Электромагнитная совместимость сотовых сетей связи

Введение

Сеть GSM.

История появления сети.

На заре развития мобильной связи (а было это не так давно - в начале

восьмидесятых) Европа покрывалась аналоговыми сетями самых разных

стандартов - Скандинавия развивала свои системы, Великобритания свои.

Сейчас уже сложно сказать, кто был инициатором последовавшей очень скоро

революции - "верхи" в виде производителей оборудования, вынужденные

разрабатывать для каждой сети собственные устройства, или "низы" в качестве

пользователей, недовольные ограниченной зоной действия своего телефона. Так

или иначе, в 1982 году Европейской Комиссией по Телекоммуникациям (CEPT)

была создана специальная группа для разработки принципиально новой,

общеевропейской системы мобильной связи. Основными требованиями,

предъявляемыми к новому стандарту, были: эффективное использование

частотного спектра, возможность автоматического роуминга, повышенное

качество речи и защиты от несанкционированного доступа по сравнению с

предшествующими технологиями, а также, очевидно, совместимость с другими

существующими системами связи (в том числе проводными) и тому подобное.

Плодом упорного труда многих людей из разных стран стала

представленная в 1990 году спецификация общеевропейской сети мобильной

связи, названная Global System for Mobile Communications или просто GSM. А

дальше все замелькало, как в калейдоскопе - первый оператор GSM принял

абонентов в 1991 году, к началу 1994 года сети, основанные на

рассматриваемом стандарте, имели уже 1.3 миллиона подписчиков, а к концу

1995 их число увеличилось до 10 миллионов! Воистину, "GSM шагает по

планете" - в настоящее время телефоны этого стандарта имеют около 200

миллионов человек, а GSM-сети можно найти по всему миру.

За рамками рассмотрения останутся два очень важных вопроса: во-первых,

частотно-временное разделение каналов и, во-вторых, системы шифрования и

защиты передаваемой речи.

Основные части системы GSM, их назначение и взаимодействие друг с другом.

Начнем с самого сложного - рассмотрения скелета сети. При описании

будем придерживаться принятых во всем мире англоязычных сокращений,

конечно, давая при этом их русскую трактовку.

Взгляните на рис. 1:

[pic]

Рис.1 Упрощенная архитектура сети GSM.

Самая простая часть структурной схемы - переносной телефон, состоит из

двух частей: собственно "трубки" - МЕ (Mobile Equipment - мобильное

устройство) и смарт-карты SIM (Subscriber Identity Module - модуль

идентификации абонента), получаемой при заключении контракта с оператором.

Как любой автомобиль снабжен уникальным номером кузова, так и сотовый

телефон имеет собственный номер - IMEI (International Mobile Equipment

Identity - международный идентификатор мобильного устройства), который

может передаваться сети по ее запросу, SIM, в свою очередь, содержит так

называемый IMSI (International Mobile Subscriber Identity - международный

идентификационный номер подписчика). Думаю, разница между IMEI и IMSI ясна

- IMEI соответствует конкретному телефону, а IMSI - определенному абоненту.

"Центральной нервной системой" сети является NSS (Network and

Switching Subsystem - подсистема сети и коммутации), а компонент,

выполняющей функции "мозга" называется MSC (Mobile services Switching

Center - центр коммутации). Именно последний называют "коммутатор", а

также, при проблемах со связью, винят во всех смертных грехах. MSC в сети

может быть и не один (в данном случае очень уместна аналогия с

многопроцессорными компьютерными системами) - например, на момент написания

статьи московский оператор Билайн внедрял второй коммутатор (производства

Alcatel). MSC занимается маршрутизацией вызовов, формированием данных для

биллинговой системы, управляет многими процедурами - проще сказать, что НЕ

входит в обязанности коммутатора, чем перечислять все его функции.

Следующими по важности компонентами 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 эти

части, в дальнейшем мы будем часто упоминать их. HLR, грубо говоря,

представляет собой базу данных обо всех абонентах, заключивших с

рассматриваемой сетью контракт. В ней хранится информация о номерах

пользователей (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 и

многое другое - далее по тексту часто будут описываться параметры,

находящиеся в HLR.

