Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования “Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники”
Кафедра систем телекоммуникаций
Мищенко В.Н.
Электронный учебно-методический комплекс дисциплины
CИСТЕМЫ ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ И РАДИООПРЕДЕЛЕНИЯ
Для студентов специальностей
Ι−45 01 01 Многоканальные системы телекоммуникаций
Ι−45 01 02 Системы радиосвязи, радиовещания и телевидения
Минск 2008
1
СОДЕРЖАНИЕ |
|
1. ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ И ПОСТРОЕНИЯ |
4 |
СИСТЕМ МОБИЛЬНОЙ РАДИОСВЯЗИ |
|
1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ МОБИЛЬНОЙ РАДИОСВЯЗИ |
4 |
1.2. ТРАНКИНГОВЫЕ СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ |
5 |
1.3. СИСТЕМЫ ПЕРСОНАЛЬНОГО РАДИОВЫЗОВА |
9 |
1.4. СИСТЕМЫ ПЕРСОНАЛЬНОЙ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ |
11 |
1.5. СОТОВЫЕ СИСТЕМЫ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ |
14 |
1.6. ЭВОЛЮЦИЯ СИСТЕМ И СТАНДАРТОВ СОТОВОЙ СВЯЗИ |
17 |
2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СИСТЕМ МОБИЛЬНОЙ 24
РАДИОСВЯЗИ |
|
|
|
|
|
|
2.1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОКАНАЛА В |
24 |
|||||
СИСТЕМАХ ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ |
|
|
|
|
||
2.2. МОДЕЛИ ПРЕДСКАЗАНИЯ УРОВНЯ ПРИНИМАЕМОГО |
30 |
|||||
РАДИОСИГНАЛА |
|
|
|
|
32 |
|
2.3. ПРИНЦИПЫ ТЕРРИТОРИАЛЬНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ |
||||||
СИСТЕМ |
|
|
|
|
|
|
3. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОЕ КОДИРОВАНИЕ В СИСТЕМАХ |
35 |
|||||
МОБИЛЬНОЙ РАДИОСВЯЗИ |
|
|
|
|
|
|
3.1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ КОДИРОВАНИЯ |
|
|
35 |
|||
3.2. БЛОКОВЫЕ КОДЫ |
|
|
|
|
36 |
|
3.3. СВЕРТОЧНЫЕ КОДЫ |
|
|
|
|
42 |
|
3.4. ПЕРЕМЕЖЕНИЕ СИМВОЛОВ |
|
|
|
49 |
||
3.5. ПРОЦЕДУРЫ КОДИРОВАНИЯ И ПЕРЕМЕЖЕНИЯ В |
50 |
|||||
СТАНДАРТЕ GSM |
|
|
|
|
|
|
3.6. СВЕРТОЧНОЕ КОДИРОВАНИЕ И ПЕРЕМЕЖЕНИЕ В |
51 |
|||||
ПОЛНОСКОРОСТНОМ РЕЧЕВОМ КАНАЛЕ |
|
|
55 |
|||
3.7. |
КОДИРОВАНИЕ |
И |
ПЕРЕМЕЖЕНИЕ |
В |
||
ПОЛНОСКОРОСТНОМ КАНАЛЕ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ И |
|
|
||||
КАНАЛАХ УПРАВЛЕНИЯ |
|
|
|
|
|
|
4. ИНФОРМАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ В МОБИЛЬНЫХ |
59 |
|||||
СИСТЕМАХ СВЯЗИ |
|
|
|
|
|
|
4.1. МЕТОДЫ ШИФРОВАНИЯ |
|
|
|
|
59 |
|
4.2. СИММЕТРИЧНЫЕ СИСТЕМЫ ШИФРОВАНИЯ |
|
|
60 |
|||
4.3. АСИММЕТРИЧНЫЕ СИСТЕМЫ ШИФРОВАНИЯ |
|
|
63 |
|||
4.4. ИДЕНТИФИКАЦИЯ И АУТЕНТИФИКАЦИЯ В СИСТЕМАХ |
66 |
|||||
МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ |
|
|
|
|
|
|
4.4.1. АУТЕНТИФИКАЦИЯ СООБЩЕНИЯ |
|
|
67 |
|||
4.4.2. АУТЕНТИФИКАЦИЯ АБОНЕНТА |
|
|
|
70 |
||
4.5. КОНФИДЕНЦИАЛЬНОСТЬ И АУТЕНТИФИКАЦИЯ 71 ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ
5. КОДИРОВАНИЕ РЕЧЕВЫХ СООБЩЕНИЙ |
73 |
5.1. РЕЧЕВЫЕ КОДЕКИ |
73 |
5.2. КОДЕРЫ ФОРМЫ РЕЧЕВОГО СИГНАЛА |
75 |
5.3. ВОКОДЕРЫ |
77 |
6. МОДУЛЯЦИЯ СИГНАЛОВ В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ |
82 |
2
МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ |
|
|
82 |
|
