 |
Принцип построения и функционирования систем сотовой связи.
|
|
|
|
Среди современных телекоммуникационных средств наиболее стремительно развиваются системы сотовой радиотелефонной связи. Использование современной технологии позволяет обеспечить абонентам таких систем высокое качество речевых сообщений, надежность и конфиденциальность связи, защиту от несанкционированного доступа в сеть и миниатюрность радиотелефонов. Имеется возможность обеспечения качественной телефонной и факсимильной связью офисов, коттеджей, пансионатов, больниц, дачных поселков, а также организации оперативной связи при проведении выставок, конференций, строительных работ и т. п.
Для целей сотовой связи был выделен диапазон частот 900 МГц и в 1982 году была создана специальная группа Groupe Special Mobile. Аббревиатура GSM и дала название новому стандарту (позднее, в связи с широким распространением этого стандарта во всем мире, GSM стали расшифровывать как Global System for Mobile Communications). В 1990 году опубликованы требования к системе сотовой связи стандарта GSM, в котором используются самые современные разработки ведущих научно-технических центров. К ним, в частности, относятся временное разделение каналов, шифрование сообщений и защита данных абонента, использование блочного и сверточного кодирования, новый вид модуляции — GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying).
Внедрение систем сотовой связи позволило решить проблему экономичного использования выделенной полосы радиочастот путем передачи сообщений на одних и тех же частотах и увеличить пропускную способность телекоммуникационных сетей. Свое название они получили в соответствии с сотовым принципом организации связи, согласно которому зона обслуживания (территория города или региона) делится на ячейки (соты) Рис. 56а. Эти системы предназначены для обеспечения радиосвязью большого числа подвижных абонентов с выходом в телефонную сеть общего пользования. Если ведомственные (или частные) системы создавались (и создаются) в интересах небольшого числа абонентов, то сотовые системы подвижной связи стали использоваться в интересах широких слоев населения.
|
|
|
Разделить обслуживаемую территорию на ячейки (соты) можно различными способами, например, вся обслуживаемая территория разделяется на одинаковые по форме зоны, и определяются их допустимые размеры и расстояния до других зон, в пределах которых выполняются условия допустимого взаимного влияния. Для оптимального, т. е. без перекрытия или пропусков участков, разделения территории на соты могут быть использованы только три геометрические фигуры: треугольник, квадрат и шестиугольник. Наиболее подходящей фигурой является шестиугольник, так как, если антенну с круговой диаграммой направленности устанавливать в его центре, то будет обеспечен доступ почти ко всем участкам соты. Рис 56б.
Каждая из ячеек обслуживается своим передатчиком с невысокой выходной мощностью и ограниченным числом каналов связи. Основной идеей, на которой базируется принцип сотовой связи, является повторное использование частот в несмежных сотах. Базовые станции, на которых допускается повторное использование выделенного набора частот, удалены друг от друга на расстояние достаточное для работы двух передатчиков на одной частоте без взаимных помех. Именно возможность повторного применения одних и тех же частот определяет высокую эффективность использования частотного спектра в сотовых системах связи. Применение шестиугольных ячеек позволяет минимизировать ширину необходимого частотного диапазона. Кроме того, шестиугольная форма наилучшим образом вписывается в круговую диаграмму направленности антенны базовой станции, установленной в центре ячейки. Эффективным способом снижения уровня взаимных помех может быть использование направленных секторных антенн с узкими диаграммами направленности. Рис. 56в. В секторе такой направленной антенны сигнал излучается преимущественно в одну сторону, а уровень излучения в противоположном направлении сокращается до минимума. Деление сот на секторы позволяет чаще применять частоты в сотах повторно.
|
|
|
Каждая из сот обслуживается многоканальным приемопередатчиком, называемым базовой станцией. Число каналов базовой станции обычно кратно 8, например, 8, 16, 32... Один из каналов является управляющим, который называется также каналом вызова. Ha этом канале происходит непосредственное установление соединения при вызове подвижного абонента сети, а сам разговор начинается только после того, как будет найден свободный в данный момент канал и произойдёт переключение на него. Все эти процессы происходят очень быстро и потому незаметно для абонента.
