Реферат: Электромагнитная совместимость сотовых сетей связи

Введение

Сеть GSM.

История появлениясети. 

На заре развития мобильной связи (абыло это не так давно — в начале восьмидесятых) Европа покрывалась аналоговымисетями самых разных стандартов — Скандинавия развивала свои системы,Великобритания свои. Сейчас уже сложно сказать, кто был инициаторомпоследовавшей очень скоро революции — «верхи» в виде производителейоборудования, вынужденные разрабатывать для каждой сети собственные устройства,или «низы» в качестве пользователей, недовольные ограниченной зонойдействия своего телефона. Так или иначе, в 1982 году Европейской Комиссией поТелекоммуникациям (CEPT) была создана специальная группа для разработкипринципиально новой, общеевропейской системы мобильной связи. Основнымитребованиями, предъявляемыми к новому стандарту, были: эффективноеиспользование частотного спектра, возможность автоматического роуминга,повышенное качество речи и защиты от несанкционированного доступа по сравнениюс предшествующими технологиями, а также, очевидно, совместимость с другимисуществующими системами связи (в том числе проводными) и тому подобное.

Плодом упорного трудамногих людей из разных стран стала представленная в 1990 году спецификацияобщеевропейской сети мобильной связи, названная Global System forMobile Communications или просто GSM. А дальше все замелькало, как вкалейдоскопе — первый оператор GSM принял абонентов в 1991 году, к началу 1994года сети, основанные на рассматриваемом стандарте, имели уже 1.3 миллионаподписчиков, а к концу 1995 их число увеличилось до 10 миллионов! Воистину,«GSM шагает по планете» — в настоящее время телефоны этого стандартаимеют около 200 миллионов человек, а GSM-сети можно найти по всему миру.

За рамками рассмотренияостанутся два очень важных вопроса: во-первых, частотно-временное разделениеканалов и, во-вторых, системы шифрования и защиты передаваемой речи.

Основные части системыGSM, их назначение и взаимодействие друг с другом.

Начнем с самого сложного- рассмотрения скелета сети. При описании будем придерживаться принятых во всеммире англоязычных сокращений, конечно, давая при этом их русскую трактовку.

Взгляните на рис. 1:

/>

Рис.1 Упрощенная архитектура сетиGSM.

Самая простая частьструктурной схемы — переносной телефон, состоит из двух частей: собственно«трубки» -МЕ (Mobile Equipment — мобильноеустройство) и смарт-карты SIM (Subscriber Identity Module — модуль идентификации абонента), получаемой при заключении контракта соператором. Как любой автомобиль снабжен уникальным номером кузова, так исотовый телефон имеет собственный номер — IMEI (InternationalMobile Equipment Identity — международный идентификатор мобильного устройства),который может передаваться сети по ее запросу, SIM, в своюочередь, содержит так называемый IMSI (International MobileSubscriber Identity — международный идентификационный номер подписчика). Думаю,разница между IMEI и IMSI ясна — IMEIсоответствует конкретному телефону, а IMSI — определенномуабоненту.

«Центральной нервнойсистемой» сети является NSS (Network and SwitchingSubsystem — подсистема сети и коммутации), а компонент, выполняющей функции«мозга» называется MSC (Mobile services SwitchingCenter — центр коммутации). Именно последний называют «коммутатор», атакже, при проблемах со связью, винят во всех смертных грехах. MSCв сети может быть и не один (в данном случае очень уместна аналогия смногопроцессорными компьютерными системами) — например, на момент написаниястатьи московский оператор Билайн внедрял второй коммутатор (производстваAlcatel). MSC занимается маршрутизацией вызовов, формированиемданных для биллинговой системы, управляет многими процедурами — проще сказать,что НЕ входит в обязанности коммутатора, чем перечислять все его функции.

Следующими по важностикомпонентами сети, также входящими в NSS, я бы назвал HLR(Home Location Register — реестр собственных абонентов) и VLR(Visitor Location Register — реестр перемещений). Обратите внимание на этичасти, в дальнейшем мы будем часто упоминать их. HLR, грубоговоря, представляет собой базу данных обо всех абонентах, заключивших срассматриваемой сетью контракт. В ней хранится информация о номерахпользователей (под номерами подразумеваются, во-первых, упоминавшийся выше IMSI,а во-вторых, так называемый MSISDN-Mobile Subscriber ISDN,т.е. телефонный номер в его обычном понимании), перечень доступных услуг имногое другое — далее по тексту часто будут описываться параметры, находящиесяв HLR.

В отличие от HLR,который в системе один, VLR`ов может быть и несколько — каждыйиз них контролирует свою часть сети. В VLR содержатся данныеоб абонентах, которые находятся на его и только его территории (причемобслуживаются не только свои подписчики, но и зарегистрированные в сетироумеры). Как только пользователь покидает зону действия какого-то VLR,информация о нем копируется в новый VLR, а из старогоудаляется. Фактически, между тем, что есть об абоненте в VLR ив HLR, очень много общего — посмотрите таблицы, где приведенперечень долгосрочных (табл.1) и временных (табл.2 и 3) данных об абонентах,хранящихся в этих реестрах. Еще раз обращаю внимание читателя на принципиальноеотличие HLR от VLR: в первом расположенаинформация обо всех подписчиках сети, независимо от их местоположения, а вовтором — данные только о тех, кто находится на подведомственной этому VLRтерритории. В HLR для каждого абонента постоянно присутствуетссылка на тот VLR, который с ним (абонентом) сейчас работает(при этом сам VLR может принадлежать чужой сети,расположенной, например, на другом конце Земли).

1.

Международный идентификационный номер подписчика (IMSI)

2.

Телефонный номер абонента в обычном смысле (MSISDN)

3. Категория подвижной станции 4.

Ключ идентификации абонента (Ki)

5. Виды обеспечения дополнительными услугами 6. Индекс закрытой группы пользователей 7. Код блокировки закрытой группы пользователей 8. Состав основных вызовов, которые могут быть переданы 9. Оповещение вызывающего абонента 10. Идентификация номера вызываемого абонента 11. График работы 12. Оповещение вызываемого абонента 13. Контроль сигнализации при соединении абонентов 14. Характеристики закрытой группы пользователей 15. Льготы закрытой группы пользователей 16. Запрещенные исходящие вызовы в закрытой группе пользователей 17. Максимальное количество абонентов 18. Используемые пароли 19. Класс приоритетного доступа

Таблица 1. Полный состав долгосрочныхданных, хранимых в HLR и VLR.

1. Параметры идентификации и шифрования 2.

Временный номер мобильного абонента (TMSI)

3.

Адрес реестра перемещения, в котором находится абонент (VLR)

4. Зоны перемещения подвижной станции 5. Номер соты при эстафетной передаче 6. Регистрационный статус 7. Таймер отсутствия ответа 8. Состав используемых в данный момент паролей 9. Активность связи

Таблица 2. Полный состав временныхданных, хранимых в HLR.

1.

Временный номер мобильного абонента (TMSI)

2.

Идентификаторы области расположения абонента (LAI)

3. Указания по использованию основных служб 4. Номер соты при эстафетной передаче 5. Параметры идентификации и шифрования

Таблица 3. Полный состав временныхданных, хранимых в VLR.

NSS содержит еще два компонента — AuC(Authentication Center — центр авторизации) и EIR (EquipmentIdentity Register — реестр идентификации оборудования). Первый блокиспользуется для процедур установления подлинности абонента, а второй, какследует из названия, отвечает за допуск к эксплуатации в сети толькоразрешенных сотовых телефонов. Подробно работа этих систем будет рассмотрена вследующем разделе, посвященном регистрации абонента в сети.

Исполнительной, если такможно выразиться, частью сотовой сети, является BSS (BaseStation Subsystem — подсистема базовых станций). Если продолжать аналогию счеловеческим организмом, то эту подсистему можно назвать конечностями тела. BSSсостоит из нескольких «рук» и «ног» — BSC(Base Station Controller — контроллер базовых станций), а также множества«пальцев» — BTS (Base Transceiver Station — базоваястанция). Базовые станции можно наблюдать повсюду, фактически это простоприемно-передающие устройства, содержащие от одного до шестнадцати излучателей.Каждый BSC контролирует целую группу BTS иотвечает за управление и распределение каналов, уровень мощности базовыхстанций и тому подобное. Обычно BSC в сети не один, а целоемножество (базовых станций же вообще сотни).

Управляется икоординируется работа сети с помощью OSS (Operating and Support Subsystem — подсистема управления и поддержки). OSSсостоит из всякого рода служб и систем, контролирующих работу и трафик.

Регистрация в сети.

При каждом включении телефона после выбора сети начинаетсяпроцедура регистрации. Рассмотрим наиболее общий случай — регистрацию не вдомашней, а в чужой, так называемой гостевой, сети (будем предполагать, чтоуслуга роуминга абоненту разрешена).

Пусть сеть найдена. Позапросу сети телефон передает IMSI абонента. IMSIначинается с кода страны «приписки» его владельца, далее следуютцифры, определяющие домашнюю сеть, а уже потом — уникальный номер конкретногоподписчика. Например, начало IMSI 25099… соответствуетроссийскому оператору Билайн. (250-Россия, 99 — Билайн). По номеру IMSIVLR гостевой сети определяет домашнюю сеть и связывается с ее HLR.Последний передает всю необходимую информацию об абоненте в VLR,который сделал запрос, а у себя размещает ссылку на этот VLR,чтобы в случае необходимости знать, «где искать» абонента.

Очень интересен процессопределения подлинности абонента. При регистрации AuC домашнейсети генерирует 128-битовое случайное число — RAND, пересылаемое телефону.Внутри SIM с помощью ключа Ki (ключидентификации — так же как и IMSI, он содержится в SIM)и алгоритма идентификации А3 вычисляется 32-битовый ответ — SRES(Signed RESult) по формуле SRES = Ki * RAND. Точно такие же вычисленияпроделываются одновременно и в AuC (по выбранному из HLRKi пользователя). Если SRES, вычисленный втелефоне, совпадет со SRES, рассчитанным AuC,то процесс авторизации считается успешным и абоненту присваивается TMSI(Temporary Mobile Subscriber Identity-временный номер мобильного абонента). TMSIслужит исключительно для повышения безопасности взаимодействия подписчика ссетью и может периодически меняться (в том числе при смене VLR).

Теоретически, прирегистрации должен передаваться и номер IMEI, но есть большиесомнения насчет того, что московские операторы отслеживают IMEIиспользуемых абонентами телефонов. Давайте будем рассматривать некую«идеальную» сеть, функционирующую так, как было задумано создателямиGSM. Так вот, при получении IMEI сетью, он направляется в EIR,где сравнивается с так называемыми «списками» номеров. Белый списоксодержит номера санкционированных к использованию телефонов, черный списоксостоит из IMEI, украденных или по какой-либо иной причине недопущенных к эксплуатации телефонов, и, наконец, серый список — «трубки» с проблемами, работа которых разрешается системой, но закоторыми ведется постоянное наблюдение.

После процедурыидентификации и взаимодействия гостевого VLR с домашним HLRзапускается счетчик времени, задающий момент перерегистрации в случаеотсутствия каких-либо сеансов связи. Обычно период обязательной регистрациисоставляет несколько часов. Перерегистрация необходима для того, чтобы сетьполучила подтверждение, что телефон по-прежнему находится в зоне ее действия.Дело в том, что в режиме ожидания «трубка» только отслеживаетсигналы, передаваемые сетью, но сама ничего не излучает — процесс передачиначинается только в случае установления соединения, а также при значительныхперемещениях относительно сети (ниже это будет рассмотрено подробно) — в такихслучаях таймер, отсчитывающий время до следующей перерегистрации, запускаетсязаново. Поэтому при «выпадении» телефона из сети (например, былотсоединен аккумулятор, или владелец аппарата зашел в метро, не выключивтелефон) система об этом не узнает.

Все пользователислучайным образом разбиваются на 10 равноправных классов доступа (с номерами от0 до 9). Кроме того, существует несколько специальных классов с номерами с 11по 15 (разного рода аварийные и экстренные службы, служебный персонал сети).Информация о классе доступа хранится в SIM. Особый, 10 классдоступа, позволяет совершать экстренные звонки (по номеру 112), еслипользователь не принадлежит к какому-либо разрешенному классу, или вообще неимеет IMSI (SIM). В случае чрезвычайныхситуаций или перегрузки сети некоторым классам может быть на время закрытдоступ в сеть.

Территориальное делениесети и handover.

Как уже было сказано,сеть состоит из множества BTS — базовых станций (одна BTS — одна «сота», ячейка). Для упрощения функционирования системы иснижения служебного трафика, BTS объединяют в группы — домены,получившие название LA (Location Area — области расположения).Каждой LA соответствует свой код LAI (LocationArea Identity). Один VLR может контролировать несколько LA.И именно LAI помещается в VLR для заданияместоположения мобильного абонента. В случае необходимости именно всоответствующей LA (а не в отдельной соте, заметьте) будетпроизведен поиск абонента. При перемещении абонента из одной соты в другую впределах одной LA перерегистрация и изменение записей в VLR/HLRне производится, но стоит ему (абоненту) попасть на территорию другой LA,как начнется взаимодействие телефона с сетью. Каждому пользователю, наверное,не раз приходилось слышать периодические помехи в музыкальной системе своегоавтомобиля от находящегося в режиме ожидания телефона — зачастую это являетсяследствием проводимой перерегистрации при пересечении границ LA.При смене LA код старой области стирается из VLRи заменяется новым LAI, если же следующий LAконтролируется другим VLR, то произойдет смена VLRи обновление записи в HLR.

Вообще говоря, разбиение сети на LAдовольно непростая инженерная задача, решаемая при построении каждой сетииндивидуально. Слишком мелкие LA приведут к частымперерегистрациям телефонов и, как следствие, к возрастанию трафика разного родасервисных сигналов и более быстрой разрядке батарей мобильных телефонов. Еслиже сделать LA большими, то, в случае необходимости соединенияс абонентом, сигнал вызова придется подавать всем сотам, входящим в LA,что также ведет к неоправданному росту передачи служебной информации иперегрузке внутренних каналов сети.

Теперь рассмотрим оченькрасивый алгоритм так называемого handover`ра (такое названиеполучила смена используемого канала в процессе соединения). Во время разговорапо мобильному телефону вследствие ряда причин (удаление «трубки» отбазовой станции, многолучевая интерференция, перемещение абонента в зону такназываемой тени и т.п.) мощность (и качество) сигнала может ухудшиться. В этомслучае произойдет переключение на канал (может быть, другой BTS)с лучшим качеством сигнала без прерывания текущего соединения (добавлю — ни самабонент, ни его собеседник, как правило, не замечают произошедшего handover`а).Handover`ы принято разделять на четыре типа:

·       смена каналов впределах одной базовой станции

·       смена каналаодной базовой станции на канал другой станции, но находящейся под патронажемтого же BSC.

·       переключениеканалов между базовыми станциями, контролируемыми разными BSC,но одним MSC

·       переключениеканалов между базовыми станциями, за которые отвечают не только разные BSC,но и MSC.

В общем случае, проведение handover`а- задача MSC. Но в двух первых случаях, называемых внутреннимиhandover`ами, чтобы снизить нагрузку на коммутатор и служебныелинии связи, процесс смены каналов управляется BSC, а MSCлишь информируется о происшедшем.

Во время разговорамобильный телефон постоянно контролирует уровень сигнала от соседних BTS(список каналов (до 16), за которыми необходимо вести наблюдение, задаетсябазовой станцией). На основании этих измерений выбираются шесть лучших кандидатов,данные о которых постоянно (не реже раза в секунду) передаются BSCи MSC для организации возможного переключения. Существуют двеосновные схемы handover`а:

·       «Режимнаименьших переключений» (Minimum acceptable performance). В этом случае,при ухудшении качества связи мобильный телефон повышает мощность своегопередатчика до тех пор, пока это возможно. Если же, несмотря на повышениеуровня сигнала, связь не улучшается (или мощность достигла максимума), топроисходит handover.

·       «Энергосберегающийрежим» (Power budget). При этом мощность передатчика мобильного телефонаостается неизменной, а в случае ухудшения качества меняется канал связи (handover).

Интересно, что инициировать сменуканалов может не только мобильный телефон, но и MSC, например,для лучшего распределения трафика.

Маршрутизация вызовов.

Поговорим теперь, какимобразом происходит маршрутизация входящих вызовов мобильного телефона. Как ираньше, будем рассматривать наиболее общий случай, когда абонент находится взоне действия гостевой сети, регистрация прошла успешно, а телефон находится врежиме ожидания.

При поступлении запроса(рис.2) на соединение от проводной телефонной (или другой сотовой) системы на MSCдомашней сети (вызов «находит» нужный коммутатор по набранному номерумобильного абонента MSISDN, который содержит код страны исети).

/>

Рис.2 Взаимодействие основных блоковсети при поступлении входящего вызова.

MSC пересылает в HLRномер (MSISDN) абонента. HLR, в свою очередь,обращается с запросом к VLR гостевой сети, в которой находитсяабонент. VLR выделяет один из имеющихся в ее распоряжении MSRN(Mobile Station Roaming Number — номер «блуждающей» мобильнойстанции). Идеология назначения MSRN очень напоминаетдинамическое присвоение адресов IP при коммутируемом доступе в Интернет черезмодем. HLR домашней сети получает от VLRприсвоенный абоненту MSRN и, сопроводив его IMSIпользователя, передает коммутатору домашней сети. Заключительной стадиейустановления соединения является направление вызова, сопровождаемого IMSIи MSRN, коммутатору гостевой сети, который формируетспециальный сигнал, передаваемый по PAGCH (PAGer CHannel — канал вызова) по всей LA, где находится абонент.

