Сравнение методов dsss и fhss.

Метод частотных скачков, так же как и описанный выше метод прямой последовательности, обеспечивает конфиденциальность и некоторую помехозащищенность передач. Помехозащищенность обеспечивается тем, что если на каком-нибудь из 79 подканалов передаваемый пакет не смог быть принят, то приемник сообщает об этом, и передача этого пакета повторяется на одном из следующих (в последовательности скачков) подканалов.

С другой стороны, поскольку при использовании метода частотных скачков, в отличие от метода прямой последовательности, на каждом подканале передача ведется на достаточно большой мощности (сравнимой с мощностью обычных узкополосных передатчиков), про этот метод нельзя сказать, что он не мешает другим видам передач.

DSSS	FHSS
Выше скорость (на одну точку доступа)	Выше суммарная скорость передач в одной соте
Больше устойчивость к помехам	Устройства дешевле и проще в установке
Меньше мощность, меньше помех другим устройствам	Хорошо соответствует схеме с большим количеством независимых передач точка-точка
Лучше обеспечивает схему точка  -много точек	Меньше дальность
Хорошо подходит для построения корпоративных и коммерческих сетей	Больше шумит, менее помехоустойчив
	Лучше подходит к работе внутри помещений

Суммируя, мы можем выделить следующие свойства Spread Spectrum  технологии:

• Помехозащищенность. (Избыточность кодирования  помехоустойчивость)

• Не создаются помехи другим устройствам. (Низкая мощность сигнала - низкий уровень помех)

• Конфиденциальность передач.

• Экономичность при массовом производстве. (Низкая мощность сигнала - дешевые высокочастотные компоненты оборудования)

• Шумоподобный сигнал - компактные антенны

• Шумоподобный сигнал - возможность работы в диапазоне, уже занятом классическими системами радиопередач без взаимных помех

• Высокая скорость передач в канале - возможность экономного его использования по принципу локальной сети.

30. Модуляция с расширением спектра. Метод FHS.

Расширение спектра

На физическом уровне стандарт допускает использование одного из двух типов радиоканалов и одного типа канала инфракрасного диапазона. Оба типа радиоканалов используют технологию расширения спектра, приводящую к уменьшению среднего значения спектральной плотности мощности сигнала благодаря распределению энергии в полосе частот, более широкой, чем необходимо для обеспечения заданной скорости передачи. Эта технология позволяет уменьшить уровень создаваемых помех и обеспечивает повышенную помехоустойчивость приема.

Первый тип радиоканала — Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) Radio PHY. Предусмотрена скорость передачи 1 Мбит/с (факультативно 2 Мбит/с). Версия 1 Мбит/с использует двухуровневую гауссову частотную модуляцию (2GFSK), а версия 2 Мбит/с — четырехуровневую (4GFSK). При скорости 1 Мбит/с частота сигнала изменяется на длительности символа сообщения, равной 1 мкс, по гауссову закону от номинального значения до значения +170 кГц и возвращается к номинальному значению. Для передачи нуля частота сигнала изменяется на величину –170 кГц. Для скорости 2 Мбит/с предусмотрено четыре уровня отклонения частоты (+225, +75, –75, –225 кГц), поэтому каждая элементарная посылка (символ) переносит два бита сообщения. Ширина спектра сигнала при такой модуляции равна 1 МГц, независимо от скорости передачи. Это дает возможность использовать для передачи 79 частотных позиций в диапазоне от 2402 до 2480 МГц с шагом 1 МГц. Для расширения спектра частота сигнала изменяется по псевдослучайному закону не реже одного раза в 400 мс.

31. Прием сигналов с расширением спектра. ПСП Голда и Касуми.

Коды Голда — тип псевдослучайных последовательностей. Значимость этих последовательностей происходит из-за их очень низкой взаимной корреляции. Применяются в CDMA и GPS.

Оптимальные автокорреляционные свойства могут быть получены и для М-последовательностей, однако, для реализации принципа коллективного доступа необходим большой набор кодов одинаковой длины с хорошими взаимокорреляционными свойствами. Поэтому используется особый класс ПШ-последовательностей, который называют последовательностями Голда. Коды Голда не только позволяют получить большой набор последовательностей, но также и однородные и ограниченные значения взаимокорреляционной функции. Коды Голда хорошо подходят для использования в качестве длинных скремблирующих кодов для беспроводного множественного доступа с кодовым разделением каналов ( кодов Голда для передачи информации от базовой станции к подвижному объекту, и кодов усеченной последовательности для обратного направления).

Последовательности Голда могут быть сгенерированы путем суммирования по модулю 2 двух М-последовательностей одинаковой длины. Результирующие Коды Голда имеют ту же самую длину как и исходные М-последовательности.

Ниже приведены предпочтительные пары М-последовательностей для генерации кодов Голда, число сгенерированных кодов Голда равно , где m — длина сдвигового регистра, длина кода равна . Нормализованная ВКФ принимает одно из трех значений в зависимости от m.

