В список основных услуг, предоставляемых системами персональной спут-
никовой связи, входят:
• передача речи;
• передача данных;
• передача пейджинговых сообщений;
• электронная почта.
Дополнительные услуги будут описаны при рассмотрении соответствую-
щих систем. Для того чтобы иметь коммерческий успех, система персональной
спутниковой связи должна обеспечивать:
• полное покрытие всей планеты;
• возможность использования недорогих носимых терминалов;
• невысокие тарифы на введение системы в эксплуатацию и низкую стои-
мость доступа к системам спутниковой и сотовой связи;
• надежное соединение с телефонной сетью общего пользования;
• возможность установления прямого соединения между абонентами сис-
тем спутниковой связи.
Очевидно, что не все проектируемые или уже введенные в эксплуатацию
системы соответствуют приведенным выше требованиям. В целом, этот сегмент
рынка услуг подвижной связи не настолько коммерчески успешен, как рынок на-
земной сотовой связи.
15.5. ОПИСАНИЕ НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫХ СИСТЕМ
ПЕРСОНАЛЬНОЙ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ
Рынок услуг персональной спутниковой связи постоянно претерпевает из-
менения, поэтому системы, которые еще не введены в эксплуатацию, могут быть
модифицированы. В связи с этим информация, приведенная ниже, является в
некоторой степени предварительной.
15.5.1. Iridium
Система Iridium - это одна из двух систем, работающих в режиме
FDMA/TDMA. Ее название происходит от названия химического элемента ири-
дия. Один атом иридия обладает 77 электронами. Первоначально в системе Iridi-
um использовались 77 спутников. Позднее оптимизация системы привела к
Глава 15. Спутниковые системы персональной ралиосвязи
401
снижению ее стоимости. Для обеспечения надежной связи оказалось достаточно
66 спутников.
Концепция системы Iridium [9], [13], [18], [17], [10] впервые появилась в
1987 г. и была представлена общественности компанией Motorola в 1990 г. В кон-
сорциуме Iridium участвовали многие страны, включая Россию и Китай. Спутни-
ки Iridium размещены в шести орбитальных плоскостях, с наклонением 86° к
плоскости экватора. Таким образом, спутники вращаются практически между
географическими полюсами. В каждой орбитальной плоскости 11 равномерно
разнесенных КА вращаются по круговой орбите на высоте 780 км. Спутники,
размещенные в соседних плоскостях, вращаются в одном и том же направлении,
но сдвинуты по фазе. На рис. 15.3 приведена конфигурация нескольких КА и
часть их траекторий. Спутники, размещенные в первой и последней (шестой)
плоскостях, представляют собой исключение, поскольку они вращаются в про-
тивоположном направлении. Угловое разнесение между всеми орбитальными
плоскостями составляет 31,6°, за исключением плоскостей 1 и 6, между которы-
ми оно составляет 22°. Расположение спутников подчиняется правилу, выведен-
ному Адамсом (Adams) и Райдером (Rider) [1].
Рис. 15.3. Связи между соседними
спутниками системы Iridium [8]
Каждый спутник может связываться и пересылать трафик на два КА, летя-
щих по той же самой орбите - на предыдущий и на следующий - и на два спутни-
ка с каждой из соседних орбит. Межспутниковые соединения работают в диапа-
зоне 23 ГГц и задействуют четыре антенны. Таким образом, в любой конкретный
момент каждый КА может поддерживать четыре межспутниковых соединения с
данным конкретным КА, имея в непосредственной близости шесть спутников
своей группировки.(см. рис. 15.3).
Система Iridium была разработана для поддержания связи с наземными се-
тями при помощи 250 наземных шлюзовых станций и двух станций управления
сетью. Такая схема обеспечивает необходимую надежность связи, однако для ра-
боты системы достаточно и 15 шлюзов. Каждый шлюз имеет две антенны слеже-
ния, которые поддерживают соединение в диапазоне 20/30 ГГц с текущим актив-
402
Системы подвижной радиосвязи
ным КА, а также с приближающимися спутниками. Абонент системы Iridium со-
единяется с сетью ТфОП через один из наземных шлюзов.
Межспутниковые каналы связи позволяют устанавливать соединение меж-
ду двумя абонентами системы Iridium без привлечения наземного сегмента сети.
При установлении соединения между терминалом Iridium и абонентом наземной
сети межспутниковые каналы используются для минимизации маршрута по на-
земной сети. Для этого используется шлюз, расположенный ближе всего к назем-
ному абоненту. На рис. 15.4 изображена общая концепция системы с учетом ка-
налов межспутниковой связи.
Рис. 15.4. Обшая концепция системы Iridium [11]
Ранее говорилось о том, что задержка, связанная с распространением сигна-
ла, в системе Iridium относительно невелика. Задержка непосредственно на рас-
пространение сигнала между спутником и наземным терминалом составляет
2,6-8,2 мс. Однако суммарная задержка, вносимая системой, намного больше,
поскольку поток двоичных данных должен быть размещен в TDMA-кадрах, а
также должны быть выполнены все процедуры, связанные с обработкой сигна-
лов (например, кодирование и декодирование). Суммарная задержка сигнала
между наземным терминалом и спутником достигает 90 мс, а каждый межспут-
никовый канал вносит еще около 9 мс.
Каждый спутник имеет три фазированных антенных решетки7 с 16 игольча-
тыми лепестками диаграммы направленности каждая, что дает в сумме 48 иголь-
чатых лепестков - лучей, создающих соты на поверхности Земли. Диаметр каж-
Адаптивные антенны рассматриваются в разделе 18.
Глава 15. Спутниковые системы персональной ралиосвязи
403
дой соты составляет примерно 700 км. Из возможных 66x48 = 3168 активны
только 2150 сот. Это связано с отключением ряда сот в полярных районах, где
происходит их сильное перекрытие вследствие взаимного сближения орбит КА.
Включение и выключение сот требует применения четкого алгоритма с примене-
нием унифицированного критерия. Каждый спутник имеет справочную таблицу,
по которой вычисляется момент включения и выключения при смене широты
на каждые 0,1°.
Поскольку в системе Iridium используется метод многостанционного досту-
па FDMA/TDMA, одни и те же частотные каналы могут использоваться повтор-
но8. Лучи, генерируемые антенными решетками спутников, периодически кон-
центрируются на каждой соте на предписанный период времени. В эти моменты
обмен данными с абонентами данной соты выполняется в режиме TDD. Переда-
ча данных в восходящем и нисходящем направлениях осуществляется в /.-диапа-
зоне с использованием QPSK-модуляции. Скорость передачи данных составляет
50 кбит/с. Для передачи данных в обоих направлениях выделен частотный диа-
пазон 1621,35... 1626,5 МГц. Данные организованы в виде 90-мс кадров, состоя-
щих из канала вызова (paging), сигнализации, четырех восходящих каналов и
следующих за ними соответствующих нисходящих каналов. Выделенный систе
ме диапазон разделен на 124 несущих частоты. Каждый кластер состоит из 12 сот,
а каждый спутник имеет 48 сфокусированных лучей, поэтому каждая частота ис-
пользуется спутником четыре раза. Таким образом, каждый спутник теоретиче-
ски может установить 1984 соединения; однако в связи с энергетическими огра-
ничениями одновременно могут быть реализованы только 1100 соединений.
Соединение спутника с наземными шлюзами устанавливается в диапазоне
К7Ка,т.е. на частотах 19,4...19,6 ГГц в восходящем направлении и 29,1...29,3 ГГц
в нисходящем направлении. Для установления связи между КА используется
диапазон 23,18...23,31 ГГц.
Основной предоставляемой услугой является передача речи. Дня этого рече-
вой кодер генерирует поток данных со скоростью 4,8 или 2,4 кбит/с. Как и в
GSM, для уменьшения соканальной помехи применяется детектирование рече-
вой активности абонента. Помимо передачи голоса, предоставляется услуга пе-
редачи данных со скоростью 2,4 кбит/с. С недавнего времени система Iridium
предлагает прямой доступ к сети Internet со скоростью 10 кбит/с, независимый
от сети PSTN/ТфОП. Кроме того, в список услуг входят пейджинг, передача фак-
сов и SMS-сообщений, а также определение местоположения. Допустимая час-
тота возникновения ошибок составляет 10 2 при передаче речи и 10 3 при пере-
даче пользовательских данных. Пользовательские терминалы - двухрежимные.
В обычных условиях терминал работает в наземной сети подвижной связи. Если
последнее невозможно, используется сеть Iridium.
8 Аналог повторного (многократного) использования частотных каналов в системах со-
товой подвижной связи, например, GSM (прим. ред.).
404
Системы подвижной радиосвязи
В июне 2001 г, система Iridium была единственной системой персональной
спутниковой связи, которая обеспечивала глобальное покрытие земного шара.
Остальные системы не охватывают приполярные районы. Некоторые системы
все еще находятся в стадии развертывания. Однако данное преимущество Iridi-
um не защитило ее от возникновения финансовых проблем. Это показывает,
что хорошего и инновационного технического решения недостаточно для до-
стижения коммерческого успеха. Услуги были достаточно дорогими, телефоны -
большими, а инвесторы не предусмотрели гигантского роста наземных систем
подвижной связи, который увел множество потенциальных потребителей
услуг Iridium. Однако недавно система был возвращена в эксплуатацию компа-
нией Iridium Satellite LLC. Цены были снижены, и на этот раз система Iridium
нацелена на военные, морские, авиационные, нефте-, газо- и горно-добываю-
щие, строительные, лесохозяйственные, правительственные и неправительст-
венные организации-потребители из США, а также на парусный спорт и рынок
услуг для отдыха и развлечений [6].
15.5.2. GLOBALSTAR
Система GLOBALSTAR [12], [15], [19], [24] была инициативой компании
Loral Communications. Концепция этой системы во многом отличается от кон-
цепции системы Iridium.
Исследования в области низких околоземных орбит (LEO) показали, что су-
ществует два подхода:
• орбиты лежат в полярных плоскостях, что позволяет покрыть всю планету;
• орбиты лежат в плоскостях, наклоненных соответствующим образом от-
носительно экваториальной плоскости.
Первый подход был использован в системе Iridium, второй - в
GLOBALSTAR. Во втором случае спутники покрывают поверхность Земли до
определенной широты (рис. 15.5). Область покрытия системы GLOBALSTAR
лежит в диапазоне ±70° широты. Северная часть Гренландии, Шпицберген и
острова Северной Канады лежат за пределами области покрытия системы.
Для обеспечения высокого качества передачи угол возвышения спутника
должен быть достаточно большим [19]. Значение этого угла определяет качество
канала передачи данных между спутником и наземным терминалом. При углах
возвышения от 0° до 20° канал спутниковой связи имеет те же самые свойства,
что и канал наземной подвижной связи, и в нем проявляется эффект многолуче-
вого распространения. При углах возвышения от 20° до 40° многолучевое рас-
пространение возникает только при диффузном отражении. При больших углах
возвышения качество канала постепенно возрастает. При углах возвышения,
превышающих 70°, качество передачи становится высоким.
Глава 15. Спутниковые системы персональной ралиосвязи
405
Рис. 15.5. Планируемая область покрытия системы CLOBALSTAR [19]
(с разрешения Alcatel Telecommunications Review)
Широта, градусы
Рис. 15.6. Зависимость среднего угла возвышения спутника от географической
широты [19] (с разрешения Alcatel Telecommunications Review)
Для получения хороших свойств распространения сигнала выбираются
орбиты с наклонением 52°. Спутники вращаются в восьми плоскостях. Фазо-
вый сдвиг между двумя соседними плоскостями составляет 7,5°, период об-
ращения - 114 мин. При широте 60° средний угол возвышения активного
спутника достаточно велик (не менее 35°). Минимальный угол возвышения
КА, видимого наземным терминалом, составляет 10°. Важная особенность
спутниковой конфигурации системы GLOBALSTAR заключается в том, что
наземный терминал одновременно видит два спутника. Это дополнительно
повышает надежность системы.
406
Системы полвижнои ралиосвязи
Высота орбит КА в GLOBALSTAR составляет 1389 км. Поскольку они рас-
положены выше, чем в Iridium, системе требуется меньшее количество спутни-
ков. В каждой из восьми орбитальных плоскостей вращается шесть основных и
один запасной КА, т.е. всего на орбитах находится 48+8 спутников. Область по-
крытия каждого спутника разделена на 16 сот. Соты расположены концентри-
ческим образом: одна - в центре, шесть - в первом кольце и девять во втором.
Минимальная и максимальная задержки сигнала составляют 4,63 и 11,5 мс со-
ответственно.
Общая концепция системы GLOBALSTAR также отличается от концепции
системы Iridium. Система GLOBALSTAR работает по принципу прямой ретран-
сляции (англ, bent-pipe principle'). Это схема ретрансляции сигналов, при которой
сигнал с наземного терминала посылается на спутник, ретранслирующий сиг-
нал обратно на Землю с минимальной обработкой9. Таким образом абонент
связывается через спутник с ближайшей наземной станцией, которая устанав-
ливает соединение посредством наземной сети (рис. 15.7). Спутник в центре ри-
сунка показывает, что соединение между наземной станцией системы
GLOBALSTAR и станцией другого абонента может частично проходить по сис-
теме спутников. Следовательно, спутниковая часть системы GLOBALSTAR
должна быть прозрачной с точки зрения остальных частей системы. Эта про-
зрачность подразумевает создание шлюзовой инфраструктуры, соединяющей
Рис. 15.7. Обшая кониепиия системы GLOBALSTAR [11]
Как правило, прозрачная спутниковая ретрансляция не предполагает никакой обработ-
ки, кроме усиления сигнала (прим. ред.).
Глава 15. Спутниковые системы персональной ралиосвязи
407
систему GLOBALSTAR с сетями общего пользования. Плотность размещения
наземных станций должна быть равна одной станции на 1 млн км2, что эквива-
лентно по площади европейской стране средних размеров. При такой плотности
размещения соединения межспутниковые каналы не требуются. Таким образом,
при наличии наземной шлюзовой станции в каждой стране средних размеров,
интересы операторов локальных сетей не будут ущемлены и, благодаря базам
данных, содержащихся на шлюзовых станциях, они смогут контролировать тра-
фик и тарифицировать его по своим правилам.
В GLOBALSTAR при передаче данных от терминала к спутнику и обратно
используется CDMA [7]. Как и некоторые другие системы, GLOBALSTAR ис-
пользует диапазон, выделенный системам персональной спутниковой связи на
конференции WARC’9210. Такая система должна быть устойчивой к помехам, со-
здаваемым другими системами, работающими в том же диапазоне. Частотный
диапазон, выделенный GLOBALSTAR и другим возможным CDMA-системам
персональной спутниковой связи, составляет 1610...1621,35 МГц для передачи
данных в восходящем направлении и 2483,5...2500 МГц - в нисходящем. Связь
спутников со шлюзовыми станциями осуществляется в частотном диапазоне
5,091...5,25 и 6,875-7,055 ГГц.
Методы передачи данных в системе GLOBALSTAR очень похожи на те, что
применяются в системе сотовой связи CDMA IS-95, поэтому мы не будем описы-
вать их повторно. Приведем только общие параметры передачи данных.
Цифровое кодирование речи выполняется со скоростями 2,4; 4,8 или 9,6 кбит/с.
Допустимая вероятность возникновения ошибок кодирования составляет 10 я.
Скорость передачи информации изменяется от 2,4 до 9,6 кбит/с, а максимальная
частота возникновения битовых ошибок в этом случае составляет 10 6. Помимо
передачи речи и данных, система GLOBALSTAR предлагает услугу передачи ко-
ротких (SMS) и факсимильных сообщений. Последние две услуги зависят от по-
ставщика услуг GLOBALSTAR.
Рассмотрим упрощенную процедуру установления соединения в системе
GLOBALSTAR [19]. После включения питания абонентский терминал пытает-
ся найти наземную сеть сотовой связи. При удачной попытке он регистрирует-
ся в этой сети и использует ее для установления соединений. При невозможно-
сти подключения терминал пытается зарегистрироваться в спутниковой сети.
Он ищет каналы доступа и отправляет на спутник запрос на выделение
CDMA-канала и регистрацию. Кроме того, подвижный терминал передает свой
между народный идентификационный номер мобильного абонента (англ. In-
ternational Mobile Subscriber Identity - IMS!) наземному контроллеру спутнико-
вой станции (англ. Satellite Station Controller — SSC). Затем подвижный терми-
нал локализуется одним из шлюзов, находящихся в зоне обслуживания спутни-
10 WARC World Administrative Conference. В настоящее время - WRC (World Administra-
tive Conference) — Всемирная конференция по радиосвязи.
408
Системы подвижной радиосвязи
ка. Наземная станция осуществляет аутентификацию абонента, извлекая ин-
формацию о нем из регистра HLR (Home Location Register}. После успешной
аутентификации и определения местоположения абонент получает информа-
цию о регистрации в SSC. По получении этого сообщения мобильный терми-
нал синхронизируется с каналом сигнализации шлюзовой станции, в которой
зарегистрировался. Шлюзовая станция отправляет в регистр HLR абонента
сообщение о его регистрации. С этого момента подвижный терминал рас-
сматривается точно так же, как терминал наземной сети подвижной связи,
связаной с системой GLOBALSTAR. Эту ситуацию можно рассматривать как
интеграцию системы GLOBALSTAR с наземной сетью. Заметим, что спутни-
ки служат только как ретрансляторы каналов связи между терминалом и на-
земной станцией.
В настоящее время на рынке представлены телефоны, работающие в двух
или в трех стандартах подвижной связи. Пользователи в Европе могут использо-
вать телефоны, работающие в сетях GSM-900 и GLOBALSTAR. В Америке теле-
фонные аппараты могут регистрироваться в системах CDMA-800 (1S-95),
AMPS-800 и GLOBALSTAR.
В основе конфигурации сети GLOBALSTAR лежит конфигурация наземных
сетей сотовой подвижной связи. Благодаря малой задержке, вносимой спутнико-
вой системой, протоколы и системы сигнализации сотовых сетей могут исполь-
зоваться без изменений. Интерфейсы системы GLOBALSTAR также аналогич-
ны таковым для наземных сотовых систем. Перечислим их:
• радиоинтерфейс между подвижным терминалом, спутником и наземной
станцией;
• интерфейс между SSC и центром коммутации (MSC) наземной сети по-
движной связи общего пользования;
• интерфейс, связанный с протоколом обмена да) шыми между MSC и базами
данных, которые используются в управлении подвижными терминалами.
На рис. 15.8 представлена упрощенная структура контроллера спутниковой
станции (SSC), соединенного с наземной сетью сотовой подвижной связи, на-
пример, GSM. Мы видим, что соответствующая наземная станция системы
GLOBALSTAR связывается с центром MSC через подсистему наземных стан-
ций11. Для выполнения аутентификации абонента MSC обменивается данными с
регистрами HLR, VLR и AU. Через центр MSC можно соединиться с сетью
ТфОП, а через нее - с другой станцией SSC и зарегистрированным в ней подвиж-
ным терминалом.
В июне 2001 г. система GLOBALSTAR уже функционировала, хотя и не
обеспечивала полного покрытия. Некоторые поставщики предлагали подвиж-
С использованием пакетной сети Х.25 и сигнализации ОКС-7 (прим. ред.).
Глава 15. Спутниковые системы персональной ралиосвязи
409
Рис. 15.8. Упрошенная структура станции SSC в системе GLOBALSTAR [19]
(с разрешения Alcatel Telecommunications Review)
GSS - подсистема наземных станций сопряжения; SOCC - центр управления спутника-
ми; MSC - центр коммутации подвижной связи; HLR - опорный (домашний регистр;
VLR - гостевой регистр; NCC - центр управления сетью
ные телефоны, работающие в двух или трех режимах, фиксированные (стацио-
нарные) телефоны и специализированные аппараты для морского применения.
1 5.5.3. ICO
Международный консорциум INMARSAT подключился к гонке в области
персональной спутниковой связи, запустив так называемый Проект-21. В 1995 г.
была образована компания ICO Global Communications. В 2001 г. компанией New
ICO была представлена новая система, которая летом того же года перешла в фа-
зу развертывания.
Система New ICO состоит из космического сегмента и выделенной назем-
ной сети. Основная задача системы - предоставление IP-услуг, включая соедине-
ние с сетью Internet, передача данных, речи и факсимильных сообщений [16].
Система будет работать в трех режимах:
• режим с коммутацией каналов на основе стандарта GSM;
• режим с коммутацией пакетов на основе GPRS;
• режим работы с Internet-прот околом (IP).
410
Системы подвижной радиосвязи
Космический сегмент будет состоять из десяти активных и двух запасных
спутников. Они размещаются на высоте 10390 км на двух взаимно перпендику-
лярных MEO/ICO-орбитах, наклоненных под углом 45° к экваториальной плос-
кости. Спутники будут расположены таким образом, чтобы из любой точки пла-
неты были видны, по крайней мере, два спутника. Благодаря относительно боль-
шой высоте, период обращения спутника составляет около 6 ч, а среднее время
видимости одного спутника - примерно 1 ч. Минимально допустимый угол воз-
вышения спутника составляет 10°. Следовательно, передача соединения будет
происходить достаточно редко. Результатом выбора MEO/ICO-орбит является
большая, чем в LEO-системах, задержка на распространение сигнала; тем не ме-
нее, она не превышает 48 мс для одного направления распространения.
Спутниковая система строится по той же схеме организации связи типа
«прямой ретрансляции», что и GLOBALSTAR. Напомним, что в этом случае
спутники выступают подобием зеркал, отражающих сигналы с Земли. Восходя-
щей линии связи выделен частотный диапазон 1980...2010 МГц, нисходящей -
2170...2200 МГц. Каналы связи наземных станций с КА - прямой и обратный -
размешаются в диапазонах 5,15...5,25 и 6,975...7,075 ГГц соответственно.
Спутники будут осуществлять взаимодействие с наземными сетями через
собственную наземную сеть ICONET. Планируется, что основным протоколом
взаимодействия сети ICONET будет IP (Internet Protocol). Сеть ICONET будет со-
стоять из 12 расположенных соответствующим образом спутниковых узлов до-
ступа (англ. Satellite Access Node - SAN) (рис. 15.9), связанных высокоскорост-
ными каналами передачи данных. Шесть станций SAN должны одновременно
выступать в роли станций телеметрии, слежения и управления (англ. Telemetry,
Tracking and Control- TT&C). Они будут контролировать положение спутников и
управляться из центра управления спутниковой группировкой (англ. Satellite
Control Center - SSC), размещенного в Англии.
Основная задача наземных станций (SAN) - обеспечение связи между КА и
наземными сетями и маршрутизация данных в сети ICO. В состав наземных
станций входят следующие элементы [16]:
• пять антенн совместно с другим оборудованием спутниковой связи;
• коммутационное оборудование, работающее в режимах коммутации па-
кетов и каналов, для маршрутизации данных в сети ICONET и взаимодей-
ствия с наземными сетями подвижной и проводной связи;
• соответствующие регистры, необходимые для обеспечения мобильности
абонентов и доступа к услугам;
• оборудование, необходимое для реализации услуг передачи речи, факси-
мильных сообщений и данных;
• GPRS-оборудование для управления трафиком, хранения данных и под-
держки некоторых 1Р-услуг.
Ожидается, что радиоинтерфейс будущей системы New ICO будет под-
держивать передачу данных со скоростями до 144 кбит/с, а протоколы связи
Глава 15. Спутниковые системы персональной ралиосвязи
411
Канал
Линии связи
друг с другом
станций SAN)
Рис. 15.9. Обобщенная структура системы ICO
будут аналогичны используемым в наземных сетях. Система New ICO должна
напрямую взаимодействовать с системами GSM без дополнительных техно-
логических средств. Планируется оборудовать систему New ICO блоками
межсетевого взаимодействия, которые позволят пользователям New ICO ра-
ботать системах, не являющихся GSM системами. В режиме коммутации па-
кетов система New ICO будет поддерживать услуги, подобные предоставляемым
системой GPRS.
Представленная выше обобщенная информация о системе New ICO не-
сколько отличается от той информации, которая появилась в открытой литера-
туре несколько лет назад [22], [26]. Первоначально система New ICO ориентиро-
валась на передачу речи и ограниченной передачи данных с максимальной
скоростью 64 кбит/с при соединении со стационарным терминалом. Теперь же
основной задачей стала организация сети IP.
15.6. БУДУЩИЕ СИСТЕМЫ ШИРОКОПОЛОСНОГО ДОСТУПА
Две системы, описанные ниже, не могут считаться системами персональной
спутниковой связи в строгом смысле. Их основная задача, как и задача системы
New ICO, заключается в предоставлении доступа к сети Internet и широкополос-
ным сетям, хотя в список услуг входит и передача речи. Ниже будут кратко рас-
смотрены примеры двух систем широкополосной спутниковой связи.
412
Системы подвижной радиосвязи
15.6.1. Teledesic
В год основания компании Teledesic (1990 г.) и на момент завершения перво-
начальной разработки системы (1994 г.) концепция Teledesic представлялась фу-
туристической. Целью разработки системы Teledesic является построение все-
мирной широкополосной сети Intemet-in-the-Sky™ с качеством передачи дан-
ных, соответствующим оптоволоконным сетям. В 1997 г. Федеральная комиссия
связи США выдала компании Teledesic лицензию, а на Всемирной конференции
по радиосвязи ей был выделен необходимый спектр. Начало работы системы за-
планировано на 2005 г. [23].
Teledesic состоит из космического и наземного сегментов. Наземный сег-
мент образуют терминалы и сетевые шлюзы центры управления сетью. Косми-
ческий сегмент представляет собой коммутируемую сеть на основе спутников,
основная задача которой заключается в обеспечении надежной связи между тер-
миналами.
Космический сегмент будет первоначально состоять из 288 активных и не-
скольких запасных спутников, вращающихся на 12 низких (LEO) орбитах, кото-
рые наклонены под углом 40° к экваториальной плоскости. Планируемая высота
орбит - примерно 1375 км. В ранних версиях системы планировалось использо-
вать 840 спутников, расположенных на орбитах с другим наклонением [8]. По-
скольку между наземными терминалами и КА будут устанавливаться широкопо-
лосные каналы связи, требуется большая ширина полосы спектра. Поэтому об-
мен данными между терминалами и спутниками осуществляется в диапазоне Ка.
Нисходящей линии связи выделен диапазон 18,8... 19,3 ГГц, восходящей -
28,6...29,1 ГГц. На таких высоких частотах дождь и препятствия на линии прямой
видимости сильно мешают распространению радиоволн. Поэтому работающие
спутники должны иметь большие углы возвышения. Большой угол возвышения,
значительная требуемая емкость системы и предполагаемая высота размещения
спутников обусловили большое их количество в системе Teledesic.
Система Teledesic оптимизирована для работы с фиксированными терминала-
ми; тем не менее предусмотрена поддержка применения в морском деле и авиа-
ции, т.е. возимых терминалов. Стандартный терминал будет поддерживать пере-
дачу данных со скоростями до 64 Мбит/с в нисходящей линии связи и до 2 Мбит/с
в восходящей. При помощи широкополосных терминалов планируется реализо-
вать двунаправленную передачу данных со скоростью 64 Мбит/с. Терминалы бу-
дут соединять конечного пользователя с другими пользователями системы Tclc-
desic или обеспечивать взаимодействовие с другими сетями, работающими с
протоколами IP, ISDN, ATM и некоторыми другими. Таким образом, сеть Telede-
sic будет связана с сетью Internet и сможет использоваться для передачи мульти-
медийных данных, соединения локальных вычислительных сетей, внутренних
корпоративных сетей Intranet и т.д. [23].
Используемые методы многостанционного доступа соответствуют общей
концепции сети с коммутацией пакетов. В рамках одной соты для передачи дан-
Глава 15. Спутниковые системы персональной ралиосвязи
413
ных в восходящем направлении используетсямногочастошный многостанцион-
ный доступ с временным разделением (англ. Multi-Frequency Time Division
Multiple Access - MF-TDMA ), а в нисходящем направлении - асинхронный много-
станционный доступ с временным разделением (англ. Asynchronous Time Divisi-
on Multiple Access — ATDMA).
Сеть Teledesic будет оборудована центрами управления спутниковой груп-
пировкой (англ. Constellation Operations Control Center - СОСС) и центрами
управления сетью (англ. Network Operations Control Center - NOCC). Центры
СОСС управляют спутниками, их размещением, заменой вышедших из строя
спутников запасными и отводом спутников с орбит. Центры NOCC выполняют
функции администрирования и управления сетью.
Спутники Teledesic несут на борту узлы коммутации. Сеть Teledesic пред-
ставляет собой сеть с коммутацией пакетов. В этом плане она аналогична сети
ATM; однако пакеты в сети Teledesic длиннее, чем 53-байтовые АТМ-ячейки'“.
Каждый пакет состоит из заголовка с адресом назначения и информационной по-
следовательностью, поля защиты заголовка от ошибок и пользовательских дан-
ных (payload). Передача данных внутри всей сети осуществляется в пакетной
форме. Изменение формата данных происходит в терминалах. Каждый пакет ин-
дивидуально передается в пункт назначения с использованием адаптивного ал-
горитма маршрутизации пакетов, который минимизирует время распростране-
ния пакета и его изменчивость. Напомним, что сеть спутников LEO вращается
относительно наземных терминалов, что определяет динамический характер се-
ти. Пакеты могут прибывать в пункт назначения по разным маршрутам и не в по-
рядке следования при передаче, поэтому их надо упорядочивать и хранить в бу-
фере для получения надлежащего качества услуг. Переключение между узлами
сети будет происходить в космическом пространстве. Межспутниковыс каналы
связи устанавливаются между КА, расположенными на одной и той же орбите, а
также смежных с ней. Большое количество спутников (и коммутаторов) и связи
между ними создадут своего рода ячеистую сеть (mesh network), которая будет
более устойчива к сбоям и сможет естественным образам адаптироваться к
флуктуациям трафика и перегрузкам узлов.
15.6.2. Skybridge
Система Skybridge разрабатывается по инициативе компании Alcatel [5],
[20], [21]. Она будет обеспечивать высокоскоростной доступ к всемирным маги-
стральным оптоволоконным сетям. В этом смысле Skybridge попытается запол-
нить брешь между быстрым развитием оптоволоконных сетей и недостатком
Напомним, что в сетях ATM (англ. Asynchronous Transfer Mode-режим асинхронной
передачи данных) ячейка представляет собой 53-байтовый пакет, который служит ба-
зовой единицей передачи данных.
414
Системы подвижной радиосвязи
возможностей доступа к ним, несмотря на существование технологий ADSL и
кабельных модемов. Разработчики системы предполагают, что Skybridge будет
обеспечивать широкополосный доступ 20 млн. пользователям по всему миру.
Система Skybridge будет поддерживать мультимедийные приложения, видеоте-
лефонию, видеоконференции, электронную коммерцию, дистанционную работу
(telecommuting), дистанционное обучение, телемедицину, организацию корпора-
тивных сетей, удаленный доступ к ЛВС и обычным телефонным сетям, а также
прямые трансляции.
В системе Skybridge планируется использовать 80 активных и несколько за-
пасных низкоорбитальных (LEO) спутников, которые будут расположены на
круговых орбитах в так называемой орбитальной группировке Уокера. Орбиты с
четырьмя спутниками на каждой должны располагаться в 20 плоскостях с углом
наклонения 53° к экваториальной плоскости. Высота орбит будет составлять
1469 км. Для передачи данных между КА и наземными терминалами в системе
будет выделен диапазон Кг/ между 10 и 18 ГГц. Этот диапазон уже используется
наземными системами радиорелейной связи и спутниковыми GEO-системами,
однако запланированы меры, которые позволят избежать взаимных помех Skyb-
ridge и этих систем. Помимо всего прочего, спутники Skybridge прекращают
передачу данных в определенную соту, когда наземная станция обнаруживает,
что направление этой передачи близко к направлению передачи систем GEO.
В результате, для каждой наземной шлюзовой станции определена мертвая зона
(non-operating zone). Она включает в себя положения спутников, при которых
возникают помехи для систем GEO. В таких случаях передача данных по этим
направлениям будет реализована через другие наземные станции.
Структуру системы Skybridge можно разделить на два сегмента:
• космический сегмент, который включает в себя орбитальную спутнико-
вую группировку, центр управления спутниковой группировкой (англ. Sa-
tellite Control Center - SCC), наземные станции слежения, телеметрии и
управления (англ. Tracking. Telemetry and Control - TT&C) и два центра
управления системой;
• телекоммуникационный сегмент, который состоит из шлюзовых станций
и Skybridge-терминалов.
Каждый спутник Skybridge с помощью многолучевой диаграммы направлен-
ности может создавать некоторое количество «пятен» диаметром 700 км. Акт ив-
ные антенны позволяют направлять лучи на наземные шлюзы в течение заданно-
го промежутка времени. Передаваемые в определенном луче пользовательским
терминалом данные направляются в шлюз в том же самом луче (и наоборот).
Для обеспечения покрытия всей планеты планируется развернуть до 200
шлюзовых станций. Шлюзы будут соединять сеть Skybridge с Internet-сервера-
ми, узко- и широкополосными наземными сетями или арендуемыми линиями [21].
Абонентские терминалы состоят из антенного оборудования и интерфейса
для внешнего мультимедийного оборудования. Антенны малого размера для ин-
Глава 15. Спутниковые системы персональной ралиосвязи
415
дивидуальных пользователей диаметром около 50 см будут устанавливаться на
крышах домов. Благодаря им абонент сможет принимать данные со скоростью
до 20 Мбит/с и передавать их со скоростью до 2 Мбит/с. Необходимое количест-
во интерфейсов позволит соединить терминал с несколькими персональными
компьютерами. Терминал будет работать в сеансовом режиме передачи данных,
что обрабатывать Internet.
В профессиональных терминалах корпоративных абонентов планируется
применение антенн диаметром 80-100 см. Прием и передача потоков данных
будут производиться со скоростями в 3-5 раз большими, чем в терминалах ин-
дивидуальных абонентов. Благодаря модульной структуре профессиональных
терминалов, скорость приема ими потоков данных составит до 60 Мбит/с.
Профессиональные терминалы будут соединены с корпоративными АТС
(РВХ) или локальными вычислительными сетями (LAN). Планируется поддер-
жка двух режимов управления ресурсами: стандартный режим, в котором со-
здаются п х 64-кбит/с каналы для передачи телефонного и видеотелефонного
трафика, и режим передачи данных, предназначенный для Internet-сессий или
передачи трафика в сетях Intranet [20].
В сети Skybridge будет использоваться асинхронный (ATM) режим передачи
данных. Как известно, в сетях ATM данные передаются в виде 53-битовых паке-
тов (ячеек). Такой унифицированный способ передачи данных упрощает управ-
ление радиоресурсами, позволяет достичь требуемого качества услуг и осущест-
влять взаимодействие с другими сетями.
Емкость системы Skybridge [20] определяется несколькими факторами:
• доступом к широкому частотному диапазону;
• повторному использованию частот в различных сотах;
• одновременному наблюдению нескольких спутников, что может быть ис-
пользовано в областях с интенсивным трафиком;
• статистическим мультиплексированием различных типов трафика;
• эффективностью использования энергетических запасов спутников и
терминалов.
В каждой соте для передачи данных в нисходящем направлении может ис-
пользоваться 750-МГц диапазон, а для передачи данных в восходящем направле-
нии выделен диапазон шириной 300 МГц. Такая асимметрия обусловлена
асимметричностью трафика в широкополосных мультимедийных системах.
Разработчики системы Skybridge объявили [20], что в одной соте будет поддер-
живаться передача данных со скоростью до 1 Гбит/с на спутник, причем профес-
сиональным системам отведено 770 Мбт/с, а индивидуальным - 310 Мбит/с.
Максимальная скорость передачи данных через шлюзовую станцию будет со-
ставлять до 3 Гбит/с, поскольку каждая станция сможет видеть до трех спут-
ников одновременно. Суммарный обслуживаемый трафик системы может до-
стигать 215 Гбит/с.
416
Системы подвижной радиосвязи
•к •к •к
В данном разделе обсуждены наиболее важные системы спутниковой связи,
которые могут обслуживать мобильных пользователей. Рассмотрены три систе-
мы персональной спутниковой связи и кратко затронуты два проекта реализации
широкополосного доступа, которые могут революционизировать доступ к сети
Internet и телекоммуникационным сетям в целом. Однако внимательное наблю-
дение за развертыванием систем и связанных с этим процессом финансовых
проблем говорит о том, что спутниковый сегмент рынка систем подвижной свя-
зи - наиболее трудный и рискованный в плане инвестиций. Остается надеяться,
что, несмотря на быстрое развитие наземных систем подвижной связи, системы
спутниковой связи станут важной частью интегрированных телекоммуникаци-
онных систем будущего.