Маршрутизация исходящихвызовов не представляет с идеологической точки зрения ничего нового иинтересного. Приведу лишь некоторые из диагностических сигналов (таблица 4),свидетельствующие о невозможности установить соединение и которые пользовательможет получить в ответ на попытку установления соединения.

Тип ошибки

Частота

Тип сигнала

Номер абонента занят 425±15 Гц 500мс гудок, 500 мс пауза Перегрузка сети 425±15 Гц 200мс гудок, 200 мс пауза Общая ошибка 950±50Гц 1400±50Гц 1800±50Гц Тройной гудок (длительность каждой части 330 мс), 1 с пауза

Таблица 4. Основные диагностические сигналы об ошибкепри установлении соединения.

Перспективы GSM

Конечно, в мире нетничего идеального. Рассмотренные выше сотовые системы GSM не исключение.Ограниченное число каналов создает проблемы в деловых центрах мегаполисов (а впоследнее время, ознаменованное бурным ростом абонентской базы, и на ихокраинах) — чтобы позвонить, часто приходится ждать уменьшения нагрузкисистемы. Малая, по современным меркам, скорость передачи данных (9600 бит/с) непозволяет пересылать объемные файлы, не говоря о видеоматериалах. Да ироуминговые возможности не так уж безграничны — Америка и Япония развиваютсвои, несовместимые с GSM, цифровые системы беспроводной связи.

Конечно, рано говорить,что дни GSM сочтены, но нельзя и не замечать появления на горизонте такназываемых 3G-систем, олицетворяющих начало новой эры вразвитии сотовой телефонии и лишенных перечисленных недостатков. Как хочетсязаглянуть на несколько лет вперед и посмотреть, какие возможности получим всемы от новых технологий! Впрочем, ждать осталось не так долго — началокоммерческой эксплуатации первой сети третьего было положено 2001 года… А воткакая судьба уготована новым системам — взрывообразный рост, как GSM, илиразорение и уничтожение, как Iridium, покажет время…

 Сеть CDMA- Code Division Multiplie Access (Множественный доступ с кодовым разделением)

Группа стандартов CDMA кореннымобразом отличается от своих собратьев по сотовой телефонии и эти стандарты поправу считаются стандартами 2.5 поколения. Если FDMA (NMT, AMPS, NAMPS) и егопродолжение — TDMA (GSM, DAMPS) используют набор частотных диапазонов сразделением каждого канала на временные интервалы (для TDMA) для множественногодоступа абонетов к услугам сотовой сети, то в CDMA всё по-другому.

CDMA используеттехнологию Direct Sequence (Pseudo Noise) Spread Spectrum (прямаяпоследовательность (псевдошум) с широким спектром). Основа DSSS — использованиешумоподобной несущей, и гораздо более широкой полосы, чем необходимо дляобычных способов модуляции. Хотя DSSS была изобретена ещё в 1940-е,коммерческое применение началось только в 1995 году. Причиной тому — отсутствиетехнологий позволяющих создавать малогабаритные приёмопередатчики использующиеDSSS.

Кратко о CDMA.

Представьте себеузкополосный сигнал промодулированный неким потоком данных со скоростью,например 9600 bps. Пусть есть уникальная, повторяющаяся, псевдослучайнаяцифровая последовательность со значительно большей скоростью, скажем 1.25 Mbps.Если менять фазу узкополосного сигнала в соответствии с псевдослучайнойпоследовательностью, то мы получим шумоподобный сигнал с широким спектром,содержащий в себе информацию. Если рассмотреть, что происходит с точки зрениячастоты — то получится что информационный сигнал «расплылся» (spread)по спектру шумоподобного сигнала (pseudonoise). Теперь осталось выдать этотширокополосный сигнал в эфир.

На пути от передатчика кприёмнику к сигналу добавятся помехи и сигналы других передатчиков. Принятый идемодулированный сигнал перемножим с точной копией шумоподобного сигнала,который использовался для модуляции (здесь необходима очень высокая степеньсинхронизации приёмника и передатчика) и получим узкополосную составляющую свысокой энергией на единицу частоты — переданный поток данных. Так как помехи исигналы от других передатчиков не совпадают с использованным шумоподобнымсигналом, то после перемножения они ещё больше расползутся по спектру и ихэнергия на единицу частоты уменьшится.

Таким образом, используяразные псевдослучайные последовательности (коды) можно организовать нескольконезависимых каналов передачи данных в одной и той же полосе частот.

Нужно сказать чтовышеприведенное описание технологии DSSS сильно упрощено, хотя, надеюсь, даётпредставление о том, как это всё работает.

Преимущества CDMA.

В системах с частотнымразделением каналов (как в FDMA, так и в TDMA) существует проблема такназываемого «многократного использования» (reuse) частотных каналов.Чтобы не мешать друг другу, соседние базовые станции должны использовать разныеканалы. Таким образом, если у БС 6 соседей (наиболее часто рассматриваемыйслучай, при этом зону каждой БС можно представить как шестиугольник, а всёвместе выглядит как пчелиные соты) то количество каналов, которые можетиспользовать эта БС в семь раз меньше чем общее количество каналов в отведённомдля сети диапазоне. Это приводит к уменьшению ёмкости сети и необходимостиувеличивать плотность установки БС в густонаселённых районах. Для CDMA такойпроблемы вообще нет. Все БС работают на одном и том же канале. Таким образом,частотный ресурс используется более полно. Ёмкость CDMA сети обычно в несколькораз выше, чем TDMA, и на порядок выше чем FDMA сетей.

Для того, чтобы телефонынаходящиеся близко к БС не забивали своим сигналом более отдалённых абонентов,в CDMA предусмотрена плавная регулировка мощности, что приводит к значительномусокращению энергопотребления телефона вблизи БС и, соответственно, увеличениювремени работы телефона без подзарядки.

Одной из приятныхособенностей CDMA сетей является возможность «мягкого» перехода отодной БС к другой (soft handoff). При этом, возможна ситуация когда одногоабонента «ведут» сразу несколько БС. Абонент просто не заметит, чтоего «передали» другой БС. Естественно, чтобы такое стало возможным,необходима прецизионная синхронизация БС. В коммерческих системах этодостигается использованием сигналов времени от GPS (Global Positioning System)американской спутниковой системы определения координат.

CDMA это практическиполностью цифровой стандарт. Обычно все преобразования информационного сигналапроисходят в цифровой форме, и только радиочасть аппарата является аналоговой,причём гораздо более простой, чем для других групп стандартов. Это позволяетпрактически весь телефон выполнить в виде одной микросхемы с большой степеньюинтеграции, тем самым значительно снизив стоимость телефона.

Цифровая сущность CDMAвесьма располагает к использованию этой технологии для безпроводной передачиданных. В рассмотренном выше примере мы задали не очень высокую скорость,однако существующие реализации CDMA позволяют многократно увеличивать скоростьпередачи данных, правда за счет сокращения ёмкости сети.

Стандарты CDMA используютболее современный кодек для оцифровки речи, что субъективно повышает качествопередачи аналогового сигнала по сравнению с действующими TDMA стандартами.

Из минусов CDMA можноотметить необходимость использования достаточно широкой и неразрывной полосы,что не всегда возможно в современной обстановке дефицита частотного ресурса ибольшую сложность реализации данной технологии в «железе»

Перспективы CDMA

В мире, развитие CDMAидет нарастающими темпами. Наибольшее распространение получили стандарты IS-95( 800 MHz ) и CDMA PCS ( 1900 MHz ). На май 2000г в 43 странах использующихCDMA насчитывалось более 57 миллионов абонентов, причём с мая 1999 количествопользователей удвоилось. Исторически сложилось так, что CDMA наиболеераспространён в Северной и Южной Америке и Юго-Восточной Азии. С принятиемКитаем CDMA как федерального стандарта сомнений в том, что этот стандарт станетосновным на нашей планете, практически не осталось.

Cтандарты CDMA изначальновключали в себя функцию передачи данных и на сегодня, почти все современныеCDMA телефоны способны предоставлять пользователю 14.4 Kbps цифровой канал. Асама сеть использует IP протокол для передачи данных. Таким образом, CDMA ужесейчас полностью Internet-совместима. Нет проблем и с более высокимискоростями. Некоторые операторы CDMA в US уже предоставляют услуги передачиданных со скоростями до 144 Kbps. Кроме того, система используемая этимиоператорами позволяет динамически изменять пропускную способность канала взависимости от активности клиента и загрузки сети, тем самым оптимизируяиспользование ресурсов сети. По заявлениям CDMA Development Group уже сейчасдостижима скорость 300 Kbps, что вплотную приближает существующие CDMAстандарты к 3-му поколению.

У CDMA гораздо меньшепроблем с переходом к 3-му поколению по сравнению с TDMA системами. TIA/EIA(Telecommunication Industry Association / Electronic Industries Alliance)предолжила группу стандартов cdma2000 (IS-2000) которые являются развитием нынедействующего IS-95. Основные отличия cdma2000 от своего предшественника — большее количество диапазонов для использования в организации мобильной связи иувеличение скорости передачи данных до 1Mbps на физическом уровне. Такжедобавлены новые протоколы для обеспечения всевозможных сервисов. Особо следуетподчеркнуть требование стандарта об обратной совместимости с IS-95. Всемобильные станции cdma2000 должны работать в сетях IS-95, и соответственно всебазовые станции cdma2000 должны обслуживать мобильные станции IS-95. Болеетого, имеется требование обеспечения handoff'а (перехода от одной соты кдругой) между cdma2000 и IS-95. Таким образом, возможна незаметная для пользователямиграция сети от IS-95 к cdma2000. Также примечателен факт, что стандартомпредусмотрено использование некоторых диапазонов используемых ныне старымианалоговыми стандартами (например Band Class 5 (NMT-450)) что даёт возможностьоператорам этих стандартов перейти от 1-го поколения сразу к 3-ему, постепенноотдавая участки своего диапазона под cdma2000, по мере увеличения количестваабонентов пользующихся новым оборудованием. Однако даже в cdma2000 сохраненавозможность работы мобильных и базовых станций в аналоговом режиме. Этот режимпрактически идентичен стандарту AMPS c A-Key идентификацией и предназначен дляобеспечения связи там, где использование цифрового режима по тем или инымпричинам невозможно.

CDMA2000 был принят в группу IMT-2000,которая определяет глобальное виденье организацией ITU (InternationalTelecommunication Union) систем 3-го поколения, в качестве одного из основныхрадиоинтерфейсов, что позволяет предполагать его дальнейшее распространение.Причём из-за преимуществ перед TDMA технологиями ( стандарт UWC-136 такжепредлагается в качестве одного из возможных радиоинтерфейсов в IMT-2000 )вполне возможно распространение CDMA и в Европе, которая на данный моментявляется вотчиной TDMA стандарта GSM.

CDMA в России

В России у CDMA тяжелаясудьба. На мой взгляд есть несколько причин, по которым CDMA всячески «непущают» на отечественный «рынок» сотовой телефонии.

Первая — вытекает из основнойособенности CDMA — у каждого абонента свой код, который не может бытьиспользован другими, независимо от того, разговаривает ли абонент, находится врежиме ожидания звонка или вообще выключил телефон. Поэтому, повременная оплатавообще не имеет смысла. «Unlimited» напрашивается сам собой. Причём,при достаточно большой абонентской базе она может быть весьма низкой. Даже вроссийских условиях это прямая конкуренция проводным (!!!!) линиям связи, неговоря уже о сотовых операторах. Вот и одна из причин по которым CDMAнежелателен для нашего государства и его монополий.

Вторая — высокий уровеньконфиденциальности CDMA. Подслушать из эфира разговор можно, но стоимость исложность оборудования способного на такое значительно выше чем для другихстандартов. Причем дело усугубляется тем, что при незначительном удалении от БСмощность излучаемая телефоном крайне низка, поэтому подслушивающий долженнаходится в непосредственной близости от объекта наблюдения, а при значительномудалении от БС вообще не понятно через какую БС работает телефон. И последнийудар по спецслужбам — БС могут не пользоваться проводными каналами связи дляпередачи сигнала от одной БС к другой, а передавать траффик по эфиру. Всё этотоже сильно не нравится государству.

И третья причина, вернее,повод для запрета CDMA — для синхронизации БС используются сигналы GPS, которуютак не любит наше правительство. Шпионы ведь кругом… А без GPS возникаютпроблемы с мобильностью — чтобы обеспечить «soft handoff» нужнасинхронность БС. Я ещё могу понять что американский GPS не стоит использовать встратегических целях — потенциальный противник, как никак. Но гражданские-тосредства связи тут причём? Тем более коммерческие.

Заявление г-на Реймана отом, что частотный диапазон используемый CDMA подлежит изъятию под нуждыцифрового телевидения — просто лапша на уши для населения. Централизованногоцифрового телевидения ещё нет. И вряд ли появится, тем более в этом диапазоне,ибо спутниковые системы уже давно доказали преимущества тарелочек передтелебашнями. И даже если безумные деятели всё-таки соберуться делать этоцифровое телевидение — что мешает отвести под него другой диапазон?

Вот так коммерческие интересымонополий, и параноидальность государства мешают развитию техники. Многиепомнят, как ещё недавно каждый копировальный аппарат находился под неусыпнымнадзором спецслужб, а летать самолётами Аэрофлота было выгодно и удобно. Таквот — судя по всему — ничего не изменилось.

Системасотовой подвижной связи CDMA

В последние годы значительныйпрогресс в телекоммуникационных технологиях достигнут благодаря переходу нацифровые виды связи, которые, в свою очередь, базируются на стремительномразвитии микропроцессоров. Один из ярких примеров этого — появление и быстроевнедрение технологии связи с цифровыми шумоподобными сигналами на основе методамногостанционного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA — Code DivisionMultiple Access), в ближайшие годы нового столетия затмит собой все остальные,вытесняя аналоговые NMT, AMPS и др. и составляя серьезную конкуренцию цифровымтехнологиям, таким как GSM.

Замечательное свойствоцифровой связи с шумоподобными сигналами — защищенность канала связи отперехвата, помех и подслушивания. Именно поэтому данная технология былаизначально разработана и использовалась для вооруженных сил США, и лишь недавноамериканская компания Qualcom на основе этой технологии создала стандарт IS-95(CDMA one) и передала его для коммерческого использования. Оборудование дляэтого стандарта уже выпускают шесть компаний: Hughes Network Systems, Motorolaи Samsung.

Общая характеристика ипринципы функционирования

Принцип работы системсотовой связи (ССС) с кодовым разделением каналов можно пояснить на следующемпримере.

Предположим, что вы сидите вресторане. За каждым столиком находится два человека. Одна пара разговариваетмежду собой на английском языке, другая на русском, третья на немецком и т.д.Получается так, что в ресторане все разговаривают в одно и то же время на одномдиапазоне частот (речь от 3 кГц до 20 кГц), при этом вы, разговаривая со своимоппонентом, понимаете только его, но слышите всех.

Так же и в стандарте CDMAпередаваемая в эфире информация от базовой станции к мобильной или наоборотпопадает ко всем абонентам сети, но каждый абонент понимает только туинформацию, которая предназначена для него, т.е. русский понимает толькорусского, немец только немца, а остальная информация отсеивается. Язык общенияв данный момент является кодом. В CDMA это организовано за счет применениякодирования передаваемых данных, если точнее, то за это отвечает блок умноженияна функцию Уолша.

В отличие от стандартаGSM, который использует TDMA (Time Division Multiple Access — многостанционныйдоступ с кодовым разделением канала, т.е. несколько абонентом могутразговаривать на одной и той же частоте, как и в CDMA, но в отличие от CDMA, вразное время), стандарт IS-95 диапазон частот использует более экономично.

/> <td/> />
CDMA называют широкополоснойсистемой и сигналы идущие в эфире шумоподобными. Широкополосная — потому, чтозанимает широкую полосу частот. Шумоподобные сигналы — потому, что когда вэфире на одной частоте, в одно и то же время работают несколько абонентов,сигналы Рис. 3 сигнал и помеха

накладываются друг на друга (можнопредставить шум в ресторане, когда все одновременно говорят). Помехоустойчивая- потому, что при возникновении в широкой полосе частот(1,23 Мгц)сигнала-помехи, узкого диапазона (<150кГц), сигнал примется почтинеискаженный. За счет помехоустойчивого кодирования потерянные данные системавосстановит, см. рис 1, где показан полезный сигнал.

А в стандарте GSM такоене получится. Из-за того, что GSM изначально сам узкополосный. Ширина полосы,которая используется, равна 200 кГц.

Система CDMA фирмыQualcom рассчитана на работу в диапазоне частот 800 Мгц. Система CDMA построенапо методу прямого расширения спектра частот на основе использования 64 видовпоследовательностей, сформированных по закону функций Уолша. Для передачиречевых сообщений выбрано речепреобразующее устройство с алгоритмом CELP соскоростью преобразования 8000 бит/с (9600 бит/с в канале). Возможны режимыработы на скоростях 4800, 2400, 1200 бит/с.

В каналах системы CDMAприменяется сверточное кодирование со скоростью? (в каналах от базовойстанции) и 1/3 (в каналах от подвижной станции), декодер Витерби с мягкимрешением, перемежение передаваемых сообщений. Общая полоса канала связисоставляет 1,25 Мгц.

Основные характеристики приведены втаблице 5.

