Самостоятельная работа 4

Системы подвижной связи GSM, CDMA, UMTS

1. Цель работы:

1.1. Углубить знания по основным множественным методам доступа к беспроводным средам.

2. Литература:

2.1 Энциклопедия мобильной связи: В 2 т. / Под. ред. С.Л. Корякина-Черняка. – СПб.: Наука и техника, 2001. Т. 1: Системы связи подвижной службы общего пользования. – 240 с.

2.2 Радиосистемы передачи информации: Учебное пособие для вузов / В.А. Васин, В.В. Калмыков, Ю.Н. Себекин, А.И. Сенин, И.Б. Федоров; под ред. И.Б.Федорова и В.В.Калмыкова. – М.: Горячая линия – Телеком, 2005. – 472 с.: ил.

2.3 В.И. Попов. Основы сотовой связи стандарта GSM. – М.:Эко-трендз,2005. – 296с.:ил.

2.4 Телекоммуникационные технологии: введение в технологии GSM: учеб.пособие для студ.высш.учеб.заведений / [С.Б. Макаров, Н.В. Певцов, Е.А. Попов, М.А. Сиверс]. – 2-е изд., испр. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 256с.

2.5 Всеселовский Кшиштоф. Системы подвижной радиосвязи / Пер. с польск. И.Д. Рудинского; под ред. А.И. Ледовского. – М.:Горячая линия – Телеком, 2006. – 536с.

2.6 Принципы построения и помехоустойчивость систем передачи непрерывных и дискретных сообщений: учебное пособие по курсу «Системы передачи информации» / В.А. Борисов, Л.В. Когновицкий, Е.Е. Лазарева, П.И. Пенин; под ред. П.И. Пенина. –М.: Типография МЭИ, 1982. – 84с.

2.7 Гепко И.А., Олейник В.Ф., Чайка Ю.Д., Бондаренко А.В. Соверменные беспроводные сети: состояние и перспективы развития. – К.: «ЕКМО», 2009. – 672с.

2.8 Теория электрической связи: учебник / В.Н. Васюков. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. – 392 с.

2.9 А.Н.Берлин. Цифровые сотовые системы связи. – М.: Эко-Трендз, 2007. – 296с.:ил.

3. Задание:

3.1. Изучить методический материал по теме: «Системы подвижной связи GSM, CDMA, UMTS».

3.2 Ответить на контрольные вопросы:

3.2.1 Что такое транкинговые системы подвижной связи, в чем их особенность?

3.2.2 Особенности сетей сотовой подвижной связи. Организация сотовой связи, принцип повторного использования частот.

3.2.3 Схема сотовой подвижной сети как составной двухуровневой телекоммуникационной сети.

3.2.4 Особенности системы сотовой подвижной связи GSM. Частотные характеристики систем стандарта GSM/DCS. Схема СИЧ в стандарте GSM. Характеристика стандарта GSM-900. Дать определение слотов, и описать их формирование в стандарте GSM. Структура формирования логических каналов. Процедура установления связи при входящем звонке.

3.2.5 Система сотовой подвижной связи CDMA, ее особенности, назначение, характеристики. Формирование сигнала в прямом и обратном канале. Достоинства CDMA.

3.2.6 Системы сотовой подвижной связи UMTS, причины появления, особенности, характеристики. В чем заключается метод EDGE? Что такое WCDMA? Сравнительные характеристики EDGE и WCDMA? Кадр системы WCDMA. Полосы сигнала выделяемые под стандарт UMTS. Архитектура сети UMTS. Архитектура протоколов сети UTRAN, какие физические уровни она включает? Опишите этапы синхронизации АС и сети, при включении питания мобильного устройства.

4. Методические указания:

Более двух последних десятилетий во всем мире наблюдается интенсивное развитие систем подвижной связи, которые не только весьма удобны, но во многих случаях стали просто незаменимым видом услуг. В большинстве своем эти системы строятся по принципу многостанционного доступа, т.е. когда групповой сигнал формируется непосредственно в канале. Примерами систем подвижной радиосвязи могут служить транкинговые (в настоящее время практически вышедшие из использования) и сотовые системы.

4.1 Транкинговые системы подвижной радиосвязи

Транкинговые системы – это системы с общедоступным пучком каналов. Транкинговые системы пришли на смену подвижным системам радиосвязи, в которых передатчик и приемник проектировались для работы на определенной фиксированной частоте. Каждый радиоканал был закреплен за сравнительно не­большой группой абонентов, которые использовали его как общедоступную линию связи. Если число абонентов превышало возможности одного канала, образовыва­ли другую группу, за которой закрепляли другой радиоканал.

В системе с общедоступным пучком каналов всем абонентам сети доступна целая группа ка­налов (рис.1). При поступлении вызова за парой абонентов закрепляется один из свободных в этот момент каналов. После отбоя канал освобождается и может быть предоставлен любой другой паре абонентов. Технически это выполняется либо последовательным поиском радиостанцией свободного канала (например, по специ­альному маркерному сигналу незанятости), либо специально вы деленным общим каналом сигнализации, на который настроены все радиостанции сети в режиме дежурного приема.

Рис. 1. Система транкинговой системы подвижной связи

У системы с общедоступным пучком каналов пропускная способность существенно выше, чем у системы с закрепленными каналами. Например, единственный канал при вероятности бло­кировки (т.е. непредоставления канала из-за его занятости) 10% и средней продолжительности разговора 2,5 мин на одного абонен­та в час наибольшей нагрузки позволит обслужить не более двух-трех абонентов. Двадцать таких каналов, используемых порознь, позволят обслужить около 50 абонентов. При тех же условиях система с общедоступным пучком каналов, использую­щая те же 20 каналов, сможет обслужить уже 420 абонентов, т.е. ее пропускная способность возрастает более чем в восемь раз.

Транкинговый принцип был положен в основу построения радиальных сетей подвижной связи – достаточно мощный передатчик работает через высоко подвешенную антенну, охватывая терри­торию в пределах прямой видимости радиусом до 40...50 км. При этом на площади обслуживания в 5000...8000 км² абонентам может быть доступно несколько десятков радиоканалов.

Эффективность транкинговых систем с радиальной струк­турой сети оказалось недостаточной для удовлетворе­ния массового спроса на услуги подвижной связи в густонаселен­ных районах.

4.2 Системы сотовой связи

Задачу организации подвижной связи для густонаселенных районов удалось решить путем построения сетей подвижной свя­зи по сотовому принципу, который определяет иной, по сравне­нию с вещательной моделью, подход к проблеме радиопокрытия зоны обслуживания.

Основные принципы построения сотовой архитектуры включают:

- использование маломощных передатчиков с радиопокрытием небольших по размеру ячеек;

- повторное использование частот в пределах одной зоны обслуживания;

- поэтапное увеличение пропускной способности за счет расщепления ячеек;

- обеспечение непрерывности связи в процессе перемеще­ния абонента от ячейки к ячейке.

Раскроем каждый их них. Сотовая система использует большое число маломощных приемопередатчиков (базовых станций), которые предназначены для обслу­живания только сравнительно небольшой зоны радиусом R (рис.2 и 3).