KASUMI (от японск.霞 (hiragana かすみ, romaji kasumi) — туман, mist) — блочный шифр, использующийся в сетях сотовой связи 3GPP. Также обозначается A5/3 при использовании в GSM и GEA3 в GPRS.

KASUMI разработан группой SAGE (Security Algorithms Group of Experts), которая является частью Европейского Института по Стандартизации в области Телекоммуникаций (ETSI)^[1]. За основу был взят существующий алгоритм MISTY1 и оптимизирован для использования в сотовой связи.

KASUMI использует 64-битный размер блока и 128-битный ключ в 8-раундовой схеме Фейстеля. В каждом раунде используется 128-битный раундовый ключ, состоящий из восьми 16-битных подключей, полученных из исходного ключа по фиксированной процедуре генерации подключей.

32. Сотовые сети. Принцип построения. Пространственное разделение канала связи.

Структура сети сотовой связи GSM

GSM — это сокращенное название системы сотовой связи — Global System for Mobile communication. Сеть сотовой связи состоит из большого числа развернутых на местности приемопередатчиков, зоны обслуживания которых частично перекрываются. Принцип повторного использования частот в сети позволяет добиться высокой плотности трафика на больших территориях. Поскольку уровень мощности, излучаемой терминалами (те­лефонами) сотовой связи ограничен, на местности приходится размещать большое количество базовых станций, обслуживающих небольшие площа­ди. Несколько базовых станций объединяются в ячейку, часто представля­емую в виде правильного шестиугольника. Совокупность таких ячеек на местности похожа на пчелиные соты. Отсюда и это вид связи получил свое название — сотовая связь.

Сеть сотовой связи стандарта GSM подразделяется на три элемента:

• мобильные станции, которыми пользуются ее абоненты;

• базовые станции, управляющие процессом соединения с мобильны­ми станциями;

• коммутационные центры мобильной связи, обеспечивающие комму­тацию соединений между абонентами мобильных станций и абонен­тов мобильных станций с абонентами телефонных сетей общего по­льзования и наоборот.

Вызовы

В системе GSM используется принцип временного разделения кана­лов с множественным доступом (TDMA — Time Division Multiple Access). При этом сигналы с базовой станции (BS — Base Station) передаются на мобильную станцию (MS — Mobile Station) и наоборот. В состав базовой станции входят трансивер или приемопередающее устройство (BTS — Base Tranceiver Station) и контроллер (BSC — Base Station Controller). Как правило, один BSC обслуживает 20—30 BTS, а коммутационный центр мо­бильной связи (MSC — Mobile Switching Centre) управляет трафиком (по­токами информации) между разными ячейками сотовой связи на основе сигналов, получаемых от базовых станций.

Регистрация посетителя (VLR — Visitor Location Register), относящего­ся к «чужой» сети, является одной из функций MSC. При появлении в сети «чужого» абонента он сверяет его данные с имеющимися в памяти и либо разрешает (если роуминг данному абоненту разрешен), либо отказы­вает (если роуминг запрещен) этому абоненту в доступе к сети.

Каналы и обработка сигналов

Каналы в системе сотовой связи стандарта GSM делятся на два клас­са: логические и физические. Физические каналы характеризуются их час­тотными параметрами, в частности, диапазоном, частотами приема и пе­редачи базовых и мобильных станций, и временными параметрами или параметрами используемых временных слотов. Логические каналы так и называются, потому что они логически распределяются в физических ка­налах. Физические каналы используются для передачи сигналов логичес­ких каналов управления или каналов трафика. Что и когда передается по физическому каналу, определяется конкретным промежутком времени.

Каждому физическому каналу, представляющему собой пару частот — передачи и приема, присваивается номер.

Рассчитать частоту канала п можно по формулам:

Fjx = 890 + 0,2-п (МГц), где 1 < п < 124;

Frx = FTx + 45 (МГц), где Frx и Ftx обозначают соответственно частоты приема и передачи.

Как было сказано выше, эти данные представляют собой логический канал. Он состоит из канала трафика TCH (Traffic Channel), используемый главным образом для передачи речевой информации, и ши­роковещательного канала ВСН (Broadcast Channel) для передачи сигналов управления. Основное назначение канала ВСН — передача информации от базовой станции на мобильную с целью синхронизации работы, иден­тификации, вызова и управления соединением. Его сигнал постоянно из­лучается каждой базовой станцией сотовой связи, а мобильная станция всегда ищет для соединения ту базовую станцию, принимаемый сигнал которой максимален.

Структура канала ВСН включает:

• канал коррекции частоты FCCH (Frequency Correction Channel);

• канал синхронизации SCH (Synchronization Channel);

• широковещательный канал управления ВССН (Broadcast Control Channel).