Диапазон частот передачи MS 824,040 – 848, 860 Мгц Диапазон частот передачи BTS 869,040 – 893,970 мгц Относительная нестабильность несущей частоты BTS +/- 5*10^-8 Относительная нестабильность несущей частоты MS +/- 2,5*10^-6 Вид модуляции несущей частоты QPSK(BTS), O-QPSK(MS)

Ширина спектра излучаемого cигнала:

по уровню минус 3 Дб

по уровню минус 40 Дб

1,25 Мгц

1,50 Мгц

Тактовая частота ПСП М-функции 1,2288 Мгц Количество каналов BTS на 1 несущей частоте

1 пилот-канал

1 канал синхронизации

7 каналов персонально вызова

55 каналов связи

Количество каналов MS

1 канал доступа

1 канал связи

Скорость передачи данных:

В канале синхронизации

В канале перс.вызова и доступа

В каналах связи

1200 бит/с

9600, 4800 бит/с

9600, 4800, 2400, 1200 бит/с

Кодирование в каналах передачи BTS Сверточный код R=1/2, К=9 Кодирование в каналах передачи MS Сверточный код R=1/3, K=9 Требуемое для приема отношение энергии бита информации 6-7 дБ Максимальная эффективная излучаемая мощность BTS 50 Вт Максимально эффективная излучаемая мощность MS 6,3 – 1,0 Вт

В стандарте используетсяраздельная обработка отраженных сигналов, приходящих с разными задержками, ипоследующее их весовое сложение, что значительно снижает отрицательное влияниеэффекта многолучевости. При раздельной обработке лучей в каждом канале приемана базовой используется 4 параллельно работающих коррелятора, а на подвижнойстанции 3 коррелятора. Наличие параллельно работающих корреляторов позволяетосуществить мягкий режим «эстафетной передачи» при переходе из соты всоту.

Мягкий режим «эстафетнойпередачи» происходит за счет управления подвижной станцией двумя или болеебазовыми станциями. Транскодер, входящий в состав основного оборудования,проводит оценку качества приема сигналов от двух базовых станцийпоследовательно кадр за кадром. Процесс выбора лучшего кадра приводит к тому,что результирующий сигнал может быть сформирован в процессе непрерывной коммутациии последующего «склеивания» кадров, принимаемых разными базовымистанциями, участвующими в «эстафетной передаче».

Протоколы установлениясвязи в CDMA, так же как в стандартах AMPS основаны на использовании логическихканалов.

В CDMA каналы для передачис базовой станции называются прямыми (Forward), для приема базовой станцией — обратными (Reverse). Структура каналов в CDMA в стандарте IS-95 показана нарис:

/>
Рис. 4/>

Прямые каналы в CDMA:

1.     Пилотный канал — используетсяподвижной станцией для начальной синхронизации с сетью и контроля за сигналамибазовой станции по времени, частоте и фазе.

2.     Канал синхронизации — обеспечиваетидентификацию базовой станции, уровень излучения пилотного сигнала, а так жефазу псевдослучайной последовательности базовой станции. После завершенияуказанных этапов синхронизации начинаются процессы установления соединения.

3.     Канал вызова — используется длявызова подвижной станции. После приема сигнала вызова подвижная станцияпередает сигнал подтверждения на базовую станцию, после чего по каналу вызована подвижную станцию передается информация об установлении соединения иназначения канала связи. Канал персонального вызова начинает работать послетого, как подвижная станция получит всю системную информацию (частота несущей,тактовая частота, задержка сигнала по каналу синхронизации).

4.     Канал прямого доступа — предназначендля передачи речевых сообщений и данных, а так же управляющей информации сбазовой станции на подвижную.

Обратные каналы в CDMA:

1.     Канал доступа — обеспечивает связьподвижной станции с базовой станций, когда подвижная станция еще не используетканал трафика. Канал доступа используется для установления вызовов и ответов насообщения, передаваемые по каналу вызова, команды и запросы на регистрацию всети. Каналы доступа совмещаются (объединяются) каналами вызова.

2.     Канал обратного трафика — обеспечивает передачу речевых сообщений и управляющей информации с подвижнойстанции на базовую станцию.

Структура каналов передачи базовойстанции показана на рис. 5:

/>
Рис. 5

Каждому логическомуканалу назначается свой код Уолша. Всего в одном физическом канале логическихканалов может быть 64, т.к. последовательностей Уолша, которым в соответствиеставятся логические каналы, всего 64, каждая из которых имеет длину по 64 бита.Из всех 64 каналов на 1-й канал назначается первый код Уолша (W0) которомусоответствует «Пилотный канал», на следующий канал назначаетсятридцать второй код Уолша (W32), следующим 7-ми каналам так же назначаются своикоды Уолша (W1,W2,W3,W4,W5,W6,W7) которым соответствуют каналы вызова, иоставшиеся 55 каналов предназначены для передачи данных по «Каналу прямоготрафика».

При изменении знака битаинформационного сообщения фаза используемой последовательности Уолша изменяетсяна 180 градусов. Так как эти последовательности взаимно ортогональны, товзаимные помехи между каналами передачи одной базовой станции отсутствуют.Помехи по каналам передачи базовой станции создают лишь соседние базовыестанции, которые работают в той же полосе радиочастот и используют ту же самуюПСП, но с другим циклическим сдвигом.

Порядок прохожденияречевых данных в мобильной станции до момента отправки в эфир.

/> <td/> />
Давайте подробней рассмотримструктурную схему обратного канала трафика. В прямом и обратном канале этасхема повторяется; в зависимости от того, какой канал используется в данныймомент, некоторые блоки этой схемы исключаются.

Рис. 6

Речевой сигнал поступает на речевойкодек.
На этом этапе речевой сигнал оцифровывается и сжимается по алгоритму CELP.

1.     Далее сигнал поступает на блокпомехоустойчивого кодирования, который может исправлять до 3-х ошибок в пакетеданных.

2.     Далее сигнал поступает в блокперемежения сигнала.
Блок предназначен для борьбы с пачками ошибок в эфире. Пачки ошибок — искажениенескольких бит информации подряд.
Принцип такой. Поток данных записывается в матрицу по строкам. Как толькоматрица заполнена, начинаем с нее передавать информацию по столбцам.Следовательно, когда в эфире искажаются подряд несколько бит информации, приприеме пачка ошибок, пройдя через обратную матрицу, преобразуется в одиночныеошибки.

3.     Далее сигнал поступает в блоккодирования (от подслушивания).
На информацию накладывается маска (последовательность) длиной 42 бита. Этамаска является секретной. При несанкционированном перехвате данных в эфиреневозможно декодировать сигнал, не зная маски. Метод перебора всевозможныхзначений не эффективен т.к. при генерации этой маски, перебирая всевозможныезначения, придется генерировать 8.7 триллиона масок длиной 42 бита. Хакер,пользуясь персональным компьютером, пропуская через каждую маску сигнал ипреобразовывая его в файл звукового формата, потом, распознавая его на наличиеречи, потратит уйму времени.

4.     Блок перемежения на код Уолша. Цифровойпоток данных перемножается на последовательность бит, сгенерированных пофункции Уолша. На этом этапе кодирования сигнала происходит расширение спектрачастот, т.е. каждый бит информации кодируется последовательностью, построеннойпо функции Уолша, длиной 64 бита. Т.о. скорость потока данных в каналеувеличивается в 64 раза. Следовательно, в блоке модуляции сигнала скоростьманипуляции сигнала возрастает, отсюда и расширение спектра частот.
Так же функция Уолша отвечает за отсев ненужной информации от других абонентов.В момент начала сеанса связи абоненту назначается частота, на которой он будетработать и один (из 64 возможных) логический канал, который определяет функцияУолша. В момент принятия сигнал по схеме проходит в обратную сторону. Принятыйсигнал умножается на кодовую последовательность Уолша.
По результату умножения вычисляется корреляционный интеграл.
Если Z пороговая удовлетворяет предельному значению, значит, сигнал наш.Последовательность функции Уолша ортогональны и обладают хорошимикорреляционными и автокорреляционными свойствами, поэтому вероятность спутатьсвой сигнал с чужим равна 0.01 %.

5.     Блок перемножения сигнала на двеМ-функции (М1 — длиной 15 бит, М2 — длиной 42 бита) или еще их называют ПСП-псевдослучайными последовательностями. Блок предназначен для перемешиваниясигнала для блока модуляции. Каждой назначенной частоте назначаются разные М -функции.

6.     Блок модуляции сигнала. В стандартеCDMA используется фазовая модуляция ФМ4, ОФМ4.

В настоящее времяоборудование стандарта CDMA является самым новым и самым дорогим, но в то жевремя самым надежным и самым защищенным. Европейским Сообществом в рамкахисследовательской программы RACE разрабатывается проект CODIT по созданиюодного из вариантов Универсальной системы подвижной связи (UMTS) на принципекодового разделения каналов с использованием широкополосных сигналов с прямымрасширением спектра (DS-CDMA).

Основным отличиемконцепции CODIT будет эффективное и гибкое использование частотного ресурса.Как мы раньше пояснили, на широкополосный сигнал CDMA влияние узкополоснойпомехи практически не сказывается. За счет этого свойства в стандарте CODIT дляпередачи данных дополнительно будут использоваться защитные интервалы между несущимичастотами.

 

 

 

Цифровая сотовая системаподвижной радиосвязи стандарта D-AMPS

Общий подход кразвитию цифровых сотовых систем в США

В США работы понациональному стандарту на цифровые сотовые системы подвижной связи (ССПС)проводились с 1987 года. В отличие от Европы, где разрабатывался стандарт GSM,Федеральная комиссия связи (FCC) не смогла выделить отдельную полосу частот вдиапазоне 900 МГц для перспективной цифровой ССПС США.

В условиях, когданациональная аналоговая ССПС стандарта AMPS уже не отвечала современнымтребованиям к подвижной связи из-за отсутствия необходимой пропускнойспособности, недостаточного качества связи, ограниченного набора услуг, отсутствиязасекречивания передаваемых сообщений, Ассоциация промышленности сотовой связи(CTIA), совместно с Ассоциацией промышленности связи (TIA) приняли решение осовмещении в одной полосе частот аналоговой и цифровой ССПС, сохранивсуществовавший в AMPS разнос каналов, равный 30 кГц.

Стандарт на цифровуюсотовую систему связи был разработан в 1990 году и система связи на его основеполучила условное обозначение D-AMPS или ADC. В 1991-1992 годах проводилисьполевые испытания системы D-AMPS, по результатам которых TIA и CTIA былиприняты три стандарта: IS-54 — на систему сотовой связи D-AMPS (ADC); IS-55 — на двухмодовую подвижную станцию, обеспечивающую связь как по аналоговому(AMPS), так и по цифровому (D-AMPS) каналам связи; IS-56 — на базовые станции.

Внедрение этихстандартов явилось временным шагом для того, чтобы как можно быстрее внедритьцифровую технологию на рынок сотовой связи США. Ожидалось, что стандарт IS-54позволит увеличить емкость трафика существующих сетей сотовой связи AMPS дотрех раз, но с использованием аналоговых каналов управления. Переход к полнойцифровой версии AMPS затормозил бы внедрение цифровой технологии сотовой связив США еще на три года.

Хотя стандарт IS-54и не совсем цифровое решение, он оказался более прогрессивным, чем AMPS, и внастоящее время более 2 млн. абонентов в 14 странах мира, включая Россию, используютэту технологию.

В 1994 году былсформулирован новый стандарт США IS-136 на полностью цифровую систему сотовойсвязи, представляющую собой усовершенствованный вариант стандарта IS-54.Стандарт IS-136 по своим функциональным возможностям и предоставляемым услугамприближается к стандарту GSM. Стандарт IS-136 открывает возможность внедрениямеждународного роуминга.

В настоящее времяСША приступили к созданию цифровых сетей персональной связи (PCS). Развитиетехнологии PCS осуществляется в условиях активной конкуренции.

Федеральная комиссиясвязи США в марте 1995 года выдала 102 лицензии операторам сетей PCS вдиапазоне 1900 МГц.

Одним из направленийсоздания сетей PCS явился перевод стандарта IS-54 (D-AMPS) в диапазон 1900 МГц.Абоненты будут иметь возможность пользоваться двухдиапазонным терминалом,обеспечивающим доступ к услугам связи в диапазонах 800 МГц и 1900 МГц.

Многие из операторовсетей PCS, получивших лицензии, выбрали для реализации сетей персональной связиверсию стандарта GSM для диапазона 1900 МГц — PCS-1900.

Значительным успехому операторов сетей PCS пользуется стандарт CDMA IS-95.

Развитие цифровыхсетей персональной связи в США будет осуществляться на фоне активных позицийсетей сотовой связи стандартов AMPS/D-AMPS, абонентами которых, в настоящеевремя, являются около 10% населения страны.

Структурная схема,характеристики и радиоинтерфейс D-AMPS

Структурная схемацифровой ССПС D-AMPS (IS-54) показана на рис. 6. Основные характеристики D-AMPS(IS-54) приведены в таблице 3.2. На рис. 7 показана структура кадров в системеD-AMPS для перспективного варианта с полускоростным речевым кодеком, когдабудут использоваться шесть временных окон (вместо трех сегодня).

Структурная схемаподвижной станции изображена на рис. 8.

Аналоговый речевойсигнал преобразуется в цифровую форму VSELP кодером. Речевой сигнал разбиваетсяна сегменты по 20 мс, которые преобразуются в 159 кодированных бит передаваемыхсо скоростью 7,95 кбит/с.

Для канальногокодирования используется сверточный код со скоростью г=1/2. В этом процессепакет в 159 бит от речевого кодера разбивается на две группы бит: класс 1 — 77бит, класс 2 — 82 бита. В группе бит 1 класса осуществляется указанное сверточноекодирование, причем 7 бит используются для обнаружения ошибок, биты второгокласса передаются без кодирования. В результате преобразований в канальномкодере речевой фрагмент 20 мс представляется 260 битами, что соответствуетскорости передачи 13,0 кбит/с. Структурные схемы канального кодировав приведенына рис. 9, Результирующая скорость (по результатам формирования TDMA кадра) составляет16,2 кбит/с в расчете на одного абонента.

Пакет в 260кодированных бит подвергается перемежению, принцип которого иллюстрируется рис.10. Речевой фрагмент Y разбивается на две части. Одна часть передается в окне1, вторая часть — в окне 4. Следующий фрагмент речи Z, длительностью 20 мс,передается в окне 4 и<sup/>окне 1 в следующем кадре.

Для передачисообщений по радиоканалу используется спектрально-эффективная n/4 DQPSK модуляция,реализуемая квадратурной схемой с прямым переносом на несущую частоту.

В целом,потенциальные характеристики стандарта IS-54 уступают характеристикам стандартаGSM. Для примера, на рис. 11 показаны графики зависимостей вероятности ошибкиот отношения сигнал/помеха (C/I) в сетях стандартов GSM и D-AMPS (ADC) с учетомзамираний сигнала при скорости перемещения подвижной станции 55 миль в час.Стандарт GSM обладает также преимуществами по отношению к стандарту IS-54 вчасти обеспечения безопасности связи функциональных возможностей. Кроме того,распространение GSM в глобальном масштабе (Европа, Азия, Африка, Австралия)позволяет абонентам этих сетей путешествовать по всему миру своим радиотелефономв рамках автоматического международного роуминга. Стандарт D-AMPS<sup/>принятв Европе и России, где он ориентирован на региональное использование.

Характеристики стандарта DAMPS

Метод доступа — TDMA

Количество радиоканалов на несущую — 3

Рабочий диапазон частот: 824-840 МГц 869-894 МГц

Разнос каналов: 30 кГц

Эквивалентная полоса частот на один разговорный   канал-10кГц

Вид модуляции — n/4 DQPSK

Скорость передачи информации — 48 кбит/с

Скорость преобразования речи — 8 кбит/с

Алгоритм преобразования речи — VSELP

/>

/>

Рис. 6 Структуракадров в стандарте IS-54 с полускоростным речевым каналом.

/>

/>

G: Guard Time, R: Ramp Time, DVCC: Digital Verification ColorCode, RSVD: Reserved for Future Use

Рис. 7Структура кадров в системе D-AMPSдляперспективного варианта с полускоростным речевым кодеком, когда будутиспользоваться шесть временных окон.

Как следует из графиков рис. 11, в реальных каналах связи дляодинаковых значений вероятности ошибки в D-AMPS требуется отношениесигнал/помеха на 6-10 дБ больше, чем в GSM.

На рис. 12 показана зависимость качества приема речи ототношения сигнал/помеха (C/I) в аналоговых и цифровых (ADC и GSM) сетях сотовойсвязи. Как следует из этих графиков, Для обеспечения «приемлемого качестваречи» энергетические затраты в каналах D-AMPS должны быть на 6-7 дБ выше,чем в GSM.

Худшие энергетические характеристики радиоканалов D-AMPS поотношению к GSM сказываются также и при планировании сети. Для размещения сот содинаковыми частотами в D-AMPS требуются большие координационные расстояния,что снижает эффективность повторного использования радиочастот.

/>

Рис. 8Структурная схема подвижной станции

/>

Рис. 9 Структурныесхемы канального кодирования.

/>

Рис. 10Принцип перемежения.

/>

Рис. 11.Графики зависимостей вероятности ошибки от отношения

сигнал/помеха(C/I) в сетях стандартов GSMи D-AMPS.

/>

Рис. 12.Зависимость качества приема речи от отношениясигнал/помеха (C/I)

в аналоговыхи цифровых (ADCи GSM) сетях сотовой связи.

 

Основная часть

Особенности проектирования сетейрадиосвязи

Оценка ЭМС сетей радиосвязи

В    настоящее    время    ввиду   массового    роста    числа    пользователей радиочастотным  спектром,   проблема  ЭМС РЭС   приобретает  весьма  важное значение нетолько в рамках отдельных служб радиосвязи, но и между разными службами. Успешное решение этой проблемынеобходимо связывать прежде всего с развитием новых спектрально эффективныхрадиотехнологий, позволяющих при ограниченномчастотном ресурсе существенно повышать потенциальную емкость сетей радиосвязиобщего пользования. Эта комплексная проблема объединяет все элементырадиоинтерфейса современных сетей связи, включая радиосигналы как носителиинформации, средства их генерации, обработки и излучения (приема) и способы    организации   радиосвязи,    -   все    в    совокупности    определяющее множественный (многостанционный) доступ в сети на основе методовчастотного, временного, кодового ипространственного (или их совокупности) разделения каналов пользователей.