Он лишь набирает нужный ему телефонный номер и разговаривает, как по обычному телефону.
Рис. 56. Состав систем сотовой связи.
Деление территории на соты и повторение частот - а. Применение трёхсекционных направленных антенн для каждой базовой станции – б. Использование антенн с шириной диаграммы направленности 120ο - в.
Любой из каналов сотовой связи представляет собой пару частот для дуплексной связи, т. е. частоты базовой и подвижной станций разнесены. Это делается для того, чтобы улучшить фильтрацию сигналов и исключить взаимное влияние передатчика на приемник одного и того же устройства при их одновременной работе.
Все базовые станции соединены с центром коммутации подвижной связи (коммутатором) по выделенным проводным или радиорелейным каналам связи. Центр коммутации - это автоматическая телефонная станция системы сотовой связи, обеспечивающая все функции управления сетью.
Она осуществляет постоянное слежение за подвижными станциями, организует их эстафетную передачу, в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении подвижной станции из соты в соту и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностей, производит соединение подвижного абонента с тем, кто ему необходим в обычной телефонной сети и др.
|
|
|
Когда радиотелефон находится в режиме ожидания, его приемное устройство постоянно сканирует (просматривает) либо все каналы системы, либо только управляющие. В этом случае работает только приёмник телефона. При включении мобильного телефона начинает работать его передатчик, и передаётся номер вызываемого абонента. Во время набора номера радиотелефон занимает один из свободных каналов, уровень сигнала базовой станции в котором в данный момент максимален. Для вызова соответствующего абонента всеми базовыми станциями сотовой системы связи по управляющим каналам передается сигнал вызова. Сотовый телефон вызываемого абонента при получении этого сигнала отвечает по одному из свободных каналов управления. Базовые станции, принявшие ответный сигнал, передают информацию о его параметрах в центр коммутации, который, в свою очередь, переключает разговор на ту базовую станцию, где зафиксирован максимальный уровень сигнала сотового радиотелефона вызываемого абонента.
По мере удаления абонента от базовой станции или в связи с ухудшением условий распространения радиоволн уровень сигнала уменьшается, что ведет к ухудшению качества связи. Улучшение качества разговора достигается путем автоматического переключения абонента на другой канал связи. Это происходит следующим образом. Специальная процедура, называемая передачей управления вызовом или эстафетной передачей (в иностранной технической литературе — handover, или handoff ), позволяет переключить разговор на свободный канал другой базовой станции, в зоне действия которой оказался в это время абонент. Аналогичные действия предпринимаются при снижении качества связи из-за влияния помех или при возникновении неисправностей коммутационного оборудования. Для контроля таких ситуаций базовая станция снабжена специальным приемником, периодически измеряющим уровень сигнала сотового телефона разговаривающего абонента и сравнивающим его с допустимым пределом. Если уровень сигнала меньше этого предела, то информация об этом автоматически передается в центр коммутации по служебному каналу связи. Центр коммутации выдает команду об измерении уровня сигнала сотового радиотелефона абонента на ближайшие к нему базовые станции. После получения информации от базовых станций об уровне этого сигнала центр коммутации переключает радиотелефон на ту из них, где уровень сигнала оказался наибольшим. Это происходит так быстро, что абонент совершенно не замечает переключений.
|
|
|
Одна из важных услуг сети сотовой связи - предоставление возможности использования одного и того же радиотелефона при поездке в другой город, область или даже страну. В сотовой радиосвязи такая возможность называется роуминг (от англ. roam — скитаться, блуждать). Для организации роуминга сотовые сети должны быть одного стандарта (телефон стандарта GSM не будет работать в сети стандарта CDMA и т. п.), а центры коммутации подвижной связи этого стандарта должны быть соединены специальными каналами связи для обмена данными о местонахождении абонента.
