Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Харківський національний університет радіоелектроніки

Конспект лекцій

з дисципліни

“Системи зв`язку з рухомими об`єктами”

Харків 2010

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Харківський національний університет радіоелектроніки

Конспект лекцій

з дисципліни

“Системи зв`язку з рухомими об`єктами”

для студентів усіх форм навчання

напряму 6.050903 – Телекомунікації

Затверджено

кафедрою ТКС

протокол № 11 від 16.06.2010

Харків 2010

Конспект лекцій з дисципліни “Системи зв`язку з рухомими об`єктами” для студентів усіх форм навчаня напряму 6.050903 - Телекомунікації/Упоряд.: М.Д. Плотніков, М.В. Москалець. - Харків:ХНУРЕ,2010. -204 с.

Упорядники: М.Д. Плотніков

М.В. Москалець

Рецензент: В.В. Ємельянов проф., к.т.н. каф. “Мережі зв’язку” ХНУРЕ

ЗМІСТ Стр.

ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ……………………………………………………………….7

ВСТУП………………………………………………………………………………….9

1. ЗАГАЛЬНІ ПРИНЦИПИ ОРГАНІЗАЦІЇ МОБІЛЬНОГО РАДІОЗВ`ЯЗКУ

   1. Історія розвитку мобільного радіозв`язку…………………………………….…11

   2. Основні поняття і визначення……………………………………………………14

   3. Основні характеристики систем мобільного зв`язку…………………………...16

   4. Особливості поширення радіохвиль УКХ діапазону…………………………..16

   5. Класифікація систем мобільного зв`язку загального користування…………...18

   6. Територіальне планування систем мобільного зв`язку…………………………19

   7. Методика розрахунку рівномірності кластера…………………………………..26

   8. Способи розподілу каналів між базовими станціями……………………...........32

   9. Організація управління в системах мобільного зв`язку…………………….......35

   10. Критерії ефективності систем мобільного зв`язку…………………………...40

Контрольні запитання та завдання…………………………………………………...44

2. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА СМЗ ПЕРШОГО ПОКОЛІННЯ (1G)

   1. Стислий огляд стандартів аналогових СМЗ……………………………………..46

   2. Система стандарту NMT………………………………………………………….47

   3. Система стандарту AMPS…………………………………………………….......48

   4. Еволюція систем мобільного зв`язку…………………………………………….50

3. МОБІЛЬНІ СИСТЕМИ ЗВ`ЯЗКУ ДРУГОГО ПОКОЛІННЯ (2G)

   1. Стислий огляд систем мобільного зв`язку другого покоління (2G)……...……53

   2. Cистема мобільного зв`язку з доступом TDMA стандарту GSM-900…………54

   3. Особливості стандарту DCS-1800………………………………………………..56

   4. Склад і призначення обладнання мобільної системи зв`язку стандарту GSM..57

   5. Мережні інтерфейси у системах стандарту GSM……………………………….63

   6. Структура TDMA-кадрів………………………………………………………….64

   7. Організація каналів у системах стандарту GSM………………………………...67

   8. Формування сигналу в радіоканалі……………………………………………....69

   9. Протокол організації вихідних і вхідних викликів у мережах стандарту GSM………………………………………………………………………………...74