Рис. 2. Организация сотовой связи

Повторное использование частот применяется только в несмежных сотах. Базовые станции, на которых допускается повторное использование частот, должны быть удалены на определенное расстояние D, называемое защитным интервалом. Именно возможность применения одних и тех же частот определяет высокую эффективность использования частотного спектра в сотовых системах связи (рис.3).

Рис. 3. Принцип повторного использования частот (f₁,f₂…f₆ – несущие частоты базовых станций)

Поэтапное увеличение пропускной способности определяется, прежде всего, высокой стоимостью полномасштабного развертывания сотовой сети. Обычно развертывание начинается с небольшого числа крупных ячеек, которые потом трансформируются в большее число более мелких ячеек.

Непрерывность связи обеспечивается спо­собностью системы автоматически передавать связь с автомоби­лем тем базовым станциям, в зоне действия которых он оказыва­ется в данный момент. Благодаря непрерывным измерениям уровней сигналов, поступающих в центр коммутации подвижной связи от базовых станций, ближайших к движущемуся автомоби­лю, система может определить момент пересечения автомоби­лем границы двух ячеек и переключить разговорный канал из первой ячейки во вторую в течение достаточно малого промежут­ка времени, не приводящего к нарушению непрерывности разго­вора. Такая процедура, получившая название эстафетной пере­дачи (хэндовер), требует весьма сложного алгоритма определе­ния именно той ячейки из нескольких соседних, куда въезжает автомобиль, а также быстродействующих алгоритмов и схемо­технических решений, обеспечивающих освобождение канала в первой ячейке и поиск свободного канала с восстановлением по нему связи во второй ячейке.

4.2.1 Общая характеристика систем наземной подвижной радиосвязи

Системы сотовой подвижной связи (ССПС) являются двухуровневой составной телекоммуникационной сетью, включающей систему мобильной радиосвязи (первый уровень) и телефонную сеть общего пользования – ТФОП (второй уровень). Двухуровневая телекоммуникационная сеть [3] обеспечивает функции коммутации и распределения информации в каждой из составных частей, и ее основными составными частями являются (рис.4):

- центр коммутации подвижной службы (ЦКПС);

- сеть базовых станций (БС) – ретрансляторов;

- мобильные абонентские станции – АС.

Рис. 4. Составная двухуровневая телекоммуникационная сеть

При обслуживании абонентов ССПС ЦКПС выполняет такие основные функции, как:

- установление соединений между абонентами;

- поиск подвижного абонента на территории обслуживания;

- переключение абонента во время сеанса связи при его перемещении из зоны обслуживания одной БС в другую;

- тарификация связей, диагностика состояния системы и др.

Множество БС, размещаемых по всей зоне обслуживания системы, позволяет обеспечивать устойчивую радиосвязь любой АС, в какой бы точке зоны обслуживания она не находилась, с другим мобильным абонентом или с абонентом фиксированной сети (ТФОП) через ЦКПС. Таким образом, ЦКПС выполняет роль автоматического радиопереключателя, обеспечивающего коммутацию различных типов АС между собой в зоне обслуживания, коммутацию АС с абонентскими телефонными аппаратами сети ТФОП, а также выход на ЦКПС других зон обслуживания.

АС состоят из оборудования, которое предназначено для организации доступа абонентов к существующим сетям связи. Абонентский терминал состоит из трех основных подсистем:

1) радиоподсистемы, фильтрующей и усиливающей радиосигналы, в режиме приема (в режиме передачи данная подсистема генерирует, модулирует и усиливает сигнал);

2) подсистемы основной обработки, включающей в себя акустический интерфейс, цифровую обработку сигнала и его демодуляцию;

3) подсистемы управления.

Участки составной сети между АС и БС являются радиолиниями – симплексными, полудуплексными или дуплексными каналами связи. Многоканальные соединительные линии связи (СЛС) на участке сети между БС и ЦКПС могут строиться на основе радиорелейных линий связи (РРЛС), волоконно-оптических и кабельных линий связи (ВОЛС и КЛС, соответственно). Участки сети между ЦКПС и ТФОП представляют собой магистральные соединительные линии (МСЛ) между радиоуровнем и фиксированной телефонной сетью и формируются на основе выделенных каналов ТФОП.

В целом структура ССПС всех существующих цифровых стандартов определяется схемой на рис.4.

В ходе планомерного совершенствования цифровой радиосвязи были выработаны основные подходы к развитию современных систем подвижной связи, а именно [3]:

1) Глобальная мобильность, которая подразумевает возможность абонентов перемещаться без каких-либо ограничений и при этом иметь доступ к привычному набору услуг, находясь за пределами своей «домашней» сети. Это может быть достигнуто через систему стандартов, гармонизированных на глобальной основе.

2) Качество передачи речи должно соответствовать качеству передачи речевых сообщений стационарных телефонных сетей, что может быть обеспечено применением высокоэффективных вокодеров с адаптивной скоростью.

3) Постоянный рост емкости сетей, т.к. быстро растущая потребность в услугах подвижной связи и ограниченность частотного ресурса опреде­ляют повышенные требования к возможности перспективных ССПС обслуживать большое число абонентов на ограниченной территории.

4) Высокоскоростная передача данных, которая вытекает из стремительного роста трафика вычислительных сетей разного уровня, в частности сети «Интер­нет».

Именно эти базовые подходы определяют перспективы развития систем подвижной связи в мире на ближайшие годы.

4.2.2 Система сотовой подвижной связи GSM

Первым шагом в совершенствовании подвижной связи стал переход с аналоговых (аналогово-цифровых) стандартов на цифровой стандарт GSM, который позволил использовать ряд новых решений (в т.ч. более эффективные модели повторного использования частот, эффективные методы борьбы с замираниями и искажениями сигналов, эффективные низкоскоростные речевые кодеки с шифрованием передаваемых сообщений для ведения кодированной передачи, более эффективные методы модуляции и интеграцию услуг телефонной связи с передачей данных).

Стандарт GSM впервые в истории развития средств подвижной радиосвязи на этапе внедрения удовлетворял практически все современным требованиям, предъявляемым к связным системам, а заложенный в него потенциал позволил стать прочным фундаментом для последующих систем.

В ССПС стандарта GSM/DCS реализован многостанционный доступ на основе частотно-временного разделения каналов (рис.5), что позволяет на одной частоте разместить 8 (16 для DCS) речевых каналов одновременно. Частотные характеристики систем стандарта GSM/DCS приведены в сводной таблице 1.

Таблица 1.

Характеристика	GSM	DCS-1800
Диапазон частот, МГц АС БС	890-915 935-960	1710-1785 1805-1880
Дуплексный разнос частот, МГц
Шаг сетки частот, кГц
Число дуплексных каналов
Количество временных слотов на несущей частоте
Скорость СИЧ, 1/с	216.6(6)
Скорость передачи в радиоканале, кБит/c	270,8(3)
Мощность передатчика АС, Вт	0,8

На рис.5а отображен весь частотный диапазон при работе подвижных станций GSM-900 в дуплексном режиме. Рис.5б демонстрирует спектральную характеристику одного частотного канала. Расположение частотных каналов при обратном режиме передачи (АС→БС) изображено на рис.5в.