Под электромагнитной совместимостью РЭС понимается ихспособность одновременно функционировать в реальных условиях эксплуатации стребуемым качеством при воздействии на нихнепреднамеренных радиопомех, не создавая недопустимых радиопомех другим радиосредствам. Другими словами, ЭМС РЭС- это свойство РЭС функционироватьбез ухудшения качественных показателей ниже    допустимого      в     заданной     электромагнитной     обстановке.     Под электромагнитной обстановкой будем понимать совокупность электромагнитных полей РЭС различных служб радиосвязи врассматриваемой области пространства. ОценкаЭМС РЭС является общей задачей и неотъемлемой частью процесса согласования условий  совместной  работы  РЭС.   В   ходе   оценки   ЭМС  РЭС вырабатываются    условия,    удовлетворяющие   критерию    ЭМС    в    данной электромагнитнойобстановке.  Эти условия могут включать: территориальные ограничения на размещение станции — источникапомех; ограничение ЭИИМ станции   -  источника   мешающих   сигналов    в   направлении   на   станцию, подверженную помехе; защитные полосы и частотныеограничения РЭС; значение необходимого    подавления    боковых   лепестков    диаграмм    направленности передающейи приёмной антенн; оптимизацию параметров расположения РЭС и ориентации антенн и др.

За критерий обеспечения ЭМС обычнопринимают защитное отношение радиоприемника — минимальное допустимое отношение сигнал/радиопомеха на входе приемника,обеспечивающее требуемое качество функционирования в условиях воздействия непреднамеренных радиопомех. Численное значение защитного отношения, как правило, зависит от типапомехового сигнала. Иногда значениезащитного отношения радиоприемника приводят к полосе пропускания его линейной части (совмещенный канал), т.е. неучитывают ослабление помехи за счет избирательных свойств приемника.

Для   решения   проблемы   ЭМС   РЭС  используются   организационные   и технические меры. Технические мерыобеспечения ЭМС обусловлены изменением технических параметров РЭС(например, снижение уровней внеполосных и побочных излученийпередатчиков, повышение избирательных свойств приемников, снижение уровней боковыхлепестков диаграмм направленности антенн идр.). Они достаточно эффективны, но могут быть применимы в основном при разработке новых типов оборудования. Для РЭС,находящихся в эксплуатации, наиболееприемлемыми и действенными мерами обеспечения ЭМС являются организационныемеры. Они включают рациональное назначение рабочих частот, сочетаемое с введением частотных, территориальных,временных и пространственныхограничений, накладываемых на РЭС, — все вместе представляющее собой основу частотно-территориального планирования (ЧТП)сетей сухопутной подвижной связи,отвечающее требованиям эффективного использования спектра.

Уравнение ЭМС РЭС

Уравнение ЭМС РЭСустанавливает взаимосвязь энергетических, частотных и пространственныхпараметров РЭС полезного сигнала (рецептора радиопомех) и мешающих сигналов(источников непреднамеренных радиопомех), при которых обеспечиваетсятребуемое качество функционирования РЭС. Обычно уравнение ЭМС составляют для«дуэльной» ситуации, когда оценка ЭМС производится для двух РЭС, одно из которыхрассматривается в качестве приемника полезного сигнала, а второе РЭС является источником непреднамеренных радиопомех.В общем случае, возможно, учестьнесколько источников непреднамеренных радиопомех.

Важнейшими факторами, которыенеобходимо учитывать при анализе ЭМС РЭС, являются потери прираспространении радиоволн на трассе и флуктуации уровней принимаемыхсигналов и радиопомех.

Считают, что качественнаяпередача информации по радиоканалу обеспечивается в томслучае, если выполняются следующие два условия:

•    флуктуации уровня полезного сигнала, обусловленные егозамираниями как вследствие многолучевости, так и вследствие препятствий,возникающих на пути  распространения радиоволн,   приводят  к уменьшению интенсивностиполезного  сигнала ниже чувствительности РПМ(определяемой требуемой вероятностьюошибочного приема цифровых сигналов на выходе решающего устройства радиоприемника) не более чем взаданном ηsпроценте времени;

•    флуктуации   уровня   полезного  сигнала   и  непреднамеренной   радиопомехи приводят к снижению отношениясигнал/помеха ниже защитного на входе радиоприемника не более чемв заданном ηlпроценте времени.

Флуктуации интенсивностиполезного и мешающего сигналов в диапазонах волн, выделенных дляподвижной связи, подчиняются логнормальному закону, т.е. мощностьполезного PSимешающего РIсигналов в месте приема (на входе приемника) может бытьзаписана следующим образом:

Ps=Pos + XS,

PI = POI+ XI.                                                 (3.1)

где Pos, POI<sub/> медианныезначения мощности сигнала и радиопомехи; XS, XIслучайныегауссовские величины с нулевым средним значением и с дисперсией σ2,определяющей глубину флуктуации этих уровней (обычно принимают, что длягородов с малой и средней этажностью застройкистандартное отклонение σ = 6 дБ, адля пригородов и сельской местности σ = 4 дБ).

Тогда   ηS   и   ηI  выраженные   в   процентах,   определяются   интегралами вероятности:

/>,                   (3.2)

/>.                                

где Рмин — чувствительностьрадиоприемника; АВХ — защитное отношение на входе радиоприемника;kS, kI — коэффициенты, учитывающие допустимыйпроцент времени ухудшения качества радиосвязи ниже заданногоуровня.

Отметим, что если ηS<sub/>= ηI<sub/>= 5%(что обычно принимается в качестве вероятностного критерияоценки границы зоны покрытия сотовой сети), то     kS, = kI<sub/>= k= 1.65, котороехарактеризует пороговые уровни сигнала и отношения сигнал/помеха. Снижение пороговыхуровней может привести к увеличению временинекачественного обслуживания абонентов.

Условия, указанные вформулах (3.2), выполняются в процентах времени ηS<sub/>и ηI втом случае, если имеют место следующие соотношения:
РOS<sub/>= РМИН + kσ                                                     (3.3)

/>.                                (3.4)

где kσ — запас  на замирания полезного сигнала,  обеспечиваемый в системе радиотелефоннойсвязи на входе РПМ.

Баланс мощности в сетях подвижной связи долженбыть выбран таким образом, чтобы на границезоны обслуживания сети всегда выполнялось требуемое соотношение, атерриториальный и/или частотный разнос между совмещаемыми сетями должен быть таким, чтобы выполнялосьсоотношение (3.4). Принятый выше запасна замирания полезного сигнала соответствует требованиям обеспечения минимальной напряженности поля сигналадля защиты мобильных станцийцифровых и аналоговых систем сотовой связи, указанным в Рекомендации СЕРТ.

Необходимо учитывать, чтоэнергетические параметры РЭС сотовых сетей связи должны выбираться из условия обеспечениятребуемого радиуса зоны покрытия базовойстанции (БС) каждой сети. Радиусы зон покрытия БС должны быть учтены при расчете величины территориальногоразноса между РЭС.

Таким образом на основании(3.3) и (3.4) уравнение ЭМС РЭС может быть
записано в следующем виде:                                       

/>                               (3.5)

где                                                                             

РМИН — чувствительностьРПМ (рецептора радиопомех), дБВт;    

А — защитное отношение РПМ в совмещенномканале, дБ;

/> - запас на замирания сигнала ирадиопомехи, дБ;
POI — мощностьрадиопомехи на входе РПМ, дБВт.
POI= PРПД+GРПД(φРПМ)+ GРПМ(φРПД)+UРПД+ UРПМ+ Nf) — L(R),              (3.6)

где

PРПДмощностьрадиопередатчика источника радиопомех, дБВт;

GРПД(φРПМ) — к-нт усиления антенны РПД в направлении на РПМ, дБ;

GРПМ(φРПД)—  к-нт усиления антенны РПМв направлении на РПД, дБ;

UРПД, UРПМзатуханиев антенно-фидерном тракте РПД и РПМ, дБ;

N(δf) — ослабление радиопомехи влинейном тракте РПМ, дБ;

δf=fрпд -fргм—  частотная расстройка, МГц;

L(R) — потери на трассераспространения сигналов от РИД (в данном случае источника радиопомех)к РПМ (рецептору радиопомех), дБ. Эти потери принято называтьосновными потерями передачи, которые рассчитываются от входа передающейизотропной антенны до выхода приемной изотропной антенны. На рис. 13 показана структуралинии радиосвязи и основные термины, используемые дляпредставления о потерях передачи.

/>

Рис. 13. Структура линиирадиосвязи.

 

Зависимостьослабления помехи от расстройки δf вычисляется по формуле

/>.         (3.7)

Здесь

С — нормировочный коэффициент;

/>S(f) — спектр сигналарадиопередатчика;

K(f) — нормированная функцияизбирательности радиоприемника (амплитудно-частотная характеристика)[32].

Спектр сигнала и функция избирательностиявляются важнейшими техническими характеристиками РЭС, существенно влияющими наусловия их ЭМС. Поэтому к уровнямвнеполосных и побочных излучений радиопередатчиков предъявляются особыетребования.

При оценке ЭМС РЭС с целью проверкисоответствия параметров сигналов РЭС установленным требованиямнеобходимо руководствоваться едиными нормами на внеполосные ипобочные излучения радиопередающих устройств гражданского назначения.

По мнению ERCрекомендации CEPT/ERC74-01E для уровней побочных излученийРЭС сухопутной подвижной службы должны пересматриваться каждые тригода в соответствии с изменениями технологий и регулирующих требований и должныбыть использованы администрациями в качестве руководства для разработкисоответствующих стандартов.

Нормы частотно-территориального разносаРЭС

В ходе оценки ЭМС РЭС необходимоопределить требуемые удаления потенциально несовместимых РПД и РПМ приразличных частотных расстройках и при различных вариантахвзаимной ориентации их антенн. Полученные результаты дляназемных РЭС с учетом принятой модели распространения радиоволн и без учетавлияния рельефа местности представляют собой оценку сверху требуемых территориальныхразносов.

В случае, если реальныезначения территориальных разносов больше чем требуемые, тосчитается, что ЭМС РЭС обеспечивается. В противном случае может потребоватьсявведение дополнительных ограничений на мощность излучения, частотнуюрасстройку и (или) пространственную ориентацию и высоту расположенияантенн РЭС.

Одним из эффективныхспособов согласования условий совместной работы РЭС являетсяразработка и реализация норм частотно-территориального разноса (ЧТР)между взаимовлияющими РЭС.

Нормы ЧТР представляют собой совокупностьвзаимообусловленных значений территориального и частотногоразноса РЭС с учетом ориентации их антенн, при которыхобеспечивается их ЭМС. На основе норм ЧТР определяются или конкретные рабочиечастоты, которые могут быть использованы в сетях подвижной связи, или необходимый для обеспечения ЭМС территориальный разнос для заявленных рабочих частот. Кроме того,нормы ЧТР позволяют установитьтребования к характеристикам направленности и ориентации антенных систем РЭС впространстве при заданных рабочих частотах и расстояниях между РЭС.

Нормы ЧТР определяются дляконкретных типов РЭС с учетом их энергетических, частотных и пространственныххарактеристик. В случае удовлетворения требованиям норм ЧТР, ЭМСмежду РЭС считается обеспеченной.

Нормы ЧТР рассчитываются наосновании уравнения ЭМС РЭС (3.5). Часто основные потери передачи L(R)при распространении на трассе протяженностью R от радиопередатчика  к  радиоприемнику   представляют функцией, которую в относительных единицах (дБ) можно записатьследующим образом:
/>.                                                 (3.8)

Для примера, приведем известную формулуосновных потерь передачи в свободном пространстве (без учетавлияния земной поверхности, атмосферы и других факторов):

/>.                       (3.9)

Здесь

f -рабочая частота, МГц,

R — расстояние, км.

На рис. 14показана зависимость ослабление радиоволн от расстояния в свободномпространстве для трех диапазонов частот. Наклон данной характеристикисоставляет 20 дБ на декаду. Модели ослабления радиоволн в приземномслое, соответствующие условиям сухопутной подвижной связи, будут иметьболее сложную зависимость и более высокий показатель ослабления, а значити более крутой спад характеристики ослабления по сравнению с приведеннойна рис.14.

/>

Рис. 14. Зависимостьослабление радиоволн от расстояния в свободном пространстведля трех диапазонов частот.

На основании (3.5), (3.6) и (3.8) формула для расчетатребуемых значений территориального разносаРЭС будет иметь вид:

/>,                                                (3.10)

где

D — требуемый территориальный разнос, км;

Zобобщенныйэнергетический параметр, дБ.

/>. (3.11)

Физический смысл параметра Z заключается в том, что он характеризует отношение  минимально  допустимой   мощности   полезного   сигнала   на   входе приемника(чувствительность РПМ) к мощности излучаемого помехового сигнала вполосе РПМ с учетом защитного отношения приемника, а также замирания сигналаи помехи на трассе распространения. Чем больше эта разность, тем ближе могут  быть   установлены   РПД   мешающего   и   РПМ   полезного   сигналов c сохранением условий обеспечения ЭМС. Необходимоотметить, что при реальном планировании систем радиосвязи обычно  кчувствительности добавляют еще некоторый запас по полезному сигналудля устойчивой работы системы.

Параметр Z объединяет все основные ЭМС — характеристики двух потенциальнонесовместимых РЭС. Это обстоятельство позволяет получить обобщеннуюзависимость требуемого территориального разноса РЭС, работающих в заданномдиапазоне частот.

Частные решения для нормчастотно-территориального разноса РЭС могут быть получены из общего наоснове вычисления значений Z,соответствующих конкретным значениям параметров(энергетических, частотных и пространственных), входящих в выражение(3.11).

Обычно нормы ЧТРпредставляют в виде:

-   табличных   данных  дискретных   значений   изменяемых   параметров   РЭС (мощностирадиопередатчиков, суммарного взаимного коэффициента усиления антенн РПД и РПМ,чувствительности РПМ, высоты расположения антенн над земнойповерхностью, требований к устойчивости обеспечения радиосвязи и др.)и соответствующих им значений частотно-территориальных разносов РЭС;

-   графических зависимостей(номограмм) территориальных разносов РЭС от частотной расстройки  призаданных типовых значениях других исходных параметров, которые позволяют более гибкоопределять условия согласования работы РЭСпо сравнению с табличной формой.

Особенности применения нормЧТР:

1. Необходимо помнить, что нормы ЧТР обычнохарактеризуют «дуэльную» ситуацию и позволяют определить условия совместнойработы для пары РЭС при тех или иныхограничениях и моделях распространения. В некоторых случаях нормы ЧТР могут учитывать группу РЭС — источников непреднамеренных помех сзаданной плотностью их расположения на местности.

2.         Нормы  ЧТР  целесообразно   рассчитывать   с   некоторым  запасом, учитывая несовершенство  прежде   всего   математических   моделей   распространения сигналов вдоль земной поверхности.

3.         При проектировании сетей сухопутной подвижнойсвязи, которые содержат большое   количество   РЭС,   сосредоточенных на  ограниченной  территории, пользоватьсянормами ЧТР бывает нецелесообразно, т.к. необходимо учитывать, чтонепреднамеренные системные радиопомехи будут представлять собой сумму
большого   числа   пространственно  разнесенных   источников   излучения   с различными рабочими частотами. В этой ситуации необходимо проводитьболее детальную оценку ЭМС РЭС(учитывая наличие и других систем связи) на основе вычислительных программных комплексов с использованием цифровых карт местности.

Модели распространения сигналов,используемые при анализе ЭМС и проектировании сетей подвижной связи

Задачи, связанные с распространениемрадиоволн в приземной зоне, весьма сложны, поскольку поле околоантенны радиоприемника как абонента, так и базовой станции представляетсобой суперпозицию, полученную при многолучевомраспространении сигнала в условиях данной местности. Проблема осложняетсявлиянием на условия распространения радиоволн подвижных объектов,рассеивающих радиоволны, так и перемещением самих абонентов в зоне неравномерногополя. Уровень сигнала может изменяться от пиковых значений, превышающихсредний уровень на несколько единиц и даже десятков децибел, до десятковдецибел ниже среднего в зонах сильного замирания.

Для расчета ослабления сигналов прианализе ЭМС и проектировании сетей сухопутной подвижной связинаиболее широко пользуются моделированием, основанным на результатах статистическойобработки экспериментальных исследований распространения сигналов вдоль земнойповерхности. Такие исследования проводилисьво многих странах мира для различных условий местности. Некоторые из этих моделей являются общепризнанными и рекомендованы МСЭ для использования припроектировании сетей подвижной связи.

Можно выделить два основных типамоделей, используемых в сухопутной связи. Первый тип, где вкачестве основных параметров, характеризующих местность и условияраспространения сигналов, являются эффективная высота расположенияантенны и эффективная высота неровностей местности (перепад высотземной поверхности). Второй тип — модели ослабления сигналов в городских условиях,где рельеф местности обычно не учитывается. Кроме того целесообразно выделитьв особую категорию модели распространения в пределах зданий.

Статистические методы посвоей сути не учитывают индивидуальных особенностей конкретных трассраспространения радиоволн и поэтому позволяют оценить средние илимедианные уровни сигналов для территории, где проводились испытания.Все методы расчета должны давать в принципе одинаковые результаты дляодинаковых условий. К сожалению, различные рекомендации и модели часто даютразные результаты расчетов. Однако некоторые математические моделираспространения радиоволн, построенные на основе эспериментальных данных и описывающиеполе в статистически однородной среде (городская территория, пригород,сельская местность, открытое пространство), являются общепризнанными, о чемсвидетельствуют Рекомендации ITU и СЕРТ, и могут быть использованы как достаточное приближение для расчета зон покрытиясетей сухопутной подвижной связи и оценки их ЭМС.

