Основні принципи роботи r; GSM відро

Cédric D EMOULIN, Marc V AN D ROOGENBROECK
Кафедра електроенергетики, електроніки та інформатики (Інститут Монтефіоре)
Сарт Тільман, B-4000 Льєж, Бельгія
Документ у форматі PDF
Ключові слова: GSM, примітки до курсу. [Бібтекс-запис]

Короткий зміст:

У цій статті ми розглянемо різні аспекти технології GSM: елементи фізичного рівня, характеристику радіочастоти, архітектуру мережі тощо. Для полегшення читання - ми повинні визнати, що в цій області існує безліч скорочень - у кінці статті подано глосарій.

Історія (цифрової) мобільної телефонії справді починається в 1982 році. Фактично на цю дату Спеціальна мобільна група, яка називається GSM 1, була створена Європейською конференцією поштових та телекомунікаційних адміністрацій (CEPT) з метою розробки стандартів мобільного зв'язку для Європи в смузі частот 890 - 915 [МГц] для передачі від мобільних станцій 2 та 935 - 960 [МГц] для передачі від стаціонарних станцій. Існувало багато аналогових систем мобільної телефонії (MOB1 та MOB2, припинені в 1999 році), але успіху цієї мережі не було.

У 1980-х роках цифрові технології були розвинуті як на рівні передачі, так і на рівні обробки сигналів, отриманих завдяки надійним технологіям передачі, завдяки особливому кодуванню сигналів перед передачею на канал, і `` отримання розумної передачі швидкості передачі сигналів (наприклад, 9, 6 кілобіт в секунду, зазначено [кб/с], для мовного сигналу).

Так, у 1987 році група GSM встановила технологічний вибір, що стосується використання мобільних телекомунікацій: цифрова передача, мультиплексування радіоканалів з розподілом часу, шифрування інформації, а також нове кодування мови. Лише в 1991 році відбувся перший експериментальний зв’язок через GSM. Побіжно абревіатура GSM змінює своє значення і стає Глобальною системою мобільного зв'язку, а технічні характеристики адаптовані для систем, що працюють в діапазоні 1800 [МГц]. .

У Бельгії саме в 1994 році була розгорнута перша мережа GSM (proximus); Mobistar та Orange (перейменований в Base) з’являться пізніше. Сьогодні кількість номерів, призначених для зв'язку GSM, значно перевищує кількість номерів, призначених фіксованим лініям, і ця тенденція зберігається.

В даний час мережа GSM достатня для голосового телефонного зв'язку. Це пояснюється тим, що це в основному комутована мережа, подібна до `` фіксованих '' ліній і складається з ланцюгів, тобто ресурсів, виділених на весь час розмови. Для послуг передачі даних нічого не налаштовано. Однак, паралельно із розгортанням GSM у Бельгії, у 1994 році компанія Netscape збиралася зробити вражаючий поворот до мережі передачі даних, яка називається Інтернет, розповсюдивши перше загальнодоступне програмне забезпечення для навігації на основі протоколу http та зазвичай називається веб.

Оскільки мережа GSM навряд чи була придатною для передачі даних, нещодавні розробки мали на меті збільшити пропускну здатність мереж з точки зору швидкості, але розширити функціональні можливості, дозволяючи, наприклад, встановлення зв'язку, що не вимагає попереднього встановлення "схеми".

Щоб вийти за межі 14,4 [кб/с], номінальну швидкість телефонного каналу, що перейшов у режим передачі даних, ETSI визначив нову послугу пакетної передачі даних: General Packet Radio Service (GPRS), яка дозволяє передавати дані на швидкість 115 [кб/с] шляхом об'єднання кількох каналів. GPRS готує прибуття телефонії третього покоління під назвою Універсальна система мобільного зв'язку (UMTS), яка досягне швидкості 2 [Мбіт/с]. Але дорога довга, оскільки програми, що вимагають UMTS, давно назріли, маючи на увазі, що всі елементи мережі UMTS несумісні з елементами GSM. То чому інвесторам доводиться брати до рук портфель?

