Системы подвижной радиосвязи Айтмагамбетов А. З.
Классификация сетей подвижной связи
Классификация систем подвижной связи второго поколения
Принципы сотовой связи • Система сотовой связи строится в виде совокупности ячеек, или сот, покрывающих обслуживаемую территорию, например территорию города с пригородами. • Ячейки обычно схематически изображают в виде равновеликих правильных шестиугольников (рис. ), что по сходству с пчелиными сотами и послужило поводом назвать систему сотовой. • Прежде всего, в действительности ячейки никогда не бывают строгой геометрической формы. Реальные границы ячеек имеют вид неправильных кривых, зависящих от условий распространения и затухания радиоволн,
Ячейки (соты) систем, покрывающие всю обслуживаемую территорию
• Ячеечная, или сотовая, структура системы непосредственно связана с принципом повторного использования частот — основным принципом сотовой системы, определяющим эффективное использование выделенного частотного диапазона и высокую емкость системы. • В центре каждой ячейки находится базовая станция, обслуживающая все подвижные станции (абонентские радиотелефонные аппараты) в пределах своей ячейки.
Сота с базовой станцией в центре, обслуживающей все подвижные станции в соте
• При перемещении абонента из одной ячейки в другую происходит передача его обслуживания от одной базовой станции к другой. • Все базовые станции системы, в свою очередь, замыкаются на центр коммутации, с которого имеется выход во Взаимоувязанную сеть связи (ВСС), в частности, если в городе, — выход в обычную городскую сеть телефонной связи.
Упрощенная функциональная схема сотовой связи: БС — базовая станция; ПС подвижная станция
• . В стандарте GSM используется понятие система базовой станции (СБС), в которую входит контроллер базовой станции (КБС) и несколько, например до 16, базовых приемопередающих станций (БППС). • В частности, три БППС, расположенные в одном месте и замыкающиеся на общий КБС, могут обслуживать каждая свой 120 градусный азимутальный сектор в пределах ячейки (соты) или шесть БППС с одним КБС — шесть 60 градусных секторов.
Система базовой станции стандарта GSM: СБС — система базовой станции; КБС — контролер базовой станции; БППС — базовая приемо передающая станция; ПС —подвижная станция
Блок схема подвижной станции
Блок схема базовой станции
Блок схема центра коммутации
Структурная схема системы мобильной связи стандарта GSM
Принципы повторного использования частот • На практике взаимное влияние мобильных станций MS абонентов, имеющих одинаковые рабочие частоты, необходимо учитывать. • Поэтому была разработана концепция повторного использования частот, то есть в каждой соте используется определенная группа из /n канальных радиочастот. • Повторное использование частот (frequency reuse) заключается в том, что в соседних сотах используются разные полосы частот F, , которые повторяются через несколько сот.
Сотовая сеть на основе принципа повторного использования частот
3 элементный кластер
4 элементный кластер
9 элементный кластер
Концепция технологического развития мобильной и беспроводной связи Физические ограничения на радиоинтерфейсе IMT-2000 GSM-1800 GSM-900 CDMA 450
Структура кадра канала трафика
Формирование блоков закодированного речевого сигнала
Структура слота для каналов управления
Размещение логических каналов типов D и A
Организация пользовательских каналов
Структурная схема процесса обработки речи в стандарте GSM
Упрощенная блок схема кодека речи в стандарте GSM
Функции кодера канала
Структурная схема канального кодирования в стандарте GSM
КАНАЛЬНОЕ КОДИРОВАНИЕ • Применение упреждающей коррекции ошибок (англ. Forward Error Correction FEC) или обнаружение ошибок является одним из важнейших средств в обеспечении достоверности передачи цифровых данных. • Рассмотрим основные правила канального кодирования. • Обсудим простые модели канала, описывающие процессы, происходящие между кодером и декодером.
Модели каналов для канального кодирования
• представлено несколько базовых моделей каналов, применимых для анализа канального кодирования. Наиболее простая модель называется двоичным симметричным каналом без памяти (рис. 1. 12 а). Входы и выходы о ого канала — двоичные. Переданные и принятые блоки данных соблюдают понотовый порядок и на входе, и на выходе модели канала. Каждый бит кодируемой последовательности приходит на выход канала в неизменном виде с вероятностью 1—р. С вероятностью р передаваемые биты инвертируются, т. е. возникают битовые ошибки. Декодер принимает решение о переданной закодированной последовательности c по принятой двоичной последовательности r. В процессе принятия решения декодером могут применяться только те отношения алгебраической независимости между отдельными битами переданной последовательности, которые были установлены правилом кодирования.