ЛИТЕРАТУРА
1. W.S.Adams, L.Rider, «Circular Polar Constellations Providing Continuous Single
or Multiple Coverage Above a Specified Latitude», The Journal of Astronautical
Sciences, Vol. 35, №2, April-June, 1987.
2. F.Ananasso, F.Delli Priscoli, «The Role of Satellites in Personal Communication
Services», IEEE J. Selected Areas in Commun., Vol. 13, №2, 1995, pp. 180-195.
3. K.D.Carl, S.Ritterbusch, «GEO-MEO-LEO: satelittengestiitzte Systeme fur PCS»,
IK, Berlin, №46, 1996, pp. 45-50.
4. J.-N.Colcy, R.Steinhauser, «EUTELTRACS the European Experience on Mobile
Satellite Services», Proc, of Intern. Mobile Satellite Commun. Conference, 1993,
pp. 261-266.
5. J.Couet, D.Maugars, D.Rouffet, «Satellites and Multimedia», Alcatel Telecom-
munications Review, Fourth Quarter 1999, pp. 250-257.
6. K.Dawson, «Iridium Returns from the Dead», http://www.commweb.com, March
29, 2001.
7. R.De Gaudenzi, T.Garde, F.Giannetti, M.Luise, «An Overview of CDMA Tech-
niques for Mobile and Personal Satellite Communications», Proc, of EMPS '94,1995,
pp. 78-104.
8. P.P.Giusto, G.Quaglione, «Technical Alternatives for Satellite Mobile Networks»,
Proc, of EMPS '94, 1995, pp. 15-27.
9. J.L.Grubb, «The Traveller’s Dreams Come True», IEEE Communications Maga-
zine, November 1991, pp. 48-51.
10. J.E.Hatlelid, L.Casey, «The Iridium System: Personal Communications Anytime,
Anyplace», Proc, of Intern. Mobile Satellite Commun. Conference, 1993, pp. 285-290.
11. J.Huber, «Mobile/Personal Satcoms System Alternatives - Satellite and Network
Aspects», Proc, of EMPS '94, 1995.
Глава 15. Спутниковые системы персональной ралиосвязи
417
12. J.B.Lagarde, D.Rouffet, M.Cohen, «GLOBALSTAR System: An Overview»,
Proc. ofEMPS '94, 1995.
13. R.Leopold, «Low-Earth Orbit Global Cellular Communications Network». Proc,
of IEEE Intern. Conference on Communications, 1991,pp. 1108-1111.
14. J.Lodge, «Mobile Satellite Communications Systems: Toward Global Personal
Communications», IEEE Communications Magazine, November 1991, pp. 24-30.
15. P.Monte, F.Way, S.Carter, «The GLOBALSTAR Air Interface: Modulation and
Access», Proc, of COST 227/231, 1993, pp. 108-118.
16. The New ICO System, http://www.ico.system/home.htm.
17. S.R.Pratt, R.A.Raines, C.E.Fossa, M.A.Temple, «An Operational and Per-
formance Overview of the IRIDIUM Low Earth Orbit Satellite System», IEEE Com-
munications Surveys, http://www.comsoc.org/pubs/surveys, Second Quarter 1999,
pp. 2-10.
18. M.A.Pullman, K.M.Peterson, Y.Jan, «Meeting the Challenge of Applying Cellular
Concept to LEO Satcom Systems», Proc, of International Conference on Communica-
tions, 1992, pp. 770-773.
19. D.Rouffet, «GLOBALSTAR: a Transparent System», Electrical Communication,
First Quarter 1993, pp. 84-90.
20. D.Rouffet, «Bkybridge: System Description», Alcatel Telecommunications Revi-
ew, Fourth Quarter 1998, pp. 269-275.
21. P. Sourisse, «Skybridge: Global Multimedia Access», Alcatel Telecommunications
Review, Third Quarter 1999, pp. 228-237.
22. G.Symeonidis, P.McDougal, «Inmarsat and Mobile Satcoms in the 21st Century»,
Proc, of Telecom ‘95, Geneva 1995.
23. Teledesic. Technology Overview, http://www.teledesic.com/tech/tech.htm.
24. R.Wiedeman, A.Viterbi, «The GLOBALSTAR Mobile Satellite System for World-
wide Personal Communications», Proc, of Intern. Mobile Satellite Commun. Confe-
rence, 1993, pp. 291-296.
25. P.Wood, «Mobile Satellite Services for Travellers», IEEE Commun. Magazine,
November 1991, pp. 32-35.
26. W.W.Wu, E.F.Miller, W.L.Pritchard, R.L.Pickholtz, «Mobile Satellite Communi-
cations», Proc, of the IEEE, Vol. 82, №9, September 1994.
27. M.Amanowicz, «Satellite Personal Communication Systems», Telecommunicati-
ons Review (in Polish), №5-6, 1995, pp. 248-255.
418
Системы подвижной радиосвязи
ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица 1. Частотные диапазоны, используемые в системах связи [27]
Частотный диапазон Длина волны, м Название частоты
2...30 Гц 1О8...1О4 Очень низкая (VLF)
ЗО...ЗОО кГц 104...103 Низкая (LF)
0,3—3 МГц 1О3...1О2 Средняя (MF)
З...ЗО МГц 1О2...1О Высокая (HF)
ЗО...ЗОО МГц 10...1 Очень высокая (VHF)
0.3...3 ГГц 1...10”1 Ультравысокая (UHF)
З...ЗО ГГц 10”'... 1 О*2 Сверхвысокая (SHF)
ЗО...ЗОО ГГц 1О”2...1О”3 Чрезвычайно высокая (EHF)
Таблица 2. Поддиапазоны в диапазонах SHF и EHF [27]
Обозначение поддиапазона Частотный диапазон, ГГц
L 1...2
S 2...4
С 4...8
X 8...12
ю 12...18
Ка 18...27
К 27...40
W 40... 100
Глава 16
БЕСПРОВОДНЫЕ ЛОКАЛЬНЫЕ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ (WLAN)
16.1. ВВЕДЕНИЕ
В обычной локальной вычислительной сети (ЛВС) такие сетевые элементы,
как серверы, терминалы, принтеры и другая периферия, соединены системой
медных или оптоволоконных кабелей. Сеть включает в себя стационарные узлы,
терминалы и кабельную инфраструктуру. При каждом расширении или измене-
нии конфигурации сети необходимы прокладки дополнительных кабельных сое-
динений, что требует как временных, так и финансовых затрат. Очевидно, что
терминалы такой сети не могут перемещаться.
Технологии беспроводных локальных вычислительных сетей (англ. Wireless
Local Area Network - WLAN) открывают новые возможности перед пользователями
ЛВС - прежде всего мобильность терминалов и простоту изменения конфигурации
сети. В общих чертах сети WLAN обладают следующими преимуществами [1]:
• гибкость - узлы сети WLAN могут соединяться друг с другом в области
покрытия сети без существенных ограничений, связанных с их расположе-
нием. Терминалам не обязательно находиться на линии прямой видимо-
сти. Стены и другие препятствия, встречающиеся в помещениях, как пра-
вило, прозрачны для электромагнитных волн не очень высокой частоты;
• простота планирования - планирование сети связано с радиочастотной
составляющей; при этом конфигурирование сетей, особенно типа «ad
hoc»1, не требуется;
Ad hoc network-беспроводная сеть произвольной структуры с эпизодическим доступом.
Имеет полностью децентрализованную структуру, доступ пользователям предоставляет-
ся только во время нахождения в зоне действия базовых станций сети (прим. ред.).
420
Системы полвижнои ралиосвязи
• возможность создания временных конфигураций сети — беспроводная
связь дает возможность создавать локальные сети, требующиеся на ко-
роткий период времени (например, на крупных выставках, спортивных
соревнованиях и т.д.);
• независимость от внешних условий - из-за отсутствия проводных соеди-
нений и использованию терминалов (часто внутренних), как правило,
присоединенных к портативным компьютерам и другим носимым
устройствам, работающих от внутреннего источника питания, сети
WLAN не сильно подвержены внешним воздействиям в экстремальных
случаях.
Сети WLAN также обладают некоторыми недостатками, большая часть
которых обусловлена свойствами распространения сигналов по радиокана-
лам. К ним относятся [1]:
• худшее качество передачи данных по сравнению с обычными проводны-
ми ЛВС - вероятность появления ошибок при передаче сигнала по радио-
каналу составляет ПГ’-Ю-4 или даже больше. Для достижения лучшего
качества необходимо использовать технологии упреждающей коррекции
ошибок (FEC) или ARQ. Для сравнения: вероятность появления ошибок
при передаче сигнала по оптоволоконному каналу не превышает 10 |0.
Радиоканалы подвержены временным изменениям, а в распоряжении си-
стемы находятся ограниченные спектральные ресурсы. Спектральные
ограничения и возможные помехи со стороны других систем - серьезный
недостаток сетей WLAN;
• местные регуляторные ограничения - различные страны накладывают
ограничения на выделение частотных ресурсов. Это, в свою очередь, на-
кладывает ограничения на всемирные стандарты сетей WLAN;
• стоимость беспроводного оборудования все еще намного превышает сто-
имость аналогичного оборудования для проводных сетей;
• меньшая конфиденциальность и безопасность - передаваемую по радио-
каналам информацию перехватить намного проще, чем информацию, пе-
редаваемую по проводным соединенительным линиям.
Беспроводные ЛВС редко реализуются независимо от других сетей. Как
правило, беспроводная передача данных используется для обеспечения доступа
к проводным сетям. В остальных случаях существует нечто вроде шлюза между
сетью WLAN и другими сетями, такими, например, как Internet. Поэтому сети
WLAN должны быть совместимы с этими сетями и прозрачны для пользователь-
ских приложений.
Глава 16. Беспроводные локальные вычислительные сети (WLAN)
421
16.2. ТИПЫ СЕТЕЙ WLAN
Сети WLAN можно классифицировать по нескольким признакам, таким, как
тип радиопередачи данных, используемый частотный диапазон (инфракрасный
или радио-) или метод многостанционного доступа. Мы воспользуемся класси-
фикацией, основанной на конфигурации сети. По этому критерию сети WLAN
подразделяются на структурированные и сети типа «ad hoc».
На рис. 16.1 иллюстрируется идея беспроводной структурированной сети2.
Сеть WLAN, принадлежащая к данному типу, обладает проводной инфраструк-
турой, соединяющей ее с другими проводными сетями. Важными элементами
сетей такого типа являются точки доступа (англ. Access Point - АР), которые
обеспечивают взаимодействие беспроводных терминалов с проводной инфраст-
руктурой сети. В большинстве случаев радиообмен осуществляется только меж-
ду точками доступа и беспроводными терминалами, т.е. два сетевых терминала
взаимодействуют друг с другом только через соответствующую точку доступа.
Таким образом, точки доступа выполняют те же функции, что и базовые станции
в системах сотовой связи. Точка доступа реализует большинство процедур, свя-
занных с управлением передачей данных, оставляя терминалам только простую
обработку сигналов. Такой способ организации сети позволяет упростить управ-
ление доступом к сети и избежать коллизий. Это возможно в случае, когда точки
доступа управляют доступом терминалов к радиоканалу.
Структурированные сети не обладают полной гибкостью по причине нали-
чия фиксированной проводной части. Этот недостаток отсутствует в сетях типа
«ad hoc» (рис. 16.2).
Беспроводные сети типа «ad hoc» не имеют опорной проводной инфраст-
руктуры. Беспроводные терминалы не только соединяют пользователей с сетью.
Рис. 16.1. Пример конфигурации
структурированной сети WLAN
Рис. 16.2. Структура сети
WLAN типа «ао hoc»
г Другое название - сети на базе проводной инфраструктуры (прим. ред.).
422
Системы подвижной радиосвязи
но и выступают в роли сетевых узлов. Они могут взаимодействовать между со-
бой все время, пока находятся в зоне взаимной радиодоступности. Размер сети
может быть увеличен, если беспроводные терминалы будут пересылать полу-
ченные сообщения другим станциям. Концепция сети типа «ad hoc» подразуме-
вает наличие технически более сложных терминалов. Здесь беспроводной тер-
минал не только принимает и отправляет сообщения, но и выступает в роли
сетевого узла. Он должен получать доступ к сетевым ресурсам при помощи про-
цедур многостанционного доступа, маршрутизировать передаваемые пакеты и
устанавливать их приоритеты.
Практическая реализация беспроводной сети, как правило, представляет со-
бой компромисс между этими двумя перечисленными типами сетей.
В сетях WLAN предоставляется большой выбор различных радиотехноло-
гий, скоростей передачи данных, диапазонов и возможностей применения. Ниже
приводятся основные свойства наиболее важных стандартов беспроводных
ЛВС, таких как IEEE 802.11, H1PERLAN/1 и 2; даны краткие сведения об интер-
фейсе концепции Bluetooth. Более подробную информацию можно найти в кни-
гах, целиком посвященных сетям WLAN, например, в [2] и [3], или в соответст-
вующих разделах работ [1] или [4].
16.3. ПРОБЛЕМА СКРЫТОЙ СТАНЦИИ
Беспроводная передача данных в сетях WLAN может быть связана с некото-
рыми проблемами, если зоны радиодоступности различных частей сети WLAN
частично перекрываются. Рассмотрим пример, изображенный на рис. 163a.
Станция В находится в зоне досягаемости станций А и С, однако расстояние
между станциями Л и С настолько велико, что ни одна из них не попадает в зону
покрытия другой и не в состоянии определить, производит ли передачу другая.
Станция А выполняет передачу данных станции В. Станция С, используя метод
многостанционного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий
Рис 16.3 Иллюстраиия проблемы скрытой станоии
а - в сетях типа «ad hoc»-, б - в структурированных сетях
Глава 16. Беспроводные локальные вычислительные сети (WLAN)
423
Рис. 16.4. Решение проблемы скрытой станции
a - путем использования различных зон для радиосвязи и для обнаружения сигнала;
б - применением метода МАСА
(англ. Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - CSMA/CD), опреде-
ляет, что эфир свободен, после чего также начинает передавать данные станции В.
Таким образом, возникает коллизия. Обе станции передают пакеты данных на
станцию В до их завершения, не зная, что эти пакеты не могуч быть корректно
приняты. Фактически, происходит двойная трата ресурсов. Во-первых, возника-
ет конфликт-коллизия данных. Во-вторых, теряется время передачи всего паке-
та. В таких случаях говорят, что станция С скрыта для станции Л. Аналогичный
пример можно привести и для структурированных сетей WLAN (см. рис. 16.36).
Если две точки доступа попытаются одновременно передать данные станции,
расположенной в зонах радиодоступности обеих, и при этом их действия не бу-
дут скоординированы проводной частью сети, то возникнет такая же конфликт-
ная ситуация, что и в первом случае.
Проблема скрытой станции (узла) может быть частично решена, если обес-
печить радиус обнаружения сигнала, существенно превышающий размеры зоны
радиодоступности, в которой на данном канале гарантируется уверенная радио-
связь (рис. 16.4д). Такой метод используется в HIPERLAN/1. Другой способ за-
ключается в использовании метода многостанционного доступа с предотвра-
щением коллизий (англ. Multiple Access with Collision Avoidance - МАСА). Схема
его реализации приведена на рис. 16.46. Прежде чем начать передачу данных
станции В, станция А передает пакет RTS (англ. Request То Send-запрос на пере-
дачу). Пакет RTS содержит адреса передающей и принимающей станций, а так-
же сведения о длительности предполагаемой передачи данных. Станция В в от-
вет посылает станции А пакет CTS3 (англ. Clear То Send - «готов к передаче»),
который получает и станция С. Он содержит адреса отправителя и получателя и
На самом деле, CTS, отправляемый станцией-получателем пакета, означает «готов-
ность к приему», т.е. к передаче сигнала станцией-источником (прим. ред.).
424
Системы подвижной радиосвязи
длительность передачи, поэтому получившая извещение станция С не будет пы-
таться получить доступ к занятому каналу до истечения указанного времени.
Конфликт может произойти только в случае, если станции С и В одновременно
отправят пакеты RTS; однако эти пакеты намного короче, и затраченное время
будет, соответственно, меньше. Такой способ решения проблемы скрытой стан-
ции может опционально использоваться в беспроводных сетях на основе стан-
дарта IEEE 802.11 (см. параграф 16.5).
Проблема скрытой станции намного проще решается в случае применения
на физическом уровне4 технологий расширения спектра. Достаточно того, что
обе передающие станции будут посылать свои псевдослучайные сигналы (исполь-
зуя методы прямой последовательности или скачкообразной перестройки часто-
ты) на приемные станции в различных фазах. При этом сигналы будут взаимно
почти ортогональны, что позволит принимающей станции выделить любой из
них при помощи корреляционной обработки или RAKE-приемника.
16.4. HIPERLAN TYPE 1
Стандарт HIPERLAN Туре 1 (англ. High PERformance Local Area Network -
локальная вычислительная сеть высокой производительности') (HIPERLAN/1)
был принят Европейским институтом телекоммуникационных стандартов
(ETSI) в 1995 г. [5]. Это первый из четырех стандартов ETSI, касающихся бес-
проводного доступа к вычислительным сетям. Остальные стандарты -
HIPERLAN/2 [6], HIPERACCESS (беспроводной удаленный доступ к сетям
ATM) [8] и HIPERLINK (беспроводная связь между сетями ATM). Стандарт
HIPERLAN/1 реализует интерфейс, совместимый со стандартом ISO 8802 [9].
Сети WLAN, соответствующие стандарту HIPERLAN/1, предлагаются в обеих
описанных выше конфигурациях.
Сеть HIPERLAN/1 работает в диапазоне 5,15...5,3 ГГц, поделенном на пять час-
тотных каналов. В табл. 16.1 приведены частоты несущих для всех каналов. Мак-
симальная скорость перемещения терминалов HIPERLAN/1 составляет 1,4 м/с.
Передача данных может выполняться как асинхронно, так и синхронно. Радиус
действия терминала составляет 50 м. Максимальная скорость передачи приблизи-
тельно равна 23,5 Мбит/с. На рис. 16.5 приведены уровни эталонной модели для
сети HIPERLAN/1, а на рис. 16.6 - модель взаимодействия сети HIPERLAN/1.
Подуровень МАС выполняет некоторые функции, помогающие организо-
вать работу сети HIPERLAN/1. Более высокие уровни предоставляют блоки дан-
ных5 услуги МАС-уровня (англ. MAC Service Data Unit - MSDU), которые попа-
дают на уровень МАС через точки доступа к услугам МАС. В результате приме-
4 Физический уровень модели OSI (прим. ред.).
5 Очевидно, имеются в виду пакеты данных верхних уровней (прим. ред.).
Глава 16. Беспроводные локальные вычислительные сети (WLAN)
425
Таблица 16.1. Несушие частоты
каналов HIPERLAN/1
№ канала Несущая частота, МГц
0 1 2 3 4 5176.4680 5199,9974 5223,5268 5247,0562 5270,5856
Уровень звена данных Подуровень управления доступом к среде (МАС)
Подуровень управления доступом к каналу (САС)
Физический Физический уровень
уровень (PHY)
Рис. 16.5. Уровни эталонной модели
сети HIPERLAN/1
Услуга
HIPERLAN МАС
Протокол
__HIPERLAN_MAC _
Услуга
HIPERLAN МАС
Протокол
HIPERLAN МАС
Физический протокол
Рис. 16.6. Модель взаимодействия сети HIPERLAN/1 [5]
нения протокола МАС сети HIPERLAN, формально создаются блоки данных
протокола HIPERLAN-MAC (англ. HIPERLAN-MACProtocol Data Unit -HMPDU).
Подуровень управления доступом к каналу (англ. Channel Access Control -
САС) содержит протокол, определяющий, какие из узлов имеют право на переда-
чу данных, а также приоритеты доступа. Этот уровень реализует услуги переда-
чи данных без установления соединения для подуровня МАС. Таким образом,
блок HMPDU - такой же блок данных услуги HIPERLAN-CAC, попадающий на
уровень САС через точку доступа к услугам HIPERLAN-CAC (англ.
HIPERLAN-CAC Service Access Point -HCSAP). Благодаря применению протоко-
ла подуровня САС формируются блоки данных HCPDU (англ. HIPERLAN-CAC
Protocol Data Unit), помещаемые в поле данных пакетов физического уровня.
Протокол физического уровня определяет технологии передачи и приема данных,
а также оценки состояния канала. Пакеты данных передаются между двумя станция-
ми (узлами) по радиоканалу согласно протоколу физического уровня HIPERLAN.
Как видим, между уровневой структурой эталонной модели OSI, приведен-
ной в разделе 1 на рис. 1.50, и структурой модели взаимодействия сети
HIPERLAN существует большое сходство.
426
Системы полвижнои ралиосвязи
16.4.1. Подуровень МАС организации HIPERLAN/1
Первая функция, выполняемая на подуровне МАС - отображение адресов,
которое позволяет терминалу разграничить свою HIPERLAN-сеть с другими в
совместной области покрытия нескольких сетей. Стандарт определяет внутрен-
нюю структуру адреса. Адрес станции HIPERLAN состоит из двух частей. Пер-
вая часть содержит название сети, а вторая - идентификатор станции. В рамках
функции отображения адресов выполняется также преобразование адресации,
соответствующей правилам IEEE-МАС, в адресацию HIPERLAN.
Подуровень МАС также обеспечивает конфиденциальность соединения,
определяя алгоритм шифрования и дешифрирования. При этом требуются иден-
тичный ключ и общий вектор инициализации. В процессе шифрования и дешиф-
рирования выполняется сложение по модулю 2 последовательности данных
пользователя и сгенерированной псевдослучайной последовательности. Генера-
тор псевдослучайной последовательности инициализируется ключом и векто-
ром инициализации. Для обеспечения высокого уровня безопасности векторы и
ключи инициализации должны часто меняться.
Следующая функция подуровня МАС - адресация точек доступа к услугам
подуровня МАС (англ. МА С Service Access Point - MSAP). Согласно модели взаи-
модействия (см. рис. 16.6), сеть HIPERLAN предлагает услуги, выполняемые
между точками доступа к услугам подуровня MAC (MSAP) - «отправителем» и
«получателем». Точки MSAP имеют 48-битовые LAN-MAC-адреса. Обеспечи-
вается совместимость услуги с описанием МАС согласно стандарту ISO.
Подуровень МАС также управляет пересылкой (ретрансляцией) данных
(англ, data forwarding). Некоторые терминалы HIPERLAN/1 могут выступать в
роли ретрансляторов между станциями, находящимися вне зоны взаимной ра-
диодоступности. Пересылка данных может выполняться как между двумя инди-
видуальными терминалами (типа «точка-точка»), так и быть многоадресной/ши-
роковещательной (типа «один-ко-многим» или «точка-многоточка»). Ретрансля-
ционные станции используют таблицы маршрутизации и список ретрансляторов.
Таблица маршрутизации каждой ретрансляционной станции содержит адреса
ближайших узлов ретрансляции на пути к возможным пунктам назначения паке-
тов. Следовательно, передаваемый пакет содержит адрес назначения и адрес сле-
дующего ретранслятора.
Последняя функция подуровня МАС - энергосбережение. Это означает, что
на уровне МАС реализуется механизм экономии энергии, потребляемой станци-
ями с аккумуляторными батареями.
16.4.2. Уровень САС организации HIPERLAN/1
Наиболее важная часть подуровня управления доступом к каналу (англ.
Channel Access Control - САС) - протокол EY-NPMA (англ. Elimination Yield Non
Pre-emptive Priority Multiple Access), представляющий собой вариант протокола
Глава 16. Беспроволные локальные вычислительные сети (WLAN)
427
многостанционного доступа с контролем несущей (англ. Carrier Sense Multiple
Access - CSMA) с установлением приоритетов.
Предположим, что несколько терминалов попытаются одновременно отпра-
вить пакет. Это может сделать только один из них, иначе возникнет коллизия. Поэто-
му в протоколе EY-NPMA процесс получения дос тупа к каналу состоит из трех фаз.
Время поделено на циклы доступа к каналу. Каждый цикл начинается с
синхронизации доступа к каналу (англ. Channel Access Synchronization - CS).
За синхронизацией следует фаза установления приоритетов. Время этой фазы
поделено на пять 168-битовых интервалов (слотов), расположенных в порядке
убывания приоритетов. Первый интервал имеет наивысший приоритет (р = I).
При наличии у терминала (узла сети HIPERLAN) приоритета р, он контролирует
активность в канале в течение первыхр -1 интервалов. Если все это время канал
свободен, то узел посылает свою последовательность доступа РА (англ. Priority
Assertion - подтверждение приоритета). Если же терминал обнаруживает, что
канал занят станцией с более высоким приоритетом, он не высылает РА и ждет
начала следующего цикла доступа.
Несколько разных станций могут иметь один и тот же приоритет. Это предо-
пределяет необходимость следующей фазы алгоритма получения доступа, кото-
рая называется фазой конкуренции (англ. Contention Phase). Последняя, в свою
очередь, подразделена на фазы отбора и отката. Фаза отбора может длиться от
О до 12 слотов, вмещающих по 212 битов. Каждый терминал, не отсеянный при
установлении приоритетов, посылает пакет отбора. Его длина случайна и мо-
жет составлять от 0 до 12 слотов. Вероятность продолжения пакета в следующем
временном интервале равна 0,5, поэтому длина п пакета отбора имеет распреде-
ление вероятностей
РЕ(п) =
0,5"+|
0,512
при 0< п< 12
при и = 12.
(16.1)
После отправки пакета отбора каждая станция сканирует канал в течение
256-битового интервала проверки прохождения отбора (англ. Elimination Survi-
val Verification - ESV). Станция отказывается от борьбы за доступ к каналу, если
во время этого интервала канал занимает другая станция, передающая более
длинный пакет отбора. Прошедшие эту фазу (т.е. пославшие самые длинные
пакеты) станции принимают участие в фазе отката, которая может длиться до
десяти 168-битовых интервалов. Каждая участвующая станция контролирует ак-
тивность в канале в течение п интервалов (0 - п < 9). Вероятность того, что стан-
ция будет прослушивать канал на протяжении п интервалов, составляет
Рг(/7) = 1/10. (16.2)
Если станция не зафиксировала никакой активности в ходе прослушивания
канала, то она немедленно начинает передавать свой информационный пакет, т.е.
начинается фаза передачи. Если же станция обнаружила сигнал другой станции,
то она отказывается от борьбы за доступ к каналу и ожидает начала следующего
цикла доступа.
428
Системы полвижнои ралиосвязи
Фаза
Фаза
Фаза
А
В
С
D
установления конкуренции передачи
приоритетов 0, Откат
Обнаружена
передача
IF
Обнаружена передача
Рис. 16.7. Иллюстрация работы протокола EY-NPMA
На рис. 16.7 иллюстрируется процесс получения доступа к каналу одной из
четырех станций, обозначенных А. В, С и D. Предполагается, что приоритет
станций А, В и С равен 4. Станция В проходит все фазы протокола EY-NPMA и,
наконец, передает свой пакет данных. Заметим, что, несмотря на достаточно
сложную процедуру получения доступа, все еще остается возможность возник-
новения коллизии.
’16.4.3. Физический уровень организации HIPERLAN/1
Данные по радиоканалу передаются при помощи недифференциальной
гауссовой манипуляции с минимальным частотным сдвигом (англ. Gaussian
Minimum Shift Keying - GMSK) с нормированной характеристикой фильтра
£7 = 0,3 (см. раздел 1); напомним, что В- это 3-дБ ширина спектра сигнала, а
Т - период модуляции). Вследствие многолучевости радиоканала, высокой
(23,5294 Мбит/с) скорости передачи данных и применения частотных импульсов
гауссовской формы, которые длятся несколько периодов модуляции, возникает
межсимвольная интерференция. Искажения такого типа минимизируются при
помощи адаптивного корректора. Как правило, в сетях HIPERLAN/1 использует-
ся корректор с решающей обратной связью (англ. Decision-Feedback Equalizer -
DFE)6. Помимо высокоскоростной передачи основных данных при помощи
6 Корректор с решающей обратной связью - вид корректора, применяемого в приемнике.
В нем используется линейный фильтр и фильтр с решающей обрат ной связью. Первый
из них формирует совокупные характеристики канала и фильтра таким образом, чтобы
межсимвольная интерференция на его выходе возникала только от прошедших симво-
лов. Затем на основании прошедших, уже декодированных символов, фильтр с решаю-
щей обратной связью синтезирует межсимвольную интерференцию, создаваемую эти-
ми символами, и вычитает их из обрабатываемого в настоящий момент фрагмет па данных.
Глава 16. Беспроводные локальные вычислительные сети (WLAN)
429
GMSK-модуляции, применяется передача данных управления и сигнализации с
малой (1,4705875 Мбит/с) скоростью с использованием FSK-модуляции. Для
уменьшения вероятности появления ошибок стандарт HIPERLAN/1 преду-
сматривает применение на физическом уровне (31,26)-БЧХ-кода с коррек-
цией ошибок. Этот код может исправить одну ошибку и обнаружить две слу-
чайные ошибки, все пакеты ошибок не длиннее 5 битов и большинство паке-
тов ошибок длиннее 5 битов. Каждый блок данных подвергается перемежению
на протяжении 16 кодовых слов. Это означает, что блок данных имеет размер
16x26 = 416 битов. После БЧХ-кодирования размер блока данных становится
равным 496 битов.
Передача
со скоростью
1,47 Мбит/с
Передача со скоростью
23,5294 Мбит/с
Информация
с низкой
скоростью
Синхронизация
и обучающая
последовательность
(450 битов)
Кодированные
данные
(496 битов)
.» Кодированные
данные
(496 битов)
Заголовок
с высоко-
скоростной
(18 октетов)
MPDU-
заголовок
(37 октетов)
Данные
пользователя
(от 1 до
2383 октетов)
Контроль
целостности
(2 октета)
Контрольная
сумма
(4 октета)
Рис. 16.8. Формат пакета данных в сетях HIPERLAN/1
На рис. 16.8 изображен пакет одного из двух следующих типов, определяе-
мых стандартом HIPERLAN/1:
• пакет данных LBR-HBR (изображен на рис. 16.8) состоит из низкоско-
ростной (англ. Low Bit-Rate - LBR) и высокоскоростной (англ. High
Bit-Rate - HBR) частей;
• пакет данных LBR, т.е. пакет, состоящий из низкоскоростной части, кото-
рая содержит идентификатор приемника.
Пакеты используются для передачи пользовательских данных, подтвержде-
ния получения этих данных, передачи служебных данных в ходе получения
доступа к каналу и т.д.
Стандарт HIPERLAN/1 разработан по инициативе Европейского сообщест-
ва и ETSI. Однако существуют и другие IEEE-стандарты беспроводных локаль-
ных вычислительных сетей, которые стоит рассмотреть.
430
Системы полвижнои ралиосвязи
16.5. СТАНДАРТЫ IEEE 802.11 ДАЯ СЕТЕЙ WLAN
Стандарты IEEE 802.11 для сетей WLAN были разработаны по инициативе
IEEE с целью создания беспроводного расширения существующих стандартов
ЛВС 802 серии. Этот проект был запущен в 1990 г. В окончательном виде стан-
дарт опубликован в 1997 г. На рис. 16.9 изображено семейство стандартов IEEE
802. По этому рисунку можно сделать вывод о соответствии отдельных стандар-
тов 802 серии первым двум уровням модели OSI.
Стандарт описывает физический и МАС-уровень беспроводных ЛВС. На фи-
зическом уровне стандартизованы три различных метода передачи данных. В двух
из них используется диапазон ISM (англ. Industrial, Scientific and Medical - про-
мышленный, научный и медицинский)— 2,-4000...2,4835 ГГц. С некоторыми огра-
ничениями он доступен во всем мире. В третьем - реализуется технология пере-
дачи данных в инфракрасном (англ. Infrared - IR) диапазоне. Все эти методы
работают с одним и тем же МАС-уровнем. Более высокие уровни одинаковы для
всех сетей 802 серии - это видно из рис. 16.9.
IEEE 802.2 Управление логическим каналом (LLC)
IEEE 802.3 IEEE 802.4 IEEE 802.5 IEEE 802.11 MAG
CSMA/CD (Ethernet) Token Bus Token Ring FH-SS DS-SS IR OFDM PHY
Уровень звена
данных DLC
(№2 в модели OSI)
Физический
уровень
(№1 в модели OSI)
Проводные сети Беспроводные сети
Рис. 16.9. Семейство стандартов IEEE 802 и два первых уровня модели OSI
Рассмотрим возможные архитектуры сетей, соответствующих стандарту
IEEE 802.11. Сеть WLAN может быть сконфигурирована как сеть «ad hoc» или
же, как структурированная сеть. Важнейшим структурным блоком сетей IEEE
802.11 является базовая зона обслуживания1 (англ. Basic Service Set - BSS) [11].
Это набор станций, которые могут связываться друг с другом, но при этом оста-
ются под контролем одной из них, выполняющей координирующие функции7 8.
7 Часто встречается перевод «Базовый набор служб», не вполне отражающий существо
организации беспроводной сети (прим. ред.).
8 Прослеживается аналогия с организацией сотовой и транкинговой связи. Координиру-
ющая станция - оиа же точка доступа (access point - АР) - это базовая станция, BSS -
сота (прим. ред.).
Глава 16. Беспроводные локальные вычислительные сети (WLAN)
431
Сеть типа «ad hoc», содержащая изолированный набор станций, находящихся в
совместной зоне радиодоступности, - хороший пример независимой BSS.
На рис. 16.10 показано место BSS в архитектуре структурированной сети.
Заметим, что точки доступа АР соединены распределительной системой (англ.
Distribution System - DS), которая может быть соединена с внешними сетями
IEEE 802.x через блок взаимодействия, называемый порталом. Вследствие со-
гласованного взаимодействия, возможного благодаря системе распределения,
точки доступа позволяют увеличить зону обслуживания сети, и терминалы из
различных BSS получают возможность взаимодействовать друг с другом. Таким
образом, формируется расширенная зона обслуживания (англ. Enhanced Service
Set - ESS) . Распределительная система выступает в роли магистральной сети.
Она может быть построена на основе любой проводной или беспроводной сети,
например, IEEE 802.x, городской оптоволоконной сети с распределенным интер-
фейсом передачи данных по волоконно-оптическим каналам (англ. Fiber Distri-
buted Data Interface - FDDI) или другой сети стандарта IEEE 802.11 [11].
Рис. 16.10. Архитектура структурированной сети IEEE 802.11
Перед изучением принципов работы беспроводных ЛВС стандарта 802.11
обратимся к базовой эталонной модели. На рис. 16.11 изображены уровни этой
модели. Физический уровень разделен на два подуровня. Нижний называется
подуровнем, зависимым от физической среды (англ. Physical Medium Dependent -
PMD). Он определяет организацию физического канала и включает в себя все
стадии передачи сигнала, включая кодирование и модуляцию. Второй - подуров-
нем обеспечения сходимости физического уровня (англ. Physical Layer Conver-
Обратите внимание, что ESS включает в себя не только несколько BSS, но и DS
(прим. ред.).
432
Системы подвижной радиосвязи
gence Procedure - PLCP). Его основная задача - отображение блоков данных по-
дуровня MAC (MPDU) в пакетный формат, используемый на подуровне PMD.
Вторая задача этого подуровня заключается в контроле состояния канала с пере-
дачей информации о нем на МАС-уровень. На уровне МАС реализован меха-
низм предоставления доступа на основе метода CSMA. Другая задача
МАС-уровня - это фрагментация и шифрование пакетов данных.
Уровень звена данных Подуровень управления доступом к среде (МАС) Управление МАС-подуровнем Управление станцией
Физический уровень Подуровень обеспечения сходимости физического уровня (PLCP) Управление физическим подуровнем
Подуровень, зависимый от физической среды (PMD)
Рис. 16.11. Эталонная модель взаимодействия IEEE 802.11
Физические подуровни контролируются блоком управления физическим
уровнем. Этот блок использует базу данных с информацией о физическом уров-
не и управляет адаптацией физического уровня к различным условиям соедине-
ний. Подуровень МАС также имеет свой блок управления, который отвечает за
синхронизацию, регулировку мощности и управления процедурами присоеди-
нения к сети и разъединения. Блок управления станцией определяет способ взаи-
модействия блоков управления физическим уровнем и МАС-подуровнем.
16.5.1. Физический уровень IEEE 802.11
Как уже упоминалось, в базовой версии стандарта IEEE 802.11 стандартом
предусмотрено три различных варианта физического уровня, которые будут
кратко рассмотрены ниже с описанием типов модуляции и форматов пакетов в
каждом из рассматриваемых радиоинтерфейсов. Как правило, пересылаемый по
каналу пакет состоит из трех частей - преамбулы PLCP, заголовка PLCP и пакета
данных MPDU; при этом в каждом радиоинтерфейсе используются свои ввод-
ные части и заголовки пакетов. Базовая скорость передачи данных во всех радио-
интерфейсах составляет 1 Мбит/с. Допускается передача данных со скоростью
до 2 Мбит/с.
