Исследование принципов построения сотовых сетей стандарта GSM

Для того чтобы  ввести количественные характеристики, описывающие занимаемый абонентом  канал, рассмотрим, прежде всего, основные понятия спектрального описания сигналов.

 

 

2.4  Спектральное  представление сигналов

 

 

Если функция s(t) в (2.2) абсолютно интегрируема в  бесконечных пределах, то преобразование Фурье, или спектр сигнала s(f), будет  иметь вид

 

                                                                     (2.2)              

При передаче дискретных (цифровых) сообщений широко используется понятие энергетического спектра  случайной последовательности сигналов s(t) с тем или иным видом модуляции (манипуляции), представляющего собой усредненный по множеству реализаций квадрат модуля спектра S( ) в (2.2). В качестве примера, вид модулирующей функции u(t) и последовательности сигналов s(t) с фазовой манипуляцией на угол 180", или двоичной фазовой манипуляцией (ФМ-2), в логарифмическом масштабе вид соответствующего энергетического спектра G(f), нормированного к своему максимальному значению, т.е. 10 lg[G(f)/G_max].

Анализ зависимости  показывает, что убывание уровня внеполосных  излучений происходит со скоростью l/f2. Такой уровень излучений оказывается недостаточным для организации связи в сотовых сетях, и поэтому вместо сигналов ФМ-2 используются сигналы с более компактным спектром.

Понятие энергетического  спектра G(f) применимо и к случайным последовательностям сигналов, имеющим бесконечную длительность, путем усреднения по всем возможным реализациям сигнала. При пакетной передаче сообщений в сотовых сетях часто используются понятия мгновенного спектра и усредненного спектра пакета сообщений. Нетрудно убедиться, что значения уровня внеполосных излучений для пакета сообщений может быть как выше, так и ниже соответствующего значения для энергетического спектра. Обратимся теперь к особенностям спектрального представления сигналов, не являющихся относительно узкополосными, к которым, в частности, относятся и речевые сообщения.

Речевой сигнал сложно записать аналитически, и нахождение его спектра связано с численным  решением интеграла Фурье. Спектр речевого сигнала не является дискретным, хотя и может содержать ярко выраженные дискретные составляющие. Кроме того, невозможно дать однозначное определение ширины полосы занимаемых частот.

Существуют  различные подходы к определению  занимаемой полосы частот. Так, можно  определить ее как полосу, за пределами которой нормированный уровень спектра не превосходит заданного значения, например -20 дБ. Согласно этому критерию ширина полосы рассматриваемого сигнала приблизительно составляет 4 кГц. Также занимаемую полосу частот определяют по критерию заданной концентрации в ней энергии сигнала. Существуют и другие методы, но в любом случае выбор того или иного критерия обусловлен спецификой решаемой задачи.

Ширину полосы частот речевого сигнала принято  считать равной 3,1 кГц, т. е. от 300 до 3400 Гц. Разумеется, что при усечении спектра сигнала до указанных границ какая-то часть информации неизбежно теряется, а именно теряются те составляющие речи, которые придают голосу естественную «глубину» и эмоциональную окраску. Тем не менее, в пределах этой полосы частот речевой сигнал, с одной стороны, сохраняет в необходимой степени свою разборчивость, а с другой — позволяет эффективно использовать частотные ресурсы системы. Указанный частотный интервал принято называть каналом тональной частоты (КТЧ).

 

 

2.5  Модуляция сигналов, используемых в сотовых сетях

 

 

Первоначально для сетей стандарта GSM был выбран диапазон частот 900 МГц, и в настоящее  время большинство сетей во всем мире используют именно этот диапазон. Кроме того, в некоторых странах  используется расширенная модификация данного стандарта, называемая E-GSM (Extended GSM), обладающая рядом преимуществ. В этом случае основной стандарт называется P-GSM (Primary GSM).

В 1990 г. Великобритания предложила для создания здоровой конкуренции  новый стандарт GSM-1800, ориентированный соответственно на работу в диапазоне частот 1800 МГц. Лицензии на работу в этом диапазоне имеются во многих странах (практически во всех, где был развит традиционный стандарт GSM-900), и на сегодняшний момент сети стандарта GSM-1800 функционируют в полном объеме. Очевидно, что, предоставляя лицензии для GSM-1800 в дополнение к GSM-900, регион (страна) увеличивает число операторов, что в конечном итоге вследствие конкуренции повышает качество обслуживания и снижает его стоимость.