• Отсутствие у рассматриваемой модели памяти приводит к тому, что ошибки статистически становятся взаимно независимыми, т. е. возникновение ошибок в предшествующие моменты времени никак не влияет на вероятность появления ошибок в текущий момент. Очень немногие реальные каналы передачи могут считаться действительно не имеющими памяти. • В большинстве случаев ошибки возникают пакетами. С другой стороны, существует множество алгоритмов декодирования, разработанных 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 пакетов 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 конкретный 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 соотношениях между отдельными битами, но и дополнительную информацию, поступающую из канала и позволяющую оптимизировать процесс декодирования. • На рис. изображен простейший пример такой модели.
• Двоичные символы представлены биполярными импульсами с амплитудой ±А. Они искажаются дополнительными статистически независимыми отсчетами гауссового шума. Пусть импульс А представляет двоичный символ « 0» , а импульс +А двоичный символ « 1» . Отсчет x представляется в виде суммы импульса и шума и обладает плотностью распределения вероятности, обусловленной передаваемым символом: +А или А. В приемнике отсчст х квантуется в М уровневом квантователе, выдающем на выходе r. 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 квантователя эта модель упрощается до уровня симметричного двоичного канала без памяти.
• Отметим, что в нашей модели сигнал на выходе канала измеряется намного точнее, чем в модели двоичного канала. Это позволяет нам использовать дополнительную информацию, содержащуюся в принятом символе для повышения качества декодирования, т. е. снизить вероятность принятия неверного решения о принимаемой кодированной последовательности. Ступенчатая линия на рис. 1. 13 обозначает последовательные уровни квантования. Декодирование, при котором используется дополнительная информация канала, называется декодированием с мягким решением. В противовес ему, декодирование с использованием только информации двоичных символов называется декодированием с жестким решением. • В большинстве применяемых в современной цифровой сотовой телефонии алгоритмов декодирования используются мягкие решения.
• 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.
Понятие избыточного кодирования • для канального кодирования к информационной последовательности добавляются биты, создающие информационную избыточность. Пусть кодируется k битная последовательность а. Предположим, что источник информации может генерировать любую комбинацию битов в k битном блоке. Таким образом, существует 2 k различных информационных последовательностей. Добавляя к k битным информационным блокам n - k дополнительных битов, мы получим n битные последовательности. Существует всего 2 n различных двоичных последовательностей длиной n, однако из них выбираются только 2 k последовательностей. Каждая из них представляет собой одну из возможных информационных последовательностей а. Назовем их кодовыми словами. Выбираются n битные последовательности таким образом, чтобы максимально отличаться друг от друга, Тогда, несмотря на возможность ошибочного приема некоторых битов, декодер может с высокой вероятностью сопоставить такую кодовую последовательность с принятой последовательностью, отправленной передатчиком. Разница между двумя кодированными последовательностями может быть измерена, исходя из числа позиций, в которых биты любой пары кодовых последовательностей различны. Это число называется расстоянием Хемминга между двумя последовательностями.
• Можно доказать, что если двоичные ошибки возникают статистически независимо друг от друга (это означает, что мы представляем канал симметричной двоичной моделью без памяти), то 2 k кодовых слова длиной n следует выбрать так, чтобы минимальное расстояние Хемминга между любой парой из них, было бы максимально. Оптимальный декодер, работающий по принципу максимального правдоподобия, выделяет из 2 k кодовых слов ту последовательность, которая наиболее близка (в категориях расстояния Хемминга) к переданной n битной последовательности. Если минимум расстояния Хемминга dmin между кодирующими последовательностями максимизирован, то кодирующая последовательность не может быть ошибочной более чем в t=[( dmin 1)/2] позициях, и декодер, работающий по принципу максимального правдоподобия, может принять верное решение о принятой последовательности.
• Пусть на декодер с выхода канала поступают неквантованные фрагменты xi (i=1, . . . , n). Предположим, что отсчеты аддитивного шума являются гауссовским и статистически независимыми. Можно доказать, что в случае модели, изображенной на рис. 1. IЗа и 1. 12 в, оптимальный декодер, определяющий максимально правдоподобное кодовое слово, выберет кодирующую последовательность с = (с1, с2, . . . , сn), которая наиболее близка (в категориях расстояния Евклида) к принятой последовательности х = (х1, х2, … хn). Другими словами, декодер выберет кодовое слово, которое удовлетворяет критерию • min∑(xi ci)2 (1. 8)
• На практике, декодер работает не с истинными значениями отсчетов xi, а с их квантованными представлениями. Более того, с точки зрения реализации, намного проще вычислить расстояние 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, удовлетворяющую условию • min∑ ri ci (1. 9) • Декодер, использующий критерий (1. 8), называется оптимальным декодером с мягким решением, работающим по принципу максимального правдоподобия. На практике, при использовании критерия (1. 9) вероятность возникновения ошибок оказывается несколько выше.