16.5.1.1. Физический уровень DS-SS
На физическом уровне этого типа используется технология DS-SS (расши-
рение спектра методом прямой последовательности, англ. Direct Sequence
Spread Spectrum - см. раздел 1). В технологии DS-SS пользовательские данные
Глава 16. Беспроводные локальные вычислительные сети (WLAN)
433
Рис. 16.12. Структура пакета PLCP радиоинтерфеиса DS-SS
представляются в виде последовательности импульсов (чипов), пересылаемой
со скоростью, намного превышающей скорость исходного потока данных. В ре-
зультате спектр сигнала расширяется вдоль оси частот. В DS-SS-интерфейсс се-
тей стандарта IEEE 802.11 в качестве расширяющей последовательности ис-
пользуется 11-элементный код Баркера (англ. Barker}'0. После расширения сиг-
нала данных и использования результирующей последовательности, имеющей
скорость 11 Мбит/с для модуляции несущей по схеме DBPSK или DQPSK10 11, ши-
рина спектра сигнала составляет приблизительно 22 МГц. Для того чтобы разме-
стить частично перекрывающиеся зоны BSS, их центральные частоты должны
быть разнесены на 30 МГц. Максимальная мощность на передачу ограничена
значениями 1 Вт в США и 100 мВт в Европе.
Формат пакета PLCP приведен на рис. 16.12. PLCP-данные всегда передают-
ся со скоростью 1 Мбит/с. Пользовательские данные могут передаваться со ско-
ростями 1 или 2 Мбит/с. В PLCP-части пакета расположено несколько полей со
следующими функциями:
• SYNC — последовательность синхронизации - предназначается для син-
хронизации, регулировки коэффициента усиления, компенсации сдвига
частоты и измерения мощности принимаемого сигнала;
• SFD - код начала кадра (англ. Start Frame Delimiter} - используется для
синхронизации кадра;
• SYGNAL - сигнальное поле - содержит информацию о скорости переда-
чи (1 или 2 Мбит/с) данных пользователя;
• SER VICE - поле «услуга/служба» - зарезервировано для будущих при-
ложений;
10 Используемый в DS-SS-интерфейсе сетей стандарта IEEE 802.11 код Баркера форми-
руется последовательностью +1,-1,+1,+1,-1,+1,+1,+1,-1,-1,-1.
11 Заметим, что в дифференцисыьной двухпозиционной фазовой манипуляции (англ. Differen-
tial Binary Phase Shift Keying - DBPSK) фазовая разность между двумя последователь-
ными символами несет информацию об одном бите, в то время как в дифференциальной
четырехпозиционной фазовой манипуляции (англ. Differential Quadrature Phase Shift Key-
ing - DQPSK) каждая из четырех возможных фазовых разностей отображается в 2 бита.
434
Системы подвижной радиосвязи
• LENGTH- поле длины описывает длительность передачи поля с данными
пользователя (MPDU)12;
• CRC — поле контроля четности заголовка.
За PLCP-частью пакета расположено поле данных пользователя (payload), в
котором размещается блок MPDU длиной от 1 до 2048 октетов.
В 1998 г. рабочая группа IEEE 802.11 представила расширение физического
уровня, которое позволяет передавать пакеты данных со скоростью 11 Мбит/с
или резервной 5,5 Мбит/с, причем изменения не затронули чиповую скорость и
ширину спектра стандартизованного ранее канала DS-SS. Вместо 11 -элементно-
го кода Баркера, используемого совместно с DBPSK- или DQPSK-модуляцией, в
поле данных пользователя используется ССК-модуляция (комплементарная ко-
довая манипуляция, англ. Complementary Code Keying - ССК) [13].
Впервые комплементарные13 коды предложил использовать М.Дж.Е.Голэй
(англ. MJ.E.Golay). Последовательность х длиной N называется комплементар-
ной с другой последовательностью); той же самой длины, если для суммы корре-
ляционных функций выполняется следующее условие [15]:
[ 2N при i = 0
+ Ш,)= п . п
[ 0 при i г 0.
(16.3)
Кодовые слова ССК, используемые в расширении физического уровня IEEE
802.11, задаются выражением
„_Г„ЛЧ>|+Ч>2+<Р3+<Р4) _j(<Pl+<P3 + 4>4) _,./(<₽+Ч>> +V4 ) „./(<Pi+<P4)
c-ie ,е ,е , е , (16.4)
eH<Pi + <Pj + <p3) ey(<Pi + <P3) _еД<Р| + <Р>) еЛ>|1
гдеср,, (р2, (р3, (р4 - фазы QPSK-сигнала.
Возможность выбора всех четырех QPSK-фаз показывает, что каждое
кодовое слово ССК, состоящее из 8 чипов, содержит информацию о 8 битах.
Поскольку скорость передачи элементов равна 11 Мчип/с (как и в стандартной
версии физического уровня DS-SS), то конечная скорость передачи данных со-
ставляет 11 Мбит/с. Заметим, что фаза ср, присутствует во всех элементах кода в
выражении (16.4) и используется при дифференциальном кодировании, что по-
зволяет применить в приемнике дифференциальное декодирование. При переда-
че данных с резервной скоростью 5,5 Мбит/с 4 бита отображаются в одно 8-чи-
повое кодовое слово ССК. Два бита определяют один из четырех ССК-кодовых
наборов, а два других используются для поворота (сдвига) кодового слова на од-
но из четырех возможных значений фазы (р,.
Время (в мкс), требуемое для передачи MPDU (прим. ред.).
Дополняющие (прим. ред.).
Глава 16. Беспроводные локальные вычислительные сети (WLAN)
435
В DS-SS-версии физического уровня радиоинтерфейс обеспечивает высо-
кие скорости передачи данных и большую дальность связи системы, однако
оборудование DS-SS более дорогое и потребляет больше энергии, чем оборудо-
вание FS-SS.
16.5.1.2. Физический уровень FH-SS
Физический интерфейс FH-SS (расширение спектра со скачкообразной пе-
рестройкой частоты, англ. Frequency Hopping Spread Spectrum) характеризу-
ется хорошей устойчивостью к искажениям, высокой емкостью системы, низ-
ким энергопотреблением, средней дальностью связи и небольшой стоимостью
радиочастотного оборудования [3]. Система FH-SS функционирует в ISM-диа-
пазоне. В США и Европе для нее было выделено 79 частот с шагом 1 МГц. В Япо-
нии было выделено 23 частоты. Как и в случае DS-SS, максимальная мощность
на передачу ограничена значениями 1 Вт в США и 100 мВт в Европе. Передача
данных производится с применением GFSK-модуляции на несущих из выде-
ленного набора частот в соответствии со схемой скачкообразной перестройки
частоты. Для базовой скорости 1 Мбит/с используется двухуровневая
GFSK-модуляция14, для 2 Мбит/с - четырехуровневая. Оба типа модуляции ха-
рактеризуются одинаковым среднеквадратическим отклонением частоты несу-
щей. Ширина спектра сигнала составляет 1 МГц. Скачки по частоте должны
происходить с определенной скоростью. В США минимальная скорость пере-
стройки частоты составляет 2,5 скачка в секунду. Скорость перестройки часто-
ты устанавливают точки доступа. Подвижный терминал опознает скорость пе-
рестройки частоты в процессе установления соединения с конкретной точкой
доступа. Схемы перестройки частоты описаны в стандарте 802.11. Они выбра-
ны таким образом, чтобы минимизировать использование одинаковых частот-
ных каналов в различных зонах BSS.
Форматы пакетов в радиоинтерфейсах FH-SS и DS-SS различаются. Пакет
(рис. 16.13) содержит преамбулу PLCP, PLCP-заголовок и блок пользователь-
ских данных (MPDU). Вводная часть и заголовок содержат следующие поля:
• SYNC - последовательность синхронизации длиной 80 бит - предназ-
начено для синхронизации приемников и обнаружения активности в
канале в процессе оценки чистоты канала (англ. Clear Channel Asses-
sment - CCA);
• SFD - код начала кадра (англ. Start Frame Delimiter) - используется для
синхронизации кадра;
14 GFSK- гауссовская FSK-модуляция похожа на GMSK-модуляцию, рассмотренную в
разделе 1. Основная разница заключается в значении индекса модуляции h.
436
Системы полвижнои ралиосвязи
Рис. 16.13. Структура пакета PLCP радиоинтерфейса FH-SS
• PLW— поле длины PLCPPDU(англ. PLCPPDULength Word ) - указыва-
ет длительность (в байтах) блока пользовательских данных, включая
32-битовое CRC-поле в конце этого блока;
• PSF- сигнальное поле PLCP (англ. PLCP Signaling Field) - содержит ин-
формацию о скорости передачи данных (1 или 2 Мбит/с);
• CRC - поле контроля четности заголовка.
16.5.1.3. Физический уровень инфракрасного диапазона
В третьем типе физического уровня стандартизована цифровая передача
данных в инфракрасном диапазоне. Цифровые сигналы передаются при по-
мощи инфракрасных лучей с длиной волны в диапазоне 850...950 нм с исполь-
зованием импульсно-позиционой модуляции (англ. Pulse-Position Modulation -
PPM). Стандартизованы две скорости передачи данных - 1 и 2 Мбит/с. При
передаче данных с меньшей скоростью биты группируются в 4-битовые бло-
ки. Содержимое блока определяет, в каком из 16 слотов будет передан инф-
ракрасный импульс, т.е. применяется 16-уровневая модуляция PPM
(16-РРМ). При передаче данных со скоростью 2 Мбит/с поток разбивается на
2-битовые блоки, каждый из которых определяет, в каком из четырех времен-
ных слотов будет передан инфракрасный импульс. Рис. 16.14 иллюстрирует
процесс модуляции для обеих скоростей. В обоих случаях длительность им-
пульса составляет 250 нс. Поскольку пиковая мощность сигнала достигает 2 Вт,
то средняя мощность равна 125 мВт при скорости 1 Мбит/с и 250 мВт при ско-
рости 2 Мбит/с.
Формат PLCP-пакета изображен на рис. 16.15. В состав пакета этого радио-
интерфейса входит особое поле - поле регулировки уровня постоянного тока
(англ. DC Level Adjustment). Оно содержит битовую последовательность, позво-
ляющую приемной станции устанавливать требуемый уровень постоянного тока
сигнала.
Инфракрасный интерфейс - самый дешевый из всех физических интер-
фейсов стандарта 802.11 и не требует частотного регулирования. Он достаточ-
но защищен от перехвата. Однако системы, использующие этот интерфейс, ха-
рактеризуются самой маленькой дальностью связи среди всех систем стандар-
Глава 16. Беспроводные локальные вычислительные сети (WLAN)
437
Длительность
символа
Рис. 16.14. Иллюстрация
модуляции PPM для двух
скоростей передачи данных
(1 и 2 Мбит/с) в инфра
красном диапазоне
Количество
слотов: 57-74 4 3 32 16 16 От 1 до 2500 октетов
SYNC SFD Скорость передачи данных Регулировка уровня пос- тоянного тока Длина CRC MPDU
Преамбула Заголовок
PLCP PLCP
1 Мбит/с 2-GFSK 1 Мбит/с 2-GFSK
2 Мбит/с 4-GFSK
Рис. 16.15. Структура пакета PLCP физического уровня для оптического
интерфейса инфракрасного диапазона
та 802.11. Этот интерфейс может функционировать внутри помещений, посколь-
ку стены и перекрытия отражают инфракрасные лучи.
16.5.2. Подуровень МАС системы IEEE 802.11
В эталонной модели IEEE 802.11 подуровень МАС расположен над физиче-
ским уровнем. Он решает следующие задачи: выделение каналов, адресация
блоков данных PDU (англ. Protocol Data Unit), форматирование кадров, обнару-
жение ошибок, а также фрагментация и сборка блоков данных. С точки зрения
подуровня МАС существует два режима работы беспроводной сети передачи
данных стандарта IEEE 802.11:
• режим конкуренции, в котором все терминалы WLAN, желающие пере-
дать пакет, конкурируют за доступ к каналу;
438
Системы подвижной радиосвязи
• смешанный режим, в котором периоды (англ. Contention Period - СР) сме-
няются периодами отсутствия конкуренции (англ. Contention-Free Peri-
od - CFP) за доступ к каналу.
Первый режим используется в сетях типа «ad hoc». Для реализации второго
режима требуется центр координации (англ. Point Coordinator - PC), который
управляет доступом к каналу, опрашивая терминалы в периоды неконкурентного
доступа к каналу. Функции центра координации выполняет точка доступа BSS.
Существует три типа кадров МАС. Кадры управления (англ, management fra-
mes) используются для синхронизации, аутентификации, а также для установле-
ния и разрыва соединения терминала с данной точкой доступа. Кадры контроля
(англ, control frames) применяются в процедурах подтверждения приема и под-
тверждения готовности (англ, handshaking), которые выполняются, как правило,
в периоды конкуренции. Наконец, кадры данных (англ, data frames) используют-
ся для передачи пользовательских данных и могут дополнительно содержать
блоки подтверждения приема и опроса терминалов в периоды отсутствия борь-
бы за канал.
Управление кадром Длительность идентификации Адрес 1 Адрес 2 Адрес 3 Управление очередностью кадров Адрес 4 Данные CRC
Рис. 16.16. Структура МАС-кадра в сетях стандарта IEEE 802.11
Передача данных на МАС-подуровне организована в виде МАС-кадров.
На рис. 16.16 изображена типичная структура МАС-кадра в сетях стандарта
IEEE 802.11. МАС-кадр содержит следующие поля:
• поле управления кадром, в котором указывается версия протокола и тип
кадра (управления, контроля или данных). В нем также указывается,
фрагментирован ли кадр и что означают адресные поля (например, кадр
направляется ли кадр в распределительную систему (DS), прибывает из
нее, источником или либо в роли источника и пункта назначения кадра
выступают мобильные терминалы или точки доступа);
• поле идентификации длительности (ID), которое указывает продолжите-
льность занятия канала. Это поле используется в механизме резервирова-
ния каналов, который будет описан ниже;
• адресные поля с первого по четвертое указывают источник и пункт назна-
чения передаваемого кадра; они интерпретируются в зависимости от зна-
чения поля контроля кадра;
• поле управления очередностью кадров содержит порядковый номер кадра
и предназначено для того, чтобы не допустить дублирования кадра при
выполнении процедуры подтверждения получения данных;
Глава 16. Беспроводные локальные вычислительные сети (WLAN)
439
• поле данных, содержащее блок данных размером до 2312 байтов;
• CRC-поле длиной 32 бита, используемое в процедуре подтверждения ARQ.
В режиме конкуренции, при котором все станции борются за доступ к кана-
лу, реализуется базовый метод доступа к каналу, называемый функцией распре-
деленной координации (англ. Distributed Coordination Function - DCF). В основе
DCF лежит метод множественного доступа CSMA с предотвращением коллизий.
Контроль активности в канале осуществляется на двух уровнях - на уровне фи-
зического интерфейса (physical carrier sensing) и на МАС-подуровне (virtual car-
rier sensing). Контроль на физическом уровне позволяет обнаружить другие ак-
тивные WLAN-терминалы путем измерения мощности сигнала и анализа приня-
тых пакетов. Для контроля активности в канале на МАС-подуровне использует-
ся поле ID - идентификации длительности МАС-кадра, несущего запрос на пе-
редачу (RTS), сообщение о готовности к приему (CTS) или данные. Терминалы,
относящиеся к тому же самому BSS, считывают значение поля ID и помещают ее
в свои векторы резервирования сети (англ. Network Allocation Vector - NAV).
NAV - это своего рода таймер. Он задает время, в течение которого канал будет
занят. Прослушивание канала возобновляется по истечении периода NAV и сле-
дующего за ним межкадрового промежутка (англ. Interframe Space - IFS). Этот
промежуток служит для установления приоритетов подвижных терминалов. Су-
ществует три типа промежутков IFS, различающихся по длине: короткий IFS
(англ. Short 1FS-SIFS), IFS функции централизованной координации (англ. Point
coordination function IFS-PIFS) и промежуток DCF-IFS (DIFS).
На рис. 16.17 изображены две ситуации, типичные для режима конкурент-
ного доступа: без использования кадров RTS/CTS (рис. 16.17«), и с их исполь-
зованием (рис. 16.176). В первом случае станция, ранее получившая право на
передачу данных, отправляет свой пакет. Остальные станции считывают
МАС-кадр и из поля ID определяют, как долго будет занят канал. Следователь-
но, они могут установить свои NAV-таймеры на соответствующий период вре-
мени. Окно конкурентного доступа начинается по истечении дополнительного
периода DIFS. Конкурирующие за доступ к каналу станции случайным обра-
зом выбирают время обратного отсчета (англ. Backoff time), по истечении кото-
рого вновь начинают прослушивать канал. Станция, которая установила крат-
чайшее время обратного отсчета, обнаруживает, что канал свободен, и начина-
ет передавать свои данные.
Во втором случае терминал-источник и терминал-приемник первоначально
обмениваются пакетами RTS и CTS. Станции, находящиеся в зоне досягаемости
терминала-источника, устанавливают свои NAV-таймеры уже после прочтения
кадра RTS, содержащего поле ID. Другие станции, расположенные в зоне досяга-
емости терминала-приемника, устанавливают NAV-таймеры после обнаруже-
ния пакета CTS. Остальные станции начинают отсчет времени до следующей
возможности контроля активности канала от начала передачи пакета данных. За-
метим, пара терминалов источник-приемник не конкурирует за доступ к каналу
до получения квитанции подтверждении приема пакета данных. Если пакет дан-
440
Системы подвижной радиосвязи
Рис. 16.17. Передача МАС-пакета данных
a - без использования кадров RTS/CTS; б - с использованием кадров RTS/CTS
ных был искажен и требуется повторная передача, то терминал-источник должен
снова получать доступ к каналу на общих основаниях с другими станциями. Ок-
но конкурентного доступа (англ. Contention Window - CW) устанавливается ин-
дивидуально для каждого терминала с увеличением до максимального значения.
Если при неудачной попытке доступа к каналу было выбрано определенное вре-
мя обратного отсчета, то в следующей попытке время ожидания выбирается слу-
чайным образом, но не превышает время предыдущей попытки.
При возникновении коллизии размер окна конкурентного доступа удваива-
ется. Это позволяет увеличить разброс по времени ожидания и уменьшить веро-
Глава 16. Беспроводные локальные вычислительные сети (WLAN)
441
ятность выбора несколькими терминалами одного и того же времени обратного
отсчета.
Подобная процедура доступа к каналу имеет место в случаях, когда пакет
данных MSDU (MAC Service Data Unit) велик и требует фрагментации. После
получения доступа к каналу терминал-источник посылает последовательные
фрагменты пакета MSDU, получение которых подтверждается терминалом-при-
емником. Обоим терминалам не приходится соперничать за доступ к каналу до
окончания передачи всего блока MSDU.
Описанный выше метод предотвращения конфликтов обеспечивает удов-
летворительный доступ ко всем конкурирующим за доступ терминалам, однако
он не гарантирует минимальной задержки при передаче пакета терминалам, под-
держивающим услуги, имеющие ограничения по времени [11].
Помимо рассмотренного режима конкуренции, в структурированных сетях
терминалы могут периодически работать в режиме отсутствия конкуренции,
при котором центр координации выполняет опрос терминалов. В этом случае
время поделено на циклы, состоящие из периодов отсутствия конкуренции за
доступ (CFP) и периодов конкуренции (СР). Рассмотрим работу сети в течение
периода CFP.
Центр координации (PC) прослушивает канал и ждет окончания текущей пе-
редачи данных. При обнаружении завершения передачи, PC, спустя временной
промежуток PIFS, начинает передавать сигнальный кадр. Заметим, что промежу-
ток ожидания PIFS короче, чем DIFS, поэтому центр координации начинает пе-
редачу данных раньше, чем это могут сделать другие станции. Контрольный
кадр используется для синхронизации и согласования времени. После получе-
ния этого кадра все терминалы устанавливают свои NAV-таймеры на весь пери-
од отсутствия конкуренции. После окончания передачи контрольного кадра
Рис. 16.18. Пример периода отсутствия конкуренции за доступ
442
Системы полвижнои ралиосвязи
центр координации выжидает период SIFS и начинает передавать один из трех
возможных кадров - CF-Poll (кадр опроса), Data (кадр данных) или Data-
CF-Poll. Только опрошенный терминал может ответить на запрос по истечении
промежутка S1FS, послав кадр АСК (кадр подтверждения) или кадр Data-
CF-ACK (кадр с данными и подтверждением). Опрошенная станция может на-
править свой кадр другой станции, которая ответила, также используя кадр
CF-ACK. Выждав период PIFS, центр координации снова начинает опрос и пере-
дачу данных. Период отсутствия конкуренции оканчивается кадром CF-End.
На рис. 16.18 изображен пример одного периода отсутствия конкуренции, в кото-
ром осуществляется передача данных от точки доступа к терминалу, а также
между терминалами.
16.6. СТАНДАРТЫ IEEE 802.11 И HIPERLAN
ЛАЯ ЧАСТОТЫ 5 ГГЦ
Продолжение работы над увеличением скоростей передачи данных в сетях
WLAN привели к появлению нового расширения возможностей физического
уровня IEEE 802.11. Был установлен новый стандарт ETSI, который назвали
HIPERLAN Туре 2 [6], [7]. Это стало возможным частично благодаря выделению
сетям WLAN новых частотных диапазонов в районе 5 ГГц. В табл. 16.2 и 16.3
приведены частотные диапазоны и максимальные мощности, установленные
для приложений IEEE 802.11 в США и HIPERLAN/2.
Таблица 16.2. Американский 5,2-ГГц диапазон
нелиыензированной национальной информационной инфраструктуры
(англ. Unlicensed National Information Infrastructure - UNII)
Частотный диапазон, ГГц Максимальный уровень выходной мощности
5,150.-5,250 5,250...5,350 5,725-5,825 50 мВт 250 мВт 1000 мВт 4 дБм + 10 lg5 11 дБм т 10 IgZ# 17 дБм + lOlgB
Примечание. В - ширина спектра излучения, выраженная в МГц, по уровню - 26 дБ.
Таблица 16.3. Частотные диапазоны системы HIPERLAN/2
Частотный диапазон, ГГц Ограничение мощности радиосигнала, Вт Комментарии
5,150-5,350 0,2 Только для использования внугри поме- щений и для реализации DFS и ТРС
5,470-5,725 1,0 Для использования внутри помещений и на улице, а также для реализации DFS и ТРС
Глава 16. Беспроводные локальные вычислительные сети (WLAN)
443
В таблицах использованы следующие аббревиатуры:
• DFS (англ. Dynamic Frequency Selection — динамический выбор частоты) -
метод адаптивного динамического выбора несущей частоты, используе-
мый для предотвращения помех от других пользователей;
• ТРС (англ. Transmit Power Control -регулировка мощности передатчика) -
регулировка мощности излучаемого радиосигнала, применяемая для
обеспечения надежного соединения между точкой доступа сети
HIPERLAN и наиболее удаленным терминалом в зоне досягаемости этой
точки доступа, а также между двумя устройствами HIPERLAN (при вос-
ходящему или прямому каналу).
Необходимо заметить, что МАС-уровень беспроводных сетей стандарта
IEEE 802.11, реализованных в 5-ГГц диапазоне, не отличается от описанного вы-
ше; однако, уровни, расположенные выше физического уровня HIPERLAN/2,
имеют отличия и будут кратко описаны. Физические уровни организации сетей
стандартов IEEE 802.11 и HIPERLAN/2 очень похожи, поэтому будет рассмотре-
на только система HIPERLAN/2.
Система HIPERLAN/2 разработана для функционирования в двух конфигу-
рациях - офисной и домашней. Офисная система HIPERLAN/2 представляет со-
бой сеть доступа, которая, как правило, состоит из нескольких точек доступа, со-
единенных опорной15 сетью. Каждая точка доступа обслуживает определенное
количество связанных с ней подвижных терминалов. Зоны покрытия соседних
точек доступа могут частично перекрываться. Возможно перемещение термина-
лов между зонами досягаемости различных точек доступа.
Системы HIPERLAN/2 второго типа предназначены для использования в до-
машних условиях. При этом обычно создаются сети типа «ad hoc». Такие сети
могут состоять из нескольких подсетей, аналогичных сотам в системах сотовой
связи. Каждая подсеть работает на своей частоте и имеет центральный контрол-
лер, который динамически выбирается среди терминалов HIPERLAN/2, работа-
ющих в этой подсети.
Сеть HIPERLAN/2 может реализует следующие режимы работы:
• централизованный, в котором точки доступа соединены с опорной сетью;
связь между подвижным терминалом и другим устройством (например,
другим терминалом) всегда устанавливается через точку доступа, с кото-
рой связан данный терминал;
• прямой связи, в котором терминалы напрямую обмениваются данными
друг с другом; при этом обмен управляется центральным контроллером
(англ. Central Controller-СС). Центральный контроллер может быть при-
соединен к опорной сети и функционировать как в централизованном, так
и прямом режиме.
В оригинале - basic. Другие названия - базовая или магистральная (прим. ред.).
444
Системы подвижной радиосвязи
16.6.1. Физическим уровень организации HIPERLAN/2
На физическом уровне организации в сети HIPERLAN/2 выполняются сле-
дующие операции. Поток блоков данных PDU, получаемый с уровня управления
звеном данных (DLC), подвергается скремблированию и FEC-кодированию. За-
тем кодовые слова перемежаются, и после разбивки потока данных на короткие
блоки выполняется их отображение в информационные символы. Этими симво-
лами модулируются поднесущие OFDM-сигнала (см. раздел 1). После формиро-
вания пакета и сдвига спектра сигнала в радиочастотный диапазон, OFDM-пакет
передается по радиоканалу.
Скремблирование выполняется сложением по модулю 2 последовательно-
сти PDU с выходным сигналом соответствующим образом инициализированно-
го сдвигового регистра с линейной обратной связью (LFSR), описываемого по-
линомом р(х) = х1 + х4 + 1. К N битам скремблированной последовательности
PDU добавляются шесть концевых битов. Полученный блок подвергается
FEC-кодированию. FEC-кодирование состоит из двух этапов - сверточного коди-
рования со скоростью R = 1/2 и двухуровневого перфорирования. Сверточный
код имеет длину кодового ограничения L = 7 и порождается полиномами
gi = 133ОСТ и g2 = 171ост. Перфорированию первого уровня подвергается только
часть последовательности PDU. Перфорированию второго уровня подвергаются
биты, прошедшие перфорирование первого уровня в случаях, когда скорость ко-
дирования составляет 9/16 или 3/4. Затем закодированный поток битов подверга-
ется блоковому перемежению.
Как нам помнится, в системах OFDM поток данных разделяется на некото-
рое количество параллельных потоков с меньшей скоростью, которые и модули-
руют конкретные поднесущие. Это приводит к снижению скорости передачи
сигналов, и эффект многолучевого распространения оказывает влияние только
на первую часть информационного OFDM-символа, которая не используется в
процессе детектирования. Поднесущие расположены на оси частот близко друг к
другу, а их сигналы взаимно ортогональны в ограниченных промежутках време-
ни (более подробно это описано в разделе 1). В табл. 16.4 приведены параметры
OFDM-сигнала в системе HIPERLAN/2.
При изменении скоростей FEC-кодирования и форматов модуляции каждой
поднесущей, можно получить широкий диапазон скоростей передачи данных.
В табл. 16.5 приведены скорости передачи данных, соответствующие конкрет-
ным скоростям кодирования и типам модуляции.
Выделенный сетям WLAN спектр в 5-ГГц диапазоне эффективно использу-
ется за счет размещения OFDM-каналов на оси частот с растром16 20 МГц.
Спектр одного OFDM-канала имеет ширину не менее 16,25 МГц (см. табл. 16.4).
В нижней части диапазона расположены несущие частоты5,18; 5,20;...; 5,32 ГГц,
Разносом частот поднесущих (прим. ред.).
Глава 16. Беспроводные локальные вычислительные сети (WLAN)
445
Таблица 16.4. Параметры OFDM-модуляиии в системе HIPERLAN/2
Параметр Значение
Частота дискретизации =1/Т, МГц Период ортогональности Tv (длительность инфор- мационной части), мкс Длительность циклического префикса* ТСР, мкс Период модуляции Ts = Ти + ТСР, мкс Количество информационных поднесущих N SD Количество пилотных поднесущих N sp Суммарное количество поднесущих N ST Разнос поднесущих = 1/7/,, кГц Расстояние между наиболее удаленными поднесу- щими, МГц 20 64 х 7=3.2 16x7=0,8 8x7= 0,4 (стандарт) (опция) 80 x 7 = 4,0 72 x 7 = 3,6 48 4 52 312,5 NST хА / = 16,25
* Иначе - длительность защитного интервала - см. п. 1.5.1, раздел 1 (прим. ред.).
Таблица 16.5. Скорости передачи данных в системе HIPERLAN/2,
определяемые коэффициентами кодирования и типами модуляции
Модуляция Скорость кодирования Номинальная битовая скорость, Мбит/с
BPSK 1/2 6
BPSK 3/4 9
QPSK 1/2 12
QPSK 3/4 18
16QAM 9/16 27
16QAM 3/4 36
64QAM 3/4 54 (опция)
а средняя EIRP17 мощность генерируемого сигнала составляет 23 дБм. В верх-
нем диапазоне, выделенном системе HIPERLAN/2 в Европе, расположены сле-
дующие несущие частоты: 5,50; 5,52; 5,54; ...; 5,70 ГГц. Спектр OFDM-канала
равномерно распределен вокруг несущей частоты.
Напомним, что модуляция OFDM, как правило, осуществляется в цифровом
виде при помощи обратного быстрого преобразования Фурье (англ. Inverse Fast
Fourier Transform - IFFT). В начало принимаемого блока добавляется цикличе-
ЭИИМ - эффективная изотропная излучаемая мощность (прим. ред.).
446
Системы полвижнои ралиосвязи
ский префикс, который представляет собой копию концевой части выходного
вектора блока IFFT.
Функциональные блоки, из которых состоит приемник, соответствуют бло-
кам передатчика. После приема антенной и обратного преобразования с пониже-
нием частоты сигнал преобразуется в цифровой вид. Затем удаляется цикличе-
ский префикс. Оставшийся блок отсчетов обрабатывается по алгоритму FFT
(англ. Fast Fourier Transform - быстрое преобразование Фурье), при котором вы-
полняется корреляция блока с опорной поднесущей. Элементы полученного век-
тора корректируются эквалайзером по фазе и амплитуде, после чего направляют-
ся на решающие устройства, которые определяют наиболее вероятные информа-
ционные символы, переданные на каждой поднесущей. Обратное отображение
позволяет получить битовое представление каждого информационного символа,
после чего битовый поток подвергается деперемежению и FEC-декодированию.
Таким образом, восстанавливается исходная //-битовая PDU-последовательность.
Передача цифровых данных организована в виде OFDM-пакетов. Каждый
пакет начинается с преамбулы, состоящей из определенного количества корот-
ких настроечных символов OFDM, за которыми следует несколько длинных на-
строечных символов. Во время передачи обычной информации четыре поднесу-
щих используются в качестве пилотных, т.е. по ним передаются известные ин-
формационные символы. Пилотные символы, расположенные в начале пакета,
используются для автоматической регулировки коэффициента усиления, началь-
ной корректировки частоты несущей и временной синхронизации. Пилотные
символы, расположенные внутри пакета, используются для корректировки фазо-
вого сдвига и окончательной подстройки частоты несущей. Более подробную
информацию о пилотных символах в системе HIPERLAN/2 можно найти в
работе [7]. Аналогичные сведения о вводных блоках OFDM-пакетов системы
IEEE 8025.11 приведены в работах [13] и [15].
16.6.2. Уровень управления звеном данных
в стандарте HIPERLAN/2
Уровень управления звеном данных (англ. Data Link Control - DLC) располо-
жен над физическим уровнем. Он выполняет функции управления доступом к
среде передачи данных и управления радиоканалом.
В системе HIPERLAN/2 управление доступом к среде основано на принципе
TDMA/TDD. С точки зрения функций МАС время поделено на МАС-кадры дли-
тельностью 2 мс. Каждый МАС-кадр состоит из нескольких фаз, приведенных
на рис. 16.19. Ниже приведены их названия и функции:
• фаза вещания (англ. Broadcast - ВС) передается вещательный канал
управления (англ. Broadcast Control Channel - ВССН) и канал управления
кадром (англ. Frame Control Channel-FCCH). Канал ВССН содержит об-
щую информацию и биты состояния, предоставляющие детализованную
Глава 16. Беспроводные локальные вычислительные сети (WLAN)
447
МАС-кадр МАС-кадр МАС-кадр МАС-кадр
Фаза ВС Фаза DL Фаза DiL Фаза UL Фаза RA
Рис. 16.19. Формат МАС-кадра в системе HIPERLAN/2
информацию в нисходящую фазу (англ. Downlink - DL). Канал FCCH
определяет структуру текущего кадра;
• нисходящая фаза (англ. Downlink - DL) передается информация от точки
доступа или центрального контроллера на определенный мобильный тер-
минал, а также вещательная информация;
• восходящая фаза (англ. Uplink - UL) содержит информацию, передаваемую
подвижным терминалом наточку доступа или центральный контроллер;
• фаза прямого соединения (англ. Direct Link - DiL) производится прямой
обмен данными между мобильными терминалами под управлением точки
доступа или центрального контроллера;
• фаза произвольного доступа (англ. Random Access -RA) используется для
передачи каналов произвольного доступа (англ. Random access Channel -
RCH), используемым для передачи информации управления, приписке к
точке доступа или центральному контроллеру, а также передачи соедине-
ния (хэндовера).
Длина фаз МАС-кадра переменна. В фазах DL, DiL и UL передаются корот-
кие и длинные блоки данных протокола (PDU). Длинный блок PDU состоит из
54 байтов и содержит пользовательские данные и информацию управления.
Короткий блок PDU содежит 9 байтов и содержит только информацию управ-
ления - сообщения ARQ или информацию, относящуюся к управлению ра-
диоканалом.
В фазе произвольного доступа реализуются каналы произвольного доступа
RCH при помощи передачи 9-байтовых пакетов с сообщениями управления зве-
ном данных и запросами на выделение ресурсов. В качестве метода произволь-
ного доступа в этой фазе используется синхронная ALOHA. Коллизий удается
избежать благодаря применению процедуры обратного отсчета (англ, backoff),
выполняемой подвижными терминалами. Точка доступа устанавливает количе-
ство RCH-слотов в МАС-кадре.
На DLC-уровне системы HIPERLAN/2 также реализуется защита от оши-
бок. Следует отличать эту защиту от ошибок от FEC-кодирования на физическом
уровне. В основе защиты от ошибок на уровне DLC лежит схема селективного
повтора ARQ (см. раздел 1).
448
Системы полвижнои ралиосвязи
На DLC-уровне выполняются некоторые функции управления радиоканалом
(англ. Radio Link Control-RLC). Первая из них - это функция управления ассоци-
ациями (англ. Association Control Function - ACF), благодаря которой решаются
следующие задачи: привязки (ассоциации) МАС-идентификаторов к подвиж-
ным терминалам, согласование пропускных способностей каналов, обмена клю-
чами шифрования и их обновления, аутентификации, передача пакетов сигнали-
зации на точку доступа и центральный контроллер, освобождения ассоциации
(разъединение).
Следующая функция - управление радиоресурсами (англ. Radio Resource
Control - RRC), в рамках которой выполняются: динамический выбор частоты,
измерения, выполняемые подвижными терминалами, передача результатов из-
мерений на точку доступа, изменение частоты, выполняемое точкой доступа и
связанными с ней терминалами, процедуры энергосбережения, управление
мощностью передатчика, хэндовер, контроль активности подвижного терминала.
Наконец, функция управления соединением на уровне DLC (англ. DLC Con-
nection Control - I)CC) решает задачи, связанные с установлением соединения,
изменением его параметров, а также разъединением. Эта функция также позво-
ляет подвижным терминалам присоединяться к группе широковещания (multi-
cast) или выходить из нее.
Уровень сходимости адаптирует опорную сеть к DLC-уровню системы
HIPERLAN/2 [6].
* * *
Как уже отмечалось, МАС-уровень сети WLAN стандарта IEEE 802.11, ис-
пользующий OFDM, идентичен уровню МАС в тех системах, где на физическом
уровне применяется передача данных с одной несущей частотой. Посему мы не
будем описывать его второй раз. Незначительные различия между физическими
уровнями систем HIPERLAN/2 и IEEE 802.11 описываются в работе [13].
16.7. BLUETOOTH
Bluetooth [16]—[18] - это универсальный радиоинтерфейс, работающий в
диапазоне ISM. Он обеспечивает беспроводную связь типа «ad hoc» между пор-
тативными электронными устройствами, расположенными на небольшом рас-
стоянии друг от друга. Радиосистема Bluetooth - это не беспроводная ЛВС, хотя
идеологии этих систем во многом схожи. Поэтому мы приведем описание Blue-
tooth в разделе, посвященном сетям WLAN.