В качестве речепреобразующего устройства используется ре­чевой кодек со скоростью преобразования речи 13 кбит/с. Для защиты от ошибок, возникающих в радиоканалах, при­меняется блочное и сверточное кодирование с перемежением. Повышение эффективности кодирования и перемежения при ма­лой скорости перемещения подвижных станций достигается скачкообразным изменением частоты (СИЧ) - мед­ленным переключением рабочих частот в процессе сеанса связи со скоростью 217 скачков в секунду. Поэтому каждый последующий временной кадр передается другой частоте. При этом первый временной слот 8-слотового кадра каждого частотного канала является управляющим (рис.6).

Рис. 5. Характеристика частот стандарта GSM-900 [4]

Рис. 6. Схема СИЧ в стандарте GSM

В целях борьбы с интерференционными замираниями при­нимаемых сигналов, вызванными многолучевым распростране­нием радиоволн в условиях города, в аппаратуре связи исполь­зуются эквалайзеры, обеспечивающие выравнивание импульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени за­держки до 16 мкс.

При модуляции радиосигнала применяется спектрально-эффективная гауссовская частотная манипуляция с минималь­ным частотным сдвигом (ГЧММС). Манипуляция называется гауссовой потому, что последовательность информационных бит до моду­лятора проходит через фильтр нижних частот с гауссовской ам­плитудно-частотной характеристикой, что дает значительное уменьшение ширины полосы частот излучаемого сигнала. Фор­мирование ГЧММС радиосигнала происходит таким образом, что на интервале, соответствующем одному биту, фаза несущей из­меняется на 90°. Это наименьшее изменение фазы, которое мо­жет быть обнаружено при данном типе манипуляции. Выходной сигнал с непрерывным изменением фазы аналогичен сигналу, полученному в результате частотной модуляции с дискретным изменением частоты.

Оборудование подсистемы базовых станций состоит из кон­троллера базовых станций КБС (BSC) и собственно базовых станций БС (BS). Один контроллер может управлять несколькими станциями. Он выполняет следующие функции: управляет распределением радиоканалов; контролирует соединения и регулирует их очеред­ность; обеспечивает режим работы с «прыгающей» частотой, мо­дуляцию и демодуляцию сигналов, кодирование и декодирование сообщений, кодирование речи, адаптацию скорости передачи ре­чи, данных и сигналов вызова; определяет очередность передачи сообщений персонального вызова.

На каждой базовой станции системы может быть организовано до 12-ти дуплексных каналов связи, в каждом из которых организуется восемь временных слотов (интервалов). В случае, если БС работает в режиме скачкообразного изменения частоты, то максимальное количество дуплексных каналов обычно не более шести.

Оборудование подсистемы коммутации состоит из центра коммутации подвижной связи MSC, домашнего регистра HLR, гостевого регистра VLR, центра аутентификации AUC и реги­стра идентификации оборудования EIR.

Центр коммутации подвижной связи обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается подвижная станция в процессе своей работы. Центр коммутации осуществляет постоянное слежение за подвижными станциями, используя домашний и гостевой регистры. В домашнем регистре хранится та часть информации о местоположении какой-либо подвижной станции, которая позво­ляет центру коммутации доставить вызов. Этот регистр содержит международный идентификационный номер подвижного абонен­та (IMSI), который используется для опознавания подвижной станции в центре аутентификации, а также еще некоторые данные, необхо­димые для нормальной работы сети GSM.

Второе основное устройство, обеспечивающее контроль за передвижением подвижной станции из соты в соту, - это гостевой регистр. С его помощью достигается функционирование подвижной станции за пределами контролируемой домашним регистром зоны. Когда в процессе перемещения подвижная стан­ция переходит из зоны действия одного контроллера базовых станций в зону действия другого, то она регистрируется послед­ним, т.е. в гостевой регистр заносится новая информация. Для сохранности данных, находящихся в домашнем и гостевом регистрах, в случае сбоев предусмотрена защита запоми­нающих устройств этих регистров.

Для исключения несанкционированного использования ре­сурсов системы сотовой связи в нее введены механизмы аутен­тификации – удостоверения подлинности абонента. Центр аутен­тификации состоит из нескольких блоков и формирует ключи и алгоритмы аутентификации. С помощью центра аутен­тификации проверяются полно­мочия абонента и осуществляется его доступ к сети связи. AUC принимает решения о параметрах процесса аутентификации и определяет ключи шифрования.

Регистр идентификации оборудования содержит информацию о мобильных устройствах. С его помощью могут быть заблокированы вызовы с украденных, дефектных или запрещенных аппаратов.

Также в ССПС стандарта GSM входит центр управления (NMC) и центр обслуживания (OMC), которые обеспечивают распределение функций и организацию взаимодействия между КБС и ЦКПС. Их функции – сбор и обработка информации о работе всех узлов, организация профилактических и ремонтных работ, решение задач развития, планирования и управления.

Передача информации по радиоканалу организуется TDMA-кадрами, которые имеют длительность 4,615 мс. Каждый кадр состоит из восьми слотов (интервалов) по 577 мкс, при этом каждый слот соответствует своему каналу. Физический смысл временных интервалов, которые иначе называются окнами – это время, в течение которого осуществля­ется модуляция несущей цифровым информационным потоком, соответствующим речевому сообщению или данным.

Для передачи информации по каналам управления и связи, подстройки несущих частот, обеспечения временной синхрониза­ции и доступа к каналу связи используются пять видов временных слотов, показанных на рис. 6 [3]:

- NB (Normal Burst) – нормальный временной интервал;

- FB (Frequency correction Burst) – временной интервал подстройки частоты;

- SB (Synchronization Burst) – интервал временной синхро­низации;

- DB (Dummy Burst) – установочный интервал;

- АВ (Access Burst) – интервал доступа.

При передаче по одному разговорному каналу в стандарте GSM используется нормальный временной интервал (NB) длительностью 0,577 мс. Он включает в себя: 114 бит зашифро­ванного сообщения; две концевых комбинации ТВ (Tail Bits) по 3 бита каждая; два контрольных бита, разделяющих зашифрован­ные биты сообщения и обучающую последовательность; защитный интервал GP (Guard Period) длительностью, равной времени передачи 8,25 бита. Это означает, что интервал NB содержит 156,25 бит, а длительность одного бита составляет 3,69 мкс. Обучающая последовательность необходима для оценки качества связи, для настройки эквалайзера в соответствии с характеристиками канала связи, а также для определения задержек распространения сигнала между БС и АС для оценки дальности связи.

Рис.6. Формирование слотов в стандарте GSM [3]

Временной интервал подстройки частоты (FB) содержит 142 ну­левых бита, две концевые комбинации ТВ и защитный интервал. Повторяющиеся временные интервалы подстройки частоты обра­зуют канал установки частоты (FCCH).

