Сотовые системы связи Часть 1 Профессор кафедры

Сотовые системы связи Часть 1 Профессор кафедры радиотехнических систем, д. т. н. Юрий Павлович Акулиничев

Сотовые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев, ТУСУР 2 Характерные особенности Назначение – цифровая телефония и передача данных для обслуживания подвижных пользователей. Основные отличия от других систем беспроводной связи – применение МД с пространственным разделением каналов (с повторным использованием частот) и передача обслуживания при перемещении из одной соты в другую.

Сотовые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев, ТУСУР 3

Сотовые системы связи 4 Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев, ТУСУР Частотные каналы Ширина частотного канала Δf Ширина диапазона частот ΔF … … f Дуплексное разнесение частот fд Стандарт GSM-900 CDMA (IS-95) 935 -960 (вверх) 890 -915 (вниз) 824 -849 (вверх) 869 -894 (вниз) Ширина диапазона частот ΔF, МГц 25 25 Ширина частотного канала Δf, к. Гц 200 1125 Дуплексное разнесение частот fд , МГц 45 45 Число частотных каналов 124 20 Диапазон частот, МГц

Сотовые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев, ТУСУР 5 Блок-схема подвижной станции (абонентского радиотелефонного аппарата)

Сотовые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев, ТУСУР Кодер речи GSM 6

Сотовые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев, ТУСУР Кодер речи GSM Итог – за 20 мс вместо 1280 бит передается 260 бит, т. е. сжатие в 4, 92 раза. Скорость передачи 13 кбит/с вместо 64 кбит/с. 7

Сотовые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев, ТУСУР Канальное кодирование GSM 8

Сотовые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев, ТУСУР Схема блочного перемежения GSM 9

Сотовые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев, ТУСУР 10

Сотовые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев, ТУСУР 11 Принцип формирования GSMK-сигнала (гауссовская ЧМ с минимальным фазовым сдвигом)

Сотовые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев, ТУСУР Структура кадра канала трафика при передаче речи 12

Сотовые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев, ТУСУР 13 Система сотовой подвижной связи CDMA Центральными понятиями метода многостанционного доступа с кодовым разделением каналов в реализации компании Qualcomm являются расширение спектра методом прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum), кодирование по Уолшу (Walsh Coding) и управление мощностью. Расширение спектра методом прямой последовательности применяется только в двоичных цифровых СПИ с ФМ. Начнем с обычной одноканальной СПИ с ФМ, где для передачи каждого бита от источника используется радиоимпульс прямоугольной формы, начальная фаза которого определяется значением этого бита, например, 0° при передаче единицы и 180° при передаче нуля. Длительность этого информационного импульса , где V – скорость передачи, бит/с. Ширина спектра такого сигнала примерно равна . При малой скорости передачи сигнал занимает узкую полосу частот. Для организации кодового разделения каналов в многоканальной СПИ каждый канальный информационный импульс подвергается дополнительной внутриимпульсной фазовой модуляции. Для этого импульс разбивается на B частей равной длины (на B более коротких импульсовчипов), при этом число В называется базой сигнала. Для данного канала раз и навсегда задана B-разрядная двоичная последовательность, определяющая закон внутриимпульсной фазовой модуляции, причем элементы этой последовательности удобно обозначить как +1 и – 1 вместо традиционных 1 и 0. Далее каждый элемент сигнала умножается на соответствующий элемент последовательности, то есть остается без изменений, если множитель равен +1 и инвертируется в случае – 1.

Сотовые системы связи 14 Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев, ТУСУР Расширение спектра методом прямой последовательности а) t б) t +1 – 1 +1 +1 – 1 Преобразование информационного импульса в сигнал с внутриимпульсной ФМ: а) до преобразования; б) после преобразования. Другим каналам можно присвоить, допустим, такие последовательности: +1, – 1, +1, – 1, +1; +1, – 1, +1, … Максимальное число ортогональных последовательностей равно B, следовательно, именно таково количество каналов, работающих без взаимных помех. В системе сотовой подвижной связи CDMA принято В=64

Сотовые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев, ТУСУР 15 Расширение спектра методом прямой последовательности Для , где m – целое положительное число, существует простой способ определения системы ортогональных двоичных последовательностей в виде строк матрицы Адамара. Матрица Адамара второго порядка имеет вид Матрица порядка 2 p состоит из блоков – матриц порядка p Например,

Сотовые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев, ТУСУР Кодирование в прямом канале (вниз) 16

Сотовые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев, ТУСУР Схема кодирования в обратном канале (вверх) Способ модуляции – КАМ-4 17

Сотовые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев, ТУСУР Изменение мощности излучения подвижных станций 18

Сотовые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев, ТУСУР Пути повышения емкости системы сотовой связи 19

Сотовые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев, ТУСУР 20 Преимущества CDMA перед другими системами следующие: - ёмкость базовых станций увеличивается в 8 -10 раз по сравнению с AMPS и в 4 -5 раз - по сравнению с GSM; - улучшенное качество звука по сравнению с AMPS; - отсутствие частотного планирования благодаря использованию тех же самых частот в смежных секторах каждой соты; - улучшенная защищённость передаваемых данных; - улучшенные характеристики покрытия, позволяющие использовать меньшее количество сот; - большее время работы батарей до разрядки; - возможность выделения требуемой полосы частот - по потребности.