В отличие от HLR, который в системе один, VLR`ов может быть и несколько -

каждый из них контролирует свою часть сети. В VLR содержатся данные об

абонентах, которые находятся на его и только его территории (причем

обслуживаются не только свои подписчики, но и зарегистрированные в сети

роумеры). Как только пользователь покидает зону действия какого-то VLR,

информация о нем копируется в новый VLR, а из старого удаляется.

Фактически, между тем, что есть об абоненте в VLR и в HLR, очень много

общего - посмотрите таблицы, где приведен перечень долгосрочных (табл.1) и

временных (табл.2 и 3) данных об абонентах, хранящихся в этих реестрах. Еще

раз обращаю внимание читателя на принципиальное отличие HLR от VLR: в

первом расположена информация обо всех подписчиках сети, независимо от их

местоположения, а во втором - данные только о тех, кто находится на

подведомственной этому VLR территории. В HLR для каждого абонента постоянно

присутствует ссылка 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 долгосрочных данных, 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 временных данных, 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 временных данных, хранимых в VLR.

NSS содержит еще два компонента - AuC (Authentication Center - центр

авторизации) и EIR (Equipment Identity Register - реестр идентификации

оборудования). Первый блок используется для процедур установления

подлинности абонента, а второй, как следует из названия, отвечает за допуск

к эксплуатации в сети только разрешенных сотовых телефонов. Подробно работа

этих систем будет рассмотрена в следующем разделе, посвященном регистрации

абонента в сети.

Исполнительной, если так можно выразиться, частью сотовой сети,

является BSS (Base Station Subsystem - подсистема базовых станций). Если

продолжать аналогию с человеческим организмом, то эту подсистему можно

назвать конечностями тела. BSS состоит из нескольких "рук" и "ног" - BSC

(Base Station Controller - контроллер базовых станций), а также множества

"пальцев" - BTS (Base Transceiver Station - базовая станция). Базовые

станции можно наблюдать повсюду, фактически это просто приемно-передающие

устройства, содержащие от одного до шестнадцати излучателей. Каждый BSC

контролирует целую группу BTS и отвечает за управление и распределение

каналов, уровень мощности базовых станций и тому подобное. Обычно BSC в

сети не один, а целое множество (базовых станций же вообще сотни).

Управляется и координируется работа сети с помощью OSS (Operating and

Support Subsystem - подсистема управления и поддержки). OSS состоит из

всякого рода служб и систем, контролирующих работу и трафик.

Регистрация в сети.

При каждом включении телефона после выбора сети начинается процедура

регистрации. Рассмотрим наиболее общий случай - регистрацию не в домашней,

а в чужой, так называемой гостевой, сети (будем предполагать, что услуга

роуминга абоненту разрешена).

Пусть сеть найдена. По запросу сети телефон передает IMSI абонента.

IMSI начинается с кода страны "приписки" его владельца, далее следуют

цифры, определяющие домашнюю сеть, а уже потом - уникальный номер

конкретного подписчика. Например, начало IMSI 25099… соответствует

российскому оператору Билайн. (250-Россия, 99 - Билайн). По номеру IMSI VLR

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 процесс определения подлинности абонента. При

регистрации AuC домашней сети генерирует 128-битовое случайное число -

RAND, пересылаемое телефону. Внутри SIM с помощью ключа Ki (ключ

идентификации - 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 вычисления проделываются

одновременно и в AuC (по выбранному из HLR Ki пользователя). Если SRES,

вычисленный в телефоне, совпадет со SRES, рассчитанным AuC, то процесс

авторизации считается успешным и абоненту присваивается TMSI (Temporary

Mobile Subscriber Identity-временный номер мобильного абонента). TMSI

служит исключительно для повышения безопасности взаимодействия подписчика с

сетью и может периодически меняться (в том числе при смене VLR).

Теоретически, при регистрации должен передаваться и номер IMEI, но

есть большие сомнения насчет того, что московские операторы отслеживают

IMEI используемых абонентами телефонов. Давайте будем рассматривать некую

"идеальную" сеть, функционирующую так, как было задумано создателями GSM.

Так вот, при получении IMEI сетью, он направляется в EIR, где сравнивается

с так называемыми "списками" номеров. Белый список содержит номера

санкционированных к использованию телефонов, черный список состоит из IMEI,

украденных или по какой-либо иной причине не допущенных к эксплуатации

телефонов, и, наконец, серый список - "трубки" с проблемами, работа которых

разрешается системой, но за которыми ведется постоянное наблюдение.