Интервал временной синхронизации (SB) используется в подвижной станции для синхронизации работы аппаратуры. Он состоит из синхропоследовательности длиной 64 бита и двух за­шифрованных блоков (по 39 бит каждый), несущих информацию о номере TDMA-кадра и идентификационном коде базовой стан­ции. Этот интервал передается вместе с интервалом установки частоты. Повторяющиеся интервалы синхронизации образуют так называемый канал синхронизации (SCH).

Установочный интервал (DB) обеспечивает установление и тестирование канала связи. По своей структуре установочный интервал совпадает с нормальным временным интервалом NB. Различие их состоит в том, что интервал DB содержит установоч­ную последовательность длиной 26 бит и в нем отсутствуют кон­трольные биты. Он не несет никакой полезной информации, однако обладает хорошими статистическими свойствами, поэтому размещается в свободных (от абонентов) временных слотах вещательной несущей для поддержания высокой средней мощности.

Интервал доступа (АВ) обеспечивает разрешение доступа подвижной станции к новой базовой станции. Он содержит боль­шой защитный интервал GP длительностью 252 мкс (68,25 бита), две концевых комбинации ТВ (по 3 бита каждая), синхропоследовательность длиной 41 бит и 36 зашифрованных бит. Большой защитный интервал (252 мкс) обеспечивает возможность связи с подвижными абонентами в сотах радиусом до 35 км, поскольку он перекрывает время распространения радиосигнала в прямом и обратном направлениях, которое может составлять при этом до 233,3 мкс.

Каждый временной TDMA-кадр формирует логические каналы, которые делятся на каналы трафика (TCH) и каналы управления (CCH).

По каналу трафика TCH (Traffic Channels) передаются цифровые последовательности, характеризующие речевой сигнал или пользовательские данные.

Каналы управления ССН (Control Channels) делятся на 4 типа:

- вещательные каналы ВСН (Broadcast Channels);

- общие каналы управления СССН (Common Control Channels);

- выделенные закрепленные каналы управления SDCCH (Standalone Dedicated Control Channels);

- совмещенные каналы управления АССН (Associated Control Channels).

Вещательные каналы BCH предназначены для передачи информации от БС к АС в вещательном режиме, т.е. без адресации к какой-либо конкретной станции. В число вещательных каналов управления входят:

- канал коррекции частоты FCCH (Frequency Correction Channel) - для подстройки частоты подвижной станции под частоту базовой (БС передает несущую частоту);

- канал синхронизации SCH (Synchronization Channel) - для кадровой синхронизации подвижных станций (БС передает информацию о номере и структуре кадра, а также свой идентификационный код);

- вещательный канал управления BCCH (БС передает идентификатор соты и идентификатор зоны местоположения, используемую в данной соте максимальную мощность, а также идентификаторы несущих частот в соседних сотах).

Общие каналы управления СССН включают:

- канал вызова РСН (Paging Channel), используемый БС для организации вызова конкретного абонента (БС передает сообщение, содержащее номер абонента, с которым сеть вступает в контакт);

- канал случайного доступа RACH (Random Access Channel) – вызов абонентской станцией базовой с запросом о назначении SDCCH.

- канал разрешения доступа AGCH (Access Grant Channel) – назначение SDCCH, которое также передается от БС на АС.

Выделенные закрепленные каналы управления SDCCH могут использоваться в качестве автономных каналов управления для передачи информации в прямом и обратном направлениях. БС передает несущую частоту и номер слота, тем самым назначая канал трафика TCH, а также использует SDCCH для передачи коротких сообщений.

Совмещенные каналы управления АССН, также используемые для передачи информации в обоих направлениях, включают:

- «медленный» совмещенный канал управления SACCH (Slow Associated Control Channel) – объединяется с каналом трафика (кадр 12 мультикадра TCH) или с каналом SDCCH;

- «быстрый» совмещенный канал управления FACCH (Fast Associated Control Channel) – совмещается с каналом трафика, заменяя в соответствующем слоте информацию речи, причем эта замена помечается скрытым флажком; включается в работу при необходимости обеспечения хэндовера.

Структура формирования логических каналов отображена в таблице 2 [5].

Таблица 2

Тип временного интервала	Назначение	Логические каналы
Нормальный временной интервал (NB)	Передача трафика и информации для каналов управления	BCCH, PCH, AGCH, SDCCH, SACCH, FACCH, TCH
Временной интервал подстройки частоты (FB)	Синхронизация АС по частоте	FCCH
Интервал временной синхронизации (SB)	Кадровая синхронизация АС	SCH
Интервал доступа (AB)	Доступ к передаче	RACH, FACCH
Установочный интервал (DB)	Установление и тестирование канала	-

Для организации трафика и совмещенных каналов управления из временных кадров формируется 26-кадровый мультикадр. Пара пользователей имеют доступ к выделенному им временному слоту в каждом кадре мультикадра.

Из рис.7а видно, что полноскоростной канал трафика занимает выделенный временной слот в 12 последовательных кадрах (от 0 до 11). В 12-м передается информация канала SACCH, 25-й кадр остается пустым, остальные – занимаются полноскоростным трафиком. При половинной скорости (рис.7б) благодаря двукратной эффективности кодирования речи в последовательных кадрах размещается 2 канала трафика. При этом в 12-м кадре размещается канал SACCH, ассоциированный с первым каналом передачи, а в 25-м кадре – со вторым. Такая структура кадра применима как в прямом, так и в обратном канале.

Рис. 7. Структура мультикадра в канале трафика [7] (TF – TCH/F, TH – TCH/H, S0 – SACCH для первого трафик-канала, S1 – SACCH для второго трафик-канала)

а) – полноскоростные каналы TCH/F; б) – полускоростные TCH/H.

В случае каналов вещания и управления формируется 51-кадровый мультикадр. Организация мультикадра может быть различной в зависимости от прогнозируемой емкости соты. Если применяется одна несущая, то все каналы управления передаются в нулевом слоте.

В этом случае в прямом канале мультикадр состоит из пяти 10-кадровых блоков и кадра, в нулевом слоте которого ничего не передается (рис.8а). Каждый блок начинается с канала коррекции частоты (FCCH), после которого идет канал синхронизации. В первом блоке последовательно передаются четыре вещательных канала управления (BCCH) и четыре общих канала управления (CCCH).

Рис. 8. Структура мультикадра канала управления при низкой интенсивности трафика [7] (F – FCCH, S – SCH, B – BCCH, C – CCCH, R – RACH, I – пустой, A_i – i-й SACCH, D_i – i-й SDCCH)

а) в прямом канале; б) в обратном канале

В кадрах типа «С» (рис.8а) передается информация канала вызова (PCH) или канала разрешения доступа (AGCH). Во втором блоке канал BCCH не передается. В следующих двух блоках за каналами FCCH и SCH следует 4 выделенных закрепленных канала SDCCH. Последний блок содержит низкоскоростные каналы SACCH, связанный с каналом SDCCH.

В обратном канале мультикадр каналов управления состоит в основном из каналов случайного доступа (RACH). В нулевом слоте передаются также каналы SDCCH и связанные с ним SACCH (рис.8б).