6.1. КРИТЕРИИ ВЫБОРА МОДУЛЯЦИОННЫХ ФОРМАТОВ ПРИ |
||||
ЦИФРОВОЙ ПЕРЕДАЧЕ ДАННЫХ |
|
84 |
||
6.2. |
МОДУЛЯЦИОННЫЕ |
ФОРМАТЫ |
ЦИФРОВЫХ |
|
СТАНДАРТОВ СОТОВОЙ СВЯЗИ ВТОРОГО И ТРЕТЬЕГО |
|
|||
ПОКОЛЕНИЙ |
|
|
|
|
7. |
РАДИОИНТЕРФЕЙС |
МОБИЛЬНОГО |
ТЕЛЕФОНА |
90 |
СТАНДАРТА GSM |
|
|
|
|
7.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СТАНДАРТА GSM |
|
90 |
||
7.2. АРХИТЕКТУРА РАДИОИНТЕРФЕЙСА. ЛОГИЧЕСКИЕ И |
91 |
|||
ФИЗИЧЕСКИЕ КАНАЛЫ |
|
|
|
|
7.3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РАДИОИНТЕРФЕЙСА С СЕТЬЮ GSM |
99 |
|||
7.3.1. ПОДКЛЮЧЕНИЕ МС (ПЕРВАЯ РЕГИСТРАЦИЯ) |
99 |
|||
7.3.2. ОТКЛЮЧЕНИЕ МС |
|
|
104 |
|
7.3.3. ВХОДЯЩИЙ ВЫЗОВ |
|
|
104 |
|
7.3.4. ИСХОДЯЩИЙ ВЫЗОВ |
|
|
107 |
|
7.3.5. ЭСТАФЕТНАЯ ПЕРЕДАЧА |
|
107 |
||
8. РАДИОИНТЕРФЕЙС СИСТЕМЫ CDMAONE (IS-95) |
111 |
|||
8.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМЫ |
|
111 |
||
8.2. АРХИТЕКТУРА ЛИНИИ "ВНИЗ" |
|
114 |
||
8.2.1. ПИЛОТНЫЙ КАНАЛ |
|
|
114 |
|
8.2.2. КАНАЛ СИНХРОНИЗАЦИИ |
|
117 |
||
8.2.3. КАНАЛ ПЕРСОНАЛЬНОГО ВЫЗОВА |
|
118 |
||
8.2.4. КАНАЛ ПРЯМОГО ТРАФИКА |
|
122 |
||
8.3. АРХИТЕКТУРА ЛИНИИ "ВВЕРХ" |
|
123 |
||
8.3.1. КАНАЛ ДОСТУПА |
|
|
124 |
|
8.3.2 КАНАЛ ОБРАТНОГО ТРАФИКА |
|
127 |
||
9. РАДИОИНТЕРФЕЙСЫ МОБИЛЬНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ 130 ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ
9.1. ОБЩАЯ КОНЦЕПЦИЯ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ ТРЕТЬЕГО |
130 |
ПОКОЛЕНИЯ |
|
9.2. РАДИОИНТЕРФЕЙС СИСТЕМЫ UMTS/FDD |
133 |
9.2.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ОСНОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ |
133 |
9.2.2. ЛОГИЧЕСКИЕ, ТРАНСПОРТНЫЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ 134
КАНАЛЫ |
|
9.2.3. ВЫДЕЛЕННЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ КАНАЛЫ ЛИНИИ "ВВЕРХ" |
135 |
9.2.4. ОБЩИЕ ФИЗИЧЕСКИЕ КАНАЛЫ ЛИНИИ "ВВЕРХ" |
136 |
9.2.5. КАНАЛИЗИРУЮЩИЕ КОДЫ ЛИНИИ "ВВЕРХ" |
137 |
9.3. ЭВОЛЮЦИЯ СТАНДАРТА IS-95 В CDMA2000 |
139 |
10. СИСТЕМЫ РАДИОПРЕДЕЛЕНИЯ И НАВИГАЦИИ |
142 |
10.1. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИ- 142 РОВАНИЯ СИСТЕМ РАДИОПРЕДЕЛЕНИЯ И НАВИГАЦИИ
10.2. КЛАССИФИКАЦИЯ СРНС |
144 |
10.3. СПУТНИКОВАЯ РНС ГЛОНАСС |
146 |
10.4. СПУТНИКОВАЯ РНС GPS |
148 |
3
1. ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ И ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ МОБИЛЬНОЙ РАДИОСВЯЗИ
1.1.КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ МОБИЛЬНОЙ РАДИОСВЯЗИ
Современные системы мобильной радиосвязи (СМР) весьма разнообразны по спектру применений, используемым информационным технологиям и принципам организации. Поэтому их содержательный обзор был бы затруднен без предварительной систематизации. Основываясь на данных, можно предложить следующий набор классификационных признаков СМР:
•способ управления системой, иначе способ объединения абонентов -
централизованный (координированный) или автономный
(некоординированный). При централизованном объединении связь между абонентами производится через центральные (или базовые) станции. В противном случае связь между пользователями устанавливается непосредственно, без участия базовых станций;