После процедуры идентификации и взаимодействия гостевого VLR с

домашним HLR запускается счетчик времени, задающий момент перерегистрации в

случае отсутствия каких-либо сеансов связи. Обычно период обязательной

регистрации составляет несколько часов. Перерегистрация необходима для

того, чтобы сеть получила подтверждение, что телефон по-прежнему находится

в зоне ее действия. Дело в том, что в режиме ожидания "трубка" только

отслеживает сигналы, передаваемые сетью, но сама ничего не излучает -

процесс передачи начинается только в случае установления соединения, а

также при значительных перемещениях относительно сети (ниже это будет

рассмотрено подробно) - в таких случаях таймер, отсчитывающий время до

следующей перерегистрации, запускается заново. Поэтому при "выпадении"

телефона из сети (например, был отсоединен аккумулятор, или владелец

аппарата зашел в метро, не выключив телефон) система об этом не узнает.

Все пользователи случайным образом разбиваются на 10 равноправных

классов доступа (с номерами от 0 до 9). Кроме того, существует несколько

специальных классов с номерами с 11 по 15 (разного рода аварийные и

экстренные службы, служебный персонал сети). Информация о классе доступа

хранится в SIM. Особый, 10 класс доступа, позволяет совершать экстренные

звонки (по номеру 112), если пользователь не принадлежит к какому-либо

разрешенному классу, или вообще не имеет IMSI (SIM). В случае чрезвычайных

ситуаций или перегрузки сети некоторым классам может быть на время закрыт

доступ в сеть.

Территориальное деление сети и handover.

Как уже было сказано, сеть состоит из множества BTS - базовых станций

(одна BTS - одна "сота", ячейка). Для упрощения функционирования системы и

снижения служебного трафика, BTS объединяют в группы - домены, получившие

название LA (Location Area - области расположения). Каждой LA соответствует

свой код LAI (Location Area Identity). Один VLR может контролировать

несколько LA. И именно LAI помещается в VLR для задания местоположения

мобильного абонента. В случае необходимости именно в соответствующей LA (а

не в отдельной соте, заметьте) будет произведен поиск абонента. При

перемещении абонента из одной соты в другую в пределах одной LA

перерегистрация и изменение записей в VLR/HLR не 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 своего автомобиля от

находящегося в режиме ожидания телефона - зачастую это является следствием

проводимой перерегистрации при пересечении границ LA. При смене LA код

старой области стирается из VLR и заменяется новым LAI, если же следующий

LA контролируется другим VLR, то произойдет смена VLR и обновление записи в

HLR.

Вообще говоря, разбиение сети на LA довольно непростая инженерная задача,

решаемая при построении каждой сети индивидуально. Слишком мелкие LA

приведут к частым перерегистрациям телефонов и, как следствие, к

возрастанию трафика разного рода сервисных сигналов и более быстрой

разрядке батарей мобильных телефонов. Если же сделать LA большими, то, в

случае необходимости соединения с абонентом, сигнал вызова придется

подавать всем сотам, входящим в LA, что также ведет к неоправданному росту

передачи служебной информации и перегрузке внутренних каналов сети.

Теперь рассмотрим очень красивый алгоритм так называемого handover`ра

(такое название получила смена используемого канала в процессе соединения).

Во время разговора по мобильному телефону вследствие ряда причин (удаление

"трубки" от базовой станции, многолучевая интерференция, перемещение

абонента в зону так называемой тени и т.п.) мощность (и качество) сигнала

может ухудшиться. В этом случае произойдет переключение на канал (может

быть, другой BTS) с лучшим качеством сигнала без прерывания текущего

соединения (добавлю - ни сам абонент, ни его собеседник, как правило, не

замечают произошедшего handover`а). Handover`ы принято разделять на четыре

типа:

смена каналов в пределах одной базовой станции

смена канала одной базовой станции на канал другой станции, но находящейся

под патронажем того же BSC.

переключение каналов между базовыми станциями, контролируемыми разными BSC,

но одним MSC

переключение каналов 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 внутренними handover`ами, чтобы снизить нагрузку на

коммутатор и служебные линии связи, процесс смены каналов управляется BSC,

а MSC лишь информируется о происшедшем.