   10. Протокол організації естафетної передачі управління……………………….77

   11. Протокол організації роумінгу………………………………………………...79

   12. Забезпечення інформаційної безпеки в стандарті GSM……………………...80

Контрольні запитання та завдання…………………………………………………...83

4. ОСНОВИ ПОБУДОВИ СИСТЕМ ЗВ`ЯЗКУ З ДОСТУПОМ CDMA

   1. Загальна характеристика широкосмугових сигналів…………………………...84

   2. Геометричне і математичне зображення широкосмугових сигналів…………..88

   3. Види сигналів у системах з кодовим поділом сигналів………………………...96

Контрольні запитання та завдання………………………………………………….105

5. СИСТЕМА МОБЛЬНОГО ЗВ`ЯЗКУ CDMA СТАНДАРТУ IS-95

   1. Загальна характеристика системи мобільного зв`язку стандарту IS-95……...109

   2. Склад і призначення обладнання системи мобільного зв`язку стандарту

IS-95…………………………………………………………………………………..109

3. Принципи обробки сигналів в мобільній системі зв`язку стандарту IS-95….111

4. Організація каналів у системах стандарту IS-95………………………………117

5. Формування сигналу в прямому каналі трафіку………………………………119

6. Формуваня сигналу у зворотному каналі трафіку………………………….....123

7. Обслуговування викликів у мережах стандарту CDMA……………………...124

8. Управління потужністю…………………………………………………………127

9. Боротьба зі впливом багатопроменевості………………………………………129

10. Організація естафетної передачі управління………………………………...130

11. Забезпечення безпеки у стандарті IS-95……………………………………..130

12. Стисла характеристика обладнання стандарту IS-95……………………….131

13. Перваги і недоліки мобільних систем зв`язку з кодовим розподілом каналів……………………………………………………………………………………..134

Контрольні запитання та завдання…………………………………………………135

6. МОБІЛЬНІ СИСТЕМИ ЗВ`ЯЗКУ ТРЕТЬОГО ПОКОЛІННЯ (3G)

   1. Загальна характеристика стандартів мобільних систем зв`язку третього покоління………………………………………………………………………………136