Мережі першого покоління мали великі комірки (радіус 50 [км]), в центрі яких була базова станція (передавальна антена). На самому початку ця система виділяла діапазон частот статично кожному користувачеві, який знаходився в камері, незалежно від того, потрібна вона їм чи ні. Отже, ця система дозволяла надавати послугу лише тій кількості користувачів, яка дорівнює кількості доступних смуг частот. Перше вдосконалення полягало в призначенні каналу користувачеві лише з того моменту, коли останньому це було потрібно, що дозволило `` статистично '' збільшити кількість передплатників, маючи на увазі, що всі не телефонують одночасно. час. Але ця система все ще вимагала мобільних станцій з високою потужністю передачі (8 [Вт]) і, отже, мобільних пристроїв значних розмірів і ваги. Крім того, щоб уникнути перешкод, дві сусідні комірки не можуть використовувати однакові частоти. Тому ця мережева організація використовує частотний спектр неоптимально.

Саме для вирішення цих різних проблем з’явилося поняття клітина. Принцип цієї системи полягає в тому, щоб розділити територію на невеликі ділянки, які називаються осередками, і розподілити між ними радіочастоти. Таким чином, кожна комірка складається з базової станції (підключеної до комутованої телефонної мережі, PSTN), до якої приєднана певна кількість вузькосмугових частотних каналів, звані частотами. Як і раніше, ці частоти не можна використовувати в сусідніх комірках, щоб уникнути перешкод 3. Таким чином, визначаються шаблони, також звані кластерами, що складаються з декількох комірок, у яких кожна частота використовується лише один раз. На малюнку 1 наведено такий зразок, як приклад.

Рисунок 1: Рисунок, що представляє елементарний шаблон (ліворуч) та набір шаблонів у мережі (праворуч).

принципи

Графічно ми представляємо клітину шестикутником, оскільки ця форма наближається до форми кола. Однак, залежно від природи землі та конструкцій, клітини не мають круглої форми. Крім того, для того, щоб дозволити користувачеві, який переходить від однієї комірки до іншої, підтримувати свій зв'язок, необхідно, щоб зони покриття перекривались на 10-15%, що посилює обмеження відсутності однакових частотних частот у двох сусідніх сотах.

Щоб уникнути перешкод на більшій відстані між сотами, що використовують однакові частоти, можна також контролювати потужність передачі базової станції відповідно до відстані, що відокремлює її від користувача. Той самий процес управління потужністю передачі застосовується також у зворотному напрямку. Насправді, щоб зменшити енергоспоживання мобільних телефонів і, таким чином, збільшити їх автономність, потужність їх передачі розраховується як функція відстані від базової станції. Завдяки постійним вимірюванням між мобільним телефоном та базовою станцією потужності передачі постійно регулюються, щоб гарантувати адекватну якість мінімальної потужності.

Таким чином, клітина характеризується:

  • за номінальною потужністю передачі 4 - що призводить до зони покриття, в межах якої рівень електричного поля перевищує визначений поріг-,
  • за несучою частотою, що використовується для радіопередачі, і
  • мережею, до якої він взаємопов’язаний.
Слід зазначити, що розміри осередків неоднакові на всій території. Дійсно, це залежить від:

  • кількість потенційних користувачів у районі,
  • конфігурація землі (географічний рельєф, наявність будівель,.),
  • характер конструкцій (будинків, будівель, бетонних будівель тощо) та
  • розташування (сільське, заміське чи міське) і, отже, щільність забудови.
Таким чином, у сільській місцевості, де кількість абонентів низька, а місцевість відносно рівна, осередків буде більше, ніж у місті, де на невеликій території кількість користувачів дуже велика і де ослаблення через будівлі є сильним. Тому оператору доведеться враховувати обмеження топографічного рельєфу та містобудування, щоб розмірити комірки своєї мережі. Для цього існує чотири основні послуги:

  1. Послуга `` На відкритому повітрі '', яка вказує умови, необхідні для гарного прогресу зовнішнього зв'язку.
  2. Послуга `` Incar '', яка враховує користувачів в машині. Як правило, додатковий запас у 6 децибел Вт, що позначається 6 [дБ], додається до бюджету електроенергії для врахування цього.
  3. Послуга `` Indoor '', яка дозволяє безперешкодно прокладати комунікації всередині будинків. Ця категорія послуг додатково поділяється на дві:

  1. `` М'яке приміщення '', коли користувач знаходиться безпосередньо за фасадом будівлі та
  2. `` Глибокий закритий '', коли він знаходиться більше в приміщенні.
Як правило, вважається, що під час встановлення бюджету електроенергії, тобто аналізу відношення потужності, що передається, до потужності, отриманої праворуч від приймача, необхідно брати до уваги 10 [дБ ] додаткове послаблення для м’яких приміщень та 20 [дБ] для глибоких приміщень при 900 [МГц]. Коли ми знаємо, що 10 [дБ] являє собою коефіцієнт потужності 10, ми розуміємо, що для оператора надзвичайно важливо розмірити свою мережу якомога краще, навіть якщо це означає проведення вимірювань у польових умовах.