Во время разговора мобильный телефон постоянно контролирует уровень

сигнала от соседних BTS (список каналов (до 16), за которыми необходимо

вести наблюдение, задается базовой станцией). На основании этих измерений

выбираются шесть лучших кандидатов, данные о которых постоянно (не реже

раза в секунду) передаются BSC и MSC для организации возможного

переключения. Существуют две основные схемы handover`а:

"Режим наименьших переключений" (Minimum acceptable performance). В этом

случае, при ухудшении качества связи мобильный телефон повышает мощность

своего передатчика до тех пор, пока это возможно. Если же, несмотря на

повышение уровня сигнала, связь не улучшается (или мощность достигла

максимума), то происходит handover.

"Энергосберегающий режим" (Power budget). При этом мощность передатчика

мобильного телефона остается неизменной, а в случае ухудшения качества

меняется канал связи (handover).

Интересно, что инициировать смену каналов может не только мобильный

телефон, но и MSC, например, для лучшего распределения трафика.

Маршрутизация вызовов.

Поговорим теперь, каким образом происходит маршрутизация входящих

вызовов мобильного телефона. Как и раньше, будем рассматривать наиболее

общий случай, когда абонент находится в зоне действия гостевой сети,

регистрация прошла успешно, а телефон находится в режиме ожидания.

При поступлении запроса (рис.2) на соединение от проводной телефонной

(или другой сотовой) системы на MSC домашней сети (вызов "находит" нужный

коммутатор по набранному номеру мобильного абонента MSISDN, который

содержит код страны и сети).

[pic]

Рис.2 Взаимодействие основных блоков сети при поступлении входящего вызова.

MSC пересылает в HLR номер (MSISDN) абонента. HLR, в свою очередь,

обращается с запросом к VLR гостевой сети, в которой находится абонент. VLR

выделяет один из имеющихся в ее распоряжении MSRN (Mobile Station Roaming

Number - номер "блуждающей" мобильной станции). Идеология назначения MSRN

очень напоминает динамическое присвоение адресов IP при коммутируемом

доступе в Интернет через модем. HLR домашней сети получает от VLR

присвоенный абоненту MSRN и, сопроводив его IMSI пользователя, передает

коммутатору домашней сети. Заключительной стадией установления соединения

является направление вызова, сопровождаемого IMSI и MSRN, коммутатору

гостевой сети, который формирует специальный сигнал, передаваемый по PAGCH

(PAGer CHannel - канал вызова) по всей LA, где находится абонент.

Маршрутизация исходящих вызовов не представляет с идеологической точки

зрения ничего нового и интересного. Приведу лишь некоторые из

диагностических сигналов (таблица 4), свидетельствующие о невозможности

установить соединение и которые пользователь может 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 |Тройной гудок (длительность |

| |1400±50Гц |каждой части 330 мс), 1 с пауза|

| |1800±50Гц | |

Таблица 4. Основные диагностические сигналы об ошибке при установлении

соединения.

Перспективы GSM

Конечно, в мире нет ничего идеального. Рассмотренные выше сотовые

системы GSM не исключение. Ограниченное число каналов создает проблемы в

деловых центрах мегаполисов (а в последнее время, ознаменованное бурным

ростом абонентской базы, и на их окраинах) - чтобы позвонить, часто

приходится ждать уменьшения нагрузки системы. Малая, по современным меркам,

скорость передачи данных (9600 бит/с) не позволяет пересылать объемные

файлы, не говоря о видеоматериалах. Да и роуминговые возможности не так уж

безграничны - Америка и Япония развивают свои, несовместимые с GSM,

цифровые системы беспроводной связи.

Конечно, рано говорить, что дни GSM сочтены, но нельзя и не замечать

появления на горизонте так называемых 3G-систем, олицетворяющих начало

новой эры в развитии сотовой телефонии и лишенных перечисленных

недостатков. Как хочется заглянуть на несколько лет вперед и посмотреть,

какие возможности получим все мы от новых технологий! Впрочем, ждать

осталось не так долго - начало коммерческой эксплуатации первой сети

третьего было положено 2001 года… А вот какая судьба уготована новым

системам - взрывообразный рост, как GSM, или разорение и уничтожение, как

Iridium, покажет время…

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

разделением)

Группа стандартов CDMA коренным образом отличается от своих собратьев

по сотовой телефонии и эти стандарты по праву считаются стандартами 2.5

поколения. Если FDMA (NMT, AMPS, NAMPS) и его продолжение - TDMA (GSM,

DAMPS) используют набор частотных диапазонов с разделением каждого канала

на временные интервалы (для TDMA) для множественного доступа абонетов к

услугам сотовой сети, то в CDMA всё по-другому.