Радиотелефон сотовой связи может быть аналоговым или цифровым. В настоящее время сотовые телефоны являются цифровыми. Структурная схема цифрового радиотелефона, работающего в стандарте GSM, представлена на рисунке 57.
Рис. 57. Структурная схема цифрового радиотелефона.
Обычно в таких радиотелефонах имеется аналоговая и цифровая части, которые могут выполняться на отдельных платах. Аналоговая часть включает в себя приемное и передающее устройства.
Антенна А выполняет одновременно функции передающей и приемной. Она представляет собой спиральную укороченную антенну, по характеристикам аналогичную стандартной полуволновой антенне. В системах стандарта GSM передатчик и приемник работают не одновременно, и передача осуществляется только в течение 1/8 длительности кадра. Это значительно уменьшает расход энергии аккумуляторной батареи и увеличивает время функционирования, как в режиме передачи (разговора), так и в режиме приема (ожидания). Кроме того, снижаются требования к некоторым узлам приёмника, и позволяет интегрировать их. Принимаемый сигнал, после прохождения входного полосового фильтра, усиливается малошумящим усилителем (МШУ) и поступает на первый вход смесителя. На второй вход поступает сигнал гетеродина с синтезатора частот. Сигнал первой промежуточной частоты проходит через полосовой фильтр на ПАВ и усиливается усилителем первой промежуточной частоты УПЧ1, после чего поступает на первый вход второго смесителя. На второй его вход поступает сигнал гетеродина, с генератора частот. Полученный сигнал второй промежуточной частоты фильтруется полосовым фильтром на поверхностных акустических волнах (ПАВ), усиливается усилителем УПЧ2 и поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), где преобразуется в сигнал, необходимый для работы сигнального процессора (CPU).
|
|
|
В режиме передачи информационный цифровой сигнал, сформированный в CPU, поступает на I/0-генератор, где происходит формирование модулирующего сигнала. Последний поступает в фазовый модулятор, с которого сигнал поступает в смеситель. На второй вход смесителя поступает сигнал с синтезатора частот. Полученный сигнал через полосовой фильтр поступает в усилитель мощности (УМ), управляемый с помощью сигнального процессора. Усиленный до необходимого уровня сигнал через полосовой керамический фильтр поступает к антенне А и излучается в пространство.
Цифровая логическая часть радиотелефона обеспечивает формирование, и обработку всех необходимых сигналов. Она состоит из цифрового сигнального процессора CPU, памяти MEM, канального эквалайзера, канального кодера/декодера, SIM-карты, аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователей АЦП и ЦАП, клавиатуры и дисплея.
Логическая часть выполняет задачи, заключающиеся в демодуляции, кодировании, сжатии и восстановлении речевого сигнала, уменьшении шумов, в обработке информации, вводимой с клавиатуры. Она выводит необходимую информацию на экран дисплея, производит обмен информацией с SIM-картой, обеспечивающей аутентификацию абонента и
Синтезаторы частот.
В современных радиоприёмных и передающих устройствах, и, в частности в мобильных радиотелефонах, широко применяются синтезаторы частот. Синтез частоты заключается в процессе получения нескольких колебаний требуемых значений из опорной частоты. Для этого используются операции сложения, вычитания, деления и умножения частот. Эти операции производят соответственно с помощью делителей частоты, умножителей частоты и сумматоров частот. Очень часто умножение частоты осуществляют с помощью петель автоподстройки частоты (Phase-Locked Loop, PLL), состоящих из управляемого напряжением генератора ГУН, фазового или частотного детекторов ФД и делителя частоты на N.