В 1995 г. в США была сформулирована концепция персональной услуги связи (PCS — Personal Communication Services), основная идея которой состоит в приоритете связи абонент—абоненту в противовес сложившейся концепции станция—станции. При этом в стандарте PCS не требуется, чтобы такие услуги осуществлялись на основе сотовой технологии, но анализ существующих телекоммуникационных систем показал, что именно сотовые системы мобильной связи способны реализовать поставленные цели с наибольшей эффективностью. Поскольку стандарт GSM-900 не мог напрямую использоваться в США ввиду того, что диапазон 900 МГц оказался занят, системы PCS были размещены вблизи частоты 1900 МГц, а соответствующий стандарт назвали GSM-1900, или американский GSM.

Итак, для организации  радиосвязи между абонентами следует выбирать электромагнитные волны с частотами, лежащими в указанных диапазонах.

При выборе вида модуляции  в сотовых сетях руководствуются  высокой спектральной эффективностью, малым значением пик-фактора и  заданной достоверностью приема сообщений, поэтому для этих сетей подходят далеко не все виды модуляции.

Например, представлен сигнал, амплитуда которого изменяется в  соответствии с речевым сообщением. Несмотря на то, что амплитудная  модуляция занимает в истории  развития средств телекоммуникаций почетное место, в настоящее время из-за высокого значения пик-фактора она используется нечасто.

Trading Area и одновременно  на 493 зоны ВТА (Basic Trading Area). И если  зона МТА может быть размером  до штата, зона ВТА может  покрыть только большой город. Федеральной комиссией США по связи было выпущено две лицензии PCS для каждой зоны МТА и четыре лицензии для каждой зоны ВТА. Таким образом, к примеру, город Лос-Анджелес может обслуживаться шестью операторами: четырьмя компаниями, работающими непосредственно в Лос-Анджелесе и имеющими лицензию ВТА, и двумя компаниями, работающими в пределах штата Калифорния и имеющими лицензию МТА. Использование модуляции не только изменяет временную структуру сигнала, но также трансформирует его спектр. И если при амплитудной модуляции происходит лишь перенос спектра в область высоких частот, то частотная модуляция существенным образом изменяет его спектральный состав, в частности, заметно расширяется занимаемая полоса частот. Согласно стандарту GSM частота сигналов изменяется по специальному закону, называемому гауссовской частотной манипуляцией с минимальным сдвигом частоты (ГМСК). При этом модуляция производится в два этапа: сначала указанному преобразованию подвергается сигнал на промежуточной частоте, а затем производится перенос спектра в заданный диапазон частот без каких-либо его изменений. Для увеличения спектральной эффективности (уменьшения ширины главного лепестка и снижения уровня внеполосных излучений) модулирующий сигнал u(t) подвергается низкочастотной фильтрации с помощью фильтра, имеющего гауссовскую амплитудно-частотную характеристику. Последовательность сигналов у(t), следующих с тактовым интервалом Т, на выходе такого фильтра имеет вид

 

                (2.3)

 

где F — полоса частот фильтра по уровню –З дБ, а символы d принимают значения ±1 на n-м тактовом интервале в соответствии с передаваемой информацией.

Реализация  модулятора предполагает наличие цифрового  низкочастотного фильтра, к выходу которого подключены интегратор и два квадратурных канала: синусный и косинусный. На выходе этих каналов после суммирования происходит формирование сигнала на промежуточной частоте. Такие сигналы имеют постоянную огибающую A(t), позволяющую использовать нелинейный, энергетически эффективный режим усиления. Кроме того, сигналы ГМСК обладают хорошими корреляционными свойствами и при использовании оптимального когерентного или некогерентного приема обеспечивают вероятность ошибки 10-4 при отношении сигнал-шум 35... 40 дБ для значения FT = 0,3. Реальный вид спектра сигналов с ГМСК, полученный с использованием Цифрового спектроанализатора японской фирмы «Анрицю», из которого следует, что ширина полосы частот составляет около 200 кГц.

Таким образом, главным ресурсом системы, позволяющим осуществить связь между абонентами, по крайней мере, в одном направлении, является радиоканал, характеризуемый центральной частотой, которая обычно называется несущей, и интервалом частот, необходимым для передачи и приема модулированных сигналов. При всем разнообразии радиоканалов их тем не менее можно подразделить на три группы: симплексные, полудуплексные и полнодуплексные, или просто дуплексные.