CDMA использует технологию Direct Sequence (Pseudo Noise) Spread

Spectrum (прямая последовательность (псевдошум) с широким спектром). Основа

DSSS - использование шумоподобной несущей, и гораздо более широкой полосы,

чем необходимо для обычных способов модуляции. Хотя DSSS была изобретена

ещё в 1940-е, коммерческое применение началось только в 1995 году. Причиной

тому - отсутствие технологий позволяющих создавать малогабаритные

приёмопередатчики использующие DSSS.

Кратко о CDMA.

Представьте себе узкополосный сигнал промодулированный неким потоком

данных со скоростью, например 9600 bps. Пусть есть уникальная,

повторяющаяся, псевдослучайная цифровая последовательность со значительно

большей скоростью, скажем 1.25 Mbps. Если менять фазу узкополосного сигнала

в соответствии с псевдослучайной последовательностью, то мы получим

шумоподобный сигнал с широким спектром, содержащий в себе информацию. Если

рассмотреть, что происходит с точки зрения частоты - то получится что

информационный сигнал "расплылся" (spread) по спектру шумоподобного сигнала

(pseudonoise). Теперь осталось выдать этот широкополосный сигнал в эфир.

На пути от передатчика к приёмнику к сигналу добавятся помехи и

сигналы других передатчиков. Принятый и демодулированный сигнал перемножим

с точной копией шумоподобного сигнала, который использовался для модуляции

(здесь необходима очень высокая степень синхронизации приёмника и

передатчика) и получим узкополосную составляющую с высокой энергией на

единицу частоты - переданный поток данных. Так как помехи и сигналы от

других передатчиков не совпадают с использованным шумоподобным сигналом, то

после перемножения они ещё больше расползутся по спектру и их энергия на

единицу частоты уменьшится.

Таким образом, используя разные псевдослучайные последовательности

(коды) можно организовать несколько независимых каналов передачи данных в

одной и той же полосе частот.

Нужно сказать что вышеприведенное описание технологии DSSS сильно

упрощено, хотя, надеюсь, даёт представление о том, как это всё работает.

Преимущества CDMA.

В системах с частотным разделением каналов (как в FDMA, так и в TDMA)

существует проблема так называемого "многократного использования" (reuse)

частотных каналов. Чтобы не мешать друг другу, соседние базовые станции

должны использовать разные каналы. Таким образом, если у БС 6 соседей

(наиболее часто рассматриваемый случай, при этом зону каждой БС можно

представить как шестиугольник, а всё вместе выглядит как пчелиные соты) то

количество каналов, которые может использовать эта БС в семь раз меньше чем

общее количество каналов в отведённом для сети диапазоне. Это приводит к

уменьшению ёмкости сети и необходимости увеличивать плотность установки БС

в густонаселённых районах. Для CDMA такой проблемы вообще нет. Все БС

работают на одном и том же канале. Таким образом, частотный ресурс

используется более полно. Ёмкость CDMA сети обычно в несколько раз выше,

чем TDMA, и на порядок выше чем FDMA сетей.

Для того, чтобы телефоны находящиеся близко к БС не забивали своим

сигналом более отдалённых абонентов, в CDMA предусмотрена плавная

регулировка мощности, что приводит к значительному сокращению

энергопотребления телефона вблизи БС и, соответственно, увеличению времени

работы телефона без подзарядки.

Одной из приятных особенностей CDMA сетей является возможность

"мягкого" перехода от одной БС к другой (soft handoff). При этом, возможна

ситуация когда одного абонента "ведут" сразу несколько БС. Абонент просто

не заметит, что его "передали" другой БС. Естественно, чтобы такое стало

возможным, необходима прецизионная синхронизация БС. В коммерческих

системах это достигается использованием сигналов времени от GPS (Global

Positioning System) американской спутниковой системы определения координат.