•зона обслуживания - радиальная (в пределах радиуса действия радиостанции), линейная (для линейно протяженных зон), территориальная (для определенных конфигураций территории);
•направленность связи - односторонняя или двусторонняя связь между абонентом и базовой станцией;
•вид работы системы - симплекс (поочередная передача от абонента к базовой станции и обратно) или дуплекс - одновременная передача и прием в каждом из двух названных направлений;
•метод разделения каналов в системе радиосвязи, или метод множественного доступа - частотный, временной или кодовый;
•способ использования частотного ресурса, выделенного системе связи, - жесткое закрепление каналов за абонентами, возможность доступа абонентов к общему частотному ресурсу (транкинговые системы), повторное использование частот за счет пространственного разнесения передатчиков (сотовые системы);
•категория обслуживаемых системой связи абонентов профессиональные (служебные, корпоративные) абоненты, частные лица;
•вид передаваемой информации - речь, кодированное сообщение и др. Данный перечень не исчерпывает всех возможных системообразующих
признаков (можно упомянуть и такие, как диапазон используемых частот, вид модуляции сигналов, способ соединения системы связи с коммутируемой телефонной сетью общего пользования (ТФОП), число обслуживаемых абонентов и пр.), однако и его достаточно для демонстрации многообразия существующих СМР.
Учитывая распространенность существующих типов СМР, а также перспективы их развития, можно предложить следующую систему классификации СМР, основу которой составляют три из перечисленных ранее отличительных признака:
• назначение системы и размер зоны радиопокрытия;
4
•метод множественного доступа;
•схема дуплексирования каналов радиолинии.
В зависимости от назначения системы, объема предоставляемых услуг и размеров зоны обслуживания можно выделить следующие четыре типа СМР:
•транкинговые системы связи (ТСС);
•системы персонального радиовызова (СПРВ);
•системы персональной спутниковой связи (СПСС);
•сотовые системы мобильной связи (ССМС).
По способу организации множественного доступа, т.е. технологии распределения между отдельными каналами связи частотно-временного ресурса, выделяют СМР на основе одной из трех конкурирующих технологий:
•множественный доступ с частотным разделением каналов (МДЧР,
англоязычная аббревиатура FDMA - frequency division multiple access);
•множественный доступ с временным разделением каналов (МДВР или ТОМА - time division multiple access);
•множественный доступ с кодовым разделением каналов (МДКР или
CDMA - code division multiple access).
Что же касается третьего признака классификации - дуплексирования каналов, то различие СМР состоит в способе организации информационного обмена в радиоканале двусторонней связи между абонентами либо между базовой станцией и абонентом. Наибольшее распространение находят системы с организацией дуплексной передачи на основе частотного и временного разделения.