   2. Еволюція систем з технологією TDMA………………………………………..142

   3. Еволюція систем з технологією СDMA………………………………………..146

   4. Загальна характеристика мобільних стандартів систем зв`язку UMTS……...148

   5. Архітектура систем стандарту UMTS………………………………………….150

   6. Організація каналів у стандарті UTRA FDD…………………………………...153

   7. Структура кадрів, мультиплексування каналів…………………………….......157

   8. Формування сигналу в системі UTRA………………………………………….160

   9. Особливості стандарту UTRA TDD…………………………………………….165

   10. Загальна характеристика СМЗ стандарту CDMA-450………………………166

   11. На шляху до четвертого покоління мобільних систем зв`язку (4G)……….168

Контрольні запитання та завдання……………………………………...…………..170

7. ТРАНКІНГОВІ СИСТЕМИ МОБІЛЬНОГО РАДІОЗВ`ЯЗКУ

   1. Загальні принципи побудови транкінгових систем……………………………171

   2. Класифікація транкінгових систем……………………………………………..173

   3. Методи організації зв`язку в транкінгових системах………………………….175

   4. Служби транкінгових систем……………………………………………………177

   5. Загальна характеристика аналогових транкінгових систем зв`язку…….........181

   6. Загална характеристика транкінгової системи зв`язку TETRA…………........185

   7. Режими роботи системи TETRA………………………………………………..186

   8. Архітектура мережі стандарту TETRA………………………………………...188

   9. Структура радіоінтерфейсу системи TETRA………………………………….192

   10. Послуги, що надаються системою TETRA………………………………….194

   11. Забезпечення інформаційної безпеки в системах TETRA……………….....198

Контрольні запитання та завдання...………………………………………………..199

8. СИСТЕМИ ПЕРСОНАЛЬНОГО РАДІОВИКЛИКУ

   1. Принципи побудови систем персонального радіовиклику……………………200

   2. Склад і призначення основних засобів СПРВ-3К…………………………..….202

   3. Однозонові і багато зонові СПРВ……………………………………………....204

   4. Основні стандарти СПРВ………………………………………………………..205

   5. Коротка характеристика пейджерів…………………………………………….206

Контрольні запитання та завдання …………………………………………………207

Глосарій………………………………………………………………………...……..208

РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА………………………………………………..210

Перелік скорочень

3GPP	– партнерство за проектом в області технологій 3-го покоління (формує стандарт WCDMA)
3GPP2	– партнерство за проектом в області технологій 3-го покоління (формує стандарт cdma- 2000)
ACELP	– алгебраїчний метод кодування і лінійного пророкування
BCCH	 широкомовний канал управління передачею
BPSK	 двійкова фазова маніпуляція; двопозиційна фазова маніпуляція
BS ( БС)	 базова станція
BSS	 система базових станцій
BSC	 контролер базової станції
CCCH	 загальний канал управління
CDMA	 множинний доступ з кодовим поділом каналів
CN	 базова мережа
PCH	 канал персонального виклику
DCCH	 виділений канал управління
DECT	 цифрова вдосконалена система бездротового телефону
DS-CDMA	 множинний доступ з кодовим поділом і прямим розширенням спектра
DTX	 переривчаста передача
EDGE	 підвищені швидкості передачі даних (для еволюції GSM)
ETSI	 Європейський інститут стандартів електрозв'язку
FACH	 прямий канал доступу
FDD	 режим частотного поділу дуплексних каналів
FDMA	 множинний доступ із частотним поділом каналів
FPLMTS	 наземна система мобільного зв'язку загального користування
MSC	 комутаційний центр рухомого радіозв'язку
GPRS	 пакетна комутація в мережах рухомого радіозв'язку
GSM	 глобальна система мобільного радіозв'язку
HLR	 домашній (за місцем реєстрації) регістр користувача
IMSI	 міжнародний ідентифікаційний номер рухомого абонента
IMT-2000	 міжнародна система рухомого зв'язку 2000
IN	 інтелектуальна мережа
IP	 сімейство протоколів Інтернету
IS-95	 cdma-One, одна із систем 2-го покоління, що використовується, переважно, в Америці і Кореї
ISDN	 цифрова мережа з інтеграцією служб
ITU	 Міжнародний союз електрозв'язку
ME	 устаткування рухомої станції
MS (АС)	 рухома станція
VLR	 реєстр подорожуючого користувача
MT	 мобільний термінал
PCH	 канал персонального виклику
PCPCH	 загальний фізичний пакетний канал
PDC	 персональний цифровий стільниковий зв'язок, система 2-го покоління, використовувана в Японії
PRACH	 фізичний канал довільного доступу
PSCH	 сполучений канал керування на фізичному рівні
PSTN	 телефонна мережа загального користування
QPSK	 квадратурна фазова маніпуляція
RACH	 канал випадкового доступу
RNC	 контролер радіомережі
SCH	 канал синхронізації
SF	 коефіцієнт розширення спектра
SMS	 служба передачі коротких повідомлень
SS7	 система сигналізації №7 (загальноканальна, система взаємодії мережних елементів)
TCH	 канал інформаційного обміну (трафика)
TD/CDMA	 CDMA з часовим поділом; комбінований TDMA і CDMA
TDD	 режим часового поділу дуплексних каналів
TDMA	 множинний доступ з часовим поділом каналів
TE	 термінальне устаткування
UE	 абонентське устаткування
UMTS	` універсальна мобільна телекомунікаційна система
UTRA UMTS	 наземний радіодоступ до UMTS (ETSI)
UTRA	 універсальний наземний радіодоступ (3GPP)
UTRAN	 мережа наземного радіодоступу системи UMTS
WCDMA	 широкосмуговий множинний доступ з кодовим поділом каналів

ВСТУП

Останнє десятиліття минулого століття в історії телекомунікацій було відмічено небувалим по темпах і масштабах зростанням ролі стільникового зв'язку у всіх сферах людської діяльності. Їх упровадження дозволило розв'язати проблему економічного використання виділеної смуги радіочастот шляхом передачі повідомлень на одних і тих же частотах і таким чином збільшити пропускну здатність телекомунікаційних мереж. Використання сучасних методів і технологій організації мобільного зв’язку дозволяє забезпечити абонентам таких мереж високу якість мовних повідомлень, надійність і конфіденційність зв'язку, захист від несанкціонованого доступу в мережу і ще дуже широкий набір інших послуг. Можливість передачі мудьтимедійних даних абоненту, що рухається, різко розширює його можливості і дозволяє йому більш ефективно використовувати робочий час, оперативно і надійно одержувати необхідну йому інформацію шляхом доступу до інформаційних ресурсів мережі Інтернет. Примітно, що розвиток мереж бездротового широкосмугового доступу і мереж мобільного стільникового зв'язку характеризується інтеграцією їх функцій і можливостей при зближенні технологій побудови тих і інших, що знаходить втілення в мережах широкосмугового мобільного доступу сучасних поколінь.