Модели распространения, рекомендованныеМСЭ

Для расчета напряженности поля РЭСразличных служб в диапазоне от 30 МГц до 1000 МГц в МСЭ быларазработана рекомендация ITU-R P.370.Кроме того имеется рекомендация непосредственно для сухопутной подвижной службыITU-R Р.529, разработанная на основе ITU-R P.370(в эту рекомендацию включены кривые Okumura) ирекомендация ITU-R P.1146, которая явиласьследствием расширения результатов ITU-R P.370на диапазон волн до 3 ГГц.

Рекомендация ITU-R P.370является наиболее ранней и наиболее разработанной рекомендацией для расчетанапряженности поля радиоволн в диапазоне от30 до 1000 МГц. Она основана на огромном экспериментальном материале, полученном в основном в Западной Европеи Северной Америке. Рекомендация предоставляет возможность определятьнапряженность поля на расстояниях от 10 км до 1000 км. Эта рекомендацияпозволяет учесть высоту передающей антенны в пределах от 37 м до 1200 м иприемной антенны от 1,5 м до 40 м, атакже неровности земли от 25 м до 400 м. Кроме того, в рекомендации имеется возможность определения параметровпространственных и временных флуктуацийнапряженности поля, а также могут учитываться углы закрытия со стороны приемной и передающей антенн иклиматические особенности регионов.

Сфера действия рекомендации ITU-R P.529, предназначенной для расчета напряженности поляприменительно к сухопутным подвижным системам связи, практическисовпадает с частью сферы действия рекомендации ITU-R P.370,но она не учитывает многих особенностей распространениярадиоволн, которые учитываются в рекомендации ITU-R P.370.Расчеты напряженности поля, проведенные по методам рекомендаций ITU-R P.370 и ITU-R P.529для высоты приемной антенны 1,5 м на частоте 900 МГц примерно совпадают длягородской местности до 100 км. Для других частот и больших расстоянийрекомендация ITU-R P.529 не содержит никакихданных. Высотная зависимость в рекомендации ITU-R Р.529 приведена лишь в пределах 1…10 ми несколько отличается от данных рекомендации ITU-R P.370.

Рекомендация ITU-R Р.1146 предназначена для расчета напряженности поля вдиапазоне от 1 ГГц до 3 ГГц. На частоте 1 ГГц расчеты по этой рекомендации должны были бы совпадатьс расчетом по методу рекомендаций ITU-R P.370 и ITU-R P.529.Однако, различие в расчетах достигает 20 дБ для расстояний в области 25-120 км.Это вызвано, по-видимому, тем, что в рекомендации ITU-R Р. 1146 выбран неудачный метод классификациитрасс по числу препятствий, дающийвозможность произвольного выбора того или иного варианта расчета без надлежащего учета условий распространениярадиоволн.

По-видимому, методырекомендации ITU-R P.370 следует в большинстве случаевсчитать более предпочтительными по сравнению с другими методами ввидутого, что эта рекомендация основана на очень большом экспериментальномматериале и учитывает большее число факторов, влияющих на распространение радиоволн. Однако дляусловий городской местности и для малых расстояний (менее 10 км) целесообразно пользоваться рекомендацией ITU-RР.529.

 

Модель Okumura-Hata

Среди многочисленныхэкспериментальных исследований, связанных с прогнозом распространения радиоволн для мобильныхсистем, исследования Okumura  считаются   наиболее   исчерпывающими.   На   основе   измерений   им построены кривые напряженности полясигналов для различных условий городской и пригородной местности.Эмпирические формулы, аппроксимирующие кривые Okumura для медианного значения ослабления радиосигналамежду двумя изотропными антеннами (передающей и приемной), былиполучены Hata и известныкак эмпирическая модель Hataдля ослабления.

Модель Hataописывает особенности распространения радиоволн над квази­плоскойместностью и не учитывает особенности рельефа. Кроме того предполагается,что антенны базовых станций расположены выше окружающих строений,а размер ячеек при формировании макросотовой структуры сети составляетоколо 1 км и более. В этом случае потери распространения определяютсяглавным образом процессом дифракции и рассеяния радиоволн на высотекрыш зданий, окружающих абонентскую станцию. Распространение основныхлучей от базовой станции происходит выше крыш строений.

Область применения формулы Hata ограничена следующими значениями параметров:

рабочая частотаf,МГц                                150… 1000;

высота антенны базовойстанции hБС, м                  30...200;

высота антенны абонентскойстанции hАС, м        1…10;

протяженность трассы R, км                                1 ...20.

В рекомендации ITU-RР.529 дано уравнение Hataдля напряженности поля в следующем виде:
/>,       (3.12)

гдеf — рабочая частота РЭС в МГц; hБС, hAC — высота расположения антенн БС и АС в метрах.

В   формуле   (3.12)  используется   поправочный   коэффициент  на   высоту абонентской станции.
/>.               (3.13)

Коэффициент   к   в  (3.12)   позволяет   расширить   действие   модели   для протяженноститрассы до 100 км:

к =1        для R < 20 км,

/>для 20км <R< 100км.

Формула (3.12) может бытьиспользована и в диапазоне от 1 ГГц до 2 ГГц с ограничением подальности до 20 км.

Основные потери передачи L(R) [дБ]при распространении на трассе протяженностью R[км] от радиопередатчика к радиоприемнику в соответствиис этой моделью определяются формулой

/>,                                            (3.14)

где α, β —коэффициенты, зависящие от типа местности, рабочей частоты и высотырасположения антенн РЭС. Формулы для расчета L(R) для различных типовместности представлены ниже.

Потери в городе:

/>.         (3.15)

Потерив пригороде;
/>.                                               (3.16)

Потерив сельской местности:
/>.                  (3.17)

Потерина открытом пространстве:
/>.                  (3.18)

В формулах (3.15)-(3.18) используются те жепоправочные коэффициенты, что и в (3.12). Для больших городов сплотной городской застройкой коэффициент a(hAC) равен:

/> для < 200 МГц,        (3.19)

/>для > 400 МГц.(3.20)

Для корректного использования формул Hata необходимо придерживаться следующего соответствия междутипами моделей и характеристиками местности:

7.                 Плотнаягородская застройка (большой город) — плотная застройка в
основном высокими зданиями (выше 20 этажей) с малой площадью зеленых
насаждений. Покрытие ячеек в значительноймере определяется дифракцией и
рассеянием сигнала на ближайших к абоненту зданиях.

7.                 Городская  застройка  -   многоэтажная административная   и  жилая
застройка, индустриальные районы. Плотность зданий достаточно высокая,но
может быть разбавлена зелеными насаждениями, небольшими скверами.

7.       Пригород  -   одиночные   жилые  дома,  административные   здания, магазины   высотой   1-3   этажа.   Большие  площади   зеленых   насаждений (деревьев), парковые зоны с отдельнымигруппами зданий плотной застройки.

7.       Сельская местность — открытое пространство с несколькимизданиями, фермы, кустарниковые насаждения, шоссе.

7.                 Открытое пространство — озера, водохранилища, открытыеучастки
без насаждений, неплодородные земли.

На рис. 15, 16 представлены графики для медианного значения ослаблениярадиоволн по модели Hata исвободного пространства в диапазонах 450 МГц и 850 МГц. Значения параметров hБС, hАС, указанына рисунках. Цифрами обозначены: 1 — свободное пространство; 2- открытая местность; 3 — пригород; 4 — город; 5 — большойгород.

/>

Рис. 15. Графики для медианного значения ослабления радиоволн помодели Hataв диапазонах 450 МГц и 850 МГц.

/>

Рис. 16. Графики для медианного значения ослабления радиоволнсвободного пространства в диапазонах 450 МГц и 850 МГц.

Как видно из анализа формул (3.15) — (3.20) для модели Okumura-Hata спад функции основных потерь передачи L(R) существеннозависит от высоты расположения антенны БС и может составлять30...35 дБ на декаду для R<20 км и более 50 дБ при 20 км < R< 100 км.

Некоторые   аспекты  и   тенденция   увеличения   емкости   сетей подвижнойсвязи

Число пользователей сотовыхсетей мобильной связи растет значительно быстрее, чем могли себе представитьизобретатели этой технологии. Каждый год количество абонентов возрастает на40%, и предполагается, что данная тенденция сохранится до конца десятилетия.Резкое увеличение числа абонентов и растущая коммерциализациятехнологии обуславливают новые требования к сети; в частности,довольно остро стоит задача увеличения емкости ячеек и повышения качествапередачи звука при телефонных переговорах.

С одной и той же базовой станциейсотовой сети может взаимодействовать большое число абонентов.Такой режим работы называется множественным доступом (multipleaccess) к базовой станции. Дляобеспечения множественного доступа общий ресурс базовой станцииподразделяется на определенное количество «каналов», ккоторым получают доступ пользователи. В одно и то же времяабонент может использовать только один канал. Захват канала происходит приподсоединении к данной базовой станции (при переходе к ней из зоны действиядругой базовой станции или инициализации вызова), освобождение канала- при переходе в зону действия другой базовой станции или окончании переговоров.

Разные стандарты организации множественного доступапо-разному «упаковывают» каналы вналичный диапазон частот; от способа этой упаковки зависит емкость ячейки сети.

Первыми появились методы множественногодоступа, основанные на разделении каналов по частотам (FDMA, frequencydivisionmultipleaccess). Каждый каналзанимает определенную частотную полосу в отведенном для ячейки частотномдиапазоне. В настоящее время используются стандарты AMPS(AdvancedMobilePhoneService, ширинаканала 30 кГц), NAMPS(NarrowbandAdvancedMultiplePhoneService, ширинаканала 10 кГц), TACS(TotalAccessCommunicationsSystem, ширинаканала 25 кГц). Все эти стандарты основаны на передаче аналоговогосигнала. После установления соединения вся соответствующая каналу полосачастот используется для обслуживания диалога только между одним абонентскимтелефоном и базовой станцией, какое-либо совместное применение однойполосы частот несколькими абонентами невозможно.

Емкость ячейки сети определяется тем, сколькочастотных каналов «умещается» в частотном диапазоне, отведенном для даннойячейки. Величина этого диапазона обычносоставляет одну седьмую часть от общего диапазона частот, отведенного для конкретной сотовой сети,что необходимо для «разнесения»по частотам соседних ячеек сети. Благодаряэтому можно повторно использовать одни и те же частоты в отдаленных друг отдруга ячейках сети, а значит, строить сети неограниченныхгеографических масштабов, применяя конечный диапазон частот.

Большей    емкости    сети    можно   достичь    с    помощью    одного из многочисленных методов  множественного доступа с  временным  разделением каналов (TimeDivisionMultipleAccess, TDMA). Весьдиапазон частот, выделенный для данной ячейки, сначалаподразделяется на определенное число несущих частот (какв методах множественного доступа), после чего каждая из несущих делится ещена некоторое число временных слотов, и именно эти слоты представляют собойканалы. Под термином «временной слот» понимается следующее. Базовая станция,работая на данной частоте, какую-то часть времени использует для связи с одним абонентом, какую-то- с другим и так далее. По существу, временной слот здесь   мало   чем   отличается   от   применяемого   при  мультиплексировании   с разделением  по  времени.   Речь  обычно  передается  в  оцифрованном  виде  с компрессией. В качестве примеров TDMAможно привестиследующие стандарты: IS-54(частотные каналы AMPSшириной 30 кГц делятся на три временных слота), PDC (каналы на 25 кГц по три слота в каждом) и усиленнопродвигаемый в настоящее время GSM(восемь временных слотов при несущем диапазоне 200 кГц).

Существенное   увеличение   емкости   сети   обеспечивает   не  так   давно появившийся в технике сотовыхсетей метод CDMA(CodeDivisionMultipleAccess). Как и метод множественногодоступа, он подразумевает передачу голосовой информации только воцифрованном виде. Мы не случайно подчеркиваем, что этот метод   возник  недавно  именно   в  телефонии,   -   в   основе   его   лежит  давно применяемый   в   военной   радиосвязи   метод  модуляции   с   использованием шумоподобногоили широкополосного сигнала (ШПС; в англоязычной литературе используетсятермин spreadspectrum, что часто переводится нарусский язык как «растянутый»    или    «размытый»   спектр).    Полезная    информация    как    бы «размазывается» по частотному диапазону, существенно болееширокому, чем при традиционных способахмодуляции сигнала (в данном контексте такой сигнал часто   называют узкополосным).   Осуществляется   это   за  счет  перемножения последовательности     полезных     битов    информации     на     псевдослучайную последовательностьболее коротких импульсов. В результате получается сигнал, который занимает больший частотный диапазон и имеетзначительно меньшую интенсивность,чем получаемый при узкополосной модуляции. CDMAкак метод множественного  доступа  аналогичен  методу модуляции  DSSS(direct-sequencespreadspectrum), используемому вбеспроводных локальных сетях.

Ясно, что в этом случае можно принятьинформацию, только зная последовательность, на которую был перемноженполезный сигнал при передаче, в противном случае он будет выглядетькак шум (отсюда и название). В военных приложенияхданный метод используется в первую очередь для защиты от помех (широкополосныйсигнал очень устойчив к узкополосным помехам) и подслушивания. Длянас же сейчас более важно следующее: если два абонентских телефона,находящихся в зоне действия одной базовой станции, работают на общей частоте,но с разными кодирующими последовательностями, то эти сигналы практическине будут создавать помех друг для друга.

Все абонентские телефонныеаппараты, работающие в зоне действия одной базовой станции, используют одну и ту же несущуючастоту. Для передачи информации отводятсячастотный диапазон шириной 1,25 МГц и фрагменты общей «большой» псевдослучайнойпоследовательности, по-разному смещенные от условно выбранного начала этой последовательности. Емкость ячейки сети CDMAопределяется тем, наскольконезависимы друг от друга коды, используемые абонентскими аппаратами.При работе по этой технологии размер ячейки, качество звукаи емкость оказываются тесно взаимосвязанными, поэтому при проектировании сетиследует выбирать некое оптимальное решение; улучшить одну из этих характеристик можно только за счет ухудшения другой. Делотут в следующем. Чем больше CDMA-каналовв данной ячейке сети, тем выше уровень взаимных помех из-занеполной независимости кодовых последовательностей. Отсюдаясно, что чем более низкое качество передачи звука считается приемлемым,тем больше каналов можно разместить в ячейке сети. Взаимная зависимостьмежду размерами ячейки и емкостью сети обусловлена тем, что можнообеспечить заданное качество передачи речи, только если соотношение сигнал/шумоказывается выше определенного значения. Чем слабее сигнал (а при заданноймощности оборудования с увеличением размера ячейки сигнал становитсяслабее), тем меньшим должен быть уровень помех — а он, как мы знаем, зависитот числа используемых каналов. (Строго говоря, в последнем случае все несколькосложнее, однако сейчас мы не станем в это углубляться.)

По данным компании Motorola, одного из ведущихпроизводителей аппаратуры для CDMA в одном несущем диапазоне шириной 1.25 МГц можно разместитьдо 18 каналов для сетей мобильной связи и около 30 — для фиксированныхсетей (где абонентские терминалы не перемещаются в пространствев процессе вызова). Много это или мало? Попробуем сравнить емкостьсети CDMAсемкостью сети на базе AMPS. Напервый взгляд, кажется, что для такого сравнения надо ширинунесущего диапазона CDMA(1,25 МГц) поделить на ширину одногочастотного канала AMPS(30 кГц) и выяснить, не больше липолучившееся число, чем 18.

(1,25: 0,03=42 >18).

Выходит, что сравнение не в пользу CDMA? Однако это неверный вывод,поскольку, как уже говорилось выше, при работе в стандарте AMPSканалы, организованныев семи соседствующих между собой ячейках (см. рис. 17),должны различаться по частотам, а в CDMAво всех ячейках можно использовать один и тот женесущий диапазон. Поэтому полученный результат надо разделить на семь (42: 7 = 6). Получаем, что емкость CDMAвтрое выше, чем AMPS. Но иэтот результат нельзя считать окончательным, поскольку и в CDMA, и в AMPSячейку сетиобычно делят на три сектора по 120° в каждом — это позволяет увеличить радиус ячейки сети,используя направленные антенны, и, таким образом, снизить число базовых станций, необходимыхдля покрытия определенной площади. Так вот, при работе по стандарту AMPSв разных секторах одной итой же ячейки приходится использовать разные частотные каналы (иначе неизбежнывзаимные помехи, поскольку секторы ограничены не линиями, а,скорее, областями постепенного спадания мощности сигнала), а в CDMAможно применять одни и те же.Соответственно, полученную выше цифру 6 надо поделить на три — получим двойку.В итоге оказывается, что при использовании одного и того же частотногодиапазона шириной 1,25 МГц емкость сети CDMAв девять раз выше, чем емкость AMPS. При сравнении CDMAс другими стандартамивыигрыш в емкости получается меньшим; конкретное число можно узнать путеманалогичных расчетов.

Возможность использования в двухсоседних ячейках сети одной и той же несущей частоты значительноупрощает так называемое частотное планирование, которое является весьма сложнойоперацией при развертывании сети. Если же применяется частотноеразделение каналов, необходимо расписать все используемые вячейках сети частоты так, чтобы ни в одной паре соседних ячеек не оказалось двух одинаковыхчастотных каналов. Это совсем не просто и часто связано со значительными материальными затратами.

Качество связи

Общеизвестно, что мобильныйтелефон обеспечивает не слишком высокое качество связи. Причин тому много. Вгородах, где обычно и развертываются сети мобильной связи, имеется многоиндустриальных помех. Распространяясь между базовой станцией имобильным аппаратом, радиоволна многократно отражается от препятствий; врезультате интерференции сигналов, прошедших разными путями, интенсивностьпринимаемого сигнала может внезапно упасть. Такие явления, называемыев радиотехнике федингами (fading), обычнонаблюдаются в ограниченных пространственных областях, чьи форма ирасположение определяются расположением зданий и длиной волны, накоторой ведется передача. Наконец, качество связи заметноснижается при переходах мобильного абонента от одной ячейкисети к другой: в обычных стандартах осуществляется так называемое«жесткое переключение» (hardhandoff), прикотором сначала разрывается связь с покидаемой ячейкой и только после этогоустанавливается связь с новой.