Рассматриваемые ниже конкретные примеры помогут лучше понять смысл приведенной классификации и дадут некое предварительное представление о принципах построения СМР.
1.2.ТРАНКИНГОВЫЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ
Термин "транкинговая" (или транковая) связь происходит от английского слова trunk (ствол) и отражает то обстоятельство, что “ствол связи” содержит несколько каналов, причем жесткое закрепление каналов за абонентами отсутствует. В литературе можно найти различные определения транкинговых систем, общим для которых является именно предоставление в распоряжение абонента одного из свободных на данный момент каналов. В частности, к данному классу относят:
•радиально-зоновые системы наземной мобильной радиосвязи, использующие автоматическое распределение ограниченного частотного ресурса ретранслятора среди большого числа абонентов;
•системы массового применения, позволяющие при ограниченном частотном ресурсе обслуживать максимальное число абонентов.
Типичной сферой применения транкинговых систем являются государственные, ведомственные, корпоративные организации и институты, такие как служба скорой помощи, пожарная служба, охрана правопорядка, органы безопасности, различные коммерческие структуры и др. По большей
5
части транкинговые системы используются как средства оперативной связи с жестко лимитированным и постоянно контролируемым контингентом абонентов в пределах ограниченной территориальной зоны. Учитывая специфику применения транкинговых систем, их иногда называют профессиональными системами мобильной радиосвязи (PMR — Professional Mobile Radio), либо частными системами мобильной радиосвязи — Private Mobile Radio. Системы PMR, обеспечивающие соединение мобильных объектов с абонентами ТФОП, часто выделяются особо как Public Access Mobile Radio (PAMR).
Транкинговые системы связи (ТСС) могут строиться как системы с однозоновой или многозоновой структурой. Принимая во внимание специфический характер ТСС, т.е. ограниченность числа пользователей системы, переход от однозоновой к многозоновой структуре объясняется в первую очередь расширением географической зоны действия системы, а не стремлением к повышению числа абонентов (абонентской емкости) системы. При пересечении границ радиопокрытия ТСС отслеживают перемещение абонентов, обеспечивают их регистрацию и назначение им нового частотного канала. Однако, как правило, подобный переход происходит с прерыванием связи, для восстановления которой абонентам необходимо произвести повторный вызов.
Транкинговые системы могут использовать как симплексные, так и дуплексные каналы радиосвязи, однако с целью упрощения и удешевления в них нередко применяется полудуплексный режим работы, при котором один и тот же канал поочередно используется для связи от центра управления (базовой станции) к абоненту и в обратном направлении.
Реализация принципа равного доступа к каналу связи может быть осуществлена децентрализованно либо при централизованном управлении. В первом случае функция нахождения свободного канала возлагается на абонентскую станцию, которая проводит последовательный поиск незанятого частотного канала во всем выделенном системе диапазоне. Во втором случае анализ занятости каналов связи осуществляет базовая станция либо непосредственно центр коммутации мобильной связи. Как правило, установление связи при последовательном сканировании частотного диапазона занимает достаточно большой интервал времени. Для обеспечения оперативности управления в современных ТСС предусматривается существование специального канала, посредством которого производится управление транкинговой системой, в том числе выполнение процедур установления и прекращения связи.
По способу организации канала управления различают ТСС с выделенным и распределенным каналом управления. В первом случае, как следует из названия, выделенный канал используется исключительно для управления работой системы. Во втором - в процессе сеанса связи сигналы управления передаются одновременно с речевым сигналом.
С учетом сказанного транкинговая система связи может быть представлена обобщенной структурной схемой (рис. 1.1), где использованы следующие обозначения:
6
•МС - мобильная станция (мобильный абонент);
•БС - базовая станция (центр управления);
•УОР - устройство объединения радиосигналов;
•Р - ретрансляторы;
•ЦКМС - центр коммутации мобильной связи;
•ТФОП - телефонная сеть общего пользования;
•ДПУ - диспетчерский пункт управления.
Зона 1 |
Зона 2 |
МС |
БС |
|
УОР |
||
|
||
МС |
|
ДПУ 
ЦКМС 
ЦКМС 
ТФОП
Рис. 1.1. Обобщенная структурная схема ТСС
Следует отметить, что для ТСС наиболее характерно разделение каналов связи по частоте с индивидуальными ретрансляторами на разных частотах. Возможен и вариант ТСС с использованием широкополосных ретрансляторов, обслуживающих сразу все каналы. Назначение остальных блоков структурной схемы является очевидным и не требует дополнительных комментариев.