CDMA это практически полностью цифровой стандарт. Обычно все

преобразования информационного сигнала происходят в цифровой форме, и

только радиочасть аппарата является аналоговой, причём гораздо более

простой, чем для других групп стандартов. Это позволяет практически весь

телефон выполнить в виде одной микросхемы с большой степенью интеграции,

тем самым значительно снизив стоимость телефона.

Цифровая сущность CDMA весьма располагает к использованию этой

технологии для безпроводной передачи данных. В рассмотренном выше примере

мы задали не очень высокую скорость, однако существующие реализации CDMA

позволяют многократно увеличивать скорость передачи данных, правда за счет

сокращения ёмкости сети.

Стандарты CDMA используют более современный кодек для оцифровки речи,

что субъективно повышает качество передачи аналогового сигнала по сравнению

с действующими TDMA стандартами.

Из минусов CDMA можно отметить необходимость использования достаточно

широкой и неразрывной полосы, что не всегда возможно в современной

обстановке дефицита частотного ресурса и большую сложность реализации

данной технологии в "железе"

Перспективы CDMA

В мире, развитие CDMA идет нарастающими темпами. Наибольшее

распространение получили стандарты IS-95 ( 800 MHz ) и CDMA PCS ( 1900 MHz

). На май 2000г в 43 странах использующих CDMA насчитывалось более 57

миллионов абонентов, причём с мая 1999 количество пользователей удвоилось.

Исторически сложилось так, что CDMA наиболее распространён в Северной и

Южной Америке и Юго-Восточной Азии. С принятием Китаем CDMA как

федерального стандарта сомнений в том, что этот стандарт станет основным на

нашей планете, практически не осталось.

Cтандарты CDMA изначально включали в себя функцию передачи данных и на

сегодня, почти все современные CDMA телефоны способны предоставлять

пользователю 14.4 Kbps цифровой канал. А сама сеть использует IP протокол

для передачи данных. Таким образом, CDMA уже сейчас полностью Internet-

совместима. Нет проблем и с более высокими скоростями. Некоторые операторы

CDMA в US уже предоставляют услуги передачи данных со скоростями до 144

Kbps. Кроме того, система используемая этими операторами позволяет

динамически изменять пропускную способность канала в зависимости от

активности клиента и загрузки сети, тем самым оптимизируя использование

ресурсов сети. По заявлениям CDMA Development Group уже сейчас достижима

скорость 300 Kbps, что вплотную приближает существующие CDMA стандарты к 3-

му поколению.

У CDMA гораздо меньше проблем 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 ныне действующего IS-95. Основные отличия

cdma2000 от своего предшественника - большее количество диапазонов для

использования в организации мобильной связи и увеличение скорости передачи

данных до 1Mbps на физическом уровне. Также добавлены новые протоколы для

обеспечения всевозможных сервисов. Особо следует подчеркнуть требование

стандарта об обратной совместимости с IS-95. Все мобильные станции cdma2000

должны работать в сетях IS-95, и соответственно все базовые станции

cdma2000 должны обслуживать мобильные станции IS-95. Более того, имеется

требование обеспечения handoff'а (перехода от одной соты к другой) между

cdma2000 и IS-95. Таким образом, возможна незаметная для пользователя

миграция сети от IS-95 к cdma2000. Также примечателен факт, что стандартом

предусмотрено использование некоторых диапазонов используемых ныне старыми

аналоговыми стандартами (например Band Class 5 (NMT-450)) что даёт

возможность операторам этих стандартов перейти от 1-го поколения сразу к 3-

ему, постепенно отдавая участки своего диапазона под cdma2000, по мере

увеличения количества абонентов пользующихся новым оборудованием. Однако

даже в cdma2000 сохранена возможность работы мобильных и базовых станций в

аналоговом режиме. Этот режим практически идентичен стандарту AMPS c A-Key

идентификацией и предназначен для обеспечения связи там, где использование

цифрового режима по тем или иным причинам невозможно.

CDMA2000 был принят в группу IMT-2000, которая определяет глобальное

виденье организацией ITU (International Telecommunication Union) систем 3-

го поколения, в качестве одного из основных радиоинтерфейсов, что позволяет

предполагать его дальнейшее распространение. Причём из-за преимуществ перед

TDMA технологиями ( стандарт UWC-136 также предлагается в качестве одного

из возможных радиоинтерфейсов в IMT-2000 ) вполне возможно распространение

CDMA и в Европе, которая на данный момент является вотчиной TDMA стандарта

GSM.