Конечно, сравнивать качество связи,устанавливаемой с фиксированных телефонов, с качеством мобильной связи невполне корректно: в последнем случае действует значительно больше факторов,обуславливающих ухудшение связи. Тем не менее факт остаетсяфактом — CDMAпозволяетполучить значительно более высокое качество связи, чем стандарты, основанные наFDMAи TDMA. Причины этого следующие:во-первых, CDMA — чисто цифровая связь (аналоговый сигнал попросту невозможно передавать тем способом,какой принят в CDMA), а во-вторых, в CDMAиспользуется широкополоснаямодуляция сигнала.

Цифровой сигнал значительноменьше уязвим для помех, чем аналоговый. Кроме того, в CDMAприменяются новейшиеалгоритмы коррекции ошибок передачи, а в аппаратуре обычноиспользуются самые современные методы сжатия голосового сигнала. Это позволяет достигнуть большойстепени сжатия голоса при достаточно высоком качестве связи.

/> <td/> />
Оченьбольшие преимущества с точки зрения качества связи дает применение широкополосноймодуляции сигнала (рис.18). Широкополосный сигналзначительно меньше страдает от помех, особенно узкополосных. Узкополосная помеха способна«испортить» широкополосный сигнал только в каком-то относительно узком частотном диапазоне,и полезная информация может бытьвосстановлена по неповрежденным участкам несущего диапазона. Это относится и к федингам, о которых говорилосьвыше: интерференция прошедших разными путями сигналов приводит к снижениюсуммарной интенсивности лишь в достаточно узком частотном диапазоне, и сноваполезную информацию можно восстановитьпо неповрежденной части сигнала. Конечно, сигнал несколько ухудшается, однако это несопоставимо с потерямикачества связи при использованииобычных методов модуляции.

Рис. 18. Воздействиеузкополосных помех (а) и федингов (б) на широкополосный сигнал.

Помимо повышения качества связи,устойчивость CDMAк федингамприводит к значительной экономии ресурса источников питания и улучшениюэкологических параметров мобильных телефонов. В других сетях мобильные телефоны обычно работаютна более высокой мощности, чем это нужно для устойчивойсвязи с базовой станцией, что позволяет при внезапном возникновении фединга не потерять связь (происходит лишьзначительное снижение ее качества). В CDMAже такой резерв не нужен, поэтому телефон может работатьс меньшей мощностью передаваемого сигнала.

Этим не ограничиваются преимуществатехнологии CDMA, связанныес использованием широкополосной модуляции сигнала. Вместо жесткого переключения(hardhandoffилиbreakbeforemake) от ячейки к ячейке,принятого во всех прочих сотовых сетях, в CDMAможно использовать мягкий переход (softhandoffили makebeforebreak): мобильныйаппарат сначала устанавливает связь с базовой станцией, в зону действия которойон переходит, и только после этого освобождает канал впокидаемой ячейке. Это возможно за счет того, что и в покидаемой,и в новой ячейке используется одна и та же несущая частота. Данное преимуществозаметнее всего сказывается на работе телефонов, находящихся в пограничной зонемежду двумя ячейками, где уровни сигналов от базовых станций примерноодинаковы. Тогда выбор базовой станции в значительной степени определяетсяслучайными причинами, и абонент подключается то к одной, то к другойстанции. При жестком переходе частые переключения значительно ухудшают качествосвязи и даже могут привести к ее обрыву, а при мягком переходеничего подобного не происходит.

Далее, для работы системы CDMAнеобходимо, чтобывсе приходящие на базовую станцию сигналы имели одинаковуюинтенсивность, — в противном случае возникнут проблемы сдекодировкой информации. Ясно, что чем дальше телефон от базовой станции, темвыше должна быть мощность передаваемого им сигнала. Базовая станция следит затем, чтобы сигналы, приходящие к ней от разных телефонов, были строго одинаковой интенсивности, и дает указанияиндивидуальным телефонам о повышении или понижении мощности передаваемого сигнала. Такая схема управлениямощностью реализована во многихстандартах мобильной связи, однако в CDMAудается управлять мощностью передатчиковмобильных телефонов с очень высокой точностью. Мощностьудерживается на том минимальном уровне, который обеспечивает уверенныйприем сигнала базовой станцией. При этом снижается общий уровень взаимных помехв системе, что повышает качество связи. Кроме того, точное управлениемощностью позволяет продлить срок службы аккумуляторов мобильныхтелефонов и улучшить экологические параметры технологии.

Недостатков у CDMAотносительно немного.Главный из них — новизна технологии. Стандартизирована она была лишь в1994 г. (соответствующий документ называется IS-95),поэтому значительно менее устоялась, чем другие технологии мобильнойсвязи.

Другими недостатками являются большаясложность оборудования и, как следствие, довольно ограниченный кругпроизводителей. В настоящее время базовые станции для этойтехнологии выпускают фирмы QUALCOMM, Samsung, Motorola, LucentTechnologies, Nortelи некоторые другие. Намногобольше компаний выпускают абонентское оборудование, однако ихтоже меньше, чем аналогичных производителей для других технологий.

Определенные проблемывызывает и использование «мягкого переключения». Вчастности, если абонент находится в зоне действия нескольких базовыхстанций, то правило makebeforebreakможет привести ктому, что для работы с ним будут одновременно резервироваться каналы внескольких ячейках сети, что приведет к снижению эффективнойемкости сети. В настоящее время разрабатываются различные способы, позволяющиеизбежать такой ситуации.

Помимо своего, так сказать,основного амплуа, сети CDMAмогут обеспечивать целый ряд других функций.Прежде всего, следует упомянуть приложения так называемой«беспроводной последней мили» (WirelessLocalLoop, WLL).    Такое     приложение     реализуется     в    «фиксированных»     сетях, не поддерживающихмобильных абонентов. Следует, впрочем, подчеркнуть, что совершеннонеподвижными абоненты таких сетей быть не обязаны, — допускается, например, перемещение сместа на место в пределах территории, на которой развернута сеть.

Наибольший интерес к фиксированным сетямпроявляют компании-операторы из развивающихся стран, гденеобходимо быстро обеспечить связь на большой территории, и напрокладку разветвленной кабельной сети просто нет времени.Помимо недостаточно развитой коммуникационной инфраструктуры, существует и ещеодна причина интереса к беспроводным технологиям «последней мили»- большие расстояния. Этот фактор не зависит от уровня экономического развитиястраны — проложить кабель к удаленному ранчо в Соединенных Штатах ничутьне дешевле (а скорее всего, значительно дороже), чем к какой-нибудь глухойроссийской деревушке на десять домов. Переход от мобильной связи к фиксированнойсопряжен со значительным повышением качества передачи голоса и увеличениемемкости сети. По данным корпорации QUALCOMM, максимальнаяемкостьячейки сети в этом случае возрастает до 45 каналов на одну несущую частоту.

В настоящее время испытания систем WLLна базе CDMAпроходят в Канаде,Бразилии, Индии, России, Китае, Польше.

Другим весьма перспективным применениемтехнологии CDMAбудет,как предполагается, начинающая развиваться в США системасотовой связи в диапазоне 1900 МГц под названием PCS(PersonalCommunicationsServices). ИдеяPCSсостоитв том, чтобы превратить сотовую связь во всепроникающую телекоммуникационнуютехнологию. Ожидается, что ячейки такой сети будут мельче, мобильные аппараты — легче и дешевле и что эта система позволит связываться с абонентами в любое время и из любогоместа. Согласно прогнозам, одно изнаиболее эффективных решений для организации PCS — применение технологии CDMA, в первую очередьблагодаря большей емкости таких сетей, болеевысокому качеству связи (в частности, малый размер ячеек означает частые переключения, а они, как мы помним, в CDMAпроисходят менееболезненно, чем при использовании других технологий), а также малой стоимости врасчете на одного абонента. В настоящеевремя в США уже развернуты первые системы PCSнабазеCDMA.

Расчет межсистемной ЭМС

Требуется провести анализ ЭМС между двумябазовыми станциями (БС) двух различныхстандартов сотовой связи (CDMA и D-AMPS), сцелью их взаимной беспомеховой (корректной) работы.

Ниже приведены исходные данные, необходимыедля расчета:

Характеристика CDMA GSM D-AMPS Рабочий диапазон

824-840

869-894

880-915

824-840

869-894

Мощность передатчика БС, дБ 40 40 40 Чувствительность приемника БС, дБ -102 -107 -90

К-нт   усиления   антенны   РПД   в направлении             на             РПМ

GРПД(φРПМ), дБ

16 14 16

К-нт   усиления   антенны   РПМ   в направлении на РПД GРПМ(φРПД), дБ

16 16 Разнос каналов, кГц 1250 30 Защитное отношение (сигнал/помеха), дБ 7 9 9 Среда распространения радиоволн Город Город Город

Как видно из таблицы рассчитывать ЭМСсетей EGSM и D-AMPS неимеет смысла, т.к. рабочие диапазоны частот не совпадают.

БС CDMA — приемник помехи

БС D-AMPS    источник помехи

Обе БС работают на одной несущей частоте f = 830 МГц, вследствие этого создают другдругу помехи

1.     Начнемрасчет с нахождения POI:

POIмощностьрадиопомехи на входе РПМ (БС CDMA),дБВт.

POI= PРПД+GРПД(φРПМ)+ GРПМ(φРПД)+UРПД+ UРПМ+ Nf) — L(R),

Нам известно, что:

PРПД= 40дБ(мощность радиопередатчика источника радиопомех)

GРПД(φРПМ)= 16дБ (к-нт усиления антенны РПД внаправлении на РПМ)

GРПМ(φРПД)= 16дБ (к-нт усиления антенны РПМ в направлении на РПД)

UРПД = 1,51дБ(затухание в антенно-фидерном тракте РПД)

UРПМ  = 0,1дБ(затухание в антенно-фидерном тракте РПМ)

N(δf) = 1 дБ (ослабление радиопомехив линейном тракте РПМ)

L(R) — потери на трассераспространения сигналов от РПД (в данном случае источникарадиопомех) к РПМ (рецептору радиопомех), дБ.

POI= 40+16+16+1,51+0,1+1-L(R) =74,61-L(R);

Т. к. среда распространения радиоволн — город, далее считаем.

Потери в городе:

LГ=69,55 + 26,16 lgf13,82lg(hБС) — a(hАС) + k[44,9- 6,55 lg(hБС)]lgR,    где

HБC=30м.(высота антенны базовой станции)

hAC=1,5 м. (высота антенны абонентской станции)

R=0,5 км(протяженность трассы — расстояние между базовыми станциями)

Коэффициент kпозволяет расширитьдействие модели для протяженности трассы до100 км:

k=1 для R<20 км,

Поправочныйкоэффициент на высоту абонентской станции:

a(hAC) = (1,1lgf 0,7) hAC  — 1,56 lgf + 0.8 .

LГ=69,55+76,36-20,41-10,6=114,9 дБ

Суммарные потери на трассе распространениярадиоволн составляют 114,9 дБ.

Теперь мощность радиопомехи с учетом потерьв городе:

POI=74,61-114,9=-40дБ

Далее   применяя   уравнение   ЭМС  РЭС,   определяем   возможна  ли   взаимная беспомеховая работа двухбазовых станций

/> - уравнениеЭМС РЭС, где:

k=1,65(коэффициент, учитывающий допустимый процент времени ухудшения качестварадиосвязи ниже заданного уровня)

σ = 6 дБ

РМИН = -102дБ (чувствительность приемника)

A=9 дБ(защитное отношение сигнал/помеха)

-102-(-40)> 9+1,65(0,4)6

-62>15 -Неравенство не выполняется.

Вывод: взаимная беспомеховая работаневозможна.

Так как стандарт CDMA-широкополосный, с кодовым разделением каналов и  передатчик   его   БС   обладает   меньшей   излучаемой   мощностью,   нежели передатчик БС   стандарта  D-AMPS, то  дальнейшие  рекомендации, в  первую очередь, будут относиться к настройке, установкеи использованию БС стандарта D-AMPS. Итак, если неравенство не выполняется, тонеобходимо:

1.         Уменьшить мощность РРПДБС стандарта D-AMPS,что в свою очередь
приведет к уменьшению обслуживаемой зоны.

2.         УменьшениеGРПД(φРПМ) — коэффициента усиленияантенны РПД в
направлении на РПМ. Это достигаетсяприменением направленных
(секторных) антенн и их ориентацией впространстве.

3.         Уменьшение GРПМ(φРПД) — коэффициента усиления  антенны РПМ в
направлении на РПД.  Это достигается применением направленных
(секторных) антенн и их ориентацией в пространстве.

4.         Изменение несущей частоты БС D-AMPS.

ЭМС сотовых систем связи EGSM-900 и CDMA-800 в Москве

Исходные данные для расчета

Проблема электромагнитной совместимости(ЭМС) сотовых систем различных стандартов, действующих на однойтерритории, может возникнуть, если рабочие полосы частот в предусмотренных для этих системдиапазонах перекрываются или защитный интервал между ними недостаточен.Особенно тщательного исследования требуетслучай, когда одна из систем уже развернута и функционирует в выделенных для нее рабочих полосах частот, а втораяпланируется к развертыванию на той же или сопредельной территории при дефиците частотных полос.

Оценка ЭМС систем EGSM-900 и CDMA-800 в Москве.

Распределение рабочих полос частот систем CDMA-800 (передача с БС; передача с МС) или (прием на МС; прием на БС):

•   по России в целом: (873...876 МГц;828...831 МГц) МГц;

 •   вМоскве: (879...882 МГц; 834...837 МГц).

Полоса, выделенная для стандарта EGSM-900: 880...915 МГц. Следовательно, частотныеполосы систем не только перекрываются, но, фактически, часть рабочейполосы частот EGSM-900 приходится на ранее выделеннуюи занятую полосу системы связи CDMA-800.В связи со сложившейся ситуацией необходимо провести оценку ЭМС этихдвух систем.

Из анализа частот EGSM и CDMA вМоскве, следует, что излучение передатчика БС CDMA воздействует на приемник БС EGSM. В свою очередь излучение передатчика МС EGSM воздействуют на приемник МС CDMA.

При анализе ЭМС проводится расчет дляследующих исходных данных:

1.  Характеристики передатчикаБС CDMA:

•    Максимальнаямощность излучения БС CDMA: PБС CDMA = 17 Вт;

•    Рабочаячастота передатчика БС CDMA:fБС CDMA =881,25 МГц (г.Москва);

•    Полосапропускания на уровне 3 дБ передатчика БС CDMA:1,2 МГц;

•    Потери радиочастотного  кабеля,   включая  потери  на  радиочастотном разъеме: 3 дБ;

•    Высотаустановки антенны передатчика БС CDMA: HБС CDMA =30m;

•    КУсекторной антенны передатчика БС CDMA: GБС CDMA = 14 дБ;

•    Уровеньвнеполосного излучения БС CDMA приотстройке от несущей на МГц и более: менее -44 дБ;

2.  Характеристикиприемника МС CDMA:

·       Частота приема МС CDMA:881,25 МГц (г. Москва);

·       Полоса пропускания на уровне 3 дБ приемника МС CDMA: 1,2 МГц;

·       Выигрыш в отношении S/(N+I) прииспользовании кодирования: 23 дБ;

·       КУ антенны приемника МС CDMA: GМС CDMA = 0 дБ;

·       Чувствительность приемника МС CDMA:-120,65 дБ;

·       Уровень внутрисистемной помехи в системе CDMA: 8 дБ;

Требуемое отношение S/(N+I) в системе CDMA: 5,5 дБ;

3.   Характеристики передатчикаМС EGSM:

•    Мощностьизлучения МС EGSM:PМС EGSM = 2Вт;

•    Несущаячастота передатчика МС EGSM: fМС EGSM = 889,6 МГц;

•    Полосапропускания на уровне 3 дБ передатчика МС EGSM: 6МГц;

•    Уровень внеполосногоизлучения МС EGSM при отстройке от несущей на 0,5МГц и более: менее -60 дБ;

•    КУантенны передатчика МС EGSM: GМС EGSM = 0 дБ;

4.  Характеристикиприемника БС EGSM:

•    Частотаприема БС EGSM:fБС EGSM = 889,6 МГц;

•    Полосапропускания на уровне 3 дБ приемника БС EGSM: 6МГц;

•    Высотаустановки антенны приемника БС EGSM: HБС EGSM = 30 м;

•    КУсекторной антенны приемника БС EGSM: GБС EGSM = 14 дБ;

•    Чувствительностьприемника БС EGSM: -107 дБ;

•    Требуемоеотношение S/(N+I) всистеме EGSM: 9 дБ;

5. Условные характеристики трасс распространения сигналов:

•    Условияраспространения сигнала передатчик БС CDMA — приемник БС EGSM: городская застройка;

•    Условияраспространения сигнала передатчик БС CDMA — приемник МС CDMA: городская застройка;

•    Условияраспространения сигнала передатчик МС EGSM — приемник МС CDMA: прямая видимость(распространение в свободном пространстве);

•    Условияраспространения сигнала передатчик МС EGSM — приемник БС EGSM: городская застройка.

 

 

 

 

Анализ параметров источниковполезного и мешающего сигналов

1.         Мощность передатчиков:

Для передатчика БС CDMA:

/>, дБм;

Для передатчика МС EGSM:

/>, дБм.

2.         Уменьшениеуровня мощности мешающего сигнала на гармониках:

Частоты приемника МС CDMA и передатчика МС EGSMпримерно равны:
/>, МГц.