Порівняно з системою першого покоління, осередки мають менші розміри, потужність передачі менше, і кількість користувачів можна збільшити для тієї ж географічної області. Саме завдяки принципу повторного використання частот оператор може збільшити пропускну здатність своєї мережі. Насправді достатньо розрізати клітинку на кілька менших комірок та керувати її частотним планом, щоб уникнути будь-яких перешкод. Таким чином, існує ціла специфічна номенклатура для класифікації клітин відповідно до їх розміру (макро, мікро, піко та ін.).

враховуючи, що в мережі одна і та ж частота використовується повторно кілька разів, необхідно оцінити мінімальну відстань, яка повинна розділяти дві комірки, використовуючи однакову частоту, щоб не виникло тривожних явищ. Розрахувавши співвідношення потужності несучої та потужності шуму, можна оцінити цю відстань.

На практиці в клітинку мобільний телефон отримує як корисне повідомлення (потужність якого - С), яке призначене для нього, так і певну кількість тривожних сигналів. Знання взаємозв'язку між цими повноваженнями дозволить нам дізнатися якість спілкування.

Для початку необхідно виявити різні тривожні сигнали. Їх можна розділити на два класи:

    Загальна потужність I перешкод, яка обумовлена ​​сигналами, що видаються іншими станціями. Ми можемо розрізнити:

  1. Перешкоди спільного каналу, які спричинені сигналами, переданими іншими базовими станціями з тією ж частотою.
  2. Перешкоди від сусідніх каналів через сигнали, що передаються базовими станціями з використанням сусідніх частот.
  • Шум потужності N, що надходить головним чином від фонових шумів приймача.
    • Отже, це звіт

    що дозволяє оцінити якість зв'язку, а також відстань повторного використання частоти.

    Стандарт GSM передбачає, що мобільна телефонія GSM займає дві смуги частот близько 900 [МГц]:

    1. смуга частот 890 - 915 [МГц] для висхідної лінії зв'язку (від мобільної до базової станції) та
    2. смуга частот 935 - 960 [МГц] для зв'язку вниз (від базової станції до мобільної).
    Оскільки кожен частотний канал, що використовується для зв'язку, має смугу пропускання 200 [кГц], це залишає місце для розподілу 124 частотних каналів між різними операторами. Однак із збільшенням кількості користувачів стало необхідним виділити додаткову смугу приблизно 1800 [МГц]. Отже, технологія GSM 900 [МГц] була виведена на більш високочастотний відкритий діапазон. Це система DCS -1800 (Цифрова система зв'язку), характеристика якої майже ідентична GSM з точки зору протоколів та обслуговування. Потім висхідна лінія зв'язку здійснюється між 1710 і 1785 [МГц], а низхідна - між 1805 і 1880 [МГц] .

    Знаючи різні доступні канали, тоді можна виконати мультиплексування частот, зване множинним доступом з частотним поділом (FDMA), шляхом присвоєння певної кількості несучих частот для базової станції. Однак оператор не виділяє смугу частот на одного користувача, оскільки це призведе до втрати радіоресурсів, оскільки користувач передає з перервами. Крім того, за такої системи, якщо паразитне джерело видає шум з чітко визначеною частотою, сигнал, що знаходиться в смузі частот, що містить паразита, буде порушений. Для вирішення цих проблем мультиплексування частот поєднується з мультиплексуванням з часовим поділом (так зване множинний доступ з тимчасовим поділом або TDMA), що складається з поділу кожного каналу зв'язку на кадри з 8 часових слотів (у випадку GSM). Щоб завершити, зазначимо, що існує ще одна техніка мультиплексування, яка називається множинним доступом з кодовим поділом (CDMA), яка використовується в американському стандарті IS-95 або рекламується для UMTS .

    Таким чином, за допомогою TDMA можна, наприклад, змусити вісім користувачів говорити один за одним в одному каналі. Тому ми множимо кількість доступних каналів за одиницю часу на вісім.

    У таблиці 1 наведено характеристики мереж, що використовують технологію GSM, та порівняно стандарти.