Сотовые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев, ТУСУР О поколениях мобильной связи 21

Сотовые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев, ТУСУР О поколениях мобильной связи 22

Сотовые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев, ТУСУР 23 Стандарты мобильной связи третьего поколения: Семейство IMT-2000 В середине 1980 -ых была рождена концепция для IMT-2000: International Mobile Telecommunications 2000 (международные мобильные средства телекоммуникаций 2000) в Международном Союзе Электросвязи (ITU: International Telecommunication Union) как третье поколение системы мобильной связи. И спустя больше чем десять лет напряженной работы под руководством ITU, одобрили технические спецификаций для третьего поколения как IMT-2000. Спектр IMT-2000 - от 400 МГц до 3 Гц, что технически подходит для третьего поколения. Одобрение же подразумевало, что впервые полная функциональная совместимость и межсетевое взаимодействие в мобильных системах могли быть достигнуты. IMT-2000 - результат сотрудничества многих объектов внутри самого Международного Союза Электросвязи (ITU-R и ITU-T) и внешних 3 GGP 1, 3 GPP 2 2, UWCC 3, ETSI 4. IMT-2000 предлагает возможность обеспечения развития услуг и приложений на основе единственного стандарта. Эта система предоставляет платформу для цифровой голосовой связи, высокоскоростной передачи данных, доступа в Интернет и различных мультимедиа сервисов. Одной из ключевых задач является глобальный роуминг, предоставляющий пользователям безграничное передвижение по земному шару с использованием одной телефонной трубки и номера. Ожидается, что IMT-2000 обеспечит более высокие нормы передачи данных: минимальная скорость 2 Мбит/с на коротких расстояниях и 348 kbit/s на больших с перемещением на большой скорости. Кроме этого, IMT-2000 имеет следующие основные характеристики:

Сотовые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев, ТУСУР 24 Семейство стандартов IMT-2000: 1. IMT-DS или W-CDMA: Wideband Code Division Multiple Access (широкополосный множественный доступ с кодовым разделением) - Основан на FDD (Frequency Division Duplex - дуплекс с частотным разделением) структуре. Координацией разработки этого стандарта занимается 3 GPP. Сеть на основе WCDMA впервые запущена 1 октября 2001 года японским оператором мобильной связи NTT DOCOMO под маркой FOMA. В этом случае японский оператор мигрировал со стандарта PDC. В Европе же будет осуществляется миграция со стандарта GSM. Систему третьего поколения мобильной связи, принятой в Европе и основанной на миграции с GSM на WCDMA, назвали - UMTS (Universal Mobile Telecommunication System - универсальная система мобильной связи). Ещё существует 3 GSM, также, основанный на миграции с GSM на W-CDMA, предлагаемый Ассоциацией GSM. 2. IMT-MC или CDMA 2000 - основан на FDD (Frequency Division Duplex - дуплекс с частотным разделением). Разработкой занимается 3 GPP 2. Впервые, сеть на основе CDMA 2000, запущена уже 1 октября 2000 года в Южной Корее оператором. На апрель 2002 года сети с использованием этого стандарта запущены в США, Бразилии, Канаде, Японии, Румынии. 3. IMT-TS или TD-SCDMA - основан на TDD (Time-Division-Duplex - дуплекс с временным разделителем). Стандарт был предложен Китаем, был одобрен в ITU и передан в 3 GPP. Интересно то, что система UMTS также относится и этому стандарту, так как она использует как FDD так и TDD. 4. IMT-SC или UWC-136: (Universal Wireless Communications'-136 - универсальные мобильные коммуникации) - Координацией разработки занимался UWCC. Стандарт разработан, в основном, для упрощенной миграции операторов, предлагающих свои услуги в стандарте DAMPS/TDMA IS-136. 5. IMT-FT или FD-TDMA также известен как DECT+ или DEXT EP (Digital Europian Cordless Telecommunication: Цифровые европейские беспроводные телекоммуникации) в Европе. Стандарт для бытовых телефонов. Примечания: 1 - 3 GPP: 3 rd Generation Partnership Project - глобальный проект совместной координации разработки W-CDMA институтами стандартизации стран Европы, Японии, Южной Кореи и США 2 - 3 GPP 2: 3 rd Generation Partnership Project 2 - глобальный проект совместной координации разработки CDMA 2000 институтами стандартизации стран Японии, Южной Кореи и США 3 - UWCC: Universal Wireless Communications Consortium - объединение разработчиков и операторов стандарта сотовой связи TDMA IS-136 и UWC 136 4 - ETSI: European Telecommunications Standard Institute - Европейский институт стандартизации электросвязи

Сотовые системы связи Профессор кафедры радиотехнических систем Ю. П. Акулиничев, ТУСУР 25