Значит, уменьшение уровня мощностимешающего сигнала на гармониках отсутствует.

Частоты приемника БС EGSM и передатчикаБС CDMA примерно равны:

/>МГц.

Значит, уменьшение уровнямощности мешающего сигнала на гармониках отсутствует.

3.         Потерив фидерах:

Для передатчика БС CDMA: 3 дБ.

Для передатчика МС EGSM: 0 дБ.

4.         Усилениеантенн:

КУ секторной антенныпередатчика БС CDMA: GБС CDMA= 14 дБ.

КУ антенны передатчика МС EGSM: GМС EGSM = 0дБ;

 

5.         Уменьшениеуровня мощности для частот передатчика, лежащих вне рабочей полосы частот.

Уровень внеполосного излучения БС CDMAпри отстройке от несущей на2 МГц и более: менее -44 дБ;

Уровень внеполосногоизлучения МС EGSM при отстройке от несущейна 0,5 МГц и более: менее -60 дБ;

6.         Уменьшениекоэффициента усиления антенны передатчика в направлении рецептора.

Секторная антенна БС CDMA должна обеспечивать примерно одинаковое усилениево всех направлениях, в т.ч. и направлении на БС EGSM. Следовательно,уменьшение КУ антенны БС CDMAпринимаем равное 0 дБ.

Антенна МС являетсявсенаправленной, поэтому уменьшение КУ антенны МС EGSM принимаем равным 0 дБ.

7.                      Итоговые данные по уровню эффективно передаваемой мощности.

С помощью расчетапараметров передатчиков, полученные результаты сводятся в таблицу.Для нахождения результата необходимо сложить все строки таблицы.

 

 

 

 

 

Расчетуровня эффективной передаваемой мощности.

Пара сигнал — помеха БС EGSM МС CDMA МС EGSM БС CDMA БС CDMA МС EGSM Параметры Сигнал Помеха Сигнал Помеха +дБ -дБ +дБ -дБ +дБ -дБ +дБ -дБ 1. Мощность передатчика 33 42,3 42,3 33 2. Уменьшение уровня мощности на гармониках 3. Потери в фидерах 3 3 4. КУ антенны передатчика 14 14 5. Уменьшение уровня мощности вне рабочей полосы частот 44 60 6. Уменьшение КУ антенны в направлении рецептора 7. Уровень эффективной передаваемой мощности +33 +9,3 +53,3 -27

Потери энергии на трассе распространениярадиоволн

8, 9. Медианные и дифракционные потери.

Для трассы БС CDMA— БС EGSM.

Определим потери на трассе распространения поформулам Hata:

 h1 = h2=30м — высоты антенн БС.

Hm = min(h1, h2) = 30 м, Hb = max(h1, h2) =30 м.

Для r > 0,1 км, городскаязастройка, f= 881,25 МГц:

/>;

/>;

/>

/>

α=1 при r< 20 км;

 />     , при 20 < r< 100 км

т.к. берем расстояние междуБС меньше 20 км, то α= 1;

L = 69,6 + 26,2 log(f) — 13,82log(max{30; Hb})+

+ α[44,9-6,55log(max{30;Hb})]logr-a(Hm)-b(Hb)

L = 69,6+26,2 log(881,25) — 13,821og(30)+1[44,9 — 6,551og(30)]log(r)- 31,6;

L =69,6 + 77,2 — 20,4 + 35,2log(r) — 31,6;

L = 94,8 + 35,2 log(rБС).

Где rБС — расстояние между базовыми станциями CDMA и EGSM, км.

Для трассы распространенияМС EGSM— БС EGSM.

Определим потери на трассе распространения по формуламХаты:

Городская застройка f=889,6 МГц, h1=30м — высота расположения антенны БС EGSM, h2=1 м — высотарасположения антенны МС EGSM, rEGSM — расстояние междуМС и БС системы EGSM.

/>,       />

В формулах Хаты рассматривается несколькослучаев, в зависимости от расстояния rEGSM. вданной задаче целесообразно рассматривать только худший дляЭМС случай, когда rEGSM> 0,1 км (большее расстояние — большие потери).

/>/>/>

/>

α=1,если r< 20 км

/>

т.к. расстояние между МС и БС меньше 20км, то α=1;

L = 69,6 + 26,2 log(f) -13,82 log(max {30; Hb})+

+ α• [44,9 — 6,55log(max{30; Hb})]• logra(Hm)b(Hb)

L=69,6 + 26,21og(889,6) — 13,821og(30) + 1 • [44,9 — 6,551og(30)] • logrEGSM+1,3-0;

L= 69,6 + 77,3 — 20,41 + 35,2 • logrEGSM +1,3 = 127,8 + 35,2 • logrEGSM.

 

 

Для трассы распространения БС CDMA— МС CDMA.

Определим потери на трассераспространения по формулам Хаты:

Городская застройка f= 881,25 МГц, h1=30 м — высотарасположения антенны БС CDMA, h2= 1м — высотарасположения антенны МС CDMA, rcdma — расстояние междуМС и БС системы CDMA.

/>      />.

В формулах Хаты рассматривается несколькослучаев, в зависимости от расстояния, но в данной задачецелесообразно рассматривать только худший для ЭМС случай, когда rEGSM >0,1км.

/>

/>

α=1,если r< 20 км

/>

т.к. расстояние между МС иБС меньше 20 км, то α =1;

L = 69,6 + 26,2 log(f) -13,82 log(max {30; Hb})+

+ α• [44,9 — 6,55log(max{30; Hb})]• logra(Hm)b(Hb)

L=69,6 + 26,21og(881,25) — 13,821og(30) + 1 • [44,9 — 6,551og(30)] • logrCDMA+1,3-0;

L= 69,6 + 77,2 — 20,41 + 35,2 • logrCDMA +1,3 = 127,7 + 35,2 • logrCDMA.

Для трассы распространенияМС EGSM— МС CDMA.

Для оценки ЭМС МС систем связи сразличными методами разделения каналов при их пространственномразнесении в пределах прямой видимости, целесообразно использоватьмодель распространения сигналов в свободном пространстве.

Несущая частота передатчикаМС EGSM:^Cegsm~ 889,6МГц.

А=32,441 + 201grMC + 201gf=32,441 + 201grMC +201g889,6;

A=91,42 + 201grMC,[AB]. Где rUcрасстояниемежду мобильными станциями CDMA и EGSM, км.

 

10.        Замирание сигнала.

В формулах Хаты потери назамирание полезного сигнала лежат в пределах 3,5-17 дБ, взависимости от расстояния и распространения выше или нижеуровня крыш. Т.к. расстояние между БС и МС — не определенно, а сигнал можетидти как выше уровня крыш, так и ниже, то берем наибольшие потери на замирание17 дБ.

Для «худшего случая» потерина замирание мешающих сигналов берем 0 ДБ.

11.Потери в атмосферныхосадках сказываютсяна частотах выше 5 ГГц. На частотах ниже 5 ГГц потери практическиотсутствуют.

Пара сигнал — помеха БС EGSM МС CDMA МС EGSM БС CDMA БС CDMA МС EGSM Параметры Сигнал Помеха Сигнал Помеха +дБ -дБ +дБ -дБ +дБ -дБ +дБ -дБ 8. Медианные потери -127,8-35,2logrEGSM -94,8-35,2logrБС -127,7-35,2logrCDMA -91,42-20logrМС 9. Дифракционные потери 10. Потери при замирании сигнала (интерференция) 17 17 11. Потери в атмосферных осадках 12. Суммарные потери на трассе распространения -144,8-35,2logrEGSM -94,8-35,2logrБС -144,7-35,2logrCDMA -91,42-20logrМС

12.Суммарныепотери на трассе распространения подсчитываются с помощью таблицысложением значений всех строк.

Потери на трассе распространения.

 

Характеристики рецептора

13.        Коэффициент усиления приемной антенны.

КУ антенны МС — 0 дБ, КУантенны БС — 14 дБ.

14.        Уменьшение коэффициента усиления приемной антенныв направлении
передатчика.

Секторная  антенна  БС   EGSM  должна  обеспечивать  примерно  одинаковое усиление  во   всех   направлениях,   в   т.ч.   и   направлении   на   БС   CDMA. Следовательно, уменьшение КУ антенны БС EGSM принимаем равное 0 дБ. Антенна МС являетсявсенаправленной, поэтому уменьшение КУ антенны МС CDMAпринимаем равным 0 дБ.

 

15.        Уменьшение коэффициента усиления антенны из-зарассогласования
поляризации.

Принимаем равными 0 дБ.

16.        Потерив фидере приемного тракта.

Для приемника БС EGSM: 3дБ. Для приемника МС CDMA: 0дБ.

Пара сигнал — помеха БС EGSM МС CDMA МС EGSM БС CDMA БС CDMA МС EGSM Параметры Сигнал Помеха Сигнал Помеха +дБ -дБ +дБ -дБ +дБ -дБ +дБ -дБ 13. Коэффициент усиления в приеной антенне 14 14 14. Уменьшение КУ премной антенны в направлении источника помехи 15. Уменьшение КУ антенны из-за рассогласования поляризаций 16. Потери в фидерах 3 3 17. Суммарное усиление антенны +11 +11

17.        Суммарное усиление антенны определяетсяс помощью таблицы путем суммирования значений для сигнала и помехивсех строк таблицы:

Суммарное усиление антенны рецептора.

 

 

18.Мощность на входе приемника определяется по результатампроведенных расчетов по таблице.

Мощность на входе приемника.

Пара сигнал — помеха БС EGSM МС CDMA МС EGSM БС CDMA БС CDMA МС EGSM Параметры Сигнал Помеха Сигнал Помеха +дБ -дБ +дБ -дБ +дБ -дБ +дБ -дБ 7. Уровень эффекнивной передаваемой мощности +33 +9,3 +53,3 -27 12. Суммарные потери на трассе распространения -144,8-35,2logrEGSM -94,8-35,2logrБС -144,7-35,2logrCDMA -91,42-20logrМС 17. Суммарное усиление антенны рецептора +11 +11 18. Мощность на входе приемника — рецептора -100,8-35,2logrEGSM -74,5-35,2logrБС -91,4-35,2logrCDMA -118,4-20logrМС /> /> /> /> /> /> /> /> />

 

9. Поправка на несовпадениерабочих частот.

Полоса пропускания на уровне 3 дБ передатчикаМС EGSM: ВТ= 6 МГц. Полосапропускания на уровне 3 дБ приемника МС CDMA: BR=1,2 МГц.

Несовпадение частоты приема МС CDMA и передачи МС EGSMравно:

/> МГц.

ПараметрВ позволяющий использовать равен:

/>МГц.

Поправочный коэффициент:

K(ΔF,В)≈ -39 дБ.

Полоса пропускания на уровне 3 дБпередатчика БС CDMA: ВТ=1,2 МГц. Полоса пропускания на уровне 3 дБ приемника БС EGSM: BR= 6 МГц.

Несовпадение частоты приема БС EGSM и передачи БС CDMAравно:

ΔF= 889,6 — 881,25 = 8,35 МГц.

Параметр В позволяющий использоватьграфики на рисунке 1.9. равен:

B= (BR+ BT)/2 = (6+1,2)/2 = 3,6 МГц.

По графику на рис. 1.9. поправочныйкоэффициент K(ΔF, В)-39 дБ.

20. Поправка на ширину полосы частот.

Для пары МС EGSM — МС CDMA:

BR< ВТ, следовательно, по таблице 1.8. коррекция наширину полосы пропускания равна 10lg(BR/ВТ)= 10 lg( 1,2/6) = -7 дБ.

Для пары БС CDMA — БС EGSM:

BR> BT,следовательно,по таблице 1.8. коррекция на ширину полосы пропускания равна0.

21.        Чувствительность приемника.

Чувствительность приемника МС CDMA: -120,65 дБ.

Чувствительность приемника БС EGSM: -107 дБ.

22.        Выигрыш в отношениях S/Nи I/Nпридетектировании.

Выигрыш в отношениях S/N и I/N вприемнике МС CDMA при детектированиисоставляет 23 дБ.

Так как в приемнике БС EGSM не предусмотрено никаких специальных средствили приемов по выделению сигналов при детектировании, то отношения S/Nи I/Nостанутся такие же,как и на входе детектора.

23.       Отношение S/Nи I/Nна выходе детектора.

Отношения S/Nдля полезного сигнала и I/Nдля помехи с помощью таблицы,просуммировав данные соответствующих столбцов, беря значения строки 21(чувствительность приемника) со знаком «минус».

 

24.        Отношение сигнал/(помеха+шум).

Определяется по итоговымданным строки 23 таблицы 1.9. следующим образом:

S/(N+I)=S/N-I/N

ОтношениеS/Nи I/Nна входе детектора приемника.

Пара сигнал — помеха БС EGSM МС CDMA МС EGSM БС CDMA БС CDMA МС EGSM Параметры Сигнал Помеха Сигнал Помеха +дБ -дБ +дБ -дБ +дБ -дБ +дБ -дБ 18. Мощность на входе приемника -100,8-35,2logrEGSM -74,5-35,2logrБС -91,4-35,2logrCDMA -118,4-20logrМС 19. Поправка на несовпадение рабочих частот 39 39 20. Поправка на ширину полосы 7 21. Чувствительность приемника -107 -107 -120,7 -120,7 22. Выигрыш на детекторе +23 23. Отношение S/N и I/N на выходе детектора +6,2-35,2logrEGSM -13,5-35,2logrБС +52,3-35,2logrCDMA -36,7-20logrМС 24. Отношение S/(N+I) +19,7+35,2log(rБС / rEGSM) +89-35,2logrCDMA+20lgrМС

 

 

Оценка условий обеспеченияЭМС

Для пары БС CDMA– БС EGSM

Минимально допустимыйуровень сигнала, при котором обеспечивается приемлемое качество речи, всистеме EGSM равен 9 дБ. Это значит, чторасстояние между МС и БС системы EGSM, rEGSM, прикотором уровень сигнала будет больше 9 дБ, находится из условия:

/>

/>

Расстояние rБС междуисточником и рецептором помехи для пары БС CDMA – БС EGSM,при котором она может влиять на соотношение S/(N+I),можно найти из неравенства:

/>

/>

Если rБС меньше413 м, то необходимо оценить уровень S/(N+I),который должен быть больше 9 дБ:

/>

Для пары МС CDMA– МС CDMA

Минимально допустимыйуровень сигнала, при котором обеспечивается приемлемое качество речи, всистеме CDMA равен 5.5 дБ. Внутрисистемныепомехи в системе CDMA поднимаютминимально допустимый уровень сигнала на 8 дБ. Это значит, что расстояние междуМС и БС системы CDMA,rCDMA, прикотором уровень сигнала будет больше 5,5+8=13,5 дБ, находится из условия:

/>

/>

Расстояние rМС между источником ирецептором помехи для пары БС CDMA — БСEGSM, при котором она может влиять насоотношение S/(N+I),можно найти из неравенства:

/>

/>

Если rМС< 15 м, то необходимо оценить уровень S/(N+I), который должен бытьбольше 13,5 дБ:

/>дБ.

При оценке ЭМС сетей CDMA и EGSM небыли учтены потери сигналов на проникновение в здания, автотранспорт ит.д. Влияние этих потерь уменьшает зону обслуживания сотовыхсетей связи, но не сказывается на уровнях мешающих сигналовМС EGSM и БС CDMA.Антенны БС обеих систем располагаются на улице, следовательно, потерина проникновение сигнала от БС CDMA кБС EGSM отсутствуют.Расстояние, при котором сигнал МС EGSMможет влиять на приемник МС CDMA — невелико, а значит можно считать, препятствия (а следовательно ипотери на проникновение) между ними отсутствуют.

Выводы по результатамоценки ЭМС систем EGSM-900и CDMA-800 в Москве:

Разнос БС CDMA и EGSM на расстояние 410 и более метров, обеспечивает ЭМС БС этихсистем. Это расстояние можно уменьшить, применяя специальные преселекторыи/или фильтры.

Разнос МС CDMA и EGSM нарасстояние 15 и более метров обеспечивает ЭМС МС этих систем. Но, т.к.расстояние между МС — случайный фактор, обеспечить защитное расстояниемежду МС — нельзя. Если принять, что МС будут находиться нарасстоянии не ближе 0,5 м, то из-за мешающего сигнала МС EGSM, зона обслуживания БС CDMAуменьшается:

/>;

/>

Если учитывать потери напроникновение в здания, автотранспорт и т.д., равные 20 дБ, то науровень помехи они не скажутся (расстояние между МС 0,5 м, следовательно,ни о каких потерях проникновения не может быть и речи), а зона обслуживанияБС CDMA составит:

/>;

/>

Зона обслуживания 1,8 км для системы CDMA вполне приемлема, т.к. она определяется в основномпараметрами обратной линии связи, т.е. параметрами сигнала МС CDMA — БС CDMA.Зона обслуживания МС CDMA немногобольше зоны обслуживания МС EGSM, исоставляет 1...2 км. При уменьшении расстояния между МС до 10 см, зонаобслуживания БС CDMA уменьшается до 750 м, чтоуже нежелательно.

Т. к. нахождение двух одновременноработающих МС двух разных систем CDMA и EGSM на расстояние меньше полуметра, — событие очень маловероятное,то можно считать, что ЭМС МС CDMA и EGSM — обеспечивается.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Технико-экономическое обоснованиерасчета ЭМС сотовых сетей связи

Для оценки новизны, технического уровня,технико-экономической и эксплутационной прогрессивности, качества иконкурентоспособности необходимо дать характеристику НТПр со следующих позиций:предназначение продукции, особенности и отличия от продукции конкурентов,основные качества (свойства), защищенность патентами и свидетельствами. Такженеобходимо определить затраты, цену, величину прибыли на единицу продукции,другие преимущества и организацию технического обслуживания и сервиса.