Система Bluetooth получила свое название в честь датского короля викингов
Харальда Блатана (Harald Blatend), жившего в раннем средневековье. Система
Bluetooth появилась в результате работы специальной рабочей группы, образо-
ванной компанией Ericsson в 1998 г. и поддерживаемой компаниями Ericsson, In-
tel, Nokia и Toshiba, которые образовали консорциум. Bluetooth стремится стать
Глава 16. Беспроводные локальные вычислительные сети (WLAN)
449
стандартом de facto беспроводного радиоинтерфейса для связи мобильных теле-
фонов, портативных компьютеров, наушников, принтеров, проекторов и многих
других устройств, используемых в доме или офисе. Конечная цель создания сис-
темы Bluetooth - заменить сеть кабелей, соединяющих эти устройства, беспро-
водными коммуникациями типа «ad hoc».
Для достижения этой цели система Bluetooth должна удовлетворять следую-
щим требованиям:
• система должна работать во всем мире. С этой точки зрения обязательным
условием считается использование доступного во всем мире и нелицензи-
руемого частотного диапазона. Этому условию удовлетворяет диапазон
ISM, который был представлен в разделе, посвященном сетям WLAN
стандарта IEEE 802.11. Напомним, что он занимает частоты от 2,400 до
2,4835 ГГц в США и Европе (исключение составляют Франция и Испа-
ния) и от 2,471 до 2,497 в Японии;
• соединение должно поддерживать передачу речи и данных. Это важное
требование, поскольку интерфейс Bluetooth используется для подключе-
ния наушников и мультимедийных устройств. Данное требование опреде-
ляет типы поддерживаемых соединений;
• приемопередатчик радиосигналов должен быть малогабаритным, быть
недорогим и иметь малую мощность излучения. Это позволяет использо-
вать интерфейс Bluetooth в мобильных телефонах, наушниках, карман-
ных компьютерах и других устройствах с батареями.
Характер соединяемых устройств и их взаимное расположение обуславли-
вает наличие в одной и той же области множества соединений «ad hoc», причем
без их взаимной координации. Можно ожидать, что множество небольших под-
сетей с ограниченным количеством терминалов (устройств) будут работать в не-
посредственной близости друг к другу. Этот факт и наличие свободного частот-
ного диапазона определяют специфику технических требований. Прежде всего,
на сеть не должны влиять другие системы, использующие тот же диапазон. Она
должна быть устойчива к помехам, создаваемым другими пользователями Blue-
tooth. Отсутствие координации между соединениями обуславливает необходи-
мость применения широкополосных радиотехнологий. Всем вышеперечислен-
ным требованиям удовлетворяет расширение спектра со скачкообразной пере-
стройкой частоты (англ. Frequency Hopping - FH). Это позволяет создавать
недорогие и маломощные приемопередатчики. Именно поэтому FHSS выбран в
качестве метода передачи данных в интерфейсе Bluetooth.
В системе Bluetooth осуществляется скачкообразная перестройка частоты и
дуплексная передача данных с разделением времени (FH/TDD). Время разделе-
но на 625-мкс слоты. Выделенный системе диапазон разделен на 79 частотных
каналов шириной 1 МГц. Во время каждого временного слота сигнал занимает
один из этих каналов в соответствии с определенной схемой перестройки часто-
ты. Следовательно, каждую секунду происходит 1600 скачков. Направление пе-
450
Системы подвижной радиосвязи
редачи данных изменяется от слота к слоту. В США и большинстве европейских
стран в процесс скачкообразной перестройки частоты вовлечены все 79 каналов.
Во Франции, Испании и Японии доступный диапазон уже, поэтому там исполь-
зуется только 23 канала.
Каждый временной слот используется для передачи одного пакета. Пакеты
передаются от ведущего (master) устройства ведомому (slave) или наоборот.
Опорная подсеть Bluetooth называется nuKocemmo(piconet). Пикосеть устанав-
ливается первой станцией, которая инициирует передачу данных другому
устройству. Эта станция становится ведущей и остается в этой роли до тех
пор, пока не выключится или не выйдет из зоны доступности других станций,
составлящих эту пикосеть. Другие станции пикосети становятся ведомыми.
Общее количество станций, составляющих пикосеть, не превышает восьми.
Обмен данными в подсети осуществляется только между ведущей станцией и
ведомыми. Ведущая станция координирует доступ к каналу на основании
опроса (англ, polling) ведомых станций, поэтому конкуренция за канал в сети
отсутствует. Ведомая станция, чей адрес содержался в пакете обмена веду-
щий-ведомый, переданном ведущей станцией в предшествующем слоте, вы-
полняют передачу на ведущую станцию. Пикосети могут частично перекрыва-
ться, а отдельные станции могут одновременно входить в несколько пикосетей
или временно перемещаться из одной в другую. Станция может быть ведущей
только в одной пикосети. Конфигурация перекрывающихся пикосетей называ-
ется рассредоточенной сетью (англ, scatternet).
Пикосети, созданной конкретной станцией, в системе Bluetooth выделяется
FH-канал. FH-канал определяется идентификационным номером ведущей стан-
ции и ее системным временем. Идентификационный номер определяет последо-
вательность частотных скачков, а системное время указывает фазу скачков. Все
ведомые станции, принадлежащие одной пикосети, синхронизируются с веду-
щей станцией, сдвигая свое системное время на необходимую величину. В раз-
личных пикосетях используются различные последовательности перестройки
по частоте. Эти последовательности подвергаются отбору, поскольку они дол-
жны обладать хорошими статистическими свойствами и устойчивости к взаим-
ной интерференции. В то же время их должно быть достаточно много, поэтому
они не могут быть полностью ортогональными. Неполная ортогональность ком-
пенсируется использованием кодирования и технологии ARQ при передаче
данных. Период повтора каждой последовательности составляет примерно 23 ч.
В 32 последовательных перестройках(скачках) частоты общая охватываемая
ширина спектра составляет около 64 МГц, и все частоты используются с равной
вероятностью [16]. Выбрав другой идентификационный номер и фазу систем-
ных часов, станция может мгновенно переключиться на другую пикосеть.
Пакеты, расположенные в последовательных временных слотах, передают-
ся с использованием гауссовской FSK-модуляции с индексом модуляции
h = 2dsfT - 0,3. Основные параметры радиопередачи приведены в табл. 16.6. Па-
кеты имеют фиксированный формат. Каждый пакет состоит из 72-битового поля
Глава 16. Беспроводные локальные вычислительные сети (WLAN)
451
Таблица 16.6. Радиочастотные параметры системы Bluetooth
Параметр
Модуляция
Максимальная скорость передачи данных, Мбит/с
Ширина спектра радиосигнала, МГц
Количество несущих
Частотное разнесение несущих, МГц
Мощность передатчика, дБм
Значение
GFSK. (А = 0,3)
1
0,22 (- 3 дБ), 1 (~20 дБ)
79/23
1
<20
Код доступа Заголовок пакета Полезная нагрузка
FEC-кодирование /?= 1/3
3 4 1 1 1 8
МАС- адрес Тип Указатель управления передачей ARQN SEQN НЕС
Рис. 16.20. Формат пакета и полей заголовка в системе Bluetooth
кода доступа, 54-битового заголовка пакета и полезной нагрузки - блока пользо-
вательских данных размером от 0 до 2745 битов. Формат пакета и полей заголов-
ка приведены на рис. 16.20.
Код доступа уникален для каждого FH-канала (и каждой пикосети). Станция
анализирует код доступа принятого пакета и определяет, был ли он послан стан-
цией, принадлежащей к своей пикосети. Если нет, то оставшаяся часть пакета иг-
норируется. Код доступа также используется для синхронизации и компенсации
временного сдвига.
Следующее поле - заголовок. Он содержит МАС-адрес ведомой станции -
либо отправителя пакета на ведущую станцию, либо получателя пакета, а также:
код типа пакета, бит управления передачей данных18, поля ARQ и нумерации по-
следовательности пакетов19. Завершается заголовок полем контрольной суммы
Указывает переполнение буфера приемника. Используется для управления передачей
пакетов в асинхронном режиме (прим. ред.).
SEQN (прим. ред.).
452
Системы полвижнои ралиосвязи
для проверки на наличие ошибок (англ. Header Error Check - НЕС). Заголовок
пакета защищен кодом с с коэффициентом повтора 1/320.
Последнее поле пакета, как правило, используется для передачи полезной на-
грузки. Однако, существуют типы пакетов, не содержащие данных пользователя.
Обычно пакет данных занимает один временной слот (625 мкс), но при некоторых
типах соединений используются многослотовые пакеты. Они могут занимать по
три или пять слогов. Такой пакет начинается в к-м интервале и передается п = 3
или п = 5 слотов на одной частоте fk, а следующий пакет передается на частоте
определяемой по обычной схеме скачкообразной перестройки частоты.
Одно из основных требований, предъявляемых к системе Bluetooth, - возмож-
ность передачи речи и данных. Это требование определяет режимы соединений,
указанных в спецификации Bluetooth:
• синхронный, ориентированный на соединение (англ. Synchronous Connec-
tion-Oriented - SCO), реализующий симметричное соединение «точка-
точка» с коммутацией каналов. Такие соединения, как правило, использу-
ются для передачи речи. При этом для передачи данных в прямом и обрат-
ном направлениях резервируются два последовательных слота, разнесен-
ных на фиксированные промежутки;
• асинхронный, не ориентированный на соединение (англ. Asynchronous
Connectionless - ACL), использующийся для пакетной передачи данных и
поддерживающий симметричные и асимметричные соединения с комму-
тацией пакетов.
В зависимости от типа соединения, скорости кодирования, длины поля дан-
ных и симметричности или асимметричности соединения, определено несколь-
ко различных типов пакетов. Они приведены в табл. 16.7 для соединений ACL и
в табл. 16.8 для соединений SCO.
Заметим, что скорость передачи данных 723,2 кбит/с может быть достигнута
в асимметричных соединениях, в которых для передачи длинных пакетов выде-
ляется по пять временных слотов. В SCO-соединениях базовая скорость переда-
чи данных (в основном, речи) составляет 64 кбит/с. В спецификации Bluetooth
определены два типа представления речи - обычная 64-бит/с ИКМ и дельта-мо-
дуляция с переменной крутизной (CVSD, см. раздел 1).
Скорости применяемого кодирования равны 1/3 или 2/3. Код со скоростью
1/3 представляет собой код с повторениями, уже упоминавшийся при описании
заголовка пакета. Код с коэффициентом 2/3 - это укороченный код Хемминга, ко-
торый используется как в SCO-, так и в ACL-пакетах.
В ACL-соединениях используется быстрая технология ARQ. Станция, кото-
рая передает пакет, уведомляется о получении пакета в ближайшем временном
20 Кодовое слово с коэффициентом R = 1/3 представляет собой последовательность с
тройным побитным повтором.
Таблица 16.7. Параметры ACL-пакетов [17]
Тип Размер заголовка поля данных, байтов Размер поля данных, байтов FEC CRC Максимальная ско- рость при симметрич- ной передаче, кбит/с Максимальная скорость при
асимметричной передаче, кбит/с
Прямая Обратная
DM1 1 0-17 2/3 Да 108,8 108,8 108,8
DH1 1 0-27 Нет «-» 172,8 172,8 172,8
DM3 2 0-121 2/3 «-» 258,1 387,2 54,4
DH3 2 0-183 Нет «-» 390,4 585,6 86,4
DM5 2 0-224 2/3 «-» 286,7 477,8 36,3
DH5 2 0-339 Нет «-» 433,9 723,2 57,6
AUX1 1 0-29 «-» Нет 185,6 185,6 185,6
Таблица 16.8. Параметры SCO-пакетов [17]
Тип Размер заголовка поля данных, байтов Размер поля данных, байтов FEC CRC Максимальная скорость при симметричной передаче, кбит/с
HV1 Нет 10 1/3 Нет 64,0
HV2 «-» 20 2/3 «-» 64,0
HV3 «-» 30 Нет «-» 64,0
DV Г 10+ (0-9)* 2/3’ Да’ 64,0 + 57,6*
Примечание. Поля, помеченные звездочкой, относятся только к полям данных.
Глава 16. Беспроводные локальные вычислительные сети (WLAN) 453
454
Системы подвижной радиосвязи
слоте, в котором выполняется передача пакета в обратном направлении. Бит
ARQN заголовка переносит сообщение АСК или NAK, которое относится к па-
кету, переданному в предшествующем слоте.
Станция Bluetooth может находиться в одном из четырех режимов - соеди-
нения, ожидания, парковки и анализа. В режиме соединения производится пере-
дача данных. В режиме ожидания станция активизируется на 10 мс через каждые
1,28...3,84 с и выполняет поиск своего кода доступа, выполняющего роль пей-
джингового сигнала. После установления пикосети ведомая станция может пе-
реключиться в режим парковки, в котором она опрашивает FH-канал пикосети
реже, чем в режиме ожидания. В режиме анализа станция сканирует канал еще
реже. Во всех режимах, кроме режима соединения, станция экономит энергию,
будучи лишь кратковременно активной. Это очень важно для устройств с бата-
рейным питанием.
Другая важная процедура в системе Bluetooth - установление соединения.
Предположим, что станция находится в режиме ожидания. Она должна прове-
рять, не пытается ли другая станция установить с ней соединение. Для этого
она периодически «просыпается» и ищет в канале свой код доступа. Поиск
основан на корреляции принимаемых данных с кодом доступа станции и длит-
ся примерно 10 мс. В этой фазе станция настраивается на одну из 32 частот, ко-
торые периодически повторяются. Последовательность 32 частот уникальна
для каждой станции.
Заметим, что вызывающая станция остается в режиме ожидания. Вызываю-
щая станция должна знать идентификатор вызываемой станции. На основании
идентификатора она вычисляет код доступа, который используется в качестве
пейджингового сообщения. Уникальная активизирующая последовательность
частот также вычисляется на основании идентификатора. Затем вызывающая
станция многократно передает код доступа на различных частотах. Заметим, что
за 10 мс, в течение которых вызываемая станция сканирует FH-канал, вызываю-
щая станция успевает посетить 16 различных частот21 перестройки из 32, исполь-
зуемых вызываемой и вызывающей станциями. Вызывающая станция периоди-
чески посылает код доступа вызываемой станции в течение времени ее «сна»,
поскольку момент «пробуждения» неизвестен. При отсутствии ответа, вызыва-
ющая станция периодически посещает вторую половину FH-частот и вызывае-
мая станция в конечном итоге получает свой код доступа. Максимальная задерж-
ка доступа равна удвоенному периоду неактивности вызываемой станции в режи-
ме ожидания. Если вызывающая станция получает ответ от вызываемой в виде
кода доступа, то она отправляет так называемый пакет HFS (англ. Frequency Нор
Syncronization — синхронизации частотных скачков). Пакет содержит таймер реа-
льного времени и идентификационную информацию, необходимую для синхро-
низации последовательностей скачкообразной перестройки частоты обеих стан-
1310 мс помещается 16 временных интервалов длиной по 625 мкс.
Глава 16. Беспроводные локальные вычислительные сети (WLAN)
455
ций. Таким образом, создается пикосеть, в которой вызывающая станция стано-
вится ведущей, а вызываемая - ведомой.
Для установления соединения с конкретной станцией необходимо знать ее
идентификатор. Если он неизвестен, то станция, желающая установить соедине-
ние, может начать транслировать сообщение запрос всем станциям в зоне ее до-
ступности с просьбой послать свои идентификаторы и синхронизационную ин-
формацию. Станции, которые получили и декодировали запрос, посылают свои
пакет HFS, содержащие запрошенную информацию. Во избежание коллизий ис-
пользуется механизм псевдослучайного обратного отсчета времени передачи
HFS-пакета.
Передача данных в системе Bluetooth защищена от перехвата и несанкцио-
нированного использования. Во время установления соединения выполняется
процесс аутентификации участвующих станций. Станция, инициирующая этот
процесс, посылает вызываемой станции 48-битовый адрес, на что последняя
отвечает 128-битовым блоком. На основании этого блока, 128-битового секрет-
ного ключа и 48-битового адреса приемника, обе станции генерируют подпи-
санный ответ (англ. Signed RESponse - SRES). Подписанный ответ передается
инициирующей станцией получателю, который сравнивает его с блоком SRES,
вычисленным самостоятельно. Если оба блока совпадают, то аутентификация
считается успешной.
Последовательности битов полезной нагрузки дополнительно шифруются
сложением по модулю 2 PDU с выходным сигналом сдвигового регистра с ли-
нейной образ ной связью (LFSR) соответствующим образом инициализирован-
ного в каждом временном слоте. Более совершенные алгоритмы обеспечения
конфиденциальности применяются на верхних уровнях передачи данных, кото-
рые не относятся к системе Bluetooth.
Как уже отмечалось, в консорциум Bluetooth входит множество крупных те-
лекоммуникационных компаний, а также производителей средств связи и элект-
ронных устройств. Они продвигают политику, направленную на популяризацию
стандарта Bluetooth. Система Bluetooth - хорошее решение для реализации бес-
проводной связи между различными устройствами дома и в офисе, поэтому ожи-
дается, что он будет становиться все более и более популярным.
ЛИТЕРАТУРА
1. J.H.Schiller, Mobile Communications, Addison-Wesley, Reading, Mass., 2000.
2. B.Bing, High-Speed Wireless ATM and LANs, Artech House, Boston, 2000.
3. J.Geier, Wireless LANs, Macmillan Technical Publishing, 1999.
456
Системы подвижной радиосвязи
4. B.H.Walke, Mobile Radio Networks: Networking and Protocols, Wiley & Sons,
Ltd., Chichester, 1999.
5. ETSI EN 300 652 V.l.2.1, Broadband Radio Access Networks (BRAN); High
Performance Radio Local Area Network (HIPERLAN) Type 1; Functional Specifica-
tion, 1998.
6. ETSI TR 101 683 VI. 1.1, Broadband Radio Access Networks (BRAN);
HIPERLAN Type 2; System Overview, 2000.
7. ETSI TS 101 475 V.l.1.1, Broadband Radio Access Networks (BRAN);
HIPERLAN Type 2; Physical (PHY) Layer, 2000.
8. ETSI TR 10 177 V.l.1.1, Broadband Radio Access Networks (BRAN); Require-
ments and Architectures for Broadband Fixed Radio Access Networks (HIPER-
ACCESS), 1998.
9. ISO 8 802, Information Processing Systems - Local Area Networks - Part 2: Logical
Link Control. International Standard, 1990.
10. IEEE 802.11, Information Technology - Telecommunications and Information Ex-
change Between Systems - Local and Metropolitan Area Networks - Specific Re-
quirements, Part II: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Lay-
er (РНУ) Specifications, November 1997.
11. B.P.Crow, I.Widjaja, J.G.Kim, P.T.Sakai, «IEEE 802.11 Wireless Local Area Ne-
tworks», IEEE Communications Magazine, Vol. 35, №9, September 1997, pp. 116-126.
12. R.T.Valadas, A.M. de Oliveira Duarte, A.C.Moreira, C.T.Lomba, «The Infrared
Physical Layer of the IEEE 802.11 Standard for Wireless Local Area Networks», IEEE
Communications Magazine, Vol. 36, №12, December 1998, pp. 107-112.
13. R.van Nee, G.Awater, M.Morikura, H.Takanashi, M.Webster, K.Halford, «New
High-Rate Wireless LAN Standards», IEEE Communications Magazine, Vol. 37, №12,
December 1999, pp. 82-88.
14. M.J.E.Golay, «Complementary Series», IRE Trans. Inform. Theory, April 1961,
pp. 82-87.
15. R.van Nee, R.Prasad, OFDM for Wireless Multimedia Communications, Artech
House, London, 2000.
16. J.C.Haartsen, «The Bluetooth Radio System», IEEE Personal Communications,
February 2000, pp. 28-36.
17. Specification of the Bluetooth System, Specification Volume 1, Bluetooth V. 1.0 B,
December 1999.
18. J.Haartsen, «BLUETOOTH - The Universal Radio Interface for ad hoc Wireless
Connectivity», Ericsson Review, №3, 1998, pp. 110-117.
Глава 17
ТРЕТЬЕ ПОКОЛЕНИЕ СИСТЕМ
ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ
17.1. ВВЕДЕНИЕ
В предыдущих разделах мы рассмотрели примеры существующих системы
подвижной связи. Среди систем связи второго поколения присутствует несколь-
ко систем сотовой подвижной связи, которые привлекли миллионы абонентов -
GSM, IS-95, IS-136 и PDC (последние две системы только упоминаются в этой
книге), системы бесшнуровой телефонии (DECT, PACS и PHS), системы переда-
чи данных - такие, как GPRS и EDGE, а также системы персональной спутнико-
вой связи (в частности, Iridium и Globalstar). В различных системах, отличаю-
щихся по решаемым ими задачам, используется разнос оборудование. Заметим,
что существующие системы работают только в тех средах, для которых они были
разработаны. Таким образом, появляется необходимость создания универсаль-
ной системы, которая будет работать везде, всегда и с использованием унифици-
рованного оборудования.
Разработка систем третьего поколения началась задолго до того, как были ис-
черпаны возможности системы GSM и других систем второго поколения. Целью
этой работы было создание глобального стандарта, который сможет поддержи-
вать роуминг по всему миру. Международный телекоммуникационный союз (ITU)
начал работу над системой подвижной связи третьего поколения с определения
базовых требований. Первоначально эта система называлась перспективной на-
земной системой подвижной связи общего пользования (англ. Future Public Land
Mobile Telecommunication System - FPLMTS), а теперь известна под названием
IMT-2000 (англ. International Mobile Telecommunications — международная по-
движная связь). Рассмотрим основные требования, предъявляемые к этой системе:
• пропускная способность (не менее):
• 2 Мбит/с внутри помещений и для терминалов, перемещающихся с
пешеходной скоростью;
458
Системы полвижнои ралиосвязи
• 384 кбит/с для терминалов, перемещающихся со скоростью не более
120 км/ч в областях городской застройки;
• 144 кбит/с в сельской местности и для быстро перемещающихся
транспортных средств;
• обеспечение глобальной (общемировой) мобильности абонента;
• независимость услуг IMT-2000 от применяемой технологии радиоинтер-
фейса. Это позволит использовать различные эфирные интерфейсы; с дру-
гой стороны, это потребует использования многосистемных терминалов;
• незаметное переключение между сетями проводной и беспроводной связи;
• поддержка услуг передачи данных с коммутацией каналов и пакетов;
• поддержка мультимедийных сервисов и услуг реального времени;
• реализация виртуальной домашней среды (англ. Virtual Ноте Environ-
ment - VHE). Свойства пользовательского интерфейса, характерные для
домашней среды пользователя, не меняются при роуминге в других сетях.
Реализацией системы, которая удовлетворяла бы всем перечисленным выше
требованиям, занялись следующие региональные организации:
• ETSI (Европейский институт телекоммуникационных стандартов), кото-
рый с 1995 г. работает над предложениями по Универсальной системе по-
движной связи (англ. Universal Mobile Telecommunication System — UMTS),
в которой будет использован метод многостанционного доступа широко-
полосный CDMA (англ. Wideband CDMA - WCDMAf
• комитет Т1Р1 в США, который координировал работы по развитию сис-
тем второго поколения, работающих на территории США (IS-95, IS-136 и
GSM 1900). Эти работы привели к появлению системы со многими несу-
щими и методом многочастотного CDMA на основе IS-95;
• ARIB (англ. Association for Radio Industries and Businesses - Ассоциация
представителей радиопромышленности и бизнеса) Японии, которая
предложила радиоинтерфейс, очень похожий на UMTS;
• ТТА (англ. Telecommunications Technology Association - Ассоциация по те-
лекоммуникационным технологиям) в Южной Корее, которая также пред-
ложила использовать в новой системе метод CDMA.
В 1998 г. для выработки общего стандарта широкополосного CDMA была
создана рабочая группа, получившая название 3GPP (англ. 3rd Generation Part-
nership Project - проект партнерства по системам третьего поколения). Резуль-
татом работы этой группы стал стандарт UMTS. Однако участники проекта, ко-
торые хотели развить систему IS-95, предложили альтернативный стандарт -
cdma2000. Таким образом, появилась рабочая группа 3GPP2 (англ. 3rd Generation
Partnership Project 2). В действительности соглашение было достигнуто по трем
различным стандартам IMT-2000:
Глава 17. Третье поколение систем подвижной связи
459
• UTRA (англ. UMTS Terrestrial Radio Access — наземный paduodocmyn
UMTS) - широкополосная CDMA-передача данных в режимах FDD и
TDD и с разнесением несущих на 5 МГц;
• МС CDMA (англ. MultiCarrier CDMA - многочастотная CDMA);
• UWC136 (англ. Universal Wireless Communications — универсальная бес-
проводная связь) - стандарт, в основе которого лежат системы IS-136 и
GSM EDGE. Стандарт UWC136 представляет собой естественное разви-
тие систем TDMA.
На рис. 17.1 приведена эволюция систем подвижной связи второго поколе-
ния в системы третьего поколения.
Возможности
IMT-2000
1999/2000
2001/2002
Рис. 17.1. Эволюция систем подвижной связи второго поколения
в системы третьего поколения
До сих пор мы рассматривали развитие стандартов радиодоступа. Заметим,
что радиодоступ - лишь одна составляющая часть системы связи. Другая часть -
базовая1 сеть, которая соединяет различные элементы системы радиодоступа с
фиксированной частью системы связи и другими сетями, например, PSTN,
ISDN, Internet и PDSN. Эволюция имеет место и в этом направлении. Принято
решение, что в системах UMTS и EDGE (эволюционировавших от GSM) в каче-
стве опорной первоначально будет использоваться сеть GSM. С другой стороны,
В оригинале - core network. Другие названия опорная ши магистральная (прим. ред.).
460
Системы подвижной радиосвязи
системы cdma2000 и EDGE (имеющие происхождение от IS-13 6) начнут рабо-
тать с опорной сетью IS-41. Обе базовые сети будут оборудованы функциями
поддержки межсетевого взаимодействия, которые позволят предоставлять услу-
ги роуминга и другие услуги. В будущем все сети IMT-2000 будут работать с ба-
зовой сетью IP, аналогичной той, которая используется в настоящее время в
системе GPRS.
Реализация систем третьего поколения зависит от выделения им спектраль-
ных ресурсов административными органами. На рис. 17.2 приведено распреде-
ление частотных ресурсов, согласованное на Всемирной конференции по радио-
связи WRC-2000. Необходимо заметить, что полоса частот для IMT-2000 была
выделена практически всеми странами, за исключением США, где системам свя-
зи третьего поколения в будущем либо выделят новый диапазон радиочастотно-
го спектра, либо изменят правила использования спектра системы PCS.
1850 1900 1950 2000 2050
1850 1900 1950 2000 2050
2100 2150 2200
2100 2150 2200
Рис. 17.2. Распределение частотных ресурсов IMT-2000 для различных
районов земного шара на конференции WRC-2000
MSS - системы подвижной спутниковой связи (ант. Mobile Satellite Systems)
Далее мы кратко опишем наиболее важные системы третьего поколения -
UMTS и cdma2000. В настоящее время уже изданы книги, целиком посвященные
исключительно системам UMTS или cdma2000, так что интересующийся дета-
лями читатель может обратиться к работам [ 1 ]—[3] или [4].
Глава 17. Третье поколение систем полвижнои связи
461
17.2. КОНЦЕПЦИЯ UMTS
Основная задача системы UMTS - реализация интегрированной цифровой
беспроводной связи со скоростями передачи данных до 2 Мбит/с в радиочастот-
ном диапазоне около 2 ГГц. В табл. 17.1 приведены диапазоны, выделенные сис-
теме UMTS.
К системе UMTS предъявляются те же требования, что и к IMT-2000:
• возможность работы при различных параметрах среды. Наземная часть
системы UMTS должна работать в различных условиях окружающей сре-
ды, начиная от сельской местности и кончая помещениями. Для этих
условий будут созданы три типа сот - пикосоты, микросоты и макросоты
с соответствующими физическими уровнями UMTS. Спутниковый сег-
мент системы UMTS будет дополнять систему наземной подвижной связи
и работать в областях с очень низкой плотностью трафика или слабораз-
витой инфраструктурой;
• дуплексная передача данных. Спектр, выделенный на конференции
WRC-2000, состоит из двух парных и двух непарных диапазонов. Это
подразумевает использование дуплексной передачи данных с частотным
разделением (FDD) в парных диапазонах и дуплексной передачи данных с
временным разделением (TDD) в непарных диапазонах (см. табл. 17.1);
• широкий спектр услуг. Система UMTS должна обеспечивать широкий
спектр услуг, начиная от передачи речи до высокоскоростной передачи
данных. Трафик может быть асимметричным. Система должна быть до-
статочно гибкой для того, чтобы позволить введение в будущем новых
услуг. Поэтому система радиодоступа должна поддерживать однонаправ-
ленные соединения, основанные на некоторых основных службах переда-
чи данных;
• взаимодействие с фиксированными сетями связи. Система UMTS будет
интегрирована с проводными широкополосными сетями, такими, как
В-ISDN. Планируется использовать технологию интеллектуальных се-
тей (англ. Intelligent Networks - IN).
Таблица 17.1. Спектр, выделенный системе UMTS
Частота, МГц Ширина спектра, МГц Назначение
1900... 1920 20 UMTS (наземный), TDD
1920...1980 60 UMTS (наземный), FDD, UL
1980...2010 30 UMTS (спутниковый), FDD, UL
2010...2025 15 UMTS (наземный), TDD
2110...2170 60 UMTS (наземный), FDD, DL
2170...2200 30 UMTS (спутниковый), FDD, DL
462
Системы полвижной ралиосвязи
В соответствии с приведенными выше требованиями были определены спи-
сок услуг и требования к их качеству. В табл. 17.2 (составленной на основании
[5] с незначительными изменениями) приведены предложения по услугам систе-
мы UMTS. Система UMTS предлагает передачу речи, данных и видеотелефон-
ной информации. Помимо этого, ее можно рассматривать в качестве беспро-
водного расширения цифровых сетей связи с интеграцией услуг (ISDN). Таким
образом, система поддерживает базовый доступ к сетям ISDN со скоростью
144 кбит/с (два канала В и один канал D). Возможна передача данных на ограни-
ченное расстояние со скоростью 2 Мбит/с, что позволяет обеспечить передачу
сжатого видеосигнала.
Как и в системах связи второго поколения, в UMTS будет обеспечен высокий
уровень безопасности передаваемых данных. Это важно не только с точки зре-
ния конфиденциальности индивидуальных телефонных разговоров, но и для
Таблица 17.2. Примеры услуг в системе UMTS
Тип услуги Скорость переда- чи данных, кбит/с Вероятность по- явления ошибок Допустимая задержка, мс
Передача речи 4,75-12,2 Ю"4 40
Передача данных по речевым каналам 2,4-64 10”6 200
Передача Hi-Fi звука 940 10~5 200
Видеотелефония 64-144 10'7 40-90
Передача коротких сообщений/пейджинг 1,2-9,6 10"6 100
Электронная почта 0-384 10 й Много минут
Передача факсимильных со- общений (группа 4) 64 10”6 100
Вещание или широковещание 1,2-9,6 10ъ 100
Просмотр веб-страниц 16-64 (UL) 96-384 (DL) io~6 Секунды
Передача цифровых данных без определенных ограничений 64-1920 кг6 100
Доступ к базам данных 2,4-768 ю45 200
Дистанционные покупки (teleshopping) 2,4-768 10’7 90
Электронные газеты 2,4-2000 10^ 200
Удаленное управление 1,2-9,6 10-6 100
Навигация и определение местоположения 64 10“® 100
Дистанционная работа (teleworking) 32-64 io~® 90
Глава 17. Третье поколение систем полвижной связи
463
поддержки удаленных банковских операций (tele-banking) и электронной ком-
мерции (e-commerce).
В UMTS используется высококачественное адаптивное многоскоростное
кодирование речи (англ. Adaptive Multi-Rate -AMR), основанное на ACELP-коди-
ровании с дискретной передачей и внесением комфортного шума. Оно работает
на восьми скоростях: 4,75; 5,15; 5,90; 6,70; 7,40; 7,95; 10,20 и 12,20 бит/с. Три из
них совместимы с речевыми кодерами, используемыми в существующих систе-
мах второго поколения: 6,7 кбит/с - PDC EFR, 7,4 кбит/с - IS-641 (в США
TDMA/IS-136) и 12,2 кбит/с - GSM EFR. Скорость работы AMR-кодера зависит
от загрузки сети, уровня услуг, оказываемого оператором сети, и текущего отно-
шения сигнал/шум.
17.3. АРХИТЕКТУРА СЕТИ РАДИОДОСТУПА UMTS
Как уже упоминалось, система UMTS использует преимущества существую-
щих сетей GSM и GPRS, которые выступают в роли базовой сети в инфраструк-
туре UMTS.
Абонентское
оборудование (UE)
Uu !u
Рис. 17.3. Сеть радиодоступа UMTS
Струкгура радиосети UMTS (рис. 17.3) состоит из трех основных элементов:
• абонентское оборудование (англ. User Equipment- UI), включающее в себя:
• оборудование подвижной связи (англ. Mobile Equipment - ME), пред-
ставляющее собой радиотерминал, который соединяет абонента
UMTS с фиксированной частью системы через радиоинтерфейс Uu;
• модуль идентификации абонента UMTS (англ. UMTS Subscriber
Identity Module - USIM), представляющий собой смарт-карту, анало-
гичную SIM-карте в системе GSM. Карта содержит идентификатор
абонента, алгоритм аутентификации, ключи аутентификации и шиф-
рования и т.д.;
464
Системы полвижнои ралиосвязи
• наземная сеть радиодоступа UMTS (англ. UMTS Terrestrial Radio Access
Network - UTRAN), представляющая собой подсистему базовых станций
и их контроллеров. Она состоит из двух типов элементов:
• базовые станции, называемые узлами В (англ. Node В) (согласно
терминологии 3GPP). Они выполняют обработку данных на физиче-
ском уровне - такую, как канальное кодирование, перемежение
данных, корректировка скорости передачи, модуляция и т.д. В основ-
ном, базовая станция преобразует данные из формата радиоинтер-
фейса Uu в формат интерфейса lub, связывающего узел В с контрол-
лером радиосети',
• контроллеры радиосети (англ. Radio Network Controller - RNC),
которые управляют работой присоединенных к ним узлов В и рас-
пределяют выделенные им радиоресурсы. Таким образом, конт-
роллер обрабатывает данные на уровне звена данных и участвует
в процедурах хэндовера. В базовой сети контроллер RNC считает-
ся точкой доступа к услуге сети UTRAN. Он соединен с одной парой
MSC/VLR для маршрутизации трафика с коммутацией каналов и
с одним узлом SGSN для маршрутизации трафика с коммутацией
пакетов;
• базовая сеть (англ. Core Network - CN) организована на основе сетей
GSM и GPRS. Поэтому она содержит элементы, характерные для систем
как с коммутацией каналов, так и с коммутацией пакетов:
• опорный (домашний) регистр местоположения (англ. Ноте Locati-
on Register-HLR), который выполняет те же функции, что и в систе-
мах GSM и GPRS;
• центр коммутации подвижной связи/визитный регистр местопо-
ложения (англ. Mobile Switching Center/Visitor’s Location Register -
MSC/VLR), которые управляют трафиком с коммутацией каналов;
• шлюзовый центр коммутации подвижной связи (англ. Gateway Mo-
bile Switching Center - GMSC), соединяющий сеть UMTS с внешни-
ми сетями, работающими в режиме коммутации каналов;
• узел текущей поддержки GPRS (англ. Serving GPRS Support Node -
SGSN), аналогичный узлу, используемому в GPRS и работающий в
режиме коммутации пакетов;
• узел шлюзовой поддержки GPRS (англ. Gateway GPRS Support Node -
GGSN), соединяющий сеть UMTS с внешними сетями, работающи-
ми в режиме коммутации пакетов.
Рассмотрим интерфейсы, изображенные на рис. 17.3. Большинство из них
описаны настолько точно, что элементы системы UMTS могут выпускаться раз-
личными производителями. Таким образом, система может стать для них при-
Глава 17. Третье поколение систем полвижнои связи
465
влекательной, что позволит ей набрать популярность. Ниже приведены интер-
фейсы системы UMTS и перечислены их основные функции:
• интерфейс Си - соединяет аппаратную часть терминала UMTS со
смарт-картой USIM. Он соответствует стандартному формату
смарт-карт;
• интерфейс Uu - радиоинтерфейс между терминалами UMTS и базовыми
станциями (узлами В). Он точно определен, что позволяет использовать
терминалы различных производителей. В определении интерфейса Uu за-
ключается основная новизна технологии UMTS;
• интерфейс lub - описывает связь базовой станции и соответствующего
контроллера RNC;
• интерфейс 1иг - это интерфейс между различными контроллерами RNC.