Общий канал управления ССН (Common Control Channel) играет роль доски объявлений и состоит в свою очередь из двух каналов — канала вы­зова РСН (Paging Channel) и канала предоставления доступа AGCH (Access Grant Channel). Медленный управляющий канал взаимодействия SACCH (Slow Associated Control Channel) присутствует в сигнале каждые 12 фреймов и служит для управления мощностью передающего устройства и синхронизации работы мобильной станции, передачи служебной ин­формации на мобильную станцию, передачи от нее на соседние базовые станции информации об уровне и качестве приема. Быстрый канал обме­на сигналами управления FACCH (Fast Associated Control Channel) остает­ся невидимым и включается в работу при необходимости обеспечения хэндовера мобильной станции, изменяя при этом канал трафика ТСН.

Выделенный канал управления SDCCH (Stand-alone Dedicated Control Channel) и канал случайного доступа RACH (Random Access Channel) ра­ботают в процессе установления соединения.

Каждой MS присваивается уникальный идентификационный номер, и, как только телефон включают, происходит его немедленная регистра­ция и аутентификация в сети. Это позволяет немедленно найти абонента сотовой связи, где бы он ни находился при условии, что его MS находится в зоне покрытия сети.

В процессе сеанса связи передаются функциональные блоки данных:

• VLR (Visitor Location Register) — регистрационные данные посетите­ля сети. Данные, хранящие информацию о абоненте, который рабо­тает в данной сети в качестве роумера (т. е. пользователя «неродной» сети, с которой она имеет соглашение о роуминге). При входящих звонках на мобильный телефон абонента происходит запрос его VLR данных;

• HLR (Home Location Register) — регистрационные данные пользова­теля в «домашней» сети. При этом идет обращение к базе данных оператора сотовой связи, услугами которого пользуется абонент. Например, возможности доступа, подключенные услуги, дополни­тельные услуги. Также в состав этих данные входят и VLR данные. При перемещениях абонента соответствующим образом модифици­руются и его регистрационные данные. И еще эти данные поступают на MSC для обеспечения немедленного перенаправления вызовов на мобильную станцию абонента;

• AUC (Authentication Center) — аутентификационный центр. Храни­мая в нем информация необходима для защиты связи от прослуши­вания и постороннего доступа. То есть, доступность абонента воз­можна только при использовании его аутентификационных данных, что обеспечивает необходимую конфиденциальность связи;

• EIR (Equipment Identity Register) — регистрационные данные ис­пользуемого оборудования. Для повышения уровня безопасности связи оператор может ввести использование и индивидуальных дан­ных о мобильной станции абонента. В этом случае SIM-карта або­нента может быть использована только в одном конкретном аппара­те сотовой связи;

• SIM (Subscriber Identity Module — идентификационный модуль або­нента) или по-другому SIM-карта, представляющая собой микросхе­му памяти с запрограммированными в ней идентификационными данными абонента, вмонтированную в карту небольших размеров, устанавливаемую в специальный слот сотового телефона.

Как было сказано выше, мобильные телефоны системы GSM исполь­зуют принцип временного кодирования сигналов с множественным досту­пом или TDMA (Time Division Multiple Access). Это значит, что при разго­воре абонента сигналы от его телефона передаются короткими пачками импульсов — пакетами, которые включают помимо передаваемой инфор­мации и служебную. Соответственно, аналоговые сигналы перед подачей их на модулятор должны быть оцифрованы, и все сигналы — обработаны процессором, чтобы занять свое, определенное для них в пакете место. На одном частотном канале (в GSM ширина его полосы составляет 200 кГц) могут вести переговоры несколько абонентов одновремено. В пределах од­ной соты может быть задействовано несколько таких каналов.

Речевой сигнал после цифро-аналогового преобразователя представ­ляет собой цифровую последовательность, которая после преобразования ее в параллельный код подается на синфазно-квадратурный или I/Q (In-phase/Quadrature) модулятор. В современных системах мобильной цифровой связи используются именно I/Q модуляторы. Они позволяют получить сигналы практически со всеми видами модуляции, используе­мыми в таких системах, реализовать метод модуляции с постоянной оги­бающей, отличающийся от других высокими энергетическими характе­ристиками. На рис. 1.4 показана упрощенная схема I/Q модулятора. Из нее видно, что сигнал опорной частоты подается на фазовращатель, кото­рый формирует из него два одинаковых сигнала, сдвинутых по частоте на 90°. В результате сложения этих сигналов и получают модулированный ра­диочастотный сигнал. Фильтры нижних частот на входе модулятора пред­назначены для сглаживания фронтов импульсов. Их обычно называют предмодуляциоиными фильтрами.

В современных мобильных телефонах наиболее широкое применение нашли приемники прямого преобразования или DCR (Direct Conversion Receiver). Принцип работы такого приемника прост: принимаемый сигнал подается на преобразователь частоты, на который одновременно подается и сигнал гетеродина с частотой, равной частоте принимаемого сигнала. В результате выделяется информационный сигнал. Соответственно прием­ник прямого преобразования для приема сигналов GSM должен обеспе­чить возможность выделения квадратурных каналов I и Q.