В сотах с высокой интенсивностью трафика временных ресурсов, предоставляемых нулевым слотом, становится недостаточно для передачи сигналов всех обслуживаемых в соте АС. В этом случае на той же несущей в нулевом временном слоте реализуются только каналы вещания BCH и управления CCCH (рис.9), а первый временной слот отдается под передачу каналов SDCCH и SACCH (рис.10).

Рис. 9. Структура мультикадра каналов BCH и CCCH при высокой интенсивности трафика [7] (F – FCCH, S – SCH, B – BCCH, C – CCCH, R –RACH, I – пустой)

а) в прямом канале; б) в обратном канале

Рис. 10. Структура мультикадра каналов SDCCH и SACCH при высокой интенсивности трафика [7] (A_i – i-й SACCH, D_i – i-й SDCCH, I – пустой)

а) в прямом канале; б) в обратном канале

Мультикадры, в свою очередь, объединяются в суперкадры: один суперкадр состоит из 51 мультикадра канала трафика или 26 кадров канала управления. Длительность мультикадра в обоих случаях составляет 1326 кадров. Наконец, 2048 суперкадров образуют один гиперкадр (т. н. криптографический гиперкадр), имеющий длительность 3 ч 28 мин 53с 760мс или 2715648 кадров. Номер кадра в пределах гиперкадра используется в процессе шифрования передаваемой информации (рис.11).

Рис. 11. Структура кадров в GSM [4]

Рассмотрим работу АС в пределах одной БС «домашней» ССПС, без передачи обслуживания в другую систему. В этом случае в работе подвижной станции можно выделить четыре этапа, которым соответствуют четыре режима работы:

- включение и инициализация;

- режим ожидания;

- режим установления связи (вызова);

- режим ведения связи (телефонного разговора).

После включения питания подвижной станции производится инициализация последней - начальный запуск. В течение этого этапа подвижная станция сканирует все имеющиеся частотные каналы, настраивается на частотный канал с наилучшим отношением сигнал/шум и по наличию слота подстройки частоты определяет, передается ли в этом частотном канале информация логического канала ВССН. Если нет, то станция перестраивается на следующий по уровню сигнала частотный канал, и так до тех пор, пока не будет найден канал ВССН. Если не найдено ни одной допустимой несущей частоты BCCH, на экране АС отображается: «Сеть не найдена».

Затем АС в нулевом слоте следующего кадра находит слот временной синхронизации, синхронизируется с выбранным частотным каналом, расшифровывает дополнительную информацию (в частности, BSIC – 6-разрядный идентификатор базовой станции и RFN – приведенный номер кадра) и принимает окончательное решение о продолжении поиска или о работе в данной соте.

Находясь в режиме ожидания, подвижная станция отслеживает:

- изменения информации о системе – эти изменения могут быть связаны как с изменениями режима работы системы, так и с перемещениями самой подвижной станции, например с переходом АС в другую соту;

- команды системы – например, команду на «регистрацию» в конкретном контроллере групп базовых станций;

- получение вызова со стороны системы;

- инициализацию вызова со стороны собственного абонента.

Кроме того, подвижная станция может периодически, например раз в 10...15 минут, подтверждать свою работоспособность, передавая соответствующие сигналы на базовую станцию (подтверждение «регистрации» или уточнение местоположения). В ЦКПС для каждой из включенных АС в гостевом регистре фиксируется ячейка, в которой она «зарегистрирована», что облегчает организацию процедуры вызова подвижного абонента. Если подвижная станция не подтверждает свою работоспособность в течение определенного промежутка времени, например пропускает два или три подтверждения «регистрации» подряд, центр коммутации считает ее выключенной и поступающий на ее номер вызов не передается.

В стандарте GSM АС измеряет и периодически передает на БС по каналу SACCH следующие параметры:

- уровень сигнала, принимаемого от текущей базовой станции, а также уровни сигналов смежных БС общим количеством до 16‑ти, измеряемые по сигналу канала ВССН;

- код качества принимаемого сигнала в рабочей ячейке – функцию оценки вероятности битовой ошибки (BER – Bit Error Rate) по принятому сигналу перед канальным декодированием.

В случае если со стороны системы поступает вызов АС (входящий вызов), центр коммутации направляет этот вызов на КБС, управляющий базовой станцией той соты, в зоне которой «зарегистрирована» АС. БС передают вызов по каналу вызова PCH (рис.12).

Рис. 12. Процедура установления связи при входящем звонке

Подвижная станция, находящаяся в режиме ожидания, получает вызов по PCH и посылает по каналу случайного доступа RACH запрос на формирование канала передачи. КБС использует канал разрешения доступа AGCH, чтобы сообщить АС о возможности использования каналов передачи сигналов SDCCH и SACCH. Каналы SDCCH и SACCH используются для установки запроса. Выделяется канал трафика TCH, освобождается канал SDCCH, а подвижной станции сообщается номер соответствующего частотного канала. АС настраивается на выделенный канал и совместно с базовой станцией выполняет необходимые процедуры по подготовке сеанса связи. На этом этапе подвижная станция настраивается на заданный номер слота в кадре, уточняет задержку во времени, подстраивает уровень излучаемой мощности и т. п.

Выбор временной задержки производится с целью временного согласования слотов в кадре (на прием в базовой станции) при организации связи с подвижными станциями, находящимися на разном удалении от БС. При этом временная задержка передаваемого подвижной станцией слота регулируется по командам базовой станции.

Привязка АС к БС по частоте производится с использованием слота подстройки частоты (FB), а временная синхронизация с использованием слота синхронизации (SB). С этой целью в слоте временной синхронизации передаются порядковые номера:

- четвертей элементарных посылок (QN – Quarter bit Number, в пределах от 0 до 624);

- целых элементарных посылок (BN – Bit Number, в пределах от 0 до 156);

- слота (TN – Timeslot Number, в пределах от 0 до 7);

- кадра (FN – Frame Number, в пределах от 0 до 2715648).

Одновременно в слоте синхронизации передаются 3-разрядный код сети сотовой связи (NCC – Network Color Code) и 3-разрядный код базовой станции (BCC – Base Station Color), составляющие в совокупности уникальный 6-разрядный идентификатор базовой станции (BSIC – Base Station Identifier Code).

Затем базовая станция выдает сообщение о подаче сигнала вызова (звонка), которое подтверждается подвижной станцией, и вызывающий абонент получает возможность услышать зуммер вызова. Когда вызываемый абонент отвечает на вызов, подвижная станция выдает запрос на завершение соединения. С завершением соединения начинается собственно сеанс связи.

В процессе разговора подвижная станция производит обработку передаваемых и принимаемых сигналов речи, а также передаваемых одновременно с речью сигналов управления. По окончании разговора происходит обмен служебными сообщениями между подвижной и базовой станцией (запрос или команда на отключение с подтверждением), после чего передатчик подвижной станции выключается и АС переходит в режим ожидания.