Заметим, что в системе GSM нет эквивалентного интерфейса, однако в си-
стеме UMTS 1кг необходим для мягкого хэндовсра с участием двух базо-
вых станций, которые управляются различными контроллерами RNC.
Этот интерфейс также используется в случае, когда соединение с базовой
станцией передается с так называемого переходного2 (drift) RNC на обслу-
живающий RNC, который направляет соединение в базовую сеть через
интерфейс 1и.
• интерфейс 1и - соединяет сеть UTRAN с базовой сетью. Этот интерфейс
функционально аналогичен ^-интерфейсу в сети GSM и GA-интерфейсу
в GPRS.
В литературе и описаниях стандартов UMTS можно найти детальное опи-
сание организации протоколов в этой системе. Заинтересованный читатель
может обратиться, например, к работе [1]. Поэтому здесь приведем общую мо-
дель протоколов для интерфейсов UTRAN, которая напрямую связана с приве-
денным выше описанием сети радиодоступа и ее интерфейсов. Модель показана
на рис. 17.4.
Модель протоколов состоит из горизонтальных уровней и вертикальных
плоскостей. Определены два главных горизонтальных уровня:
• уровень транспортной сети, в котором данные из плоскости пользовате-
ля и плоскости управления отображаются на выделенные и разделенные
физические каналы',
• уровень радиосети, на котором решаются задачи, связанные с сетью
UTRAN, например, с доступом к сети UTRAN через /^-интерфейс.
2 В отечественной литературе drift RNC часто называется пассивным, поскольку не свя-
зан непосредственно с базовой сетью; при этом контроллер предоставляет свой радио-
ресурс для установления соединения с абонентским оборудованием (прим. ред.).
466
Системы полвижнои ралиосвязи
Рис. 17.4. Модель протоколов для интерфейсов UTRAN
Через уровень транспортной сети и уровень радиосети проходят следующие
вертикальные плоскости:
• плоскость управления (англ. Control Plane) - используется для сигнализа-
ции и управления в системе UMTS. Состоит из прикладного протокола
(англ. Application Protocol), специфицированного в отношении соответст-
вующего интерфейса, и канала сигнализации3 (англ. Signalling Bearer), ис-
пользуемого для передачи сообщений прикладного протокола;
• плоскость пользователя (англ. User Plane), в которой выполняется пере-
нос пользовательских данных, таких, как кодированная речь или пакеты
данных. В рамках пользовательской плоскости определены потоки дан-
ных (англ. Data Streams) и связанные с ними каналы данных (англ. Data
Bearers). Потоки данных характеризуются одним или более кадровым
(фреймовым) протоколом;
В рамках уровня транспортной сети определены следующие вертикальные
плоскости:
• плоскость управления транспортной сетью (англ. Transport Network
Control Plane), в которой осуществляется все управление сигнализацией
на транспортном уровне. В эту плоскость входят:
• протокол* управления доступом к соединению (англ. Access Link Ap-
plication Part - ALCAP), который отвечает за конфигурацию транс-
В-канал (прим, ред.)
Встречается: часть приложения управления доступом к соединению (прим. ред).
Глава 17. Третье поколение систем полвижнои связи
467
портных каналов в соответствии с выдвинутыми требованиями и за
комбинирование пользовательских данных и управляющих команд в
выделенных и общих каналах;
• каналы сигнализации, необходимые для реализации ALCAP;
• пользовательская плоскость транспортной сети, которая содержит ка-
налы сигнализации для прикладного протокола и каналы сигнализации в
пользовательской плоскости.
17.4. РАДИОИНТЕРФЕЙС UMTS
Радиоинтерфейс наземного радиодоступа UMTS (англ. UMTS Terrestrial Ra-
dio Access) был определен рабочей группой 3GPP. Его часто называют WCDMA
(англ. Wideband CDMA — широкополосный CDMA). В рамках WCDMA определе-
ны два режима работы, которые различаются типом дуплексной передачи
данных. Как уже отмечалось, парные диапазоны в системе UMTS использу-
ются в режиме FDD, а непарные - в режиме TDD. С точки зрения потенциаль-
ных приложений и деталей радиоинтерфейса режимы отличаются друг от друга.
В табл. 17.3 приведены их основные характеристики.
Перед изучением радиоинтерфейса WCDMA рассмотрим его уровневую струк-
туру. На рис. 17.5 приведены основные компоненты его протокольной архитектуры.
Все протоколы можно разместить на одном из трех нижних уровней модели
OSI: физическом (PHY), уровне звена данных (DLC) или сетевом уровне.
Физический уровень определяет услуги обмена информацией в виде транс-
портных каналов. На этом уровне выполняются все функции, связанные с обра-
боткой сигналов, канальным кодированием, перемежением, модуляцией, син-
хронизацией и т.д. В число этих функций входит отображение транспортных
каналов в физические каналы.
Уровень звена данных разделен на следующие подуровни:
• подуровень управления доступам к среде (МАС-подуровень);
• подуровень управления радиоканалом (RLC-подуровень);
• подуровень протокола сходимости пакетных данных (англ. Packet Data
Convergence Protocol — PDCP)’,
• подуровень управления вещанием/широковещанием (англ. Broadcast/Mul-
ticast Control - ВМС).
Подуровень МАС реализует услуги обмена данными по логическим каналам,
которые определяются в соответствии с типами передаваемой по ним информации.
Подуровень RLC реализует алгоритмы ARQ, отвечает за сегментирование и
сборку пользовательских данных, контролирует соответствующие последова-
тельности блоков данных и борется с дублированием блоков.
Таблица 17.3. Основные параметры интерфейсов WCDMA
Параметр UTRA FDD UTRA TDD
1 2 3
Метод многостанционного доступа Метод дуплексной передачи данных Спектральная ширина канала Чиповаяскорость Длина кадра Временная структура кадра Способы изменения скорости Способ расширения (в нисходящем направлении) Способ расширения (в восходящем направлении) Коэффициент расширения Канальное кодирование Перемежение Модуляция Форма импульсов Детектирование CDMA FDD 51v 3,84 N 10 15 слото Мультикодовый, многослотовый и OVSF* OVSF-последовательности для разделения кан (218-1) для разделения сот и пользователей OVSF-последовательности, укороченные поел пользователей 4-512 Сверточное кодирование (R = 1/2, 1/3, К = 9); т R = 1/3); кодирование, обусловленное услугой Межкадровое перемежение (10, 20,40 и 80 мс) QP Фильтр с характеристикой в виде квадратного ентом сглаживания 0,22 Когерентное, на основании пилотных символов TDMA/CDMA TDD 1Гц [чип/с мс в в кадре Мультикодовый и OVSF* алов, укороченные последовательности Голда гдовательности Голда (225-1) для разделения 1-16 урбо кодирование (восьмиуровневое РССС, SK корня из приподнятого косинуса с коэффици- Когерентное, на основании обучающей по- следовательности в средней части пакета
Системы подвижной радиосвязи
Глава 17. Третье поколение систем полвижнои связи
469
Подуровень PDPC обеспечивает
передачу и прием протокольных бло-
ков данных (блоков PDU) в RLC-pe-
жиме с подтверждением или без не-
го, а также прозрачном RLC-режиме.
Подуровень ВМС осуществляет ве-
щательную или широковещательную
передачу данных в прозрачном режи-
ме или режиме без подтверждения.
Наконец, нижний подуровень се-
тевого уровня, изображенного на
рис. 17.5, называется подуровнем
управления радиоресурсами (англ. Ra-
dio Resource Control — RRC). RRC-по-
дуровень выполняет следующие
функции [7]: трансляция системной
информации, распределение радиоре-
сурсов, управление требуемым каче-
ством предоставляемых услуг, а так-
же управление измерениями и состав-
лением отчетов по ним.
Для того чтобы верхние уровни
могли выполнять возложенные на них
функции, МАС-подуровень предо-
ставляет им логические каналы. Для
выполнения МАС-функций в распо-
ряжении МАС-подуровня остаются
транспортные каналы, которые ото-
бражаются в физические каналы на
физическом уровне.
Рассмотрим каналы всех трех ти-
пов. Логические каналы разделены на
два класса:
• каналы управления (англ. Cont-
rol Channels — ССН) использу-
ются для переноса информа-
ции в плоскости управления;
• каналы трафика (англ. Traffic
Channels - ТСН) используются
для переноса информации в
пользовательской плоскости.
Существуют следующие типы
логических каналов управления:
470
Системы подвижной радиосвязи
Плоскость управления Плоскость пользователя
Рис. 17.5. Архитектура протоколов радиоинтерфеиса [6]
• вещательный канал управления (англ. Broadcast Control Channel - ВССН)
используется для трансляции информации управления системой в нисхо-
дящем направлении;
• канал управления вызовом (англ. Paging Control Channel - РССН) исполь-
зуется в нисходящем направлении для вызова подвижной станции или
для вывода ее из режима «сна»;
• общий канал управления (англ. Common Control Channel - СССН) исполь-
зуется в нисходящем и восходящем направлениях для передачи управля-
ющей информации;
• выделенный канал управления (англ. Dedicated Control Channel - DCCH)
используется в соединениях типа «точка-точка» для передачи специали-
зированной управляющей информации между сетью и подвижной стан-
цией во время установления RRC-соединения.
Типы логических каналов трафика:
• выделенный канал трафика (англ. Dedicated Traffic Channel - DTCH)
используется для передачи пользовательской информации в варианте
«точка-точка» между сетью и подвижной станцией. Может устанавли-
ваться как в нисходящем, так и в восходящем направлениях;
Глава 17. Третье поколение систем подвижной связи
471
• общий канал трафика (англ. Common Traffic Channel - СТСН} использу-
ется для передачи информации группе подвижных станций в режиме
«точка-многоточка».
Логические каналы, реализованные на RLC-подуровне, отображаются поду-
ровнем МАС в транспортные каналы. В группу транспортных каналов входит
один выделенный (англ. Dedicated Channel - DCH) и шесть общих каналов.
Канал DCH представляет собой двунаправленный канал типа «точка-точка»,
ио которому передаются как пользовательские данные, так и управляющая ин-
формация верхних уровней. Он может передаваться на всю соту или только на
какую-либо ее часть (для этого нужна лучеобразующая антена). Параметры это-
го канала (скорость передачи данных, уровень мощности и т.д.) могут быстро
меняться.
Общие транспортные каналы переносят управляющую информацию и не-
большое количество пользовательских данных без установления отдельного
соединения с пользователем. Существуют следующие типы общих транспорт-
ных каналов:
• вещательный канал (англ. Broadcast Channel - ВСН) используется для
низкоскоростной передачи информации о системе и своей соте всем по-
движным станциям в соте; переносит часть логического канала ВССН;
• прямой канал доступа (англ. Forward Access Channel - FACH), работ аю-
щий в нисходящем направлении; переносит управляющую информацию,
составляющую другую часть канала ВССН и реализует соединение для
передачи пакетных данных. В одной соте может быть несколько каналов
FACH, из которых хотя бы один выполняет передачу с низкой скоростью и
высокой мощностью;
• канал вызова (англ. Paging Channel - PCH) - канал типа « точка-многоточ-
ка», используемый для вызова подвижной станции;
• нисходящий прямой разделяемый канал (англ. Downlink Shared Channel -
DSCH) - дополнительный транспортный канал, разделяемый между не-
сколькими подвижными станциями. По нему передается специализиро-
ванная пользовательская информация. Этот канал связан с выделенным
каналом (DCH);
• канал случайного доступа (англ. Random Access Channel - RACH) пред-
ставляет собой канал низкоскоростной передачи данных в восходящем
направлении. Он должен быть принят базовой станцией из любого места
соты и используется подвижной станцией для установления соединения
или передачи в сеть небольшого количества данных;
• общий канал пакетных данных (англ. Common Packet Channel - СРСН) -
дополнительный восходящий транспортный канал, работающий по кон-
куррентному принципу и используемый для передачи пакетных данных.
Каждый тип транспортных каналов связан с набором транспортных фор-
матов (англ. Transport Format - TF). Транспортный формат определяет возмож-
472
Системы подвижной радиосвязи
ное отображение, кодирование и перемежение заданного типа транспортного ка-
нала. Процедура МАС-уровня выбирает соответствующий формат для данного
транспортного кадра. Особенности применяемого транспорт ного формата за-
ключены в блоке данных с названием индикатор транспортного формата
(англ. Transport Format Indicator - TFI), который обычно сопровождает транс-
портные блоки и указывает способ реализации транспортного канала.
После проведения канального кодирования и перемежения несколько транс-
портных каналов могут быть мультиплексированы. Таким способом получае-
мый по ток данных направляется в физический канал передачи данных. Тогда же
индикаторы транспортного формата мультиплексированных каналов образуют
индикатор комбинации транспортных форматов (англ. Transport Combination
Format Indicator-TCFT), который передается по физическому каналу управления
(рис. 17.6).
Транспортный канал 1
Транспортный канал 2
Физический
канал данных
Физический
канал управления
Рис. 17.6. Пример отображения транспортных каналов на физические
Поскольку транспортные каналы могут состоять из различного количества
транспортных блоков, то индикатор TFCI также предоставляет информацию о
том, какой транспортный канал активен в данном кадре. В приемнике, после де-
кодирования TFCI, данные, полученные по физическому каналу, могут быть де-
мультиплексированы и декодированы, а транспортные блоки соответствующих
транспортных каналов могут быть выделены.
Глава 17. Третье поколение систем полвижнои связи
473
17.4.1. Режим UTRA FDD
На физическом уровне время в системе UMTS разделено на 10-мс кадры.
В свою очередь, каждый кадр разделен на 15 слогов длительностью по 666,67 мкс.
В случае применения режима FDD, такое временное деление кадра не является
результатом использования метода многостанционного доступа, каковым здесь
является CDMA. Слоты выступают в роли единиц времени, в которых имеет
место передача соответствующих двоичных канальных блоков. Зная, что базовая
чиповая скорость составляет 3,84 Мчип/с, можно легко подсчитать, что в каждом
слоте помещается 2560 чипов.
В режиме UMTS FDD физический канал определяется несущей частотой,
используемой расширяющей последовательностью и компонентой сигнала (в
восходящей линии связи синфазная и квадратурная составляющие сигнала мо-
гут переносить разные физические каналы).
На физическом уровне определены два типа выделенных физических кана-
лов для восходящей и нисходящей линий связи:
• выделенный физический канал управления (англ. Dedicated Physical Cont-
rol Channel - DPCCH)-,
• выделенный физический канал данных (англ. Dedicated Physical Data
Channel — DPDCH).
Каждому соединению назначается один выделенный физический канал
управления и до шести выделенных каналов данных. В восходящем направле-
нии двоичный поток канала DPDCH направляется на синфазный вход передат-
чика, а двоичный поток канала DPCCH - на квадратурный. Если количество ка-
налов передачи данных (DPDCH) больше одного, то все нечетные каналы сум-
мируются, взвешиваются и передаются по синфазной составляющей, а четные
каналы суммируются, взвешиваются и передаются по квадратурной составляю-
щей вместе с каналом управления (DPCCH).
По каналу DPDCH передаются пользовательские данные; по каналу
DPCCH - пилотный сигнал, необходимый базовой станции для оценки состоя-
ния канала, блок TFCI, указывающий формат канала DPDCH, информация об-
ратной связи (англ. Feedback Information - FBI), необходимая для разнесенной
передачи в нисходящем направлении, а также бпокуправления мощностью пере-
дачи (англ. Transmit Power Control - ТРС), необходимый для реализации быст-
рой регулировки мощности в нисходящем направлении (рис. 17.7). Оба потока
данных рассеиваются двумя взаимно ортогональными кодами каналообразова-
ния (англ, channelization codes). Они позволяют осуществить 4-256-кратное рас-
ширение спектра сигнала в зависимости от скорости передачи информационной
последовательности. Коэффициент расширения (англ. Spreading Factor - SF)
равен 256/2*, где £ = 0,1,..., 6; таким образом, в каждом из 15 слотов 10-мс кадра
передается 10x2* битов. Поскольку скорости передачи данных в обоих физиче-
ских каналах могут различаться, то значения средней мощности сигналов син-
474
Системы подвижной радиосвязи
Рис. 17.7. Структура восходящего выделенного физического канала
фазной и квадратурной составляющих также могут различаться. Используемое
расширение подстраивается под текущую скорость передачи двоичных данных
в канале данных, что приводит к изменению ширины спектра сигнала. Перемен-
ный коэффициент расширения позволяет получить так называемые ортогональ-
ные коды с переменным коэффициентом расширения (англ. Orthogonal Variable
Spreading Factor - OVSF) [8].
Коды OVSF определяются деревом, изображенным на рис. 17.8. Если рас-
смотреть каждый узел дерева, то можно сделать вывод о том, что новые кодовые
слова создаются путем дополнения предыдущего слова самим собой (в верхней
ветви, выходящей из узла) или своим отрицанием (в нижней ветви). Из кодового
дерева выбираются взаимно ортогональные слова. Говорят, что кодовое слово с,
ортогонально кодовому слову cj тогда и только тогда, когда кодовое слово с не
связано с ветвью, ведущей от ветви, связанной со словом с,., к основанию дерева,
или не располагается в поддереве ниже слова с(.. Например, если биты конкрет-
ного потока данных рассеиваются кодовым словом с85=(1,-1,1,-1,1,-1, 1,-1)
с коэффициентом расширения SF = 8, то для другого потока данных, для которо-
го требуется коэффициент расширения SF= 4, можно взять любое слово с/;,, кро-
ме с4 3.
Полученная пара потоков данных, подвергнутых расширению кодовыми
словами OVSF, может быть представлена в виде комплексного сигнала, действи-
тельная часть которого выступает в роли синфазной составляющей, а мнимая -
в роли квадратурной. Такой комплексный сигнал подвергается процедуре комп-
лексного скремблирования5. Скремблирующая последовательность состоит из
5 Популярный способ скремблирования в передатчике - сложение по модулю 2 двоичной
информационной последовательности с заданной псевдослучайной последовательно-
стью. Псевдослучайная последовательность выбирается таким образом, чтобы передава-
емая последовательность обладала хорошими статистическими свойствами. Повтор той
же самой операции в приемнике позволяет восстановить исходную двоичную информа-
ционную последовательность. В нашем случае сложение по модулю 2 заменено мульти-
плексированием скремблируемых сигналов со скремблирующим биполярным сигналом.
Глава 17. Третье поколение систем полвижнои связи
475
Рис. 17.8. Кодовое дерево OVSF
двух составляющих, интерпретируемых как реальная и мнимая части комплекс-
ного скремблирующего сигнала. Заметим, что операция скремблирования не
увеличивает ширину спектра сигнала, т.е. чиповая скорость на выходе скрембле-
ра равна скорости на входе. Целью скремблирования является обеспечение раз-
личения сот. Отбор комплексных скремблирующих последовательностей необ-
ходим, поскольку существует вероятность того, что мощности синфазной и
квадратурной составляющих, переносящих каналы DPDCH и DPCCH или их
сумму, будут неравны. После наложения комплексной скремблирующей после-
довательности средние мощности обеих составляющих становятся равны.
Стандарт определяет два типа комплексных скремблирующих последовательно-
стей - короткие и длинные. Короткая последовательность имеет длину 256 би-
тов. Она повторяется с частотой 15 кГц. Такая последовательность применяется,
когда в базовой станции используются приемники с совместным детектировани-
ем (см. раздел 10). Длинная последовательность - это пара последовательностей
Голда с периодом 225 - 1, усеченных до 10 мс. Такая последовательность исполь-
зуется, когда в базовой станции установлен обычный RAKE-приемник [7].
Комплексный поток синфазных и квадратурных импульсов, полученный
в результате комплексного скремблирования, формируется фильтрами с коси-
нусоидальной характеристикой в степени 1/2 (с коэффициентом сглаживания
a = 0,22) и размещается в требуемом диапазоне парой ортогональных модулято-
ров (рис. 17.9).
Организация нисходящей передачи выделенных каналов отличается от пе-
редачи в восходящем направлении. Выделенные каналы данных и управления
мультиплексируются так, как это показано на рис. 17.10. Затем они последовате-
льно демультиплексируются в два параллельных потока данных, которые и ле-
жат в основе синфазной и квадратурной составляющих переданного сигнала.
Двоичные сигналы в каждой ветви рассеиваются при помощи одного и того же
кодового слова OVSF. Каналообразующие кодовые слова, используемые в дан-
ном секторе соты, выбираются из того же самого кодового дерева OVSF. Шире-
476
Системы полвижнои ралиосвязи
Рис. 17.9. Генерация сигналов DPDCH и DPCCH в восходяшей линии
Рис. 17.10. Структура кадра при передаче выделенных каналов
в нисходящем направлении
кополосные сигналы в синфазной и квадратурной ветвях рассматриваются в ка-
честве действительной и мнимой частей комплексного сигнала. Этот сигнал
скремблируется при помощи комплексной псевдослучайной последовательно-
сти длительностью 10 мс. Комплексная псевдослучайная последовательность
создается из двух соответствующим образом сдвинутых укороченных последо-
вательностей Голда, сгенерированных регистрами LFSR длиной 18. Подвижная
станция, которой требуется синхронизироваться с базовой станцией, должна
синхронизироваться с этой скремблирующей последовательностью; следователь-
но, различных скремблирующих последовательностей может быть не более 512.
Эти последовательности разделены на 16 групп по 32 последовательности в каж-
дой. Скремблирующие последовательности распределяются по сотам в ходе
процесса планирования сети. На рис. 17.11 изображен процесс генерации
WCDMA-сигнала, переносящего выделенные каналы в нисходящем направлении.
Заметим, что временной слот при передаче в нисходящем направлении так-
же содержит пилот-сигнал, который обеспечивает когерентное детектирование
данных подвижной станцией и позволяет использовать адаптивные антенны в
нисходящем направлении [7].
Глава 17. Третье поколение систем подвижной связи
477
Рис. 17.11. Генерация WCDMA-сигналов в нисходящем направлении
Помимо выделенных каналов, в нисходящем направлении реализуются сле-
дующие физические каналы:
• общий пилот-канал (англ. Common Pilot Channel - CPICH);
• канал синхронизации (англ. Synchronization Channel - SCH);
• первичный (вторичный) общий физический канал управления (англ. Prima-
ry (Secondary) Common Control Physical Channel - P-CCPCH (S-CCPCH));
• канал индикации занятия (англ. Acquisition Indication Channel - AICH);
• канал индикации вызова (англ. Paging Indication Channel - PICH).
В восходящем направлении передаются физический канал произвольного
доступа (англ. Physical Random Access Channel - PRACH) и физический общий
канал пакетных данных (англ. Physical Common Packet Channel - PCPCH). Крат-
ко рассмотрим перечисленные выше каналы.
Общий пилот-канал (CPICH) передается базовой станцией в каждой соте
для оценки состояния радиоканала. Канал CPICH переносит широкополосный
немодулированный сигнал с коэффициентом расширения 256, скремблирован-
ный кодом, характерным для данной соты. Он должен опознаваться во всей соте.
Помимо оценки состояния радиоканала, канал CPICH используется в измерени-
ях при хэндовере и выборе соты.
Канал синхронизации (SCH) используется подвижной станцией при выборе
соты. Канал SCH состоит из двух подканалов - первичного и вторичного каналов
синхронизации. В первичном SCH-канале во всех сотах используется 256-чипо-
вая расширяющая последовательность. Во вторичном SCH передается последо-
вательность из 15 последовательностей длиной 256 чипов (по одной последова-
тельности в каждом слоте). Это позволяет произвести кадровую и слотовую син-
хронизацию, а также определить группу скремблирующих кодов, используемых
в данной соте. Оба канала синхронизации передаются параллельно (при помощи
различных последовательностей) в первых 256 битах каждого временного слота.
Остальные 2304 бита слота используются для передачи главного общего физиче-
ского канала управления (Р-ССРСН).
478
Системы полвижнои ралиосвязи
Канал Р-ССРСН переносит транспортный вещательный канал (англ. Bro-
adcast Channel-ВСН). Он передается непрерывно и должен приниматься всеми
подвижными станциями, находящимися в соте. Поэтому коэффициент расшире-
ния канала Р-ССРСН равен 256, и канал передается с высокой мощностью. В нем
используется постоянный код каналообразования. Для обеспечения требуемого
качества передачи данных применяется сверточный код с коэффициентом 1 2 и
перемежением на протяжении двух кадров (20 мс).
Вторичный общий физический канал управления (S-CCPCH) используется
для передачи следующих транспортных каналов: канала прямого доступа (англ.
Forward Access Channel -FACH) и канала вызова (англ. Paging Channel - PCH).
В каждой соте существует не менее одного канала S-CCPCH. При наличии в соте
только одного канала S-CCPCH, он содержит оба транспортных канала. Если же
каналов S-CCPCH более одного, то транспортные каналы могут передаваться
по различным физическим каналам. Коэффициент расширения в канале
S-CCPCH - постоянный и определяется максимальной установленной скоро-
стью передачи данных. В канале S-CCPCH, как и в Р-ССРСН, используется
сверточный код с коэффициентом 1/2. В случае использования канала FACH
для передачи данных может применяться сверточное кодирование с коэффици-
ентом 1/3 или турбо-кодирование.
Физический канал произвольного доступа (англ. Physical Random Access
Channel - PRACH) и канал индикации занятия (англ. Acquisition Indication Chan-
nel - AICH) связаны друг с другом и будут рассмотрены вместе.
Канал PRACH используется подвижной станцией для доступа к сети (он пе-
реносит транспортный канал RACH). В основе произвольного доступа лежит
принцип синхронной ALOHA. Два последовательных 10-мс кадра разделяются
на 15 слотов произвольного доступа по 5120 чипов каждый. Вначале подвижная
станция проводит временную и кадровую синхронизацию с сотой. Затем она на-
ходит канал ВСН, для того чтобы определить в данной соте свободные слоты
случайного доступа, скремблирующие коды и подписи, которые могут быть ис-
пользованы в процедуре произвольного доступа. Кроме того, подвижная стан-
ция измеряет мощность принимаемого сигнала и на основании результатов этих
измерений устанавливает мощность сигнала, для передачи заголовка (преамбу-
лы) RACH в выбранном слоте произвольного доступа. Заголовок имеет длину
4096 чипов и содержит 256 повторов выбранной подписи(сигнатуры). Подвиж-
ная станция периодически посылает заголовок в доступных слотах произволь-
ного доступа с постепенным увеличением мощности до тех пор, пока не получит
преамбулу AICH. После завершения декодирования преамбулы AICH передает-
ся 10-мс или 20-мс сообщение RACH.
Аналогичная процедура выполняется при передаче данных по физическому
общему каналу пакетных данных (англ. Physical Common Packet Channel -
РСРСН). При помощи этого канала реализуется транспортный общий канал па-
кетных данных (англ. Common Packet Channel - СРСН). Подвижная станция пе-
риодически передает преамбулу длиной 4096 чипов с постепенным увеличением
Глава 17. Третье поколение систем полвижнои связи
479
мощности до тех пор, пока не получит и не распознает преамбулу А1СН. Затем
она передает преамбулу СРСН CD (англ. Collision Detection - обнаружение кол-
лизий) и после получения отпета от базовой станции в виде канала индикации об-
наружения коллизий (англ. Collision Detection Indication Channel — CDICH) начи-
нает передавать свой пакет. Сообщение длится N х 10 мс, но не более оговорен-
ной максимальной длительности. На рис. 17.12 изображен процесс отправки
пакета по каналу РСРСН.
DPCCH
0_0__й
Hllllllllllil
Управление мощностью,
пилот-сигнал и команды СРСН
Преамбула Информация
управления и данные
мощностью управления
Рис. 17.12. Процедура доступа для канала СРСН
Одна из наиболее важных процедур в системе UTRA WCDMA - поиск соты
(cell search). После включения питания подвижная станция должна найти бли-
жайшую базовую станцию. В системе UMTS базовые станции работают асинх-
ронно и используют различные скремблирующие коды из набора 512 последова-
тельностей по 10 мс. Для того чтобы упростить и ускорить поиск соты, вся
процедура разбита на следующие этапы:
• подвижная станция ищет первичный канал синхронизации (англ. Prima-
ry Synchronization Channel - PSCH), который передается в виде 256-чи-
повой последовательности, общей для всех сот. Таким способом опреде-
ляются начальные точки слотов. Поиск осуществляется с помощью филь-
тра, согласованного с известной последовательностью. Подвижная
станция принимает сигналы канала PSCH от нескольких ближайших сот
и выбирает наибольший локальный максимум сигнала на выходе согла-
сованного фильтра, который соответствует ближайшей (сильнейшей)
базовой станции;
• по детектировании начальных моментов слотов подвижная станция пыта-
ется синхронизировать кадр и определить группу кодов, используемых во
вторичном канале синхронизации. Синхронизация осуществляется путем
корреляционной обработки принятого сигнала (момент начала корреля-
ции был установлен на предыдущем этапе) с 64 возможными словами ко-
довой синхронизации, используемыми во вторичном канале SCH. Для то-
480
Системы подвижной радиосвязи
го чтобы найти интервал №0, необходимо проверить все 15 интервалов,
т.е. добиться кадровой синхронизации. Кодовое слово вторичного канала
синхронизации определяет конкретную группу кодов, к которой принад-
лежит скремблирующий код данной соты;
• на третьем этапе определяется скремблирующий код, используемый в
данной соте. С этой целью подвижная станция вычисляет корреляцию
принятого сигнала со всеми возможными скремблирующими сигналами,
принадлежащими к той же группе. После определения скремблирующей
последовательности подвижная станция может читать первичный общий
канал управления, который содержит системные параметры, передавае-
мые по вещательному каналу (ВСН).
После регистрации в сети подвижная станция приписывается к определен-
ной группе вызова. Она периодически сканирует канал индикации вызова
(PICH) в поисках своего индикатора вызова, который означает, что во вторичном
общем физическом канале управления содержится сообщение для подвижной
станции, принадлежащей данной группе вызова. Если подвижная станция обна-
руживает индикатор вызова, соответствующий ее группе вызова, то она считыва-
ет РСН-кадр, содержащийся в канале S-CCPCH, для того чтобы выяснить, нет ли
для нее пейджингового сообщения. По каналу PICH данные передаются с посто-
янной скоростью и коэффициентом расширения спектра SF = 256. Из 300 битов,
передаваемых в рамках 10-мс кадра, 288 битов отводятся под индикаторы вызо-
ва. Всего может быть передано 18, 36, 72 или 144 различных индикаторов вызо-
ва, которые представляются последовательностями единиц (если вызов присут-
ствует) или нулей.
Как известно, регулировка мощности оказывает существенное влияние на
суммарную емкость CDMA-системы. В системе WCDMA FDD используются
режимы открытой и закрытой петли управления мощностью. Открытая петля
управления мощностью используется при передаче каналов RACH и СРСН так,
как это описано выше. Точность регулировки с открытой петлей не очень высо-
ка, в основном из-за внутренних погрешностей, вносимых подвижной станцией,
и вследствие того, что частотный диапазон измеряемого сигнала отличается от
диапазона регулируемого сигнала.
Закрытая петля управления мощностью выполняется в каждом временном
слоте, т.е. 15000 раз/с. Как мы помним, в восходящем выделенном физическом
канале управления (DPCCH) поле регулировки излучаемой мощности (ТРС)
расположено в каждом слоте. Это поле определяет изменение мощности сигна-
ла на величину, кратную 1 дБ. В случае мягкого хэндовера, когда подвижная
станция приписана к двум соседним базовым станциям, обе базовые станции
отправляют ей команды по регулировке излучаемой мощности. В подвижной
станции эти команды соответствующим образом взвешиваются, после чего
принимается окончательное решение относительно изменения излучаемой
мощности.
Глава 17. Третье поколение систем полвижнои связи
481
Следующая процедура, необходимая для бесперебойной работы сотовой си-
стемы, - это передача соединения - хэндовер {handover/. В системе WCDMA су-
ществует несколько типов хэндовера:
• мягкий хандовер, сверхмягкий (softer) и жесткий хэндовер;
• межчастотный хэндовер;
• хэндовер между режимами FDD и TDD;
• хэндовер между WCDMA и GSM.
В обычной ситуации выполняется мягкая передача соединения, потому что
соты, как правило, работают на одной и той же несущей частоте. Подвижная
станция измеряет уровень общего пилот-канала (CPICH) и относительный вре-
менной сдвиг между сотами. Начиная процедуру хэндовера, подвижная станция
принимает сигналы от всех базовых станций, участвующих в соединении. Это
возможно благодаря применению RAKE-приемника, «пальцы» которого син-
хронизованы со скремблирующими и расширяющими последовательностями,
используемыми в текущей соте и в соте, в которую, возможно, перейдет соедине-
ние. Сигналы подвижной станции принимаются базовыми станциями, участву-
ющими в процедуре передачи соединения, и суммируются с соответствующими
весовыми коэффициентами, чтобы создать макроразнесение. Во время соедине-
ния подвижная станция при помощи алгоритма поиска сот ищет новые базовые
станции из списка, считываемого из канала ВСН. Если базовая станция считает-
ся кандидатом на передачу соединения, то подвижная станция передает этой ба-
зовой станции запрос на синхронизацию выделенных физических канала дан-
ных и канала управления (DPDCH и DPCCH) с ее главным общим физическим
каналом управления (ССРСН). Таким образом могут быть минимизированы
сдвиги кадровой синхронизации сигналов, посылаемых различными базовыми
станциями, для того чтобы подвижная станция могла принимать также сигналы
от новой базовой станции.
Кроме мягкой передачи соединения в WCDMA, существует так называемая
сверхмягкая передача. В этом состоянии подвижная станция соединена с двумя
соседними сотовыми секторами, обслуживаемыми одной базовой станцией, т.е.
сигналы, принимаемые в обоих секторах, уже соответствующим образом сумми-
рованы в базовой станции.
Основной причиной межчастотного хэндовера является переход подвиж-
ной станции между двумя сотами разных уровней структуры сотовой иерархии,
т.е. пико-, микро- или макросотами. В этом случае подвижная станция сталкива-
ется с необходимостью проводить измерения уровня сигнала на частоте, отлича-
ющейся от используемой в текущий момент. Существует два возможных реше-
6 Вспомним, что нормативный термин хэндовер обозначает безобрывную передачу сое-
динения без участия абонента (прим. ред.).
482
Системы подвижной радиосвязи
ния этой проблемы. Если подвижная станция может применить пространствен-
ное разнесение, то она использует сдвоенный приемник (англ, dual receiver).
Один приемник принимает сигнал текущего канала, а другой измеряет уровень
сигнала на новой несущей частоте. Для компенсации потерь усиления, вызван-
ных отсутствием разнесенного приема, сигнал текущего канала должен переда-
ваться базовой станцией с повышенной мощностью. Это реализуется благодаря
применению режима закрытой петли управления мощностью.
Второе решение проблемы, связанной с измерениями уровня сигнала при
межчастотном хэндовере, заключается в использовании режима (англ, compres-
sed mode), применяемого в тех случаях, когда подвижная станция не оборудована
двумя приемниками. Базовая станция, которая обычно передает свои кадры
10-мс интервалами, переходит на передачу содержимого кадров за более корот-
кие промежутки времени - 5 мс. При этом остаток времени кадра используется
подвижной станцией для проведения измерений на других частотах. Сокраще-
ние времени передачи кадра реализуется выполнением в кодере операции пер-
форирования кодов (англ, puncturing) и изменения скорости FEC-кодирования.
Мощность сигнала должна быть повышена для компенсации вызванных приме-
ненными мерами потерь мощности сигнала. Принцип работы в режиме уплотне-
ния изображен на рис. 17.13.
Рис. 17.13. Принцип работы в режиме уплотнения
Хэндовер между режимами FDD и TDD возможен в случае, когда подвижная
станция может работать в обоих режимах. Подвижная станция измеряет уровень
сигнала в TDD-сотах, используя общие физические каналы управления, которые
дважды за время 10-мс кадра генерируются базовыми станциями TDD. Анало-
гичная ситуация имеет место, когда подвижная станция может работать в режи-
мах GSM и UTRA. Такой случай называют межсистемным хэндовером. В пери-
оды измерений подвижная станция пытается найти канал подстройки частоты
GSM, за которым следует канал синхронизации.
Глава 17. Третье поколение систем подвижной связи
483
17.4.2. Режим UTRA TDD
Рассмотрим режим UTRA TDD. Основные параметры этого режима приве-
дены в табл. 17.3. Заметим, что многие параметры режимов FDD и TDD совпада-
ют, что приводит к большому сходству обоих режимов передачи и упрощению
подвижных станций. Напомним, что часть спектра, выделенного системе UMTS,
представлена в виде непарных диапазонов. В этих диапазонах работа в режиме
FDD исключена, поэтому применяется режим TDD. Дуплексная передача дан-
ных с временным разделением позволяет асимметрично распределить время
между двумя направлениями передачи данных. Это разделение может динами-
чески подстраиваться под текущий вид трафика. Легко может быть реализованы
передача с различными скоростями. Еще одно интересное свойство передачи
данных в режиме TDD - обратимость каналов (англ, channel reciprocity). Посколь-
ку для передачи данных в обоих направлениях используется один и тот же учас-
ток спектра, то измерения, проводимые при передаче данных в одном направле-
нии, могут быть применимы и для обратного направления, если характеристики
канала не являются быстро изменяемыми во времени.