• Термин эффективность кодирования тесно связан с самим понятием кодирования. Для сравнения системы связи с канальным кодированием без оного, предположим что в обеих системах передача последовательностей, представляющих один и тот же k битный информационный блок, производится за одинаковый промежуток времени. Если в системе без кодирования энергия одного бита равна Еb, то в системе с кодированием она должна быть несколько меньше за счет того, что требуется передать некоторое количество избыточных битов. Таким образом, для n битной последовательности, представляющей k битный информационный блок, энергия одного бита равна k/n. Еb. Вероятность ошибочного декодирования кодового слова является функцией отношения энергии, приходящейся на один бит, к удельной мощности шума N 0.
Иллюстрация эффективности кодирования. 1 с кодированием; 2 без кодирования
• Показано влияние значения Еb / N 0 на вероятность появления ошибочного блока при использовании канального кодирования и без него на то, что энергия одного бита 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 показано на рис. 1. 14. С увеличением отношения Еb/N 0 графики вероятностей ошибочного распознования блока в системах с кодированием и без кодирования становятся все более параллельными и асимптотически сдвигаются относительно друга на Gд. Б вдоль оси Еb / N 0. Величина G называется асимптотической эффективностью кодирования.
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 между этими двумя категориями объяснялась выше. Второй критерий — это способ создания кодов. Как и в предыдущем подразделе, представим, что двоичный информационный поток делится на k битные блоки aj , где j номер блока. Если для каждого j кодовое слово сj является функцией исключительно текущего информационного блока аj, то такой код называется блочным кодом. Если кодовое слово сj является функцией исключительно текущего информационного блока аj и несколько предыдущих блоков аj 1, aj 2, …, aj i , 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 сверточным кодированием является автоматом и требует наличия ячеек памяти. Термин «сверточный код» возник благодаря тому, что двоичную последовательность на выходе кодера можно считать дискретной сверткой входного двоичного потока с импульсным откликом кодера. Под понятием «импульсный отклик кодера» подразумевается отклик кодера на одну «единицу» , после которой следует поток «нулей» .
• Третий критерий классификации основан на количестве различных символов, из которых строятся кодовые слова. Символы, в основном, двоичные. Код, в котором кодовые слова состоят из двоичных символов, называется двоичным кодом. Все операции над элементами кодовых слов производятся на алгебраическом поле, состоящем из двух элементов — нуля и единицы. Таким образом, операция суммирования представляет собой сложение по модулю 2, а операция перемножения – логическую конъюкцию.
• В некоторых приложениях используются недвоичные коды. Первое число или показатель его степени указывает количество различных символов, используемых для представления кодовых слов. Типичный пример применения недвоичных кодов – это исправление потока двоичных данных, искаженного пакетами ошибок. Символы, составляющие кодовое слово недвоичного кода, выбираются из набора цифр {0, …, (2 m 1)}. Кодовое слово строится таким образом, чтобы составляющие его и следующие друг за другом символы представлялись m битными блоками. В этом случае операция суммирования сложение по модулю 2 m, а операция перемножения конъюнкция по модулю 2 m. Если размер пакета ошибок 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 исправить, по крайней мере, два ошибочных символа.
• Еще один критерий классификации лежит в основе подразделения кодов на в систематические и несистематические. При систематическом кодировании информационные блоки представляются в явном виде, и за каждым блоком следует бит четности. При несистематическом кодировании кодовое слово выражается суммой информационных символов, рассчитанной в соответствии с выбранным правилом кодирования, то есть информационные блоки представляются в неявном виде.
Сверточные коды • Сверточные коды представляют собой очень важный класс кодов с коррекцией 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 состояний, в которые переходит в зависимости от входных информационных битов, рассматривающихся в качестве управляющих сигналов.
Пример сверточного кодера (а), соответствующая решетчатая диаграмма (б)
Путь на решетчатой диаграмме, соответствующий входной последовательности 0101101101 (в)
Классификация транкинговых систем радиосвязи • Транкинговые системы можно классифицировать по нескольким группам признаков. • Транкинговые системы связи можно разделить по следующим параметрам: • способ передачи голосовых сообщений; • организация доступа к системе; • способ предоставления (удержания) канала; • конфигурация радиосети; • способ организации радиоканала; • назначение; • количество абонентов; • применяемые протоколы.
Классификация транкинговых систем связи
• По способу передачи голосовых сообщений системы транкинговой связи подразделяются на: • аналоговые; • цифровые. • В аналоговых системах речевые сообщения передаются в аналоговом режиме (по добно обычной телефонной связи), а служебная информация — в цифровом. Основные характеристики аналоговых транкинговых систем представлены в табл. 1. • В цифровых системах и речевая, и служебная информация передаются в цифровом виде. Основные характеристики цифровых транкинговых систем представлены в табл. 2.
Схема передачи речи
Структура кадра в системе TETRA
Блок схема дифференциального квадратурного демодулятора
Возможности интеграции с сетями различного типа
Инфраструктура системы Nokia TETRA
Использование локального ретранслятора в режиме DMO
Использование шлюза ретранслятора в режиме DMO
Скачать презентацию Системы подвижной радиосвязи Айтмагамбетов А З Классификация
Системы подвижной радиосвязи.ppt