Если вызов инициируется со стороны АС (исходящий вызов), то подвижная станция передает через свою базовую станцию сообщение с указанием вызываемого номера и данными для аутентификации подвижного абонента. После аутентификации БС назначает канал трафика, и последующие шаги по подготовке сеанса связи производятся таким же образом, как и при входящем вызове со стороны системы.

Затем базовая станция сообщает на ЦКПС о готовности подвижной станции, центр коммутации передает вызов в сеть, а абонент подвижной станции получает возможность следить за ходом его выполнения (слышит сигналы «вызов» или «занято»).

Таким образом, процедура исходящего вызова состоит из следующей последовательности действий:

- АС через канал случайного доступа (RACH) запрашивает выделенный закрепленный канал управления (SDCCH) для установления связи;

- КБС через канал разрешения доступа (AGCH) назначает канал SDCCH;

- АС через канал SDCCH проводит аутентификацию и выдает запрос на соединение с номером вызываемого абонента;

- ЦКПС выдает команду на назначение канала трафика (ТСН) с последующей передачей вызова на стационарную ТФОП.

Процесс разговора и завершение сеанса связи не отличаются от предыдущего случая.

Если подвижный абонент разговаривает с другим подвижным абонентом, то процедура установления и проведения сеанса связи происходит аналогично. Если при этом оба подвижных абонента относятся к одной и той же ССПС, то связь между ними устанавливается через ЦКПС системы без выхода в ТФОП.

4.2.3 Система сотовой подвижной связи CDMA

В сотовой системе CDMA реализован метод многостанционного доступа с кодовым разделением каналов. В настоящее время CDMA реализована в двух вариантах – IS-95 (cdmaOne) и CDMA-2000. В сотовой системе CDMA используются широкополосные шумоподобные сигналы (ШПС). Основное свойство цифровой связи с ШПС – защищенность канала связи от перехвата, помех и подслушивания.

В стандарте CDMA для разделения каналов используются ортогональные коды Уолша. Коды Уолша формируются из строк матрицы Адамара. Особенность этой матрицы состоит в том, что каждая ее строка ортогональна любой другой или строке, полученной с по­мощью операции логического отрицания. В стандарте IS-95 ис­пользуется матрица 64-го порядка.

Основные технические характеристики цифровой ССПС стандарта IS-95 приведены в таблице 3.

В ССПС стандарта IS-95 для разделения каналов в прямом канале используются последовательности Уолша (WN) длиной 64 бита. Прямой канал связи системы CDMA состоит из [7]:

- пилотного канала (код W₀);

- вызывных каналов (коды W₁…W₇)

- каналов прямого трафика (коды W₈…W₃₁, W₃₃…W₆₃);

- канала синхронизации (код W₃₂).

Таблица 3

Характеристика	Значение параметра
АС	БС
Диапазон частот, МГц	828-831	873-876
Мощность передатчика, Вт	0.2
Тип модуляции	ФМ-4 со сдвигом	ФМ-4
Дуплексный разнос частот, МГц
Шаг сетки частот, МГц	1,23
Число дуплексных каналов
Скорость передачи в радиоканале, МБит/c	1,2288

Базовый цифровой поток разбивается на пакеты длительностью 20мС и подается на сверточный кодер (СК) c относительной скоростью R=1/2 (рис.13). На его выходе число битов удваивается. Затем данные в перемежителе (ПМЖ) перемежаются для того, чтобы равномерно распределить биты в потоке. Далее поток с помощью длинного кода, формируемого генератором длинного кода (ГДК), преобразуется с помощью сложения по модулю 2.

Длинный код формируется с помощью 42-разрядного регистра сдвига и двоичной 32-битной маски, которая записана в ПЗУ абонентской станции. Размер длинного кода составляет 42 бита и включает фиксированную для всех преамбулу из 10 бит и уникальный идентификатор обслуживаемой АС – 32-разрядный серийный номер. Для выравнивания скорости используется прореживатель (ПРЖ), который подает на свой выход только каждый 64 символ длинного кода [15].

Рис. 13. Формирование сигнала в прямом канале

В скремблированной длинным кодом последовательности заменяются некоторые символы на биты команд регулировки мощности. Затем данные поступают на кодовый модулятор Уолша (КМУ). Номер функции Уолша однозначно определяет номер канала трафика данной БС. С выхода модулятора сложный сигнал с тактовой частотой 1.23 Мбит/с направляют в квадратурные каналы (I и Q).

До подачи на смеситель цифровой поток в каждом квадратурном канале преобразуется с помощью короткого кода длиной 32768 битов, формируемого генератором короткого кода (ГКК). Все базовые станции используют один короткий код, но с разными циклическими сдвигами. Для обеспечения точности циклических сдвигов поддерживают с помощью системы радионавигации GPS.

Сформированные в прямом канале связи квадратурные составляющие сигналов во всех 64 CDMA-каналах затем объединяют и суммируют с весами в режиме линейного сложения. Синфазную и квадратурную компоненты получившегося группового сигнала фильтруют и подают на модулятор 4-позиционной фазовой манипуляции (QPSK).

Пилотный канал используется абонентской станцией для захвата несущей частоты, после чего отслеживает его с точностью до фазы и выделяет опорное колебание, необходимое для когерентной обработки сигналов данной базовой станции при приеме. Чем больше мощность пилотного сигнала, тем выше качество приема в прямом канале связи. Именно пилотный канал синхронизирует все процессы пуска и сложения последовательностей всех 64 каналов на выходе трактов передачи.

В составе АС имеется RAKE-приемник, который имеет три параллельных канала корреляционной обработки и один дополнительный, сканирующий канал. После захвата несущей частоты АС обрабатывает посылки в пилотном канале БС, выделяя из принимаемого многолучевого сигнала наиболее мощные компоненты. На этом этапе поиска сигналов БС, АС использует вспомогательный сканирующий канал. Таким образом, обеспечивается когерентный прием сигналов с трехкратным временным разнесением и последующим когерентным объединением ветвей.

По каналу синхронизации передаются данные о точном времени в системе, циклический сдвиг короткого кода данной БС, информацию идентификации БС и ЦКПС, мощность сигнала в пилотном канале, скорость передачи данных в вызывном канале, параметры длинного кода. Принимая сообщения канала синхронизации, АС получает необходимую информацию для начальной синхронизации с сетью.

По завершении процедур начальной синхронизации АС настраивается на вызывной канал, получая доступ к системной информации, и может принимать команды управления. Длинный код вызывного канала имеет ту же периодичность 42 бита, но включает фиксированную для всех вызывных каналов преамбулу длиной 13 бит, а в служебной части содержит номер вызывного канала (3 бита) и индекс временного сдвига ПСП пилот-сигнала (9 бит - число сдвигов 512); остальные 17 бит заполнены нулями.

Каналы прямого трафика служат для передачи сообщений трафика (речь и данные абонентов) и служебной информации с БС на АС.

К обратным каналам относят:

- канал доступа;

- каналы обратного трафика.

Канал доступа обеспечивает связь АС с БС, пока АС еще не настроилась на канал обратного трафика. Канал доступа использует совместно с вызывным каналом для регистрации АС в сети и выполнения начальных процедур по установлению соединения.