На рис. 17.14 изображен формат кадра в режиме UTRA TDD. Он длится
10 мс и так же, как в режиме FDD, разделен на 15 временных слотов. Физиче-
ский канал задается несущей частотой, временным слотом кадра и используе-
мым расширяющим кодом. Несколько разных скоростей передачи данных могут
быть получены путем выделения соединению соответствующего количества фи-
зических каналов. Эти примеры также приведены на рис. 17.14.
Расширяющие ПСП7, используемые в одном и том же слоте, взаимно ортого-
нальны. Они выбираются из семейства кодов OVSF. Отдельные каналы синхро-
низованы друг с другом. Кадр, состоящий из 15 слотов, поделен между двумя на-
правлениями передачи. Возможно несколько вариантов [14]. Выделение слотов
может быть симметричным с многократным переключением между восходящи-
ми и нисходящими каналами передачи8 в рамках одного кадра. Распределение
также может быть асимметричным с многократным переключением или сим-
метричным/асимметричным с одним изменением направления передачи данных
в кадре. Главное, чтобы в 15-слотовом кадре хотя бы один слот был выделен для
нисходящего канала, и хотя бы один - для восходящего.
Транспортные и физические каналы, используемые в режиме UTRA TDD,
аналогичны каналам в режиме FDD. Отображение транспортных каналов на фи-
зические иллюстрируется на рис. 17.15.
Длительность каждого временного слота соответствует времени передачи
2560 чипов. Физические каналы передаются в виде пакетов. В сущности, есть
три основных типа пакетов, различающихся по внутренней структуре и длине
7 Напомним, что ПСП - псевдослучайная последовательность (прим. ред.).
8 Переключение направления передачи (прим. ред.).
484
Системы полвижнои ралиосвязи
Рис. 17.14. Пример выделения ресурсов соединениям с различными
скоростями передачи данных
А - одинарный канал (один временной слот и одна расширяющая кодовая последова-
тельность); В - соединение, использующее три временных слота и две расширяющие
кодовые последовательности; С - три слота и одна кодовая последовательность
Высшие
уровни
Общие каналы
Выделенный
канал (DCH)
3
Выделенный
физический
канал (DPCH)
Канал
вызова
(РСН)
Общий
физический канал
Г~
Разделяемые
каналы
Вещатель- Прямой
ный канал канал
(ВСН) доступа
Пакеты
Пакет данных тип I
Пакет данных тип II
Общие каналы
управления (СССН)
Канал
произвольного
доступа (RACH)
Восходящий (USCH)
и нисходящий
(DSCH) разделяе-
мые каналы
—------------------I—
Восходящий (USCH) Канал Физический
___________ и нисходящий индикации канал
управления (ССРСН) (DSCH) физические вызова произвольного
разделяемые каналы (PICH) доступа (PRACH)
—
Пакет
произвольного
доступа
Канал
синхрони-
зации
(SCH)
Пакет
синхрони-
зации
Рис. 17.15. Отображение транспортных каналов TDD на физические
Глава 17. Третье поколение систем полвижнои связи
485
защитных интервалов. Каждый пакет содержит два поля с данными, обучающей
последовательностью между ними, и завершается защитным интервалом. Пакеты
данных (англ, traffic bursts) также могут содержать индикатор транспортного
формата (англ. Transport Format Combination Indicator-TFCT) и бит управления
мощностью передачи (англ. Transmission Power Control - ТРС). Передача полей
TFCI и ТРС согласовывается в фазе установления соединения. Поле ТРС конк-
ретного пользователя передается только один раз за кадр. На рис. 17.16 приведе-
ны структуры пакета данных и пакета произвольного доступа.
Пакет данных, тип I
Символы данных
Обучающая
последовательность
Символы данных
। Защитный I
' интервал I
976 чипов
512 чипов
976 чипов
96 чипов
Пакет данных, тип II
Символы данных
Обучающая
последовательность
Символы данных ! Защитный i
। интервал ।
1104 чипов
256 чипов
1104 чипов 96 чипов
Пакет произвольного доступа PRACH
Рис. 17.16. Пакеты данных и произвольного доступа в режиме TDD
Пакет данных типа I используется для передачи данных в восходящем на-
правлении. Применение обучающей последовательности большой длины позво-
ляет оценить до 16 импульсных откликов канала.
Пакет данных типа II в основном используется для передачи данных в ни-
сходящем направлении, но может использоваться и в восходящем направлении,
если каждый временной слот занимают четыре и менее пользователей. Обучаю-
щие последовательности пакета, используемые в одной и той же соте, представ-
ляют собой циклически сдвинутые версии одной и той же базовой кодовой ПСП.
В разных сотах используются различные кодовые последовательности.
Передаваемые данные подлежат расширению в полях данных. Так же, как и
в режиме UTRA FDD, оно производится в два этапа с использованием кода кана-
лообразования и комплексного скремблирующего кода. В выделенных физиче-
ских каналах в нисходящем направлении коэффициент расширения спектра со-
ставляет SF= 16. Как мы уже отмечали, высокоскоростному соединению может
486
Системы подвижной радиосвязи
быть выделено несколько физических каналов, использующих различные кана-
лообразующие коды. В случае, если в нисходящем физическом канале использу-
ется один код, то коэффициент расширения может быть равен 1. Коэффициент
расширения для выделенных физических каналов в восходящем направлении
принимает значения от 1 до 16. Одна подвижная станция для увеличения скоро-
сти передачи данных может задействовать не более двух физических каналов на
один слот. Простые вычисления для пакетов типа II показывают, передача с ко-
эффициентом SF = 16, с одним кодом и одним временным слотом дает в резуль-
тате скорость передачи данных, равную 13,8 кбит/с. Использование 16 кодов и
13 временных слотов приведет к увеличению скорости передачи данных до
2,87 Мбит/с. Аналогичный результат может быть получен, если вместо 16 кодов
с SF = 16 использовать один код с SF = 1.
Как и в режиме FDD, в режиме UTRA TDD используются первичный и вто-
ричный общие физические каналы управления (Р-ССРСН и S-CCPCH). Канал
Р-ССРСН переносит транспортный канал ВСН. Для этого используются пакеты
типа I с фиксированным расширением и SF= 16. Канал S-CCPCH переносит ка-
нал РСН и канал FACH. При этом могут применяться пакеты обоих типов, одна-
ко коэффициент расширения остается фиксированным и равным 16.
Расположение канала Р-ССРСН в кадре, т.е. номер временного слота и ис-
пользуемый код расширения, указывается в сообщении, передаваемом по кана-
лу синхронизации (SCH). Пакет синхронизации приведен на рис. 17.17. В кадре
могут быть размещены один или два синхропакета. В первом случае пакет син-
хронизации передается в том же временном слоте кадра, что и канал Р-ССРСН.
Для этого может быть выбран слот. Если передается два пакета синхронизации,
то канал синхронизации (SCH) размещается в /с-х (/< = 0, 1,..., 6) и (к + 8)-х вре-
менных слотах кадра, а канал Р-ССРСН располагается в к-м. слоте. На рис. 17.17
изображен второй случай при к = 0. Канал SCH содержит первичную последова-
тельность и три вторичных, каждая длиной по 256 чипов. Последовательности
Рис. 17.17. Размещение канала SCH в кадре системы, работающей
в режиме TDD при к = 0 и двух пакетах SCH
Глава 17. Третье поколение систем полвижнои связи
487
начинаются с определенным временным сдвигом, выбираемым из 32 возможных
значений. Это позволяет избежать эффекта перехвата (capturing), который имел
бы место в случае взаимной синхронизации базовых станций.
Подвижная станция посылает запрос на доступ к каналу с использованием
физического канала произвольного доступа (PRACH). Запрос передается в виде
пакета произвольного доступа, изображенного на рис. 17.16. Заметим, что в этом
пакете используется более длинный защитный интервал. Это позволяет системе
нормально функционировать при разнице во времени распространения сигнала,
обусловленной длиной пути порядка 7,5 км. Стандартный защитный интервал,
используемый в пакетах с данными, соответствует времени передачи 96 чипов,
что допускает разницу во времени распространения до 25 мкс. Это, в свою оче-
редь, определяет радиус соты - 3,75 км без применения процедуры ускоренной
отправки пакетов (англ, timing advance).
Подвижная станция может быть вызвана при помощи сообщения, передава-
емого по вторичному каналу ССРСН, однако вначале должен быть задействован
канал индикации вызова PICH, который реализуется путем замещения канала
S-CCPCH и переносит индикаторы вызова соответствующих групп подвижных
станций. Механизм вызова подвижной станции в основном аналогичен описан-
ному выше механизму вызова в режиме UTRA FDD и не нуждается в описании.
Физические восходящий и нисходящий разделяемые каналы (англ. Physical
Uplink (Downlink) Shared Channel - PUSCH (PDSCH)) используются для уста-
новления и передачи параметров, специфичных для данного абонента, таких,
как управление мощностью, временные сдвиги при отправке пакетов и установ-
ки направленной антенны.
Применение режима TDD определяет необходимость выполнения жесткого
хэндовера. Сеть направляет подвижной станции список соседних базовых
станций, мощность сигналов которых следует измерить. Подвижная станция
проводит измерения в свободных временных слотах. В режиме UTRA TDD су-
ществуют те же типы хэндовера, что и в UTRA FDD: TDD-TDD, TDD-FDD,
WCDMA- TDD-GSM.
На стадии проектирования системы UTRA TDD необходимо принять во
внимание несколько различных видов помех. Их детальный анализ [ 1 ] позволяет
сделать следующие выводы:
• базовые TDD-станции одного оператора должны обеспечивать сохране-
ние синхронизации кадров; также желательна кадровая синхронизация
базовых станций разных операторов;
• распределение асимметричного восходящего и нисходящего трафика в
соте не совсем свободно - на практике существует возможность сильной
интерференции между направлениями передачи;
• динамическое выделение каналов (англ. Dynamic Channel Allocation -
DCA) - является мощным инструментом, дающим возможность избежать
помех в TDD-диапазоне. Другой возможностью является межчастотный
или межсистемный хэндовер;
488
Системы полвижнои ралиосвязи
• особое внимание должно быть уделено потенциальному взаимовлиянию
FDD- и TDD-систем, особенно использующим нижний диапазон TDD и
верхний диапазон восходящего FDD.
Помеховое влияние пользователей друг на друга предполагает применение
усложненных структур приемников в базовой и подвижной станциях. В базовых
станциях могут использоваться приемники с совместным детектированием сиг-
нала (см. раздел 10). Это реально возможное решение, учитывая, что количество
пользователей, одновременно передающих данные в одном временном слоте, от-
носительно невелико, и вычислительная сложность таких приемников будет
приемлемой, особенно при внедрении субоптимальных решений. В подвижных
станциях можно использовать однопользовательские приемники с адаптивной
компенсацией межсимвольных помех и подавлением помех многостанционного
доступа (англ. Multiple Access Interference - МАГ).
* * *
Метод TDMA, применяемый в режиме UTRA TDD приводит к серьезным
последствиям для сотового покрытия, поскольку прерывистый характер этой пе-
редачи способствует уменьшению мощности. Для того чтобы обеспечить по-
крытие той же области, что в режиме FDD, понадобится больше станций, рабо-
тающих в режиме TDD. Поэтому система UMTS в режиме TDD остается допол-
нением к системе, работающей в режиме FDD, особенно для передачи данных и
установления асимметричных соединений.
17.5. CDMA2000
Как уже упоминалось, группа 3GPP2 разработала радиоинтсрфсйс
cdma2000, основанный на популярном в Америке и Южной Корее стандарте вто-
рого поколения CDMA IS-95.
Cdma2000 - одно из важнейших предложений для радиоинтерфейса
IMT-2000. Первая стадия развития стандарта cdma2000, названная cdma2000 lx,
представляет собой расширение существующего стандарта IS-95B. Она позволяет
удвоить емкость системы и увеличить скорость передачи данных до 614 кбит/с.
Вторая фаза, названная cdma2000 IxEV (англ. Evolution-эволюция) является ре-
зультатом дальнейшего развития стандарта cdma2000 1х. Она включает в себя
технологию HDR (англ. High Data Rate - высокоскоростная передача данных),
обеспечивающую передачу данных со скоростью, достигающей 2,4 Мбит/с.
Первоначально предполагалось использовать выделенную несущую для высо-
коскоростной передачи пакетных данных, а одну или несколько дополнительных
несущих - для передачи речи. При дальнейшем развитии стандарта IxEv пакет-
ные данные и речь планируется объединить на одной несущей; при этом преду-
сматривается возможность предоставления пакетных услуг на отдельной несу-
щей [17]. Наконец, в третьей фазе развития системы cdma2000, названной
Глава 17. Третье поколение систем полвижнои связи
489
cdma2000 Зх, планируется ввести использование трех независимых и не пере-
крывающихся CDMA-каналов. При этом будет сохранена обратная совмести-
мость со стандартами cdma2000 1х и IS-95B. Утроение ширины частотного диа-
пазона и снятие некоторых ограничений позволит расширить гамму услуг и
повысить скорость передачи данных до 2 Мбит/с. На рис. 17.18 показано распре-
деление спектра в стандартах cdma2000 1х и Зх. Система cdma2000 разработана
для следующих типов окружающей обстановки [4]:
• мегасоты вне помещений (радиус соты свыше 35 км);
• макросоты вне помещений (радиус соты 1-35 км);
• микросоты в помещениях/вне помещений (радиус соты менее 1 км);
• пикосоты в помещениях/вне помещений (радиус соты менее 50 м);
• системы беспроводного абонентского доступа.
IS-95/cdma2000 1х cdma2000 Зх
Нисходящее
направление
,25 МГц f
3x1,25 МГц
Восходящее
направление
,25 МГц f
Рис. 17.18. Распределение спектра в системах cdma2000 1х и Зх
для каналов нисходящего и восходящего направлений
Особенность решений для ЗС-систем в США в какой-то мере заключается в
том, что системам такого типа не выделялись дополнительные спектральные ре-
сурсы. В настоящее время диапазон PCS (см. рис. 17.2) частично используется
системами cdmaOne (системы на основе IS-95) и IS-136. Он должен постепенно
перейти в распоряжение ЗО-систем. Таким образом, для ЗО-систем особенно
желательно наличие обратной совместимости.
Остановимся на характерных чертах системы cdma2000. В табл. 17.4, осно-
ванной на работе [3], приведены наиболее важные параметры этой системы.
В cdma2000, как и в IS-95, нисходящие и восходящие каналы называются
прямыми (forward) и обратными (reverse) каналами соответственно. На рис. 17.19
приведены выделенные и общие физические каналы, используемые в cdma2000.
Как мы видим из рис. 17.19, список физических каналов очень большой.
Устройство многих из них очень похоже на устройство аналогичных каналов в
490
Системы подвижной радиосвязи
Таблица 17.4. Основные параметры системы cdma2000 [3]
cdma2000 1х cdma2000 Зх
Спектральная ширина канала, МГц 1,25 3 х 1,25
Нисходящий (DL) радиоканал. Канальная структура Прямое расширение спектра (DS) псевдослучайной по- следовательностью Несколько несущих, DS на каждой несущей
Восходящий (UL) радиоканал. Канальная структура Прямое расширение спектра (DS) Прямое расширение спектра (DS)
Чиповая скорость, Мчип/с 1,2288 (нисходящий канал) 1,2288 (восходящий канал) 1,2288 на каждую несущую (нисходящий канал) 3,6864 (восходящий канал)
Длина кадра, мс 20/5 (опционально для сигнальных пакетов)
Тактирование Синхронное, получаемое от системы GPS
Канальное кодирование Сверточное кодирование, турбо-кодирование или отсутст- вие кодирования
Модуляция QPSK
Детектирование UL: когерентное, пилотная последовательность мультиплек- сирована с битами управления мощности
DL: когерентное, общий непрерывный и вспомогательный пилот-каналы
Коэффициент расширения 4- 256
Расширение в нисходяшем канале Ортогональные последовательности Уолша переменной длины (каналообразующие коды), из-последовательности длиной 215 (фазовый сдвиг определяет соту)
Расширение в восходящем канале Ортогональные последовательности Уолша переменной длины (каналообразующие коды), ^-последовательности длиной 241 - 1 (фазовый сдвиг определяет пользователя)
Возможность изменения скорости передачи данных Изменяющиеся расширение спектра и мультикоды
Хэндовер (передача соединения) Мягкий хэндовер, межчастотный хэндовер
Управление мощностью, Гц С открытой петлей и быстрой закрытой петлей - 800
описанной ранее системе IS-95, поэтому они будут рассмотрены достаточно
кратко. Начнем с прямого канала (эквивалент нисходящего канала системы UMTS).
Прямой пилот-канал (англ. Forward Pilot Channel - F-PICH) используется
подвижной станцией для оценки импульсного отклика канала, что необходимо
для работы RAKE-приемника. Он также необходим для обнаружения соты и в
Глава 17. Третье поколение систем полвижнои связи
491
Прямой/об ратный
выделенный физический
канал (F/R-DPHDH)
Прямой
выделенный
вспомогательный
пилот-канал
(F-DAPICH)
Обратный
пилот-канал
(R-PICH)
Прямой/
обратный
основной
канал
(F/R-FCH)
Прямой/
обратный
выделенный
канал
управления
(F/R-DCCH)
Прямой/обратный
дополнительный
канал (F/R-SCH)
Прямой/обратный
дополнительный
. канал п
(F/R-SCHn)
Прямой/обратный
дополнительный
канал 1
(F/R-SCH1)
Общие физические каналы
Прямой
пилот-канал
(F-PICH)
Прямой Прямой
общий общий
вспомогательный канал
контрольный (F-CCH)
канал (F-CAPICH)
_____J
Прямой Прямой
общий канал канал
управления синхронизации
(F-CCCH) (F-SYNC)
Обратный
общий
канал (R-CCH)
Обратный
канал
доступа
(R-ACH)
I
Обратный
общий
канал
управления
(R-CCCH)
Прямой
быстрый
пейджинговый
канал (F-QPCH)
Прямой
пейджинговый
канал (F-PCH)
Прямой
общий
вещательный
канал (F-BCCH)
Рис. 17.19. Физические каналы, используемые в системе cdma2000
процессе хэндовера. Канал состоит из последовательности логических нулей,
расширенной нулевой функцией Уолша. Реальная пилотная последовательность
получается благодаря комплексной скремблирующей последовательности,
определяющей соту (см. табл. 17.4 и раздел И). Прямой пилот-сигнал одинаков
для всех подвижных станций в соте, поэтому наведенные им помехи не играют
большой роли.
Прямой канал синхронизации (англ. Forward Sync Channel - F-SYNC) ис-
пользуется подвижной станцией для синхронизации с системой. Существует два
типа каналов синхронизации [4]. Первый из них - разделяемый F-SYNC-канал,
применяемый в системах IS-95B и cdma2000. Второй - использующий весь
спектр широкополосный F-SYNC-канал, который может быть применен в пере-
крывающихся (IS-95B и cdma2000) и неперекрывающихся системах.
492
Системы полвижнои ралиосвязи
Прямой пейджинговый канал9 (англ. Forward Paging Channel - F-PCH) ис-
пользуется для вызова находящихся в соте подвижных станций и передачи им
некоторых управляющих сообщений, связанных с выделением каналов, под-
тверждением и т.п. В одной соте может быть несколько пейджинговых каналов.
По пейджинговому каналу данные передаются со скоростью 9,6 или 4,8 кбит е.
Вначале информация подвергается сверточному кодированию (R = 1/2, к = 9), за-
тем повторению (если скорость входного потока составляет 4,8 кбит/с) и блочно-
му перемежению. Полученный сигнал суммируется по модулю 2 с прореженным
длинным кодом, характерным для пейджингового канала. На конечном этапе
сигнал расширяется соответствующей функцией Уолша и обрабатывается вы-
ходной секцией. Как и в случае с каналом синхронизации, могут существовать
разделяемый и широкополосный пейджинговые каналы.
Прямой общий канал управления (англ. Forward Common Control Channel -
F-CCCH) используется для передачи подвижным станциям сообщений уровня
МАС и сетевого уровня.
Прямой общий вспомогательный пилот-канал (англ. Forward Common Auxi-
liary Pilot Channel - F-CAPICH) применяется для создания узких (остронаправ-
ленных) лучей при помощи адаптивных антенн. Канал F-CAPICH используется
подвижными станциями, расположенными в созданном направленном луче.
Аналогично, дополнительный прямой выделенный вспомогательный пилот-
канал (англ. Forward Dedicated Auxiliary Pilot Channel - F-DAPICH) применяется
для нахождения конкретной подвижной станции.
Прямой общий вещательный канал (англ. Forward Broadcast Common Chan-
nel - F-BCCH) представляет собой канал вызова, предназначенный для передачи
вещательных и SMS-сообщений, т.е. для передачи этих сообщения не нужно за-
действовать пейджинговый канал. Номер функции Уолша, используемой в
F-ВССН канале, передается по каналу синхронизации.
Прямой быстрый пейджинговый канал (англ. Forward Quick Paging Chan-
nel - F-QPCFT) используется для вызова подвижных станций, работающих в ре-
жиме выделенного слота.
Прямой основной канал (англ. Forward Fundamental Channel - F-FCH) ис-
пользуется для переноса нисходящего трафика. Кадр имеет длину 20 мс. Ско-
рость передачи данных выбирается из наборов скоростей, аналогичных приме-
няемым в IS-95B -RS1 (1,5; 2,7; 4,8 и 9,6 кбит/с) и RS2 (1,8; 3,6; 7,2 и 14,4 кбит/с)
(см. раздел 11). Большое количество комбинаций типов кодирования, повторе-
ния и перемежения позволяет создавать множество различных скоростей пе-
редачи данных (см. подробности в [4] и спецификациях cdma2000 [ 18]—[21 ]).
Во всех конфигурациях 20-мс кадр содержит 384 бита, что эквивалентно
Терминология приведена согласно РД 45.194-2002 «Оборудование федеральных сис-
тем сотовой подвижной связи диапазона 450 МГц, работающее по стандарту 1МТ-МС
(cdma2000). Общие технические требования (редакция 2)» (прим. ред.).
Глава 17. Третье поколение систем подвижной связи
493
19,2 кбит/с в наборе скоростей RS 1 и 768 битов (эквивалент 38,4 кбит/с) в набо-
ре скоростей RS2.
Прямой дополнительный канал (англ. Forward Supplemental Channel -
F-SCH) используется для переноса пользовательской информации совместно с
основным каналом на более высоких скоростях, чем это позволяет использова-
ние только F-FCH. Для передачи данных с небольшими скоростями использует-
ся сверточное кодирование, а для передачи данных с высокими скоростями -
турбо-кодирование. Одному соединению может быть одновременно выделено
несколько каналов F-SCH. К различным дополнительным каналам могут предъ-
являться разные требования к вероятности появления ошибок в зависимости от
приложений. В результате можно получить широкий спектр скоростей передачи
данных, начиная от 9,6 кбит/с и кончая 921,6 кбит/с при использовании набора
скоростей RS2 в конфигурации системы cdma2000 с тремя несущими. Заметим,
что такие скорости практически достижимы при условии выделения соедине-
нию одновременно многих ПСП и нескольких несущих. При передаче по допол-
нительным каналам каналообразующие функции Уолша могут иметь различную
длину (различные коэффициенты расширения), зависящую от скорости входно-
го потока. Они выбираются таким образом, чтобы после расширения ширина
спектра канала оставалась неизменной.
Прямой выделенный канал управления (англ. Forward Dedicated Control
Channel - F-DCCH) служит для передачи данных управления в режиме «точка-
точка» со скоростью 9,6 кбит/с.
В качестве примера рассмотрим блок-схему передачи данных по прямому
дополнительному каналу со скоростью входного потока, выбранной из набора
скоростей RS2, и с использованием N = 3 несущих, т.е. в соответствии со стан-
дартом cdma2000 Зх (рис. 17.20).
К блоку данных, который должен быть передан в 20-мс кадре, сначала до-
бавляется 16 CRC-битов, затем оконечные и резервные биты. После этого блок
кодируется сверточным кодом с длиной кодового ограничения к = 9 и коэффици-
ентом кодирования R = 1/4. Полученный блок данных подвергается перемеже-
нию и суммируется по модулю 2 с прореженным выходным потоком генератора
длинного кода с маской, специфичной для п-го пользователя. Поток данных раз-
деляется натри ветви, поток каждой из которых генерирует CDMA-сигнал на от-
дельной несущей (ft, f2v\ f3). Двоичные потоки отображаются на синфазные и
квадратурные компоненты и переводятся из двоичной в биполярную форму.
Затем обе составляющие рассеиваются функциями Уолша, которые выступают в
роли кодов каналообразования, после чего скремблируются псевдошумовой
комплексной последовательностью длиной 215 элементов. Фаза этой последова-
тельности определяет соту. После процесса скремблирования синфазные и квад-
ратурные выходные потоки формируются низкочастотными фильтрами и моду-
лируют соответствующие несущие частоты. Заметим, что помимо сигналов до-
полнительного канала, показанных на рис. 17.20, передаются и сигналы других
каналов. Это пилот-канал, основной канал, канал пейджинга и т.д.
494
Системы полвижнои ралиосвязи
13,2 кбит/с
27,6 кбит/с
56,4 кбит/с
114,0 кбит/с
229,2 кбит/с
459,6 кбит/с
920,4 кбит/с
14,4 кбит/с
28,8 кбит/с
57,6 кбит/с
115,2 кбит/с
230,4 кбит/с
460,8 кбит/с
921,6 кбит/с (7?=1/2)
14,4 бит
2304 бит
4608 бит
9216 бит
18432 бит
36964 бит
36864 бит
на 20-мс кадр
мощности
(16 битов/20 мс)
Рис. 17.20. Передача данных со скоростями из набора RS2 посредством
прямого дополнительного канала в системе cdma2000 Зх
Теперь обратим внимание на передачу данных в восходящем направлении.
Коротко опишем работу большинства обратных физических каналов, изобра-
женных на рис. 17.19. Обратные физические каналы можно разделить на выде-
ленные каналы, которые предназначены для связи отдельных подвижных стан-
ций с базовой, и общие каналы, используемые для передачи на базовую станцию
информации от многих подвижных станций.
Глава 17. Третье поколение систем подвижной связи
495
Обратный канал доступа (англ. Reverse Access Channel - R-ACH) представ-
ляет собой канал многостанционного доступа, используемый подвижными стан-
циями для получения доступа к системным ресурсам. При передаче данных по
R-ACH-каналу применяется принцип синхронной ALOHA. Заметим, что благо-
даря использованию CDMA, доступ к среде может иметь большее количество
абонентов. На одной несущей частоте может передаваться более одного
R-ACH-канала. В таком случае каналы определяются используемыми ПСП.
Обратный общий канал управления (англ. Reverse Common Control Channel -
R-CCCH) используется для передачи сообщений уровня МАС и сетевого уровня
от подвижной на базовую станцию. По сравнению с каналом R-ACH, канал
R-CCCH обладает расширенными по возможностями, которые позволяют обес-
печить более быстрый доступ при пакетной передаче данных.
Обратный пилот-канал (англ. Reverse Pilot Channel - R-PICH) состоит из
пилотной последовательности, получаемой при подаче на вход канала постоян-
ного сигнала, мультиплексированной с битами управления мощности, которые
предназначены для закрытой петли управления мощностью. Канал R-PICH ис-
пользуется базовой станцией для первоначальной установки и поддержания
шкалы времени, оценки канала, измерений мощности и синхронизации последо-
вательностей, необходимых RAKE-приемнику [4].
Обратный выделенный канал управления (англ. Reverse Dedicated Control
Channel - R-DCCH) предназначен для индивидуальной передачи данных от по-
движной станции на базовую.
Обратный основной канал (англ. Reverse Fundamental Channel - R-FCH) ис-
пользуется для передачи пользовательских данных. Скорость передачи данных
зависит от используемого набора скоростей. В наборы RS3 и RS5 входят скоро-
сти 1,5; 2,7; 4,8 и 9,6 кбит/с, а в наборы RS4 и RS6 - 1,8; 3,6; 7,2 и 14,4 кбит/с.
Обратный дополнительный канал (англ. Reverse Supplemental Channel -
R-SCH) -дополнительный канал для передачи пользовательских данных. Он мо-
жет работать в двух режимах. В первом режиме скорость передачи данных не
превышает 14,4 кбит/с и базовая станция должна определять реальную скорость
передачи данных без дополнительной информации, передаваемой подвижной
станцией. Во втором режиме доступны более высокие скорости передачи дан-
ных, но они известны заранее.
Конфигурация основного, дополнительного, пилотного и выделенного ка-
налов отличается от конфигурации аналогичных каналов, передаваемых в ни-
сходящем направлении. Соответствующим образом закодированные и переме-
женные потоки данных, передаваемые по основному и дополнительному кана-
лам, а также выделенному каналу управления, распределяются по синфазным и
квадратурным компонентам сигнала после применения каналообразующих ко-
дов Уолша. Затем эти потоки скремблируются псевдошумовой комплексной по-
следовательностью, модифицированной длинным кодом, специфичным для кон-
кретного пользователя. Наконец, после формирования импульсов, синфазная и
квадратурная компоненты помещаются в требуемый диапазон частот с помощью
496
Системы подвижной радиосвязи
пары ортогональных модуляторов. Заметим, что расширение, выполняемое
функциями каналоообразования, зависит от скорости входного потока, поэтому
возможно использование функций Уолша различной длины. Это основная раз-
ница между системами cdma2000 и IS-95B. На рис. 17.21 представлено распреде-
ление каналов по соответствующим компонентам сигнала, передаваемого в
восходящем (обратном) направлении.
Последовательность
Рис. 17.21. Распределение пилотного, основного, дополнительного каналов,
выделенного канала управления в восходящем (обратном) направлении
«Последовательность Уолша г» обозначает каналообразующую функцию Уолша, харак-
терную для данного типа канала
Некоторые стандартные процедуры, описанные в посвященных системе
UMTS параграфах, должны выполняться и в системе cdma2000. Наиболее важ-
ные из них - регулировка мощности, хэндовер, поиск соты, а также процедуры
произвольного доступа.
В cdma2000 применяются открытая и закрытая петли управления мощно-
стью. Как правило, уровень передаваемого сигнала устанавливается на основа-
нии измерений уровня принятого сигнала. Подобно UMTS, в cdma2000 приме-
няется режим FDD, поэтому точность открытой петли регулировки мощности не
очень высока. В рамках закрытой петли управления мощности, команды, связан-
ные с изменением уровня сигнала, передаются в обоих направлениях 800 раз/с.
Это позволяет компенсировать «среднее» и быстрое замирание.
Глава 17. Третье поколение систем полвижнои связи
497
Процедура поиска соты схожа с аналогичной процедурой в системе IS-95B,
поскольку во всех сотах используется одна и та же комплексная ПСП; однако, с
характерным только для данной соты сдвигом фазы. Подвижная станция ищет
пилот-канал, передающий эту последовательность с соответствующим сдвигом
фазы, выбираемым из конечного числа сдвигов.
В cdma2000 выполняется процедура мягкого хэндовера. Кроме того, суще-
ствует возможность передачи соединения между системами cdma2000 и IS-95B.
В процедуре хэндовера основной и дополнительный каналы обрабатываются
по-разному. В общих чертах: множество базовых станций, передающих подвиж-
ной станции дополнительный канал во время выполнения процедуры передачи
соединения, представляет собой подмножество базовых станций, передающих
основной канал [3]. При мягком хэндовере задействуется минимально возмож-
ное количество базовых станций, чтобы минимизировать помехи и максимизи-
ровать емкость системы.
В данном параграфе был представлен общий обзор физического уровня си-
стемы cdma2000. Читатель, заинтересовавшийся подробностями работы этой
системы, может обратиться к спецификациям cdma2000 [18]—[21].
17.6. ПРИЛОЖЕНИЕ - КОНЦЕПЦИЯ ПРОГРАММНОГО РАДИО
17.6.1. Введение
Из предыдущих разделов следует, что физические уровни систем второго и
третьего поколения не унифицированы. В этих системах используется несколько
несовместимых радиоинтерфейсов. Для получения глобального роуминга по-
движная станция должна иметь возможность работать со всеми типами радио-
интерфейсов. Этого можно достичь, создавая многорежимные терминалы с уд-
военным или утроенным количеством радиоблоков и блоков цифровой обработки
сигналов. Другое решение этой проблемы - применение концепции програм-
много радио (англ. Software Radio}.
В концепции Software Radio [22]—[24] передатчики и приемники базовых и
подвижных станций, имеющие аппаратную реализацию в соответствии с конк-
ретным стандартом связи, заменяются на универсальную систему. В этой систе-
ме радиочастотная часть сведена к минимуму; остальное оборудование содер-
жит широкополосные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи,
а также цифровой процессор сигналов, который выполняет функции приема-пе-
редачи при помощи программного обеспечения. Преимущества такого подхода
заключаются не только в возможности реализовать несколько радиоинтерфей-
сов, но и в его универсальности, которая позволяет увеличить живучесть систе-
498
Системы подвижной радиосвязи
мы за счет модификаций, отражающих эволюцию стандартов радиосвязи.
Другое преимущество - уменьшение времени, проходящего с момента начала
разработки до появления готового продукта. Это позволяет быстрее реагировать
на запросы рынка.
Концепция программной реализации блоков приемопередатчика может
быть расширена до концепции программируемой подвижной связи (англ. Mobile
Software Telecommunications) [25]. Авторы этой концепции предполагают в буду-
щем сосуществование множества различных стандартов, но ни один из них не
будет способен предоставлять все мультимедийные услуги. Предполагается, что
терминалы будут интеллектуальными, т.е. их программная конфигурация будет
изменяемой, что позволит им соединяться с различными сетями. Изменение кон-
фигурации для работы с различными стандартами радиосвязи будет происхо-
дить при помощи некоторого минимального набора программного обеспечения.
Ожидается, что будут разработаны новые JAVA-подобные языки программиро-
вания, которые позволят определять новые стандарты и услуги. Такой язык про-
граммирования должен представлять собой платформу для реализации сессии
связи путем определения параметров физического соединения и предоставляе-
мых услуг. Таким образом, при установлении соединения будут определяться
следующие детали: речевой кодер/декодер, применяемая модуляция, шифрова-
ние данных, особенности реализуемых услуг, используемые протоколы и требо-
вания к ширине спектра сигнала.
17.6.2. Минимальный радиостандарт
Для того чтобы реализовать сессию связи, необходимо определить минималь-
ный радиоинтерфейс, служащий для установления основного соединения, а так-
же установления остальных элементов канала связи и реализации услуг. Этот
интерфейс должен обеспечивать как доступ к сети, так и управление мобильно-
стью, связанное с местоположением терминалов, их вызовом и т.д. Для решения
этих задач определен канал сетевого доступа и связности10 (англ. Network Ac-
cess and Connectivity Channel-NACCH). На рис. 17.22 показано возможное поло-
жение NACCH-модема в архитектуре подвижной станции [25].
Задачи NACCH-модема:
• реализация управления мобильностью;
• аутентификация и регистрация абонента с назначением разговорных ка-
налов и сопутствующих им услуг;
• сигнализация, связанная с вызовом и установлением соединения, а также
определением типа услуги;
Связность (словарн.) - возможность соединения (прим. ред).
Глава 17. Третье поколение систем полвижнои связи
499
Рис, 17.22. Концепция NACCH-
модема в архитектуре подвижной
станции на основе технологии
программного радио
Антенна
• реализация интерфейса, позволяющего назначить либо запрограммиро-
вать разговорные каналы и услуги, определяемые абонентом, либо содер-
жащиеся в списке готовых решений.
Заметим, что модем терминала состоит из двух главных частей -
NACCH-модема и модема программного радио (англ. Software Radio - SR.). В ре-
жиме ожидания активен только NACCH-модем. Приведенная выше концепция
предполагает передачу по радиоинтерфейсу подпрограмм, необходимых для
программирования SR-модема.
При реализации этого подхода возникают некоторые технические сложно-
сти [28]. Передача подпрограмм, реализующих процедуру приема-передачи дол-
жна быть практически безошибочной - иначе терминал не в состоянии функцио-
нировать надежно. Она не может длиться очень долго, поскольку это разочарует
пользователей. Таким образом, передача подпрограмм по радио требует наличия
очень надежной процедуры, позволяющей проверять целостность программно-
го обеспечения. В то же время, этот подход более гибок, чем другой вариант - за-
грузка программного обеспечения со смарт-карты.