После выбора наиболеесущественных свойств, изменяющих уровень текущих затрат при создании НТПр,производстве, эксплуатации техники или программного продукта, являющихся еерезультатом, определяется научно-техническая прогрессивность результатов НТПр:

/>

где />, /> - обобщенныйколичественный показатель научно- технического уровня НТПр взятой за базусравнения и НТПр являющейся результатом дипломной работы.

В качестве базы сравненияможет быть принята передовая отечественная НТПр, а также зарубежная итеоретически возможная в будущем.

После выбора базасравнения заполняется таблица для оценки научно-технического уровня НТПр.

Существенные свойства НТПр Уровень свойств НТПр выбранной за базу сравнения Уровень свойств НТПр являющейся результатом дипломной работы Значение весового коэффициента Кол-во циклов измерений 204 102 0,5 Кол-во циклов расчета 204 204 0,3 Точность метода 0,05 0,03 0,15 Длительность цикла расчета 15 30 0,05

Обобщенный количественныйпоказатель научно-технического уровня как для базовой НТПр, так и дляразрабатываемой определяется с помощью среднеарифметической взвешенной:

/>

где /> - значение j-гопоказателя i-го признака (свойства НТПр,выраженного в соответствующих единицах измерения, либо в баллах);

/> -значение весового коэффициента i-гопризнака (свойства) НТПр, выраженного в процентах либо в долях единицы.

/>

Для проведениякорректного расчета научно технической прогрессивности обобщенныйколичественный показатель научно-технического уровня, как для базовой НТПр, таки для разрабатываемой, необходимо принять обратно пропорциональным т.к.положительным эффектом дипломной работы является снижение количества проводимыхизмерений и замена их расчетными величинами. В результате выражение длянаучно-технической прогрессивность результатов НТПр примет вид:

/>

Определим научно-техническуюпрогрессивность результатов НТПр:

/>

Определениезатрат и цены на НТПр

Затраты на создание НТПр /> определяются укрупненно по удельному весунаиболее простой для расчета статьи калькуляции, отражающей зарплату трудаперсонала, занятого в создании НТПр:

/>,

где /> - оплата труда персонала в соответствии с действующими системами иформами оплаты труда; /> - удельный вес оплаты труда с начислениями в общихзатратах на создание НТПр.

Оплата труда персоналасоставит:

/>р.

Удельный вес оплаты труда с начислениями в общих затратах насоздание научно-технической продукции: />.

Затраты на создание НТПр:

/> р.

Цена на НТПр, имеющаяцелью создание новой техники, технологии, вычислительных технологическихсредств и программного обеспечения, определяется исходя из принципа обеспечениябезубыточности деятельности организации (предприятия), получения прибыли,позволяющей выплатить обязательные платежи в бюджет и инвестировать расширениеее деятельности. Цена первоначальной продажи (цена предложения) />  определяется как

/>,

где /> - текущие затраты на создание НТПр; /> - оплата труда персонала в общихтекущих затратах на создание НТПр;

/> - уровень рентабельности (прибыли по отношению к оплате труда персонала),обеспечивающий безубыточность деятельности (/>=200-400%).

/>р.

Стадия Трудоемкость, чел./ч. Исполнители Часовая ставка, р. Средняя дневная часовая ставка, р. Заработная плата, р. Заработная плата с учетом премии, р. Должность численность 1.Анализ помех, создаваемых станциями сотовых сетей 10

Ведущий инженер

Инженер

1

1

60,8

43,8

52,3 523 653,75 2.Анализ существующих методов оценки помехоэмиссии 5

Ведущий инженер

Инженер

1

1

60,8

43,8

52,3 261,5 326,88 3.Оптимизация методик по исследованию излучаемых ЭМП 20

Ведущий инженер

Инженер

Технолог

1

1

1

60,8

43,8

35,5

46,7 934 1167,5 4.Проведение расчета ЭМС между сотовыми сетями 100

Ведущий инженер

Инженер

Лаборант

1

2

2

60,8

43,8

30,2

41,76 4176 5220 6.Анализ полученных результатов 50

Ведущий инженер

Инженер

2

1

60,8

43,8

55,13 2756,5 3445,62

Оценкаэкономической эффективности НТПр

Влияние НТПр на экономические показатели в науке,производстве и эксплуатации разнообразно. Наиболее достоверным методом,позволяющим зафиксировать экономическое действие результатов конкретной НТПр,является анализ экономических показателей и локальная оценка (расчетная илиэкспертная) происходящих при этом изменений каждого из них.

Экономический эффектопределяется как годовая экономия на текущих затратах, причем во вниманиепринимают изменяющиеся статьи затрат.

Если результаты НТПрнаходят применение в сфере науки, то экономический эффект отражает экономию натекущих затратах при выполнении других видов НТПр. Эта экономия являетсяследствием усовершенствования теории и методики эксперимента, испытаний ивычислительных работ в связи с применением более высоких уровней математическихмоделей, алгоритмических языков и рациональным использованием ЭВМ.

Величина /> определяется в зависимости от характерапроводимого исследования: для тем, связанных с совершенствованием методики итехники испытаний,

/>,

где />ч – длительность цикла испытаний;  /> - коэффициент совершенства применяемых математических моделей и совершенствапрограммирования (определяется по соотношению трудоемкостей программированиязадач); n=408 – среднегодовое число цикловиспытаний; /> р/ч — затраты (текущие) на проведение одного цикла испытаний(определяются по данным предприятия) в расчете на соответствующую единицувремени.

/>р

Уровень экономическойэффективности капиталовложений на НТПр по результатам в сфере науки:

/>.

Размер доли экономического эффекта  />  впользу разработчика НТПр определяется укрупненно, пропорционально затратам всехучастников создания и применения (эксплуатации) соответствующей НТПр.

/>

Выводы

В результате проведенных вычислений получили уровеньэкономической эффективности E=1,2и экономию ЭНТПр=360 000 рублей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Охрана труда и окружающей среды

Охрана труда при проведении расчета электромагнитнойсовместимости сотовых сетей связи.

В данной дипломной работе проводится исследованиепроблем электромагнитной совместимости (ЭМС) сетей сотовой связи. Ос­новнымиисточниками помех для станций сотовой связи являются станции сотовой связидругих сетей. В задачу оператора ставится произвести с помощью ЭВМ расчет ЭМСстанций сотовых сетей связи:

Proccesor Intel Pentium,

1000 MHz,

Memory 256mb ram,

Computer name t2y9v7,

Direct version direct 7/0 (4.07-00.0716).

Анализ условий труда

1.Санитарно-гигиенические факторы.

1.1.             Впомещении в теплый период года температу­ра воздуха 12-30°С,  в холодный период16-24° С,  по ГОСТ12.1005.88 температура воздуха в помещении в холодный периодгода должна быть от 22 до 24 °С, в теп­лый период от 23 до 25 °С. параметр неудовлетворяет.

1.2.             Относительнаявлажность в помещении в теп­лый период года 30-90%, в холодный 40-70%, поГОСТ12.1005.88 этот параметр находится в пределах 40-60% в холодный и теплыйпериоды года, данный параметр не удовлетворяет.

1.3.             Скоростьдвижения воздуха в помещении со­ставляет 0.3-0.8м/с, по ГОСТ 12.005.88 скоростьдвижения воздуха на рабочем месте оператора 0.1м/с, то
есть данный параметр не удовлетворяет.

1.4.1.      Шум в помещении создается вентилятором системногоблока и принтером, общий уровень шума со­ставляет 45дБ*А, и соответствии сГОСТ12.1003-83 общий уровень шума должен не превышать 75дБ*А, то есть
параметр удовлетворяет.

1.4.2.     Вибрация на рабочем месте передается через опорныеконструкции здания от системы вентиляции воз­духа,   уровень   вибрации  составляет   60дБ,   по ГОСТ12.1.012-90 норму вибрационной нагрузки определя­ютне выше 75дБ (при длительном воздействии вибрации не менее 8 часов), делаемвывод, что параметр удовлетворяет.

1.4.        Электростатический потенциал дисплея компь­ютера равен460В, по ГОСТ 12.1.006-84 этот параметр не должен превышать  500В, следовательно,  параметр удовлетворяет.

1.5.       Напряженность электромагнитной составляющейпеременного электромагнитного поля на расстоянии 50см от   экрана   дисплея  составляет   1.9   В/м,   по ГОСТ12.1.006-84  напряженность  не  должна превышать 2.5В/м, то есть параметр удовлетворяет.

1.6.             Нарасстоянии 50см от экрана плотность маг­нитного потока равна 18нТл,  а по ГОСТ12.1.006-84 плотность магнитного потока не должна превышать 2.5 В/м,следовательно параметр удовлетворяет.

1.7.             Мощностьэквивалентной дозы рентгеновского излучения от экрана дисплея составляет3.2бэр/год, в соответствии с НРБ-99 мощность эквивалентной дозы не больше5бэр/год, следовательно, параметр удовлетворяет.

1.8.      Наименьшим объектом различения является точ­_и, ееминимальный размер 0,24мм, фон средний, кон­трастность объекта различениясредняя, при таком ха­рактере зрительной работы  согласно нормам  СниП23-5-95освещенность должна быть не менее 400 лк (для раз­ряда работы 1-2), но впомещении освещенность дости­гает только 270 лк, что не удовлетворяет норме.

2. Психофизиологические факторы.

Психофизиологические факторы, влияющие на работуоператора, преимущественно определяются характером его зрительной работы, аименно постоянным контактом с дисплеем компьютера. ГОСТ Р 50948-96 и егоприложе­ния определяют критические величины, за которые не должны заходитьпараметры, влияющие на данные факто­ры.

Приложение В.

Параметр Фактические Диапазон значений значения параметра по ГОСТ параметра Р50948-96 1. Временная нестабильность изображения Не должна быть (мелькание). Нет зафиксирована 2. Отношение шири- ны знака к его высоте для От 0.7 до 0.9, прописных букв. 0.6 можно от 0.5 до 0.1 3. Контрастность деталей изобра- жения и фона не менее 5/1 3/1 4. Расстояние меж- ду  словами  не 1 ширина ширины матрицы менее одного знака 5. Угол    наклона 25° не более 30° ниже линии  наблюде- горизонтали ния.

Приложение Б

Параметр Значение параметра Диапазон  значений параметра по ГОСТ Р50948-96 1.Яркость    знака (яркость     фо- 140 не менее 100,  не на) кд/мм более 150 2.Временная  осве- 400 от 100 до 500 щенность экрана, лк 3.Угловой   размер 45 от 16 до 60 знака 4.Угол наблюдения 25° не более плюс  40° от нормали к любой точке дисплея 5.Размер экрана по 38 не менее 31° диагонали, см

3.Эргономические факторы.

Составляющими этих факторов являются: рабочийстол, кресло, дисплей, клавиатура, параметры которых опре­делены ГОСТР50923-96.

3.1 Требования к дисплею: дисплей должен быть уста­новлен нижеуровня глаз оператора, угол наблюдения линии взгляда не должен превышать 60°,он составляет 25°- удовлетворяет.

3.2.  Клавиатура должна быть расположена на расстоя­_ик от 30до 100 мм от переднего края, обращенного к оператору – удовлетворяет.

Параметр Значение Диапазон Примечание параметра значений по ГОСТР 50923-96 3.3. Высота регулируемый рабочей   по- 560-575мм 680-800мм параметр верхности не      менее стола 600(800)мм глубина 620мм не     менее не регулируе- ширина. 900мм 1200(1600)мм мый 3.4. Простран не      более не менее 500 мм ство  для  ног 525 мм-620 мм регулируемый на уровне колен Высота 620 мм не менее 450 мм не рег-ый Глубина 520 мм-540 мм не менее 650 мм на уровне вы- тянутых   ног 3.5. Поверх- не     менее регулируемый ность    сиденья 520мм 400мм параметр ширина не     менее глубина 580мм 4 00мм 3.6. Опорная поверхность спинки кресла Высота 190мм-560мм 300±20мм Ширина 100-180мм 380мм Угол  наклона 0°±30°     от в  вертикаль- 25° вертикального ной плоскости положения 3.7. Подлокот- ники, регу- в    пределах лируемые по (230±30)мм высоте  над сиденьем не     менее длина 250мм ширина 50-70мм

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчетсистемы кондиционирования воздуха (СКВ).

Дляобеспечения заданных параметров микроклимата целесообразно предусматриватькондиционирование воздуха и создавать небольшое избыточное давление дляисключения поступления неочищенного воздуха.

РасчетСКВ производится для комнаты площадью S = 60 м2, ширина которой 6 м, высота Н – 3.6 м; Нс = 0 м – расстояние от светильника до потолка; Нрп = 750 мм  –  высота рабочейповерхности над полом; Нр = Н – Нс – Нрп = 2.85 м – расчетная высота, N =10 –число светильников (люминесцентные лампы), число рабочих мест – 3.

Длявыбора кондиционера необходимо рассчитать полную производительностькондиционера – Lп :

/>

Kпот –коэффициент, учитывающий потери в воздуховодах, Kпот=1,1 по СниП П-33-75;

L – полезнаяпроизводительность системы, м3/ч;     

/>

L – количество удаляемого воздуха, м3/ч;

Q – избыток тепла в помещении, Вт;

с – удельная теплоёмкость воздуха, с=1 кДж/(кг оС);

      ρ – плотность воздуха кг/ м3, ρ=1,2(кг/м3);

     Δtp – полная разность температур;

/>

Qобор<sub/>– тепло отоборудования, Вт;

/>

K1 –коэффициент использования установочной мощности оборудования, K1=0,95;

K2<sub/>– коэффициент, учитывающий процентодновременно работающего оборудования, K2=1;

Nобор –суммарная установочная мощность оборудования, Nобор = 500 Вт;

Qл –поступление тепла от персонала, Вт;

/>

n– количество, работающих в смену операторов, n=3;

qколичествотепла, выделяемое одним человеком, q=140 Вт;

/>

Qосв –выделение тепла искусственным освещением;

K3коэффициент, зависящий от способаустановки светильников производственного освещения и типа источников света, K3= 1;

K4коэффициент, учитывающийпускорегулирующую аппаратуру светильника, K3= 1,2;

Nосвсуммарнаяустановочная мощность светильников в Вт, Nосв= 300, Вт

 

/>

ty – температура воздуха, удаляемая изпомещения, 30 оС;

tо – температура воздуха, подаваемая впомещение, 9 оС;

Qогр.к =650 Вт;

/>, м3/ч

Выбираемкондиционер КД-1500.

Общие выводы:

Вданном разделе дипломного проекта был проведен анализ условий труда, которыйпоказал, что не все условия труда соответствуют нормам. Также проведен расчетсистемы кондиционирования, в результате которого был выбран кондиционер,обеспечивающий необходимые условия труда.

Список использованной литературы:

1.    Князев  А.   Д.,  Петров  Б.   В,,   Кечиев  Л.   Н.   и  др.   Конструирование радиоэлектронной  и   электронно-вычислительной   аппаратуры с учетом электромагнитнойсовместимости.-М.: Радио и связь, 1989.

2. Горелик Г. С.Колебания и волны.- 2-е изд.- М.; 1959.

3. Андронов А. А., ВиттА. А., Хайкин С. Э. Теория колебаний.- 2-е изд.- М.,1959

4. Парсел Э.Электричество и магнетизм.- М.,1975

5.    ЛандауЛ.Д., Лившиц Е.М. Теория поля-6-е изд.-М., 1973.

6. Изобретение радио.А. С. Попов. Документы и материалы. Под ред. А. И. Берга.- М., 1966

7. Фейнберг Е. Л. Распространение радиоволнвдоль земной поверхности,- М., 1961.

8.    АльпертЯ. Л. Распространение электромагнитных волн и ионосфера.- М.,1972

9. Гуревич А. В.,Шварцбург А. Б. Нелинейная теория распространения радиоволнв ионосфере.-М., 1973

10.БреховскихЛ. М. Волны в слоистых средах.- 2-е изд.- М., 1973

11.ТатарскийВ. И. Распространение волн в турбулентной атмосфере.- М.,<sub/>1967

12.Чернов   Л.    А.    Распространение    волн    в    среде    со    случайными неоднородностями- М., 1958

13.ГинзбургВ. Л. Распространение электромагнитных волн в плазме.- М., 1967

14.МакаровГ.  И.,  Павлов В.  А.  Обзор  работ,  связанных с  подземным распространением  радиоволн.   Проблемы   дифракции   и   распространения радиоволн. Сб. 5-Л., 1966

15.ДолухановМ. П. Распространение радиоволн.   4-е изд.- М., 1972
        16.Гавелей   Н.   П.,   Никитин   Л.   М.   Системы  подземной   радиосвязи.- «Зарубежнаярадиоэлектроника», 1963, № 10

17.И.Габиллард Р.,  Дегок П., Уэйт Дж. Радиосвязь между подземными и подводными пунктами.- 1972, № 12

18.Ратклифф Дж. А. Магнито-ионная теория и ее приложения кионосфере, пер. с англ.- М., 1962

19.ХайкинС. Э. Электромагнитные волны.-2-е изд.-Л. 1964

20.ГольдштейнЛ. Д., Зернов Н. В. Электромагнитные поля и волны- М, 1956
         21.РамоС, Уиннери Дж. Поля и волны в современной радиотехнике, пер. с англ.- 2-е изд. М. — Л. 1950

22.Харкевич А. А. Основы радиотехники.-М.1962.

23. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи исигналы.-4-е изд.-М.: 1986.

24.Баскаков С. И. Радиотехнические цепи исигналы.-2-е изд.-М,: Высш. Шк.,1988

25.0лифер В. Г., Олифер Н. А., Компьютерныесети. Принципы, технологии, протоколы, С.-П.: ИД Питер, 2001;

 

еще рефераты
Еще работы по радиоэлектронике