Сигнал опорной частоты получают от высококачественных генераторов, имеющих повышенную стабильность, называемых опорными генераторами ОГ. В радиочастотных блоках устройств подвижной связи, как правило, используется один, общий для всех синтезаторов частоты системный высококачественный опорный сигнал, получаемый от стабилизированного кварцевым резонатором опорного генератора ОГ. В таких генераторах часто используется кварцевые генераторы, управляемые напряжением или высокостабильные термокомпенсированные кварцевые генераторы. Если устройство синтеза частот выполняется в виде функционально законченного блока или прибора, его называют синтезатором частот СЧ. Наибольшее распространение в устройствах радиосвязи получили синтезаторы, в которых используется одна опорная частота.
Системы синтеза частот, в которых фильтрация колебания синтезируемой частоты осуществляется с помощью колец (петель) фазовой автоподстройки частоты или компенсационного кольца называются системами активного (косвенного) синтеза.
Системы синтеза частот можно разделить на две группы: системы, выполняемые на аналоговой элементной базе - аналоговые системы синтеза частот (ССЧ) и системы, выполняемые на цифровой элементной базе, зачастую называемые цифровыми системами синтеза. Цифровые ССЧ обладают более высокой технологичностью, могут быть выполнены в виде ИС, обладают лучшими массогабаритными показателями. Упрощённая структурная схема цифрового синтезатора частот приведена на рисунке 58.
В них выходная частота генератора, управляемого напряжением (ГУН) являющаяся и выходной частотой СЧ, подается на делитель частоты с коэффициентом деления N (рис. 58).
Рис. 58. Упрощённая структурная схема цифрового синтезатора частот.
Выходная частота делителя fср, называемая частотой сравнения, подается на один из входов устройства сравнения (УС). Отметим, что номинал частоты сравнения в N раз меньше, чем номинал fвых. На другой вход устройства сравнения подается сигнал опорного генератора с частотой fo. В качестве устройства сравнения используется, как правило, фазовый детектор (ФД) или частотный детектор (ЧД). Узлы, в которых происходит преобразование выходной частоты синтезатора в частоту сравнения, образуют тракт приведения частоты.
Устройство сравнения вырабатывает управляющий сигнал, величина которого пропорциональна разности частот fo и fср. Управляющий сигнал через фильтр нижних частот (ФНЧ), необходимый для фильтрации этого сигнала и обеспечения устойчивости работы синтезатора, подается на вход ГУН и производит подстройку номинала частоты fвых выходных колебаний. В работающем синтезаторе обычно устанавливается режим синхронизации, при котором fср = fo, тогда номинал выходной частоты: fвых = N fср = N fo. Можно сказать, что в данной структуре происходит умножение опорной частоты fo на коэффициент N.
Таким образом, изменяя коэффициент деления N, в синтезаторе частот можно сформировать сетку выходных частот с шагом fo.
Типовая структура синтезатора частот, предназначенного для использования в системах мобильной связи и выполненного в виде интегральной схемы универсального применения, представлена на рис. 59.
Рис. 59. Типовая структурная схема синтезатора частот.
Интегральная схема содержит опорный генератор (ОГ), фазовый детектор (ФД) делители опорного тракта (:К) и тракта приведения (:N) и два запоминающих устройства (ЗУ), в которых содержится информация об устанавливаемых коэффициентах деления K и N. Для реализации синтезатора частот необходимо подключить на выход фазового детектора устройство фильтрации, т.е. фильтр нижних частот (ФНЧ) и генератор, управляемый напряжением (ГУН). Конкретная схемотехническая и конструктивная реализация этих узлов синтезатора частот сильно зависят от диапазона выходных частот синтезатора, требований, предъявляемых к качеству выходного сигнала синтезатора, быстродействия, стоимости и других показателей качества устройства. В связи с этим ФНЧ и ГУН, как правило, не размещают внутри интегральной схемы. Внешним элементом является также и кварцевый резонатор (КР), имеющий по сравнению с корпусом ИС значительные размеры. Выбор номинала кварцевого резонатора также зависит от параметров выходного сигнала СЧ. Такой подход делает интегральную схему синтезатора универсальным устройством применимым в различных по качеству, стоимости и назначению радиочастотных блоках.
|
|
|