Применение смарт-карт, на которых хранится требуемое программное обес-
печение, позволит быстро и надежно программировать SR-модем; однако в этом
случае гибкость системы будет частично потеряна. При таком подходе необходима
целая сеть распространения, в которой пользователи смогут приобретать новые
смарт- карты. Это потребует дальнейшего развития технологии интеллектуальных
карт, чтобы позволить хранить громадный объем SR-программ на одной карте.
Другая проблема, связанная с SR-технологией, - это форма, в которой про-
граммное обеспечение будет храниться в базах данных сети или памяти
смарт-карты. Для обеспечения конкуренции между производителями термина-
лов, программное обеспечение не должно быть аппаратно-зависимым. Оно
должно запускаться на различных DSP-платформах (англ. Digital Signal Proces-
sor - цифровой процессор сигналов). Следовательно, программное обеспечение
должно иметь вид последовательности инструкций на языке высокого уровня,
которые будут компилироваться в SR-терминале. Следовательно, SR-терминал
должен содержать компилятор, который будет транслировать последователь-
ность высокоуровневых инструкций в аппаратно-зависимую программу.
500
Системы полвижнои ралиосвязи
17.6.3. Основные структурные элементы Software Radio
Рассмотрим структурную схему типового приемника, используемого в сис-
теме подвижной связи (рис. 17.23) [23].
Принимаемый антенной сигнал фильтруется полосовым фильтром (англ.
BPF~ BandPass Filter), который выделяет спектральный диапазон всей системы.
Затем сигнал усиливается малошумящим усилителем (англ. LNA - Low Noise
Amplifier) и демодулируется в промежуточный диапазон при помощи програм-
мируемого синтезатора частоты, микшера и полосового фильтра. Промежуточ-
ных преобразований может быть несколько. После усиления в цепи с автомати-
ческой регулировкой усиления {АРУ, англ. AGC- Automatic Gain Control) сигнал
демодулируется и сдвигается в исходный диапазон, в котором выделяются син-
фазная и квадратурная компоненты. Обе составляющие сигнала фрагментиру-
ются и преобразуются в цифровой вид. Затем сигнал обрабатывается специали-
зированной интегральной схемой цифровой обработки сигнала (англ. Application
Specific Integrated Circuit - ASIC) или DSP-процессором.
Антенна
промежуточной
частоты
Рис. 17.23. Структурная схема типового приемника, используемого
в системе подвижной связи
Мы видим, что приемник состоит из множества элементов, большая часть
которых реализована в аналоговом виде. Такой приемник не является универ-
сальным решением и, как правило, предназначен для работы с одной системой
радиодоступа.
Теперь рассмотрим схему идеализированного приемника, большая часть
функций которого реализуется программно (рис. 17.24).
Аналого-цифровое преобразование сигнала выполняется в радиочастотном
диапазоне, а функции всех остальных блоков приемника выполняет блок цифро-
вой обработки сигнала. Эта схема полностью универсальна и хорошо подходит
для SR-систем, хотя уровень развития технологии аналого-цифрового преобра-
зования в настоящее время не позволяет получить требуемой точности преобра-
Глава 17. Третье поколение систем полвижнои связи
501
Антенна
Рис. 17.24. Схема идеализированного программного приемника
Рис. 17.25. Схема цифрового программируемого приемника
с программируемым понижающим преобразователем частоты
зования сигнала. В то же время, существует возможность создания цифрового
программируемого приемника с аппаратной поддержкой понижающего преоб-
разования частоты. Программируемый понижающий преобразователь часто-
ты (англ. PDC - Programmable Down-Converter) выполняет перенос сигнала с
промежуточной частоты в основную полосу частот с его последующей допол-
нительной фильтрацией. На рис. 17.25 представлена схема приемника с PDC.
Мы ожидаем, что быстрое развитие технологии сверхбольших интегральных
схем (СБИС) и АЦП/ЦАП-технологий скоро позволит создать программный ра-
диотерминал.
17.6.4. Software Radio в базовых станциях
Реализация концепции программного радио в базовых станциях отличается
от ее реализации в подвижных станциях [23]. Основная задача внедрения
SR-технологии в базовые станции - объединение блоков приемников и передат-
чиков, работающих с одной несущей частотой, в один на всю базовую станцию
унифицированный многочастотный приемопередатчик. Основная сложность
при этом - обеспечение требуемой точности аналого-цифрового преобразования
(14-битовое преобразование с частотой дискретизации 50 МГц в случае системы
GSM). Другая проблема - создание линейного усилителя очень большой мощно-
сти, ширина полосы пропускания которого перекрывает весь частотный диапа-
зон системы. В статье [26] приведена оценка вычислительной мощности базовой
станции системы GSM. Ожидается, что скоро появится возможность реализо-
вать базовую станцию GSM на быстрой рабочей станции или сервере.
502
Системы полвижнои ралиосвязи
& Ж
В настоящее время исследования в области программного радио ведутся
большими группами ученых в Европе и США. Заинтересованный читатель мо-
жет обратиться к недавно изданным работам [29] и [30], а также к многочислен-
ным статьям, опубликованным в сборниках докладов на конференциях, посвя-
щенных подвижной связи.
ЛИТЕРАТУРА
1. H.Holma, A.Toskala (eds), WCDMA for MMTS: Radio Access for Third Generation
Mobile Communications, John Wiley & Sons, Ltd., Chichester, 2000.
2. J.P.Castro, The UMTS Network and Radio Access Technology: Air Interface Techni-
ques for Future Mobile Systems, John Wiley & Sons, Ltd., Chichester, 2001.
3. T.Ojanpera, R.Prasad (eds), WCDMA: Towards IP Mobility and Mobile Internet,
Artech House, Boston, 2001.
4. V.K.Garg, IS-95 and cdma2000. Cellular/PCS Systems Implementation, Prentice-
Hall, Upper Saddle River, N.J., 2000.
5. J.Rapeli, «UMTS: Targets, System Concept and Standardization in a Global Frame-
work», IEEE Personal Communications, Vol. 2, №1, February 1995, pp. 20-28.
6. ETSI TS 125.301, Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); Radio
Interface Protocol Architecture, (3G TS 25.301) V.3.4.0, March 2000.
7. E.Dahlman, P.Beming, J.Knutsson, F.Ovesjo, M.Persson, Ch.Roobol, «WCDMA -
The Radio Interface for Future Mobile Multimedia Communications», IEEE Trans.
Vehicular Technology, Vol. 47, №4, November 1998, pp. 1105-1117.
8. F.Adachi, M.Sawahashi, K.Okawa, «Tree-structured Generation of Orthogonal
Spreading Codes with Different Lengths for Forward Link DS-CDMA Mobile», Elec-
tronic Letters, Vol. 33, №1,1997, pp. 27-28.
9. ETSI TS 125.211, Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); Physi-
cal Channels and Mapping of Transport Channels onto Physical Channels (FDD),
V.3.2.0, March 2000.
10. ETSI TS 125.212, Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); Multi-
plexing and Channel Coding (FDD), V.3.2.0, March 2000.
11. ETSI TS 125.213, Universal Mobile Telecommunications System (UMTS);
Spreading and Modulation (FDD), V.3.2.0, March 2000.
12. ETSI TS 125.214, Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); Physi-
cal Layer Procedures (FDD), V.3.2.0, March 2000.
13. ETSI TS 125.221, Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); Physi-
cal Channels and Mapping of Transport Channels onto Physical Channels (TDD),
V.3.2.0, March 2000.
Глава 17. Третье поколение систем полвижнои связи
503
14. ETS1TS 125.222, Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); Multi-
plexing and Channel Coding (TDD), V.3.2.0, March 2000.
15. ETSI TS 125.223, Universal Mobile Telecommunications System (UMTS);
Spreading and Modulation (TDD), V.3.2.0, March 2000.
16. ETSI TS 125.224, Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); Physi-
cal Layer Procedures (TDD), V.3.2.0, March 2000.
17. Qualcomm CDMA Technologies, The CDMA Difference,
http://www.cdmatech.com/difference/faq/cdma_2000.html.
18. 3GPP2 IS-2000.2, Physical Layer Standard for cdma2000 Spread Spectrum Systems.
19. 3GPP21S-2OOO.3, Medium Access Control (MAC) Standard for cdma2000 Spread
Spectrum Systems.
20. 3GPP2 IS-2000.4, Signaling Layer 2 Standard for cdma2000 Spread Spectrum
Systems.
21. 3GPP2 IS-2000.5, Upper Layer (Layer 3) Signaling Standard for cdma2000 Spre-
ad Spectrum Systems.
22. Software Radios, Special Issue of IEEE Communications Magazine, May 1995.
23. Software Radio Workshop, European Commission DG XIII-B, Brussels, May 29,
1997.
24. Software Radio and Baseband Technology, Session 1 and 2, Proc, of ACTS Mobile
Summit, October 7-10, 1997, Aalborg, Denmark.
25. G.Fettweis, Ph.Charas, R.Steele, «Mobile Software Telecommunications», Proc, of
European Personal Mobile Communications Conference, Bonn, 1997, pp. 321-325.
26. Th.Turletti, D.Tennenhouse, «Estimating the Computational Requirements of a
Software GSM Base Station», Proc, of IEEE International Conference on Communi-
cations, 1997, pp. 169-175.
27. W.H.Tuttlebee, «Software Radio Technology: A European Perspective», IEEE
Communications Magazine, February 1999, pp. 118-123.
28. E.Buraccini, «SORT & SWRADIO Concept», Proc, of ACTS Fourth Mobile Co-
mmunications Summit, 1999, pp. 587-593.
29. J.Mitola III, Software Radio Architecture: Object-Oriented Approaches to Wire -
less Systems Engineering, John Wiley & Sons, Inc., New York, 2000.
30. E.Del Re (ed.), Software Radio. Technologies and Services, Springer-Verlag,
London, 2001.
Глава 18
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ АНТЕНН
В СОТОВОЙ ТЕЛЕФОНИИ
18.1. ВВЕДЕНИЕ
Возрастание спроса на услуги сотовой телефонии и средства беспроводного
доступа к телекоммуникационным сетям приводит к необходимости непрерыв-
но увеличивать емкость существующих систем. Как мы помним, емкость сото-
вой системы, выражаемая в плотности трафика, приходящегося на единицу
площади, зависит от многих факторов. Таковыми являются:
• ширина частотного диапазона, выделенного системе;
• ширина спектрального канала, требуемого для одной несущей;
• используемый метод многостанционного/множественного доступа;
• вид модуляции;
• методы приема и обработки информационного сигнала;
• допустимая величина отношения сигнал/шум;
• тип антенн базовых станций, в особенности количества антенных секторов.
По-видимому, одним из важнейших факторов, благодаря которым возникает
возможность в ближайшем будущем существенно увеличить емкость систем по-
движной связи, является технология интеллектуальных антенн. Интеллектуа-
льные антенны включают в себя массивы антенных элементов1, аппаратное и
1 Антенные решетки (прим. ред.).
Глава 18. Применение технологии интеллектуальных антенн
505
программное обеспечение цифровой обработки сигналов, которые позволяют
формировать диаграммы направленности (ДН) и оценивать направление поступ-
ления (англ. Direction of Arrival - DoA) сигнала [9]. Интеллектуальные антенны
могут применяться как в существующих, так и в будущих системах. Данная тех-
нология уже нашла применение в аналоговых системах первого поколения, та-
ких, как NMT [1], в системах второго поколения - GSM и DCS 1800 [2], [3] а так-
же в американской системе TDMA IS-54 [4], [5]. Технология интеллектуальных
антенн планируется к применению в системе третьего поколения UMTS [6].
В этом разделе мы рассмотрим основные принципы работы интеллектуаль-
ных антенн и обсудим их влияние на основные факторы, определяющие емкость
системы. Интеллектуальные антенны - очень большая тема. Заинтересованный
читатель найдет интересную лекцию по интеллектуальным антеннам и форми-
рованию их ДН в работе [7], а также вводный раздел, посвященный адаптивным
антеннам, в справочнике [8].
18.2. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ СИСТЕМ
С ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫМИ АНТЕННАМИ
В обычной сотовой системе связь между базовой станцией (БС) и находя-
щейся в соте подвижными станциями (ПС) устанавливается при посредстве не-
направленной или секторной антенны. Типовые секторные антенны излучают и
принимают сигналы в секторе 180,120 или 60°. Большая часть энергии, излучае-
мой антенной базовой станции, тратится впустую, поскольку в данный момент
времени подвижные станции находится в строго определенных местах. Если бы
сигнал, предназначенный конкретной ПС, посылался только в ее направлении, а
угол излучения уточнялся и изменялся в соответствии с перемещением подвиж-
ной станции, то это позволило бы сэкономить много энергии. Экономию энергии
можно выразить через возрастание отношения сигнал/шум при передаче данных
между подвижной и базовой станциями или увеличение зоны радиопокрытия
базовой станции. Сильная направленность антенны также ограничивает эффект
многолучевого распространения, поскольку исключает наиболее длинные пути
прохождения сигнала, получаемые при отражении его от препятствий, располо-
женных на больших углах от нужного направления.
Узкий луч2 ДН может быть создан антенной решеткой (АР), изображенной
на рис. 18.1. В этой системе используется массив из М линейно3 разнесенных ан-
тенных элементов, а также контроллер цифровой обработки сигналов (англ. Di-
gital Signal Processing-DSP-контроллер), работающий в режиме реального вре-
мени. DSP-контроллер управляет формированием пространственных характери-
2 Луч и главный лепесток ДН элемента антенной решетки - синонимы (прим. ред.).
3 С постоянным шагом (прим. ред.).
506
Системы полвижнои ралиосвязи
стик ДН матрицы антенн, включая угол раскрыва и направление главного лепе-
стка. Применяется и другое размещение антенных элементов.
В приемной части антенной системы, изображенной на рис. 18.1, сигналы,
поступающие с каждого из М элементов, подвергаются демодуляции и выделе-
нию синфазных и квадратурных компонентов. Как известно, синфазная и квад-
ратурная составляющие могут быть представлены соответственно в виде дейст-
вительной и мнимой частей комплексного сигнала х, я (z = 1,..., М). Сигналы
х; „ перемножаются на весовые коэффициенты w'rt (.)* обозначает комплексное
сопряжение), а затем суммируются, формируя выходной сигнал уя. Индекс п
обозначает последовательные моменты времени. Выбор соответствующего на-
бора коэффициентов w. я (z = 1,..., М) позволяет сформировать пространствен-
ную характеристику антенной решетки таким образом, чтобы максимизировать
мощность сигнала, принимаемого от данной подвижной станции или минимизи-
ровать помехи от других подвижных станций.
Рис. 18.1. Обобщенная схема приемной части антенной решетки
со структурным блоком управления
Глава 18. Применение технологии интеллектуальных антенн
507
Рис. 18.2. Иллюстрация задержки
сигнала в последовательных
элементах антенного массива
При рассмотрении приема сигнала от достаточно удаленной подвижной
станции можно предположить, что трассы переносящих его радиоволн, поступа-
ющих на М антенных элементов, параллельны (рис. 18.2). Если антенны разме-
щены вдоль одной линии на расстоянии d друг от друга (как правило, равном по-
ловине длины волны X), то можно вычислить, что различие в длинах между пер-
вой и z-й трассами составляет d(i - 1) sin 9, (z = 1,..., М). Тогда, для длины волны л
это различие можно выразить через разность фаз:
х 2л(/-1) . Л
ф,. =——----sin0. (18.1)
Л
Рассмотрим случай, когда весовые коэффициенты их я выравнивают фазо-
вые сдвиги между сигналами, принятыми антенными элементами без изменения
амплитуд сигналов. Шумы, генерируемые приемниками, соединенными с отдель-
ными антенными элементами, можно считать взаимно некоррелированными.
Тогда мощность шума на выходе сумматора возрастает в М раз. Сигналы, полу-
ченные отдельными приемниками, после коррекции фазового сдвига весовыми
коэффициентами, суммируются синфазно. В результате амплитуда сигнала воз-
растает в М раз. Соответственно, мощность сигнала возрастает в М2 раз. Таким
образом, отношение сигнал/шум на выходе сумматора сигналов в М раз выше по
сравнению с выходом одноантенного приемника. В логарифмическом масштабе
полученный коэффициент усиления G выражается следующим образом (в дБ):
G = 101g/W. (18.2)
Использование М= 8 антенных элементов теоретически позволит увеличить
отношение сигнал/шум примерно на 9 дБ. В действительности этот коэффици-
508
Системы подвижной радиосвязи
ент меньше, поскольку весовые коэффициенты w, я используются не только для
коррекции разницы фаз, но, также для снижения уровня ослабления боковых ле-
пестков ДН антенной решетки. Это производится путем изменения модулей зна-
чений коэффициентов.
Рассмотрим другой, несколько идеализированный пример, демонстрирую-
щий роль антенной решетки [9]. Зависимость уровня принимаемого сигнала от
расстояния г до базовой станции может быть определена при помощи модели
распространения Хата [10] (см. параграф 3.5.3). При стандартных условиях рас-
пространения сигнала в системе GSM (диапазон частот несущих, высота антенн
базовой и подвижной станций), формула Хата приводится к виду
L(r) = 100,1 + 33,31gr. (18.3)
где £(г) - затухание сигнала, выраженное в дБ; г - расстояние до базовой стан-
ции, км.
Если в случае одной антенны максимально допустимое затухание наблюда-
ется на расстоянии г, от базовой станции, то при использовании антенной решет-
ки такое же затухание наблюдается на расстоянии г2, где
Цг2)=Дг,) + С. (18.4)
Отсюда следует, что G = 33,3 logr2 h\; это означает увеличение радиуса соты в ко-
личество раз, рассчитанное по формуле
(18.5)
Если для упрощения расчетов предположить, что базовые станции равномерно
распределены по рассматриваемой площади S, то благодаря увеличению радиу-
са соты от г, (площадь одной соты равна .S)) до г2 (площадь такой соты равна 5,)
количество необходимых базовых станций уменьшается в g раз, где g определя-
ется по формуле
S/S2 _S, _г2
s/s}~s2~^
-^ = М
Р
(18.6)
На рис. 18.3 и 18.4 иллюстрируются зависимости расчетных величин от ко-
личества М антенных элементов, вычисленные по формулам (18.5) и (18.6).
На базовых станциях часто применяется пространственное разнесение,
реализуемое установкой двух приемных антенн с обработкой принятого сиг-
нала либо путем оптимального суммирования с использованием весовых ко-
эффициентов, либо путем автовыбора сигнала по максимальному уровню
мощности. Если мы сравним значения коэффициентов, полученных для ан-
тенной решетки, с коэффициентами, обусловленными разнесенным приемом
для раздельных антенн, то обнаружим, что разница величин будет меньше по-
казанной на рис. 18.3 и 18.4.
Глава 18. Применение технологии интеллектуальных антенн
509
Рис. 18.3. Зависимость дальности от количества антенных элементов М
Рис. 18.4. Зависимость количества базовых станиий от значения М
Повышенные требования к сложности и вычислительной мощности прием-
ника, используемого с антенной решеткой, вызваны необходимостью рассчиты-
вать весовые коэффициенты сигналов в каждой ветви приема в реальном време-
ни. В самом простом случае фиксированное количество наборов коэффициентов
вычисляется заранее и хранится в памяти. Затем требуемая ДН антенной решет-
ки синтезируется путем выбора соответствующего набора коэффициентов. Та-
ким образом мы получаем АР с коммутируемым лепестком. Задача усложняет-
ся, если требуется выполнять пространственную селекцию - определять направ-
ление поступления сигнала пользователя и отслеживание перемещений подвиж-
ной станции. Такая антенная решетка называется динамически фазированной АР
[20]. Наконец, если помимо отслеживания перемещений требуемой подвижной
станции определяются направления поступления шумовых сигналов, то антен-
ная решетка пытается максимизировать отношение сигнал/шум, направляя глав-
510
Системы подвижной радиосвязи
ный лепесток к нужной подвижной станции и помещая нули в массив коэффици-
ентов АР в направлении помех. Антенные решетки такого типа называются
адаптивными.
Рассмотрим АР, состоящую из Мизотропных антенных элементов, которые
распределены в пространстве линейно и равномерно. Пусть L - количество вза-
имно некоррелирующих подвижных станций, которые рассматриваются как то-
чечные источники сигнала и находятся на достаточном удалении от базовой
станции. Будем считать опорным первый антенный элемент решетки. Сигнал,
принятый отj-го источника опорным элементом, имеет вид
щ/г)ехр[/2л/0ф (18.7)
Задержка распространенияj-го сигнала к к-му антенному элементу задается
выражением
тДе;) = -(Л-1)ыпем (18.8)
с
тогда сигнал, принятый от/-го источника к-м приемником, описывается формулой
(0ехР[jlnfo (t - тк(6}))]. (18.9)
Следовательно, сумма принятых к-м приемником сигналов от всех источни-
ков, определяется выражением
** (0 = Ylfnj (z)exp[J2nfu (t - тк (6y))]. (18.10)
j=0
Таким образом, после перемножения сигналов со всех приемников на весо-
вые коэффициенты и их суммирования, мы получим выходной сигнал в виде
= nxk(t) (18.11)
или в векторной форме
X0 = w"x(0, (18.12)
где (.)н обозначает операцию транспонирования комплексно сопряженного
вектора.
Как мы уже упоминали, существует возможность расчета весовых коэффи-
циентов несколькими методами. В самом простом случае коэффициенты, ком-
пенсирующие только фазовые сдвиги, рассчитываются по формуле
wk.„ =^ex^~J'2n^k(QK)l’ (18.13)
где индекс К - требуемый сигнал.
511
Глава 18. Применение технологии интеллектуальных антенн
В более сложном - весовые коэффициенты выбираются таким образом, что-
бы поместить нули в массив коэффициентов антенной решетки для тех направ-
лений, откуда приходят ненужные сигналы. Для того чтобы рассмотреть такой
случай, введем так называемый вектор поворота а Он задается формулой
a j = а 1 (6,) = [ехрОгл/сТ, (0,)),..., ехр(у 2л/0т и (©,))]' (18.14)
и определяется фазовыми сдвигами, созданными в антенных элементах J-м сиг-
налом. Пусть 0 0 - угол прихода требуемого сигнала, а 0,,..., 0, - углы поступле-
ния помех. Вектор весовых коэффициентов, который устанавливает нули ДН в
направлениях, задаваемых углами 0,,..., 0 L, и выделяет требуемый сигнал, при-
ходящий под углом 0О, определяется из системы уравнений
w„a0=i, (18.15)
w"a7=0, j = l,...,L-l.
Та же система уравнений может быть записана в более элегантной матрич-
ной форме как
w''A=er, (18.16)
где А - матрица, столбцы которой представляют собой векторы поворота,
А —[я0, Я],..., а£ |], (18
е = [1, 0,..., 0]г.
Умножая правую часть уравнения (18.16) на А ", получим
w" =егА"(АА"Г'. (18.18)
Из (18.18) следует, что расчет весовых коэффициентов требует знания точ-
ных значений углов 0Р..., 0, поступления сигналов от всех источников помех.
Отметим, что в выражении (18.18) не учитывается шум. Вместо этого можно
сформулировать задачу оптимизации весовых коэффициентов при условии
w"a0 = 1, в следующем виде:
minP(w) = minE[|X^)|2] = min w^Efxx"] w = min w/zRxw, (18.19)
где P(w) - средняя мощность на выходе сумматора; Е[.] - математическое ожи-
дание; R, =E[xxz/ ] - матрица корреляции входных сигналов.
Формула (18.19) показывает, что мы минимизируем среднюю мощность шу-
ма и помеховых сигналов при постоянной мощности требуемого сигнала. Реше-
ние этой оптимизационной задачи в указанных предположениях дает следующее
выражение для оптимальных весовых коэффициентов:
W —----±-и—
opt я^Р’я *
а0 а0
(18.20)
512
Системы подвижной радиосвязи
Расчет весовых коэффициентов по формуле (18.20) требует знания матрицы
корреляции сигналов, принятых всеми антенными элементами.
Намного более простой для реализации метод заключается в итерационном
нахождении весовых коэффициентов для минимизации среднеквадратичной
ошибки. В этом случае используется эталонный сигнал dn, а минимизируемая
функция задается выражением
EWS£=£[|eJ2]=£[|^-W»XM|2]=£[|4Z„|2] + w//RxW-2w//p.
(18.21)
где р = £ [t/* х п ] - вектор взаимной корреляции эталонного сигнала и вектора сиг-
налов антенных элементов. Минимум выражения (18.21), равный
wMS£=R;‘P (18.22)
может быть найден итерационно при помощи известного алгоритма минимиза-
ции среднеквадратичной ошибки LMS (англ, least mean squares)
w„+i = w„ +ae>„, где e„ -w"x„- (18.23)
Вектор весовых коэффициентов w n+, в (n + 1)-й момент получается из векто-
ра w„ в n-й момент прибавлением к нему корректирующих членов, зависящих от
текущей ошибки е„, сигналов х„ на выходе каждой антенной ветви и малой кон-
станты а, которая называется длиной шага алгоритма. Значение а существенно
влияет на сходимость алгоритма (18.23) и итоговую величину среднеквадратич-
ной ошибки. На рис. 18.5 изображена диаграмма направленности антенной ре-
шетки, состоящей из восьми элементов, с коэффициентами, полученными при
помощи (18.23) после 10000 итераций. Углы прихода трех помеховых сигналов
Рис. 18.5. Аве формы представления диаграммы направленности восьми-
элементной антенной решетки, полученной с использованием алгоритма LMS
Глава 18. Применение технологии интеллектуальных антенн
513
равны -45°, 20° и 60°. Предполагается, что полезный сигнал поступает на АР под
углом 0°, а отношение сигнал/шум составляет 10 дБ.
До сих пор мы рассматривали антенные решетки, работающие на прием, и
рассчитывали весовые коэффициенты для направления «вверх». Для направле-
ния «вниз» и при использовании антенной решетки на передачу, ситуация суще-
ственно усложняется. Базовая станция должна сформировать лепесток ДН в
нужном направлении, чтобы подвижная станция могла выделить полезный сиг-
нал среди помех.
Предположим, что за время передачи одного кадра свойства канала изменя-
ются незначительно. Тогда, если дуплексная передача с разделением по времени
(TDD) между подвижной и базовой станцией происходит на одной и той же несу-
щей частоте, то, для передачи в нисходящем направлении могут быть использо-
ваны весовые коэффициенты, вычисленные для передачи в восходящем направ-
лении, т.е. можно применить правило обратимости канала. Применение же
метода FDD означает, что в восходящей и нисходящей линиях связи использу-
ются разные несущие. В этом случае правило обратимости канала неприменимо.
К счастью, остается в силе предположение об обратимости направления. Это
означает, что антенная решетка передатчика должна сформировать лепесток
ДН в том же направлении, с которого сигнал пришел по восходящей линии связи
[20]. Таким образом, для определения направления необходимо оценить углы
поступления сигнала с подвижных станций в соте. Эта оценка также может быть
полезной при выполнении процедуры хэндовера и при определении концентра-
ции подвижных станций в соте.
Алгоритмы определения направления прихода сигнала в антенную систему
могут послужить темой для отдельного раздела, которая рассматривается в
работе [21]. Здесь же будут описаны только наиболее важные методы без особых
подробностей.
Самый простой метод заключается в вычислении спектра принятого сигна-
ла как функции угла его поступления 0. При этом вычисляются локальные мак-
симумы оцениваемого спектра. Их аргументы представляют собой угловые ко-
ординаты источников сигналов. Учитывая, что зависимость принятой мощности
Р от вектора весовых коэффициентов w можно оценить по формуле
/’(w)-T7Xln|2 = —У w//x,.x'/w = w"Rrw (18.24)
и принимая вектор весовых коэффициентов равным w(0) = а(0)//И, получаем
выражение для мощности, принятой с направления 0:
П0)-^а//(е)6л(е)
М2 ’ (18.25)
где а(0) = [1, е><₽,..„ ф = ^4^1П0.
с
514
Системы подвижной радиосвязи
Недостаток этого метода заключается в низком разрешении, поскольку в ко-
нечную мощность вносит вклад не только главный лепесток, усиливаемый весо-
выми коэффициентами, но и боковые лепестки ДН антенной решетки.
Существуют другие методы определения направления поступления сигна-
ла. Наиболее важные среди них - это MUSIC [22] и ESPRIT [23].
В базовой версии алгоритма MUSIC в первую очередь оценивается матрица
корреляции R, сигналов, принятых М антенными элементами. Если ожидается
поступление сигналов из L различных источников, то на следующем этапе нахо-
дится М-L наименьших собственных значений матрицы Rx. Затем из этих соб-
ственных значений строится матрица собственных векторов U размером М на
М-L. Наконец, определяются максимумы следующего спектра, которые пока-
зывают углы прибытия сигналов из всех источников.
^(6) = ./ |2- (18.26)
|a"(6)U|
Описание алгоритма ESPRIT требует слишком большого количества мате-
матических выкладок, поэтому здесь оно не приводится. Оба алгоритма вызва-
ли большой интерес к себе, и в настоящее время существует множество их мо-
дификаций.
18.3 ЭТАПЫ ВНЕДРЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ АНТЕНН
Процесс внедрения технологии интеллектуальных антенн состоит из трех
этапов [9].
На первом этапе интеллектуальные антенны применяются только для ни-
сходящего направления. Благодаря их использованию дальность действия базо-
вых станций увеличивается. Это эквивалентно возможному уменьшению мощ-
ности, излучаемой подвижными станциями. Последнее особенно выгодно с
точки зрения охраны здоровья. Другое преимущество, рассмотренное ранее в
данном разделе, - уменьшение количества базовых станций, необходимого для
покрытия заданного района. Оно особенно привлекательно для систем DCS
1800, PCS 1900 и других систем с меньшими сотами, чем в стандартной сотовой
телефонии, и позволяет снизить стоимость развертывания и эксплуатации систе-
мы в районах с низкой плотностью трафика.
На втором этапе интеллектуальные антенны применяются на базовых стан-
циях для работы как в нисходящем, так и в восходящем направлениях. Основная
задача этого этапа внедрения - снижение уровня помех за счет формирования ле-
пестка ДН, передачи сигнала только в направлении базовой станции, а также от-
слеживания ее местоположения. Эту технологию часто называют пространст-
венной фильтрацией для снижения уровня помех (англ. Space Filtering for Interfe-
Глава 18. Применение технологии интеллектуальных антенн
515
Рис. 18.6. Работа системы сотовой
связи, используюшей адаптивные
антенны для отслеживания местопо-
ложения подвижных станций
rence Reduction - SFIR). Она позволяет снизить мощность, излучаемую базовой
станцией. Уменьшение уровня внутриканальных помех позволяет сократ ить раз-
мер сотового кластера. Это, в свою очередь, оказывает влияние на емкость систе-
мы, поскольку позволяет повысить коэффициент повторного использования час-
тоты. На рис. 18.6 графически иллюстрируется применение адаптивных антенн
в работе системы сотовой связи.
Наконец, на третьем этапе к известным технологиям множественного до-
ступа FDMA, TDMA и CDMA добавляется многостанционный доступ с про-
странственным разделением каналов (англ. Space Division Multiple Access -
SDMA). Формирование лепестка ДН, отслеживание местоположения подвиж-
ных станций и снижение уровня внутриканальных помех позволяет нескольким
подвижным станциям использовать один и тот же канал внутри одной соты, если
их разделяет достаточное угловое расстояние. Это существенно увеличивает ем-
кость и гибкость системы.
18.4. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ
АНТЕНН НА ЕМКОСТЬ СИСТЕМ СОТОВОЙ СВЯЗИ
Основная причина высокого интереса к внедрению технологии интеллекту-
альных антенн в системах подвижной связи заключается в ожидаемом увеличе-
нии емкости систем, измеряемой в интенсивности обслуживаемого трафика на
единицу площади. Благодаря внедрению этой технологии появляется более точ-
ная мера увеличения емкости - спекгральная эффективность Т)д, характеризую-
щая величину трафика, приходящегося на единицу площади и на 1 Гц. Значение
этого параметра (в Эрл/м2/Гц) рассчитывается по формуле
NCGC
WsysS ’
(18.27)
516
Системы полвижнои ралиосвязи
где Nс - количество каналов в соте; Gc - предполагаемая загрузка соты трафи-
ком4; S - площадь соты; - ширина частотного диапазона, используемого со-
товой системой.
Величины ожидаемых приростов емкости системы при использовании ин-
теллектуальных антенн зависят от способов их применения и допущений, сде-
ланных при анализе системы. Сложная природа явления и взаимосвязь многих
параметров вызывают необходимость строить подробные имитационные моде-
ли для определения преимуществ, которые приносят интеллектуальные антен-
ны, вводя некоторые допустимые упрощения. Эти упрощения относятся к распо-
ложению подвижных станций в соте, характеру перемещения подвижных стан-
ций и влиянию подвижных и базовых станций из других сот.
В предыдущем параграфе были описаны три этапа внедрения технологии
интеллектуальных антенн в системы сотовой связи. Приводимая ниже оценка
преимуществ использования этой технологии связана со вторым и третьим эта-
пами. В статье [13] увеличение спектральной эффективности системы с техноло-
гией SIFR по сравнению с обычной системой определяется равным 4~М. В сис-
теме, использующей технологию SDMA, это преимущество полагается равным
4КМ, где К не превышает 3 при М= 8 антенных элементов. В статье [14] приве-
ден отчет о результатах моделирования, в котором учитывался хэндовер. Пред-
полагалось, что отношение сигнал/внутриканальная помеха уменьшается до
уровня, не превышающего порог 9 + 6 = 15 дБ для системы GSM. Величина 9 дБ
соответствует установленному в стандарте GSM отношению сигнал/внутрика-
нальная помеха, необходимому для надежной работы системы. Дополнительные
6 дБ обусловлены эффектом затенения5. Учитывались реальные диаграммы на-
правленности антенн. В табл. 18.1 приведены подробные результаты моделиро-
вания, взятые из работы [14]. В исследовании использовалась модель распро-
странения сигнала, при которой излучаемая мощность уменьшается пропорцио-
нально четвертой степени расстояния до базовой станции. Заметим, что размер
сотового кластера составляет N = 3 или N= 1, что указывает на возможность ис-
пользования всего набора несущих в каждой соте. Сравните эти величины со
стандартными N= 4 в случае 120°-секторных антенн в системе GSM или с N= 7 и
А= 12 в аналоговых системах. Обратите внимание на существенное повышение
спектральной эффективности, особенно в случае применения технологии
SDMA. Некоторые потери наблюдаются, когда регулировка мощности излуче-
ния подвижной станции неидеальна.
Цена, которую потребуется заплатить за увеличение емкости, - это не только
усложнение антенного комплекса и радиочастотной части приемопередатчика,
но и введение дополнительного блока цифровой обработки сигналов, управляю-
4 Суммарный объем трафика, приходящего на соту в течение заданного периода времени
(прим. ред.).
5 Другими словами, запас на медленные замирания (прим. ред).
Глава 18. Применение технологии интеллектуальных антенн
517
Таблица 18.1. Повышение спектральной эффективности т|, благодаря
применению технологии интеллектуальных антенн по сравнению
с системами, используюшими ненаправленные или секторные антенны
Секторные антенны Системы с ненаправленными антеннами Системы с секторными антеннами
2,3 1
SFIR A=3 2,3 1
SFIR N= 1 7 3
SDMA A=3 4.8 2,8
SDMA N = 1 9,8 5,4
Примечание. N- размер сотового кластера
щсго диаграммой направленности антенной решетки. Из-за большого числа М
принятых сигналов становятся намного сложнее и блоки предварительной обра-
ботки приемника, особенно если в каждой ветви используется детектирование
по принципу максимального правдоподобия [15]. В системах, использующих
метод SDMA, также усложняется и порядок выделения каналов, поскольку алго-
ритм выделения каналов должен дополнительно учитывать угловое расстояние
между подвижными станциями [16]. Увеличивается частота передач соединений
внутри соты (внутрисотовый хэндовер).
В целом технология SDMA может рассматриваться как значительный вклад
в спектр методов многостанционного доступа - FDMA, TDMA и CDMA. Это
подтверждается полевыми измерениями, результаты которых опубликованы в
работах [17]-[19].
ЛИТЕРАТУРА
1. Н. Andersson, M.Landing, A.Rydberg, T.Oberg, «An Adaptive Antenna for the NMT
900 Mobile Telephony System», Proc, of IEEE Vehicular Technology Conference, 1994.
2. U.Forssen, J.Karlsson, B.Johannisson, M.Almgren, F.Lotse, F.Kronestedt, «Adapti-
ve Antenna Arrays for GSM900/DCS1800», Proc, of IEEE Vehicular Technology
Conference, 1994.
3. M.Tangemann, U.Bigalk, C.Hoeck, M.Hother, «Sensivity Enhancements of GSM/
DCS 1800 with Smart Antennas», Proc, of the Second European Personal Mobile
Communications Conference, 1997.