Каналы обратного трафика служат для передачи речи и данных абонентов с АС на БС, а также для сигнализации, когда АС уже выделен канал трафика.

В обратном канале применяется такой же, как и в прямом канале, алгоритм сверточного кодирования (рис.38). После перемежения выходной поток разбивается на слова по 6 битов в каждом. Затем, каждые очередные шесть символов C ₀… C ₅ входной информационной последовательности кодируются 64-битовой последовательностью Wn, в кодере Уолша (КУ).

Рис. 38. Формирование сигнала в обратном канале

Т.е. в обратном канале функции Уолша используются для помехоустойчивого кодирования информации, но не для расширения спектра частот и формирования адресных последовательностей, как это делается в прямом канале.

Далее поток преобразуется с помощью длинного кода, формируемого генератором длинного кода (ГДК). Каждая АС характеризуется индивидуальным значением циклического сдвига. Маски длинного кода в прямом и обратном каналах совпадают, но в канале обратного трафика не используют прореживатель, так что структура кодовой последовательности сохраняется.

Затем сигнал суммируют с коротким кодом, формируемым генератором короткого кода (ГКК), и подвергают 4-позиционной фазовой манипуляции со сдвигом (OQPSK), а манипулированное сообщение переносят на несущую. Сдвиг осуществляется с помощью задержки (З) в канале Q. Все АС в системе используют один короткий код, циклический сдвиг у которого фиксирован и одинаков для всех абонентских станций.

В обратном канале связи используют некогерентную обработку сигналов (рис.13). При приеме сигналов RAKE-приемник в БС имеет 4 параллельных канала корреляционной обработки сигналов. На опорные входы корреляторов подаются 64 функции Уолша, на выходе которых формируются 64 шестибитовых пакета. Та же самая процедура производится в других 3 каналах приемника. Затем выходы каждого канала RAKE-приемника складываются с равными весами, в результате чего решающее устройство выбирает канал RAKE-приемника с максимальной статистикой.

Установление связи в стандарте CDMA происходит следующим образом. После включения питания абонентская станция настраивается на рабочую частоту сети и ищет сигнал базовой станции (в сети используется общий для всех базовых и подвижных станций ко­роткий код). Вероятно, она обнаружит несколько сигналов разных базовых станций, которые можно различить по временному сдви­гу в коротком коде. Подвижная станция выбирает сигнал с боль­шим уровнем и, таким образом, получает когерентную опору для осуществления последующей демодуляции сигнала синхрониза­ции. Этому сигналу поставлен в соответствие 32-й код Уолша. После этого подвижная станция начинает мониторинг одного из каналов вызова [3].

К достоинствам стандарта CDMA можно отнести следующие:

1) 100%-ное использование доступного частотного ресурса. Изменяя временной сдвиг ПСП, можно использовать один и тот же участок полосы частот для работы во всех ячейках сети.

2) CDMA имеют динамическую абонентскую ем­кость. Абонентская емкость сис­темы ограничивается только внутрисистемной помехой, вызванной од­новременной работой подвижных или базовых станций соседних ячеек.

4.2.4 Система сотовой подвижной связи UMTS

Эволюция стандарта GSM привела к тому, что традиционную передачу данных заменили передачей с коммутацией пакетов (GPRS), где в зависимости от интенсивности трафика при передаче используются до 8 временных слотов. При этом была достигнута скорость передачи данных по одному каналу 48кБит/с. При дальнейшем усовершенствовании стандарта был предложен метод EDGE, в котором применена восьмипозиционная фазовая манипуляция (8-PSK). Это позволило в сочетании с изощренными методами кодирования увеличить скорость передачи до 384кБит/с. Однако основной недостаток EDGE состоит в том, что предлагаемая максимальная скорость передачи данных не обязательно доступна во всей соте. Если система EDGE организована по всей области покрытия, то число сот возрастет чрезвычайно, а организация такой сети станет слишком дорогостоящей.

В этой связи разработчики пошли по пути сочетания технологии EDGE c широкополосной системой многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (WCDMA), назвав стандарт 3G (Third Generation) или по европейской классификации UMTS.

Сравнительные характеристики EDGE и UMTS даны в таблице 4.

Таблица 4

Параметр	EDGE	UMTS
Скорость передачи в условиях высокой мобильности в локальных зонах покрытия, кБит/с
Скорость передачи в условиях высокой мобильности в широких зонах покрытия, кБит/с
Диапазон частот, МГц АС БС	Частоты GSM-900, DCS-1800	1920-1980 2110-2170
Ширина полосы канала, МГц	0.2
Тип модуляции	ФМ-8	ФМ-4
Мощность АС, Вт		0.125

Системы третьего поколения предназначаются для мультимедийной связи. При их использовании системы персональной связи получают возможность обеспечивать высококачественную передачу изображений и видеоданных, а доступ к информации и услугам по сетям общего пользования и частным сетям существенно расширен за счет более высоких скоростей передачи и новых возможностей в отношении гибкости связи, которыми обладают системы третьего поколения.

В UMTS используются два метода уплотнения каналов – кодо-временное уплотнение каналов (TDD-WCDMA) и кодо-частотное уплотнение каналов (FDD-WCDMA).

При TDD-WCDMA для прямого и обратного каналов используется одна и та же несущая частота в разные интервалы времени (рис.14). При этом передаваемые одновременно данные разделяются как по коду, так и по временной структуре (рис.40).

Рис. 14. Кадр системы WCDMA [9] (G-защитный промежуток, TS-обучающая последовательность, КИ – канальный интервал)

При FDD-WCDMA для прямого и обратного каналов используются разные несущие частоты, что требует наличия парных полос (рис. 15). Эта технология предусматривает передачу на одной частоте одновременно нескольких потоков данных, разделяемых за счет использования различных кодовых последовательностей расширения спектра сигнала (рис. 14).

Рис. 15. Полосы сигнала, выделяемые под стандарт UMTS [9]

Система UMTS состоит из ряда логических элементов сети, каждый из которых выполняет определенные функции. По своим функциям элементы сети группируются в сеть радиодоступа (UTRAN), которая оперирует всеми функциями, относящимися к радиосвязи, и в базовую сеть (CN), которая обеспечивает коммутацию и маршрутизацию вызовов и каналы передачи данных во внешние сети. Чтобы завершить систему, определяются оборудование пользователя (UE), которое взаимодействует с ним, и радиоинтерфейс (Uu). Архитектура системы UMTS показана на Рис. 16 [10].

UE (или АС) состоит из двух частей:

1) Подвижное оборудование – радиотерминал, используемый для радиосвязи через интерфейс Uu.

2) Модуль идентификации абонента UMTS (USIM), представляющий собой интеллектуальную плату, которая служит идентификатором абонента, выполняет алгоритм аутентификации и шифрования и некоторые данные об услугах, которыми имеет право пользоваться абонент, необходимые при пользовании терминалом.

UTRAN также состоит из двух элементов:

1) Узел B преобразует поток данных между интерфейсами Iub и Uu. Он также участвует в управлении радиоресурсами и по-другому называется базовой станцией.