Розвиток мобільного зв’язку розпочався з 80-х років ХХ століття і містить де-кілька поколінь.Стандарти аналогових СМЗ систем 1-го покоління створювалися в багатьох країнах незалежно один від одного, що привело до їхньої несумісності. Крім того, цим системам властиві такі недоліки, як відносно низька пропускна здатність (ємність), відсутність засекречування переданих повідомлень, неможливість взаємодії з цифровими мережами. Найбільш відомі – NMT, AMPS.

Багато недоліків систем 1-го покоління (1G) усунуті в системах 2-го покоління (2G) – у цифрових СМЗ, таких як D-AMPS, GSM, IS-95 тощо. Характерною рисою цих СМЗ є обробка голосових сигналів та сигналів передачі даних у цифровому вигляді.

Актуальність проблеми переходу України до систем мобільного зв'язку 3-го покоління підтверджують загальні тенденції світового розвитку сектора мобільного зв'язку. Перехід до систем 3-го покоління характеризується надзвичайно широким спектром додаткових телекомунікаційних послуг, спрямованих на загальну інтеграцію існуючих мереж фіксованого і мобільного зв'язку до єдиної інформаційно-технічної структури на основі новітніх технологій. Подальший розвиток систем зв'язку 3-го покоління визначається, переважно, вимогами ринку, попитом на нові види послуг передачі даних з урахуванням збільшення попиту і об'єму трафіку на одного користувача.

Наступним етапом розвитку систем мобільного зв'язку є системи четвертого покоління (4G). У цих системах зв'язку передбачається використання технологій передачі мови за протоколом VoIP, забезпечення швидкостей передачі від 20 до 100 Мбіт/с, об'єднання з технологіями бездротових локальних мереж широкосмугового зв'язку на основі стандартів IEEE 802.11WLAN (Wireless Local Area Network). Запропоновано використовувати вдосконалені методи модуляції, методи динамічного виділення спектра частот DSA (Dynamic Spectrum Allocation). При такій архітектурі повна ефективність використання радіочастотного спектра збільшується за рахунок оптимального вибору технології радіодоступу для кожного виду послуг.

Ефективна інтеграція телекомунікаційної системи України до світових і європейських інформаційних структур можлива, за умови переходу до систем мобільного зв'язку 3-го і 4-го поколіннь.

Матеріал конспекту лекцій складається з 8 розділів. Після кожного з розділів подані контрольні запитання та завдання.

У першому розділі розглядаються загальні принципи організації мобільного зв’язку, основні характеристики та критерії ефективності СМЗ, особливості поширення радіохвиль діапазону УКХ, в якому здійснюється мобільний зв’язок, організація управління в мережі. Надається методика частотного і терріторіального планування СМЗ.

У другому розділі подана загальна характеристика аналогових СМЗ першого покоління.

У третьому розділі розглядаються загальні питання функціонування системи мобільного зв’язку другого покоління стандарту GSM, особливості формування сигналу в радіоканалі системи GSM-900, протоколи організації вхідних і вихідних викликів, процедури роумінгу та естафетної передачі.

Четвертий розділ присвячений основам сінтезу широкосмугових сигналів, їхньому геометричному і математичному представленню.

В п’ятому розділі розглянуті принципи формування та обробки сигналів в системі мобільного зв’язку з кодовим розподілом каналів стандарту ІS-95. Надається коротка характеристика обладнання у стандарті ІS-95 та основних процедур таких як управління потужністю, боротьба із впливом багатопроміневості, забезпечення безпеки інформації.

Архітектура побудови системи мобільного зв’язку третього покоління UMTS та особливості стандарту UTRA TDD подано у шостому розділі.

Сьомій розділ присвячений розгляду питань організації зв’язку у транкінговій ситемі ТETRA.

В восьмому розділі надані принципи побудови сетем персонального радіовиклику.