4. J.Winters, «Signal Acquisition and Tracking with Adaptive Arrays in the Digital
Mobile Radio System IS-54 with Flat Fading», IEEE Trans, on Vehicular Technology,
Vol. 42, №4,1993.
5. K.J.Molnar, G.E.Bottomley, «D-AMPS Performance in PCS Bands with Array Pro-
cessing», Proc, of IEEE Vehicular Technology Conference, 1996.
518
Системы подвижной радиосвязи
6. G.Tsoulos, М.Beach, S.C.Swales, «Adaptive Antennas for Third Generation DS-
CDMA Cellular Systems», Proc, of IEEE Vehicular Technology Conference, 1995.
7. J.Litva, T.K.-Y.Lo, Digital Beamforming in Wireless Communications, Artech
House, Boston, 1996.
8. S.R. Saunders, Antennas and Propagation for Wireless Communication Systems,
J. Wiley & Sons, Ltd., Chichester, 1999.
9. M.Tangemann, «Smart Antenna Technology for GSM/DCS1800», Proc, of the Second
Workshop on Personal Wireless Communications (PWC), Frankfurt, Dec. 10-11. 1996.
10. M.Hata, «Empirical Formula for Propagation Loss in Land Mobile Radio Servi-
ces», IEEE Trans, on Vehicular Technology, Vol. 29, August 1980.
11. H.Krim, M.Viberg, «Two Decades of Array Signal Processing Research». IEEE
Signal Processing Magazine, July 1996.
12. M.Haardt, J.A.Nossek, «Unitary ESPRIT: How to Obtain Increased Estimation
Accuracy with a Reduced Computational Burden», IEEE Trans, on Signal Processing,
Vol. 43, May 1995.
13. M.Tangemann, C.Hoek, R.Rheinschmitt, «Introducing Adaptive Array Antenna
Concepts in Mobile Communications Systems», Proc, of RACE Mobile Telecom-
munications Workshop, Amsterdam, Vol. 2, May 17-19, 1994.
14. J.Fuhl, A.Kuchar, E.Bonek, «Capacity Increase in Cellular PCS by Smart An-
tennas», Proc, of IEEE Vehicular Technology Conference, 1997.
15. G.E.Bottomley, KJamal, «Adaptive Arrays and MLSE Equalization», Proc, of
IEEE Vehicular Technology Conference, 1995.
16. N.Gerlich, M.Tangemann, «Towards a Channel Allocation Scheme for SDMA-
based Mobile Communication Systems», ITG Fachbericht Nel35, Mobile Kom-
munikation, 26-28 Sept. 1995, Neu-Ulm, Germany.
17. P.Mogensen, K.Pedersen, P.Leth-Espensen, B.Fleury, F.Frederiksen, K.Olesen,
S.Larsen, «Preliminary Measurement Results from an Adaptive Antenna Array Test-
bed for GSM/UMTS», Proc, of IEEE Vehicular Technology' Conference, 1997.
18. S.Anderson, U.Forssen, J.Karlsson, «Encsson/Mannesmann GSM field-trials wit-
hadaptive antennas», Proc. of IEEE Vehicular Technology Conference, 1997.
19. P.Chevalier, F.Pipon, J.-J.Monot, C.Demeure, «Smart Antennas for the GSM Sys-
tem: Experimental Results for a Mobile Reception», Proc, of IEEE Vehicular Techno-
logy Conference, 1997.
20. P.H.Lehne, M.Pettersen, «An Overview of Smart Antenna Technology for Mobile
Communication Systems», IEEE Communication Surveys and Tutorials,
http://www.comsoc.org/publications/surveys/, Vol. 2, №4, Fourth Quarter 1999.
21. L.C.Godara, «Application of Antenna Arrays to Mobile Communications, Part II:
Beam-Forming and Direction-of-Arrival Considerations», Proceedings of IEEE,
Vol. 85, №8, August 1997, pp. 1195-1247.
22. R.O.Schmidt, «Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation»,
IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. AP-34, 1986, pp. 276-280.
23. R.Roy, T.Kailath, «ESPRIT-Estimation of Signal Parameters via Rotational Inva-
riance Technique», IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal Processing, Vol. ABBP 37,
1989, pp. 984-995.
АНГЛИЙСКИЕ АББРЕВИАТУРЫ И СОКРАЩЕНИЯ
АСК........................................... 39,81,292,454
«ad hoc»............................................ .421, 430
Air Loop............................................... 388
AMPS......................................... 97,201,319.408
ARQ..................................39, 78, 140, 261, 292, 397, 485
Bluetooth............................ . . . . ... 448
cdma2000............................................. 458, 488
cdmaOne..........................................170,319,489
CSPDN.................................................. .259
CTi......................................................360
DCS-1800 ........................................... 128,235
DECT.....................................79, 96, 360, 365, 390, 457
EDACS................................................ . 344
EDGE.....................................................287
ERMES.............................................. ... 94, 149
FLEX.................................................... 156
GLOBALSTAR...............................................404
GPS................................................. 156,326
GSM..................................55, 98,162, 207, 240, 258, 408
HIPERACCESS..............................................424
HIPERLAN/1...................................... . .424
HIPERLAN/2............................................. 442
HIPERLINK.............................................. .424
HSCSD.................................................. .273
ICO.................................. . .409
IEEE802.il.............................................. 430
IMT-2000 ................................. . . .... 488
INMARSAT................................................ 430
Iridium................................................. 400
IS-94/136 ................................................ 98
520
Системы подвижной радиосвязи
IS-95 ............... .... .79,98,170,199.319,488
ISM ...... . . . 101,430,448
LOS . . . 132
MBS................................................... .146
MPT 1327 . .... .... 340
MSC.............. . 204,208,334,409,464
МТХ..................... . . . . ... 188
NACCH .... . . .498
NAK.................................. .... .40, 140,454
NLOS.................................. . .132
NMT..................................................97,186
OLOS................................. .... . . 132
OSI..................................... . . 83,430
PACS................................................. 374
PCS-1900 .............................................. 128
PDC................................................. . .98
PDO.............................. ... . 346
PCN.............................. ... . 236
PHS.............. .... 378
PMR................................................ 338
POCSAG................. . . ......... 147
QoS.......................................... .... 283
RAKE....................................................138, 140,305,326
ReFLEX................................................. 158
SFIR............................................ . . 514
SIM................................... ... . .234
Skybridge................................... ... . . 413
Software Radio.................................... ... 497
TACS.................................................... 97
Teledesic............................................ 412
TETRA.................................................. 346
TSC......................................................340
UMTS.................................................. 79, 458
UTRA............................................. . . 458
UTRAN...................................................459
V+D................................................... .346
WCDMA .......................................... . .458
WLL.....................................................383
предметный указатель
А
Абсолютный номер радиочастотного канала (ARFN). .... 226
Адаптивная антенная решетка........ 510
Аддитивный белый гауссовский шум.............................. 51
Алгоритм Витерби....................... ................... 44, 325
Алгоритм Фано................................................. .45
Антенная решетка...................................... . . 505
Абонентский радиоблок (АРБ)........ .................... 361, 365
Аутентификация........ ........................ 232, 333, 463
Б
Базовая зона обслуживания (BSS).............................. 421
Беспроводная структурированная сеть........ .................. 421
Беспроводная УПАТС (WPABX)................................... 366
Беспроводная локальная вычислительная сеть (WLAN)..........100,419
Бесшнуровой телефон. ... .................... ... .95
Блок пакетных данных (PDU).....................................291
Блочный код.................................................... 33
Блочный перемежитель........................................... 47
В
Векторное квантование.................................. . .22
Вероятность блокировки.........................................172
Визитный регистр местоположения (VLR)................. 208, 224, 278
Временный идентификатор мобильного абонента (TMSI)......... 209, 225
Высоты орбит спутниковых систем связи:
геостационарная околоземная орбита (GEO)...................398
низкая околоземная орбита (LEO)................. . 397
промежуточная круговая орбита (ICO)....................... 398
средневысотная околоземная орбита (МЕО)....................398
522
Системы подвижной радиосвязи
Г
Гиперкадр ................................... ... .216,350
Глубина перемежения.............................. . . . 47
Д
Двухсимплексный режим . ......... . . 340
Декодер:
блочного кода........... ......... 38
внешнего кода....... ................ .... 49
внутреннего кода....... ......... 49
канальный........................................... .... 13
турбо-кода............................................... 49
Декодирование:
алгебраическое............................................ . 45
с жестким решением..................................... . 29
с мягким решением...........................................29
Детектирование активности речи (VAD)........................ 243
Домашний (опорный) регистр местоположения (HLR) . . . 209, 408
Дуплексная передача с временным разделением (TDD) .............79
Дуплексная передача с частотным разделением (FDD)......79, 212, 319
3
Замирания:
быстрые.................................................. 112
гладкие.................................................. 136
медленные.................................................111
Защитный интервал..............................................64
И
Идентификатор области местоположения..........................224
Изотропная антенна............................................103
Импульсный отклик кодера.......................................32
Интеллектуальные антенны......................................504
Интенсивность нагрузки.................................... .173
Инфракрасный интерфейс....................................... 430
Источник сообщений.............................................12
К
Канальное оборудование................................. .... 198
Качество обслуживания (QoS)................................ 283
Кластер сотовый............................................. 164
Когерентный прием......................................... . . .59
Кодер:
внешнего кода..............................................49
Предметный указатель
523
внутреннего кода............................................ 49
источника........................................ . . 12
канальный................................................. 13
Кодирование:
с линейным предсказанием (LPC)............................... .22
с линейным предсказанием и алгебраическим
кодовым возбуждением (ACELP)..................... ... 325
с линейным предсказанием и возбуждением
векторной суммой (VSELP).....................................25
с линейным предсказанием и кодовым возбуждением (CELP) . 25
каскадное.................................................. .48
речи, адаптивное многоскоростное кодирование (AMR) . . 463
Кодовая книга................................................. 25
Коды:
БЧХ.............................................. . 35
блочные..................... ............... 32,33
двоичные........................................... . . 32
исправления ошибок.... . . .32
недвоичные............................................... .32
обнаружения ошибок......................................... 32
полиномиальные............................................. .34
рекурсивные систематические......................... . . 49
сверточные..............................................32,42
совместимые по скорости перфорированные сверточные (RCPC). . 44
Файра............................................ ... 244
циклические коды............................................ 35
циклические избыточные .... ... 37
Коллизия....................................................... .80
Комбайнер.......................................................198
Компрессор......................................................201
Конвенциональная система....................... ... ........338
Контроллер зоны обслуживания вызовов............................ 152
Концепция:
микросотовых зон....................................... . ... 178
программируемой подвижной связи
(Mobile Software Telecommunications)................ . 498
универсальной персональной связи (UPT)...... 393
Коэффициент:
использования апертуры............................... . . 106
кодирования................................................ .43
усиления антенны........................................... 104
направленного действия антенны . . . . 104
ослабления внутриканальных помех............................166
524
Системы подвижной радиосвязи
Л
Логический канал .... .... . 213
М
Макросота................. ........................... 396,489
Мегасота..................................................... 489
Международный идентификационный номер
мобильного абонента (IMSI)....... ......... 225. 407
Межканальные помехи . . . . ......... 179,325
Межсимвольная интерференция................................. 63
Метод распределения каналов:
гибкого р.к.......................................... . . 183
гибридного р.к.................... . .....................183
динамического р.к. (DCA).......................... 183, 370
заимствования с упорядочиванием................ . 183
простого заимствования................................... 183
квазистатическое автономное распределение частот (QSAFA) . . 377
фиксированного р.к......................... . .... 182
Метод трассирования лучей............................. .... 163
Микросота............................................. 396, 489
Много станционный доступ:
ALOHA:
синхронная......................................... ... .80
синхронная с динамической длиной кадра.....................341
«чистая» ALOHA........................................... .80
асинхронный с временным разделением каналов (ATDM А) . . 413
с временным разделением каналов (TDMA) . . . .........14,98
с кодовым разделением каналов (CDMA)............... 14, 98, 388
с контролем несущей (CSMA).............................81,427
с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD) .... 422
с пространственным разделением (SDMA).................... .78
с предоставлением каналов по требованию (DAMA) . . . 386
с предотвращением коллизий (МАСА) ... .... . 423
с частотным разделением каналов (FDMA)..................14, 160
многочастотный с временным разделением (MF-TDMA) . 413
Модель распространения радиоволн:
СО8Т231-Уолфиш-Икегами................................... 129
СО8Т231-Хата............................................. 129
Ли....................................................... 122
Окамуры.................................................. 124
Хата..................................................... 127
Модель взаимодействия открытых систем (OSI) ... 82
Модель канала подвижной связи.............................112,115
Предметный указатель
525
Модулятор................................................ ... 13
Модуляция:
адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая
модуляция (ADPCM). . ........... .... 19
гауссовская манипуляция с минимальным частотным
сдвигом (GMSK)....................................... . . 55
дельта-модуляция. ... ...... ..................... 20
двоичная фазовая манипуляция (BPSK) . 56
двухчастотная манипуляция (BFSK). .... 363
дифференциальная квадратичная фазовая манипуляция (DQPSK). 60
дифференциальная импульсно-кодовая (DPCM). 13
импульсно-кодовая (РСМ)......... ... 12
импульсно-позиционная (PPM).............................. 436
квадратурная амплитудная (QAM)..................... ... 56
квадратурная фазовая манипуляция (QPSK)....... . . .58
манипуляция с минимальным частотным сдвигом (MSK) . . .54
многочастотная (МС)....... ........... . 63
частотная манипуляция (FSK).................................53
Мультикадр............................................ 215, 220, 350
Н
Наземная сеть радиодоступа UMTS (UTRAN)....................... 459
Некогерентный прием.............................................58
О
Обнаружение ошибок....................................... . . 39
Общеканальная система сигнализации ОКС-7 (SS7)................. 90
П
Пейджер.................................................. . . 145
Перемежение.................................................28,46
Пикосеть (piconet)........................................... 450
Пикосота.................................................. 396, 489
Плоскость:
передачи.................................................. 286
пользователя.............................................. 466
управления............................................ .... 466
Помеховое влияние сот......................................... 166
Последовательности:
«-последовательности.......................................297
Голда......................................................301
Касами................................................... 301
Уолша.................................................... 302
псевдослучайные (ПСП).................................. 69, 296
526
Системы полвижнои ралиосвязи
Приемник сообщений............................................ .12
Проблема «ближний-дальний». ... .179,315
Проблема скрытой станции........ ... . 422
Пропускная способность канала . .... .69
Пространственная фильтрация................................... 514
Протокол:
LAP-B..................... . 87
LAP-D................................ ... 89
Х.25...................................................... .86
радиоканала........ . . 261
сетевой службы .... .... . . 287
пакетных данных........................... . . . 279
туннелирования GPRS (GTP). . . ............ 279,287
Р
Радиозатенение.................. ............... . 121
Разнесение:
временное................................................. 140
многолучевое ............................................ .140
на приеме.............................................. ... 138
поляризационное........................ . . . . 138, 140
при передаче.............................................. 138
пространственное .... ........................ 138,507
частотное разнесение.................... .... 140
Рассредоточенная сеть (scatternet) . . . ........ 450
Расстояние Хемминга........................................... 30
Расстояние Фраунгофера....................................... .107
Расширение спектра:
методом прямой последовательности (DS-SS)........... 69, 433
с перестройкой во времени (TH-SS)......................... .74
расширяющими кодовыми последовательностями.................296
скачкообразным изменением частоты (FH-SS).............. 73, 435
Решетчатая диаграмма состояний................................ .43
С
Сверточный кодер............................................. . . 42
Сети связи:
телефонная общего пользования
с коммутацией каналов (PSTN, ТфОП)............ 188, 210, 259, 385, 459
передачи данных общего пользования
с коммутацией каналов (CSPDN)............................. 259
передачи данных общего пользования
с коммутацией пакетов (PSPDN)..............................259
цифровая с интеграцией услуг (ISDN, ЦСИС)....... 89, 210, 385, 459
Предметный указатель
527
Система Telepoint. . ... 362
Система персональной связи (PACS). ..........374
Служба коротких сообщений (SMS) 158, 260, 270, 371,492
Совместное детектирование. . . ... 309
Специализированный стандарт пакетной передачи данных (PDO) 346
Стандарт Bluetooth.... 448
Суперкадр. . ... 216
Т
Телефонная коммутируемая сеть
общего пользования (ТфОП, англ. PSTN) . . 188, 210, 259, 385, 459
Транкинговая система . . .96,338
Транковая эффективность . . ... . 171
Турбо-кодер................. .... .... .49
Турбо-кодирование........................ ... 49
У
Узел поддержки GPRS........................................... 278
Универсальная персональная связь (UPT)........................ 393
Универсальная система подвижной связи (UMTS) ... 461
Управление мощностью.................... . ... 97
Упреждающая коррекция ошибок (FEC). . . . . 27
Уровень:
обслуживания (GoS)......................... ... 173
пакетный................................................... 87
представления, OSI........................................ .85
прикладной, OSI........................................... .85
радиосети, UMTS . . ... 466
сеансовый, OSI...... ............. . . 85
сетевой, OSI............................................. 84
транспортной сети, UMTS................................... 466
транспортный, OSI......................................... 84
управления звеном данных, OSI........................... 84, 446
физический, OSI................................... 84,428, 432, 444
Ф
Физический канал........................... . . 212, 261,279, 351, 472
Фильтр:
долговременного предсказания (LTP).................. . 25
защиты от перекрытия спектров.............. . . 16
кратковременного предсказания (STP)............... . . 25
Формат Multiplex.............................................. 363
Формула Эрланга................................................173
528
Системы подвижной радиосвязи
X
Хэндовер: ......... . . . 97, 162,229
внутрисотовый ..... 229
жесткий.................................. . . . 296
между режимами.................... . . ........ 481
межсистемный.......................................... 481
межсотовый.............................................. 230
межчастотный............................. ... ... 481
мягкий............................ . 315,481
сверхмягкий............................................ .481
И
Центр аутентификации (AUC).................................. 209
Центр коммутации подвижной связи (ЦКПС) ... . . .... 208
Центр коммутации транзитный..................................210
Центр эксплуатации и технического обслуживания (ОМС) . .... 211,232
Ч
Час наибольшей нагрузки..................................... 173
Частота дискретизации...................................... 12
Чип.......................................................... 69
Э
Эквивалентная изотропно излучаемая мощность................ .105
Эквивалентная излучаемая мощность...................... . 105
Энергетическая эффективность............................... 104
Эффект «ближний-дальний»..................... ... . .. 179, 315
Эффективная высота антенны.................................. 122
Эффективная площадь антенны..................................105
Эффективность кодирования.....................................31
ЛИТЕРАТУРА К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ
1. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. - М.: Эко-
Трендз, 1998. - 242 с.
2. Денисьева О.М., Мирошников Д.Г. Средства связи для последней мили. -
М.: Эко-Трендз, 1998. - 146 с.
3. Пономарев Г.А., Тельпуховский ЕД., Куликов А.Н. Распространение УКВ
в городе. - Томск: «Радио и Связь», МП Раско. - 1991.
4. Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спект-
ра / Под ред. В.И.Журавлева (перевод с англ.). - М.: Радио и связь, 2000. - 520 с.
5. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. -
Изд. 2-е, испр. (перевод, с англ.). - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. -1104 с.
6. Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники / Под ред.
Б.Х.Кривицкого, В.Н.Дулина. В 2-х томах. Том 1. - М.: «Энергия», 1977. - 504 с.
7. Х.Мейнке, Ф.Гундлах. Радиотехнический справочник. Том 1 (перевод с нем.). -
М.: Госэнергоиздат, 1960. - 416 с.
8. М.М.Маковеева, Ю.С.Шинаков. Системы связи с подвижными объектами. -
М.: Радио и связь, 2002. - 440 с.
9. Связь с подвижными объектами в диапазоне СВЧ / Под ред. УК.Джейкса. -
М.: Связь, 1979.
10. Ли У.К. Техника подвижных систем связи. - М.: Радио и связь, 1985.
11. Ратынский М.В. Основы сотовой связи / Под ред. Д.Б.Зимина. - Изд. 2-е,
перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 2000.
12. Ратынский М.В. Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках. - М.:
Радио и связь, 2003.
13. Невдяев Л.М. Телекоммуникационные технологии. Англо-русский толко-
вый словарь-справочник. - М.: МЦНТИ, 2002.
14. РД 45.145-2000. Руководящий документ отрасли. Нормы на показатели оши-
бок цифровых каналов со скоростью передачи 64 кбит/с для местной сети, вклю-
чая абонентские линии (сеть доступа).
15. РД 45.164-2000. Оборудование радиотехнологии DECT, применяемое на
ТФОП. Общие технические требования.
530
Системы подвижной радиосвязи
16. РД 45.165-2000. Оборудование систем абонентского радиодоступа (типа po-
int-to-multipoint) с временным разделением каналов (TDMA), работающее в диа-
пазоне частот 3-11 ГГц. Общие технические требования.
17. РД 45.167-2000. Руководящий документ отрасли. Оборудование систем або-
нентского радиодоступа (типа point-to-multipoint) с кодовым разделением кана-
лов на основе скачков частоты (FH-CDMA), работающее в диапазоне 1-3 ГГц.
Общие технические требования.
18. РД 45.171-2000. Руководящий документ отрасли. Оборудование систем або-
нентского радиодоступа (типа point-to-multipoint) с кодовым разделением кана-
лов на основе скачков частоты (FH-CDMA), работающее в диапазоне 3-11 ГГц.
Общие технические требования.
19. РД 45.041-2001. Руководящий документ отрасли. Нормы на электрические
параметры цифровых каналов и трактов спутниковых систем передачи, органи-
зованных с использованием аппаратуры повышения канальной емкости.
20. РД 45.143-2001. Руководящий документ отрасли. Аппаратура связи, реализу-
ющая функции узла служб интеллектуальной сети связи. Общие технические
требования.
21. РД 45.176-2001. Руководящий документ отрасли. Аппаратура связи, реализу-
ющая функции коммутации кадров в локальной сети на уровне звена данных.
Технические требования.
22. РД 45.177-2001. Руководящий документ отрасли. Оборудование систем або-
нентского радиодоступа диапазона 800 МГц с кодовым разделением каналов
(CDMA) протокола IS-95. Общие технические требования.
23. РД 45.187-2001. Руководящий документ отрасли. Абонентские радиостанции
систем сотовой подвижной связи стандарта GSM 900/1800. Общие технические
требования.
24. РД 45.201-2001. Руководящий документ отрасли. Шлюзы протокола беспро-
водных приложений (WAP) для систем подвижной радиосвязи. Общие техниче-
ские требования.
25. РД 45.211-2001. Руководящий документ отрасли. Инструкция по проведению
аварийно-восстановительных работ на кабелях междугородных линий передачи.
26. РД 45.226-2001. Оборудование транкинговых систем подвижной радиосвязи
стандарта TETRA. Общие технические требования.
27. РД45 194-2002. Оборудование федеральных систем сотовой подвижной свя-
зи диапазона 450 МГц, работающее по стандарту IMT-MC (cdma2000).
28. РД 45 297-2002. Руководящий документ отрасли. Радиостанции сухопутной
подвижной службы. Общие технические требования.
29. РД 45.299-2002. Радиостанции сухопутной подвижной службы с угловой мо-
дуляцией диапазона 1,6-1000 МГц.
30. РД 45.300-2002. Аппараты телефонные различных классов сложности. Техни-
ческие требования.
СОДЕРЖАНИЕ
От редактора............................................ ......... 5
От автора............................................................ 6
Предисловие ........................................................... 7
Глава 1. Элементы теории цифровых систем связи.............................11
1.1. Введение....................................................... 11
1.2. Модель цифровой системы связи................................... .12
1.3. Речевые кодеры и декодеры...................................... 15
1.4. Канальное кодирование.... 27
1.4.1. Модели каналов для канального кодирования............ . . 27
1.4.2. Понятие избыточного кодирования.......................... 29
1.4.3. Классификация кодов.........................................32
1.4.4. Блочные коды и их полиномиальное описание.................. 33
1.4.5. Обнаружение ошибок в блочном кодировании - технология ARQ . 39
1.4.6. Сверточные коды.......................................... 42
1.4.7. Рассеяние ошибок- использование перемежения.................46
1.4.8. Понятие каскадного кодирования............................ .48
1.4.9. Принцип турбо-кодирования................................. .49
1.5. Цифровая модуляция в системах подвижной связи.....................52
1.5.1. Многочастотная модуляция....................................63
1.6. Принципы работы широкополосных сисгем........................... 69
1.7. Использование в подвижной связи методов многостанционного доступа . . 75
1.8. Методы дуплексной передачи данных.................................78
1.9. Конкуренция за доступ к каналу........................... ... 79
1.10. Модель OSI....................................... . ... 82
1.11. Протокол Х.25 для сетей с коммутацией пакетов................... 86
1.12. Общеканальная система сигнализации №7............................90
Литература............................................................ 91
Глава 2. Обзор и классификация систем подвижной радиосвязи.................93
2.1. Введение.......................................... . 93
2.2. Системы персонального радиовызова .... ............ . .94
2.3. Системы бесшнуровой телефонии.....................................95
532
Системы полвижнои ралиосвязи
2.4. Транкинговые системы................. . .96
2.5. Сотовая телефония............................................... .97
2.6. Спутниковые системы персональной радиосвязи ... .99
2.7. Системы беспроводного доступа к локальным вычислительным сетям . 100
Литература........................................................... 101
Глава 3. Характеристика канала подвижной связи..............................102
3.1. Введение........................................................ 102
3.2. Распространение сигнала в свободном пространстве.................. 103
3.3. Влияние многолучевости на распространение сигнала. . 107
3.4. Канал передачи в системах подвижной связи ........................ 112
3.5. Моделирование потерь распространения. ... . . . .120
3.5.1. Модель Ли................................................. 122
3.5.2. Модель Окамуры.............................................. 124
3.5.3. Модель Хата................................................. 127
3.5.4. Модель COST231-Xara......................................... 129
3.5.5. Модель С08Т231-Уолфиш-Икегами............................... 129
3.5.6. Примеры оценки потерь с использованием
различных моделей распространения сигнала.......................... 130
3.5.7. Оценка потерь при распространении сигнала внутри помещений . 131
3.6. Влияние канала радиосвязи на передачу сигналов
с различной шириной спектра............................................ 135
3.7. Разнесенный прием................................................ .137
Литература............................................................. 142
Глава 4. Системы персонального радиовызова..................................144
4.1. Введение......................................................... .144
4.2. Основные характеристики пейджинговых систем . . 144
4.3. Классификация пейджинговых сетей . . ... . . . 145
4.4. Протокол POCSAG......................... ... 147
4.5. ERMES-Европейская пейджинговая система............................ 149
4.6. Семейство пейджинговых протоколов FLEX............................ 156
4.7. Выводы: будущее пейджинговых систем ... . 158
Литература........................................................... 159
Глава 5. Концепция системы сотовой подвижной связи..........................160
5.1. Упрощенное планирование классической системы сотовой связи . ... 163
5.2. Элементы теории связи применительно к сотовым системам . ... 172
5.3. Способы увеличения емкости системы ............................... 176
5.4. Распределение каналов в сотах........... . 179
Литература..............................................................184
Глава 6. Первое поколение систем сотовой телефонии -
системы NMT и AMPS..........................................................186
6.1. Первое поколение систем сотовой подвижной связи....................186
Содержание
533
6.2. Архитектура NMT............................................... 187
6.3. Управление потоком информации в системе NMT.... 192
6.4. Услуги, предоставляемые системой NMT.......................... 196
6.5. Конструкции типовых подвижной и базовой станций . 197
6.6. Обзор системы AMPS .... ........ . . 199
6.7. Радиоинтерфейс системы AMPS. .... 201
6.8. Обработка вызовов в системе AMPS.............................. 204
Литература. .................................. . ... 206
Глава 7. Сотовая телефония GSM-архитектура и системные аспекты .... 207
7.1. Введение............................ . ...... 207
7.2. Основы архитектуры GSM............................... . 208
7.3. Основные параметры радиопередачи в системе GSM. . . . . 212
7.4. Описание логического канала... .......... 213
7.5. Временная структура системы GSM....................... ... .215
7.6. Структура пакетов, реализующих логические каналы GSM ... .216
7.7. Описание процедуры установления соединения.............. . . 223
7.8. Хэндовер.................................................... 229
7.9. Конфиденциальность и аутентификация пользователя...............232
7.10. Дальнейшее развитие и модификации ССПС стандарта GSM..........235
Литература......................................................... 239
Глава 8. Сотовая GSM-телефония - физический уровень.....................240
8.1. Введение...................................................... 240
8.2. Структура стандартной подвижной станции........................241
8.3. Кодирование и декодирование речевого сигнала".. . 245
8.3.1. Кодирование речи с полной скоростью............. ... 246
8.3.2. Кодирование речи с половинной скоростью........ . 249
8.3.3. Улучшенное кодирование речи с полной скоростью...........251
8.4. Модуляция GMSK............................................... 252
8.5. Последовательное детектирование данных................ ... 254
Литература......................................................... 257
Глава 9. Передача данных в системе GSM..................................258
9.1. Введение...................................................... 258
9.2. Организация передачи данных в системе GSM .................... 259
9.3. Услуги передачи данных в системе GSM........... . 260
9.3.1. Адаптация скорости передачи.................... . 263
9.3.2. Канальное кодирование....................................266
9.3.3. RLP-протокол радиоканала.................................267
9.3.4. Передача данных и доступ к различным сетям...............268
9.4. SMS-передача коротких сообщений.............................. 270
9.5. HSCSD - высокоскоростная передача данных с коммутацией каналов 273
9.6. GPRS-пакетная радиопередача данных.............................276
534
Системы подвижной радиосвязи
9.6.1. Архитектура системы GPRS ... . ............ 277
9.6.2. Физический уровень GPRS............................... 279
9.6.3. Управление передачей в системе GPRS. ... . 284
9.6.4. Услуги GPRS............................ .... 285
9.6.5. Архитектура протокола GPRS ........................... 285
9.7. Технология EDGE............................... . 287
9.7.1. Основные усовершенствования на физическом уровне . 288
Литература..................................................... 293
Глава 10. Стандарт CDMA в системах подвижной связи....................295
10.1. Введение.............................................. . . 295
10.2. Мотивация применения CDMA как потенциального
метода многостанционного доступа................................ 295
10.3. Расширяющие кодовые последовательности .................... 296
10.3.1. «-последовательности..................... . . . 297
10.3.2. Последовательности Голда и Касами . . ............ 301
10.3.3. Последовательности Уолша............................. 302
10.4. Обобщенные структурные схемы передатчика
и приемника сигналов в системе CDMA............................. .303
10.5. RAKE-приемник....................................... . . 305
10.6. Совместное детектирование сигналов CDMA.................... 309
10.7. Основные свойства системы подвижной связи CDMA . . 314
10.8. Выводы.................................. . . . 317
Литература...................................................... .317
Глава 11. Описание системы IS-95......................................319
11.1. Введение........................................... ... . 319
11.2. Частотные диапазоны...................................... 319
11.3. Передача данных по нисходящей линии связи.................. 320
11.4. Передача данных по восходящей линии связи . ......... .329
11.5. Управление мощностью..................................... 333
11.6. Упрощенная процедура установления соединения .... 334
11.7. Усовершенствованная версия системы IS-95B
для высокоскоростной передачи данных............................. 335
Литература................................................. .. .337
Глава 12. Транкинговые системы........................................338
12.1. Идея транкинга........................................ . 338
12.2. Стандарт МРТ 1327 . . ................................... 340
12.3. EDACS-пример фирменного стандарта. ... ............ 344
12.4. Стандарт TETRA....... 346
12.4.1. Услуги, предоставляемые стандартом TETRA........ . 347
12.4.2. Обобщенная архитектура системы TETRA................. 348
12.4.3. Физический уровень системы TETRA..................... 350
Литература........................................................359
Содержание
535
Глава 13. Цифровая бесшнуровая телефония..............................360
13.1. Стандарт СТ2............................................ . . 362
13.2. Система DECT................... .............. . 365
13.2.1. Архитектура DECT.................................. . . 365
13.2.2. Физический уровень DECT ... ... . 367
13.2.3. МАС-уровень DECT..................................... 370
13.2.4. Взаимодействие систем DECT и GSM. . . .......... 371
13.2.5. Описание типового абонентского радиоблока системы DECT. . 372
13.3. PACS-система персональной связи..... . 374
13.4. PHS - персональная система мобильной телефонии............. 378
Литература....................................................... 381
Глава 14. Системы беспроводного абонентского доступа (WLL)............383
14.1. Введение.................................................. 383
14.2. Системы РМР............................................. . . 384
14.3. Применение сотовой технологии в WLL.... 386
14.4. Применение стандартов бесшнуровой телефонии при реализации WLL 390
Литература........................................................391
Глава 15. Спутниковые системы персональной радиосвязи.................393
15.1. Введение....................................................393
15.2. Первое и второе поколение сетей подвижной связи............ 394
15.3. Персональная спутниковая связь............................. 396
15.4. Услуги, предоставляемые системами персональной спутниковой связи . 400
15.5. Описание наиболее важных систем персональной спутниковой связи. . 400
15.5.1. Iridium............................................ .400
15.5.2. GLOBALSTAR............................................404
15.5.3. ICO................................................. .409
15.6. Будущие системы широкополосного доступа.....................411
15.6.1. Teledesic.............................................412
15.6.2. Skybridge .... 413
Литература..................................................... 416
Приложение...................................................... 418
Глава 16. Беспроводные локальные вычислительные сети (WLAN)...............419
16.1. Введение....................................................419
16.2. Типы сетей WLAN..................................... . 421
16.3. Проблема скрытой станции....................................422
16.4. HIPERLAN Туре 1.............................................424
16.4.1. Подуровень МАС организации HIPERLAN/1............. . . 426
16.4.2. Уровень САС организации HIPERLAN/1 .... .... 426
16.4.3. Физический уровень организации HIPERLAN/1............ 428
16.5. Стандарты IEEE 802.11 для сетей WLAN........................430
536
Системы полвижнои ралиосвязи
16.5.1. Физический уровень IEEE802.il .... 432
16.5.2. Подуровень МАС системы IEEE 802.11 .................. 437
16.6. Стандарты IEEE 802.11 и HIPERLAN для частоты 5 ГГц ........ 442
16.6.1. Физический уровень организации H1PERLAN/2............ 444
16.6.2. Уровень управления звеном данных в стандарте HIPERLAN/2 . 446
16.7. Bluetooth.................................................. 448
Литература....................................................... 455
Глава 17. Третье поколение систем подвижной связи.....................457
17.1. Введение.......... . ... 457
17.2. Концепция UMTS .... ... 461
17.3. Архитектура сети радиодоступа U MTS 463
17.4. Радиоинтерфейс UMTS........................................ 467
17.4.1. Режим UTRA FDD....................................... 473
17.4.2. Режим UTRA TDD........................................483
17.5. Cdma2000................................................. 488
17.6. Приложение-концепция программного радио . ... 497
17.6.1. Введение............................................. 497
17.6.2. Минимальный радиостандарт............................ 498
17.6.3. Основные структурные элементы Software Radio 500
17.6.4. Software Radio в базовых станциях . . . 501
Литература................................ . .... 502
Глава 18. Применение технологии интеллектуальных антенн
в сотовой телефонии...................................................504
18.1. Введение................................................... 504
18.2. Основные принципы работы систем с интеллектуальными антеннами 505
18.3. Этапы внедрения технологии интеллектуальных антенн......... 514
18.4. Влияние технологии интеллектуальных антенн
на емкость систем сотовой связи.................................. 515
Литература....................................................... 517
Английские аббревиатуры и сокращения . 519
Предметный указатель............................................. 521
Литература к русскому изданию.....................................529
Весоловский Кшиштоф
СИСТЕМЫ
ПОДВИЖНОЙ
РАДИОСВЯЗИ
Систематизированы сведения по системам
подвижной связи (СПС). Рассмотрен широкий
круг вопросов от теоретических основ кодиро-
вания речи и распространения радиоволн до
построения систем подвижной радиосвязи в
увязке с концепцией взаимодействия открытых
систем. Приведена информация о пейджин-
говых и транкинговых системах, бесшнуровой
телефонии, системах спутниковой и сотовой
связи различных стандартов, беспроводных
LAN, интеллектуальных антеннах. Рассмотрены
обобщенные структурные схемы различных
СПС, вопросы организации физических и логи-
ческих каналов.
Для научных и инженерно-технических
работников, занимающихся вопросами по-
движной связи, будет полезна студентам и аспи-
рантам соответствующих специальностей.
Книги издательства «Горячая линия - Телеком»
можно заказать через почтовое агентство DESSY:
107113, г.Москва, а/в 10,
а также интернет-магазин www.dessy.ru
Сайт издательства:
www.techbook.ru