2) Контроллер радиосети (RNC) владеет и управляет радиоресурсами в своей области (к ней подключены узлы B). RNС представляет собой точку доступа к сервису для всех услуг, которые UTRAN предоставляет CN, например, управление соединениями с UE.

Рис. 16. Архитектура сети UMTS [10]

Другие элементы сети UMTS совпадают по назначению с элементами сети стандарта GSM.

Архитектура протоколов сети UTRAN является трехуровневой и включает физический (уровень 1), канальный (уровень 2) и сетевой (уровень 3). В UMTS используется 3-х уровневая организация каналов. Каналы разделяются на логические, транспортные и физические (рис. 42).

Логические каналы определяют содержание, структуру и вид передаваемой информации, транспортные каналы – направления и точки, в которые пересылаются данные логических каналов, а физические – радиоинтерфейс, по которому осуществляется передача сигналов между абонентским оборудованием и базовыми станциями [9].

Логические каналы используются для управления более высокого порядка на уровне 3. Транспортные каналы в UMTS служат для транспортировки данных с физического уровня сети на канальный.

На сетевом уровне (уровне 3) обеспечивается управление ресурсами сети – установление, реконфигурирование и завершение соединений в каналах доступа и сигнализации с учетом перемещения АС.

Канальный уровень (уровень 2) служит транспортной средой между верхним и нижним уровнями. Он обеспечивает механизмы управления сетевыми ресурсами и поддержку протоколов с учетом требований по достоверности передаваемых данных, качеству обслуживания и времени ожидания.

Рис. 42. Взаимодействие каналов разных уровней

Физический уровень (уровень 1) предоставляет услуги уровню 2 посредством транспортных каналов, устанавливающих, каким образом и с какими параметрами будут передаваться данные. На этом уровне реализуются функции модуляции/демодуляции, синхронизации, переключение режимов передачи и приема, управление мощностью передатчиков.

Канальное кодирование в UMTS организовано так же, как и в стандарте CDMA. Сначала передаваемый информационный символ каждого абонента перемножается с коротким «расширяющим» кодом (например, последовательностью Уолша), который ортогонален любому коду другого пользователя той же соты. Затем, этот же сигнал перемножается с фрагментом псевдослучайной последовательности, специфичной для соты (для данной БС) в прямом канале и уникальной для каждого абонента в обратном канале. Эти коды, используемые для идентификации базовых станций, называют кодами скремблирования [9].

Роль скремблирующих кодов состоит не только в разделении между собой сигналов различных АС, но и в «отделении» физических каналов общего пользования от выделенных физических каналов.

В сети UMTS в отличие от стандрта CDMA используется асинхронный режим работы без привязки к единому внешнему источнику времени и без использования GPS. Процесс взаимной синхронизации АС и БС реализуется в несколько этапов, на протяжении которых осуществляется слотовая синхронизация, кадровая синхронизация и идентификация кодовой группы, идентификация применяемого кода скремблирования, синхронизация по частоте, идентификация соты.

Первоначальная синхронизация АС и сети начинается при включении питания мобльного терминала и состоит из 3 этапов:

1) Терминал осуществляет поиск 256-битового основного кода синхронизации, одинакового для всех ячеек. Поскольку основной код синхронизации одинаков для каждой ячейки, обнаруженный пик на выходе согласованного фильтра соответствует границе ячейки.

2) На основе пиков, обнаруженных для основного кода синхронизации, терминал осуществляет поиск наивысшего пика от кодового слова. Имеется 64 возможности для кодового слова дополнительной синхронизации. Терминалу необходимо проверить все 15 позиций, так как граница кадра не известна до обнаружения кодового слова.

3) Как только обнаружено кодовое слово, становится известной синхронизация кадра по времени. Терминал начинает поиск основных кодов скремблирования, которые принадлежат к этой конкретной кодовой группе. Каждая группа состоит из 8 основных кодов скремблирования. Их необходимо проверить для выбора только одной позиции, так как начальная точка уже известна.

По завершении описанной трехэтапной процедуры осуществляется установка частоты и окончательная идентификация соты.

Процесс установления соединения АС с БС по инициативе мобильного терминала происходит следующим образом. Сначала АС входит в синхронизм с базовой по описанной трехэтапной процедуре. Затем из сообщений широковещательного канала BCCH мобильная станция извлекает сведения о действующих на текущий момент идентификаторах и доступных ей временных окнах канала RACH, скремблирующих кодах канала случайного доступа RACH, текущем уровне помех на входе приемника БС. АС произвольно выбирает один из разрешенных для ее группы субканалов RACH, окно доступа, один из допустимых идентификаторов, а также определяет коэффициент расширения спектра для информационной части сообщения.

Затем АС оценивает потери по мощности в прямом канале и определяет требуемый уровень мощности в обратном канале на основании полученной от БС информации о помеховой обстановке. Она устанавливает начальный уровень мощности передачи по каналу RACH с достаточным запасом на неточность измерения. Далее АС передает преамбулу, содержащую идентификатор, и одновременно декодирует сигнал от БС на предмет, принята ли преамбула.

В течение установленного времени АС ожидает подтверждение приема от БС. При отсутствии подтверждения АСувеличивает мощность на 1 дБ и вновь посылает преамбулу и идентификатор. При наличии подтверждения от БС мобильный терминал начинает передачу сегмента сообщения.

Таким образом, ССПС стандарта UMTS содержит в себе все преимущества стандартов GSM и CDMA. Дальнейшее развитие UMTS предполагает поиск новых, более совершенных методов уплотнения каналов и алгоритмов сжатия сигналов.

Заключение

Эволюция систем передачи информации в 21 веке главным образом определяется развитием телекоммуникаций, которым присущи такие характерные признаки как глобализация, универсализация и интеллектуализация. Безусловно, эти признаки сформировались под влиянием бурного роста обмена цифровыми данными, в т.ч. мультимедийными в сети Интернет.

В этой связи резко возросла потребность в радиосистемах передачи цифровой информации, обеспечивающих существенно более высокую скорость передачи и пропускную способность по сравнению с существующими системами.

Прогресс в области создания перспективных систем передачи информации определяет и развитие мобильной связи. Совершенствование сотовых систем в направлении создания систем следующих поколений привели к появлению новых концепций построения систем сотовой подвижной связи, в частности 4G. Одна из наиболее оформленных концепций систем поколения 4G путем обновления платформы UMTS содержится в новой радиотехнологии мобильной связи следующего поколения LTE (Long Term Evolution).

Системы 4G – это новые системы беспроводной связи с высокой спектральной эффективностью и радиоинтерфейсами, поддерживающими обмен данными с пиковой скоростью 100Мбит/с в мобильном варианте с глобальным покрытием, и до 1Гбит/с – для ограниченной зоны и для объектов с малой подвижностью. Для систем 4G характерно максимальное интегрирование беспроводных платформ, имеющих открытую архитектуру, а также использование новых более совершенных методов уплотнения каналов, позволяющих повысить спектральную эффективность группового сигнала.

Дата добавления: 2015-08-27