Как уже упоминалось ранее, совместимость различных систем и оборудования обеспечивается стандартизацией интерфейсов. Наибольшее распространение получили следующие протоколы транкинговой связи: МРТ
1327, EDACS и TETRA.
Стандарт МРТ 1327, разработанный министерством почт и телекоммуникаций Великобритании (Ministry of Post and Telecommunication
(MPT)), определяет в основном протокол передачи информации управления и контроля состояния аппаратуры (иначе - информации сигнализации) для транкинговых систем наземной мобильной радиосвязи, причем информационные сообщения передаются по аналоговому радиоканалу. На его основе разработаны радиоинтерфейс МС (абонента), определяемый протоколом MPT 1343, и радиоинтерфейс БС - МРТ 1347. Стандартами предусматривается передача информации со скоростью 1,2 кбит/с по каждому из 500 каналов связи в диапазоне частот 201,2125...207,4875 МГц (МРТ 1347) и 193,2125...199,4875 МГц (МРТ 1343), причем каждый дуплексный канал
7
занимает две полосы шириной 12,5 кГц с разносом каналов приема и передачи в 8 МГц.
Фирмой Ericsson разработана система транкинговой радиосвязи,
получившая название EDACS (Enhanced Digital Access Communications System - Усовершенствованная система связи с цифровым доступом). Системы EDACS выпускаются в различных модификациях, причем различают системы EDACS, сети EDACS и расширенные сети EDACS. Системы EDACS, объединенные между собой посредством контроллеров узлов связи и диспетчерских пунктов управления, образуют сети EDACS, которые, в свою очередь, с помощью некоторых интегрированных узлов связи могут объединяться в расширенную сеть для покрытия значительных территорий.
Всистеме EDACS применяются два типа радиоканалов - рабочий канал
иканал управления. Канал управления служит для обмена цифровой информацией сигнализации между мобильными станциями и устройствами управления работой всей системы. Рабочие каналы используются для обмена собственно информацией (разговорной или данными) между мобильными станциями. Системы и сети EDACS рассчитаны на использование как аналоговых, так и цифровых станций, обеспечивающих передачу речевых сигналов в цифровой форме. Стандартная скорость передачи данных составляет 9,6 кбит/с по каждому из 20 каналов системы EDACS в диапазонах частот 30...300 МГц, 800 МГц или 900 МГц с разносом каналов связи 25, 30 и 12,5 кГц.
Общие тенденции, связанные с унификацией и интеграцией СМР идентичного назначения, привели к разработке под эгидой ETSI (European Telecommunications Standards Institute - Европейский институт стандартов связи) общеевропейского стандарта TETRA (Trans-European Trunked RAdio - Общеевропейская система транкинговой связи), изменившего свое название с апреля 1997 г. на TErrestrial Trunked RAdio (Сухопутная система транкинговой связи) ввиду своего широкого распространения. ТСС на основе стандарта TETRA представляют собой новое поколение систем этого типа, следующее за аналоговым. В отличие от предыдущих, в стандарте TETRA осуществлен полный переход к цифровому представлению передаваемой информации и использовано не частотное, а временное разделение каналов. В результате этих и ряда других мер скорость передачи в системе достигла 36 кбит/с. Для системы TETRA выделены два дуплексных участка спектра в полосе частот 380...400 МГц при разносе радиоканалов для приема и передачи в 10 МГц и разносе соседних каналов в 25 кГц.
Следует отметить, что Россия имеет многолетний и весьма позитивный опыт развития и эксплуатации ТСС. В подтверждение этому можно привести пример эволюции отечественной системы "Алтай" вплоть до модификации "Алтай-Зн". В 2005 г. сетями транкинговой радиотелефонной связи охвачена вся территория Российской Федерации, причем в 59 регионах названные сети работают с выходом на ТФОП. Услуги связи предоставляли 137 сетей, а число абонентов составило 45 тыс. Среди действующих сетей приблизительно половина укомплектована оборудованием "Алтай". Присутствуют также ТСС типа SmarTrunk, MPT 1327 и EDACS.
8