Для симплексного канала, например вещательных радиостанций, несущая частота используется только в одном направлении: от вещателя к получателю. Для полудуплексного канала используются две различные частоты: одна на передачу, а другая на прием, но при этом приемник и передатчик не могут работать одновременно. Наконец, в дуплексном канале также используются две различные частоты для приема и передачи, но эти процессы могут происходить в один и тот же момент времени. При осуществлении вызова или сеанса связи между абонентами направление передачи от МС к БС называется восходящим каналом, а от БС к МС — нисходящим. 

При использовании  дуплексного канала требуется, чтобы  восходящий и нисходящий каналы разделялись  в спектре частот некоторым дуплексным расстоянием, иначе сигналы оказывали  бы взаимное влияние друг на друга. В стандарте GSM-900 восходящий и нисходящий каналы разнесены по частоте на 45 МГц. В течение сеанса связи на передачу и прием сигналов оказывает воздействие множество внешних факторов. Роль некоторых из них, например климатических, незначительна. Однако имеет место ряд факторов, действие которых оказывает существенное влияние на распространение радиоволн. Кратко рассмотрим наиболее значимые из них.

 

 

2.6  Влияние  внешних факторов

 

 

Потери при  передаче возникают, когда полученный сигнал ослабевает из-за увеличивающегося расстояния между БС и МС, даже при отсутствии препятствий между передающей и принимающей антеннами. Это может привести к потере запроса, поскольку по мере того, как значения потерь становятся близкими к критическим, увеличивается вероятность установления канала связи посредством другого пути передачи сигналов между БС и МС и перенаправления вызова на него.

При наличии  между передатчиком и приемником физических препятствий (холмов, зданий и т. п.) создается затенение —  теневой эффект, который приводит к уменьшению мощности принимаемого сигнала. При движении МС в условиях затенения возникают замирания — периодические перепады мощности (уровня) сигнала, характеризуемые глубиной, т. е. разностью между средним значением мощности и ее отклонениями.

Эффект затенения  не является единственной причиной замираний, поскольку наряду с ним имеет место эффект многолучевого распространения радиоволн, когда в точке приема наблюдается интерференция (наложение) нескольких идентичных сигналов (фактически — несколько копий одного сигнала), прошедших по разным путям и, следовательно, отличающихся по фазе, а зачастую и по амплитуде. Замирания в результате данного эффекта возникают из-за наличия зданий или возвышенностей, находящихся вблизи трассы распространения радиоволн.

Результатом появления замираний, которые обычно называют рэлеевскими, является возникновение особой пространственной структуры электромагнитного поля, представляющей собой чередование максимумов и минимумов уровней сигналов. При этом глубина и период замираний в общем случае зависят от скорости движения МС и рабочей частоты. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что расстояние между точками максимума и минимума сигнала приблизительно равно половине длины волны, что, например, для сетей GSM-900 составляет 17 см.

Сети GSM, как  и большинство сетей мобильной  связи второго поколения, для  своего функционирования используют принцип  множественного абонентского доступа  с временным разделением каналов (МДВР). При такой организации  каналов одна рабочая частота  используется несколькими абонентами — каждым в определенные моменты времени, называемые временными окнами, или слотами.

Для использования  МДВР на одной рабочей частоте  формируется временной кадр, включающий в себя восемь слотов, и каждой МС на сеанс связи назначается один слот в восходящем и один слот в нисходящем каналах. Информация, посланная в течение одного слота, называется пакетом, т.е. обмен информации между абонентами происходит в пакетном режиме.

Поскольку исходной информацией для передачи в сетях GSM являются речевые сообщения, изменяющиеся как по частоте (тон и тембр голоса), так и по амплитуде (от шепота до крика), то может показаться, что аналоговые сигналы являются более удобным способом передачи речевых сообщений, чем цифровые, ибо представление речевой информации дискретными значениями приводит на первый взгляд к ее потере. В действительности ситуация оказывается иной.

Все сигналы как цифровые, так и аналоговые ослабляются  и искажаются при передаче их на расстояние. Если передаваемый сигнал является аналоговым, то ослабление его уровня может быть частично или полностью компенсировано посредством дополнительного усиления.

Однако при этом также  пропорционально будут усиливаться  искажения. В то же время использование  цифровых сигналов позволяет передавать и принимать информацию практически без искажений.