CDMA в России

В России у CDMA тяжелая судьба. На мой взгляд есть несколько причин,

по которым CDMA всячески "не пущают" на отечественный "рынок" сотовой

телефонии.

Первая - вытекает из основной особенности CDMA - у каждого абонента свой

код, который не может быть использован другими, независимо от того,

разговаривает ли абонент, находится в режиме ожидания звонка или вообще

выключил телефон. Поэтому, повременная оплата вообще не имеет смысла.

"Unlimited" напрашивается сам собой. Причём, при достаточно большой

абонентской базе она может быть весьма низкой. Даже в российских условиях

это прямая конкуренция проводным (!!!!) линиям связи, не говоря уже о

сотовых операторах. Вот и одна из причин по которым CDMA нежелателен для

нашего государства и его монополий.

Вторая - высокий уровень конфиденциальности CDMA. Подслушать из эфира

разговор можно, но стоимость и сложность оборудования способного на такое

значительно выше чем для других стандартов. Причем дело усугубляется тем,

что при незначительном удалении от БС мощность излучаемая телефоном крайне

низка, поэтому подслушивающий должен находится в непосредственной близости

от объекта наблюдения, а при значительном удалении от БС вообще не понятно

через какую БС работает телефон. И последний удар по спецслужбам - БС могут

не пользоваться проводными каналами связи для передачи сигнала от одной БС

к другой, а передавать траффик по эфиру. Всё это тоже сильно не нравится

государству.

И третья причина, вернее, повод для запрета CDMA - для синхронизации

БС используются сигналы GPS, которую так не любит наше правительство.

Шпионы ведь кругом... А без GPS возникают проблемы с мобильностью - чтобы

обеспечить "soft handoff" нужна синхронность БС. Я ещё могу понять что

американский GPS не стоит использовать в стратегических целях -

потенциальный противник, как никак. Но гражданские-то средства связи тут

причём? Тем более коммерческие.

Заявление г-на Реймана о том, что частотный диапазон используемый CDMA

подлежит изъятию под нужды цифрового телевидения - просто лапша на уши для

населения. Централизованного цифрового телевидения ещё нет. И вряд ли

появится, тем более в этом диапазоне, ибо спутниковые системы уже давно

доказали преимущества тарелочек перед телебашнями. И даже если безумные

деятели всё-таки соберуться делать это цифровое телевидение - что мешает

отвести под него другой диапазон?

Вот так коммерческие интересы монополий, и параноидальность государства

мешают развитию техники. Многие помнят, как ещё недавно каждый

копировальный аппарат находился под неусыпным надзором спецслужб, а летать

самолётами Аэрофлота было выгодно и удобно. Так вот - судя по всему -

ничего не изменилось.

Система сотовой подвижной связи CDMA

В последние годы значительный прогресс в телекоммуникационных

технологиях достигнут благодаря переходу на цифровые виды связи, которые, в

свою очередь, базируются на стремительном развитии микропроцессоров. Один

из ярких примеров этого - появление и быстрое внедрение технологии связи с

цифровыми шумоподобными сигналами на основе метода многостанционного

доступа с кодовым разделением каналов (CDMA - Code Division Multiple

Access), в ближайшие годы нового столетия затмит собой все остальные,

вытесняя аналоговые NMT, AMPS и др. и составляя серьезную конкуренцию

цифровым технологиям, таким как GSM.

Замечательное свойство цифровой связи с шумоподобными сигналами -

защищенность канала связи от перехвата, помех и подслушивания. Именно

поэтому данная технология была изначально разработана и использовалась для

вооруженных сил США, и лишь недавно американская компания Qualcom на основе

этой технологии создала стандарт IS-95 (CDMA one) и передала его для

коммерческого использования. Оборудование для этого стандарта уже выпускают

шесть компаний: Hughes Network Systems, Motorola и Samsung.

Общая характеристика и принципы функционирования

Принцип работы систем сотовой связи (ССС) с кодовым разделением

каналов можно пояснить на следующем примере.

Предположим, что вы сидите в ресторане. За каждым столиком находится два

человека. Одна пара разговаривает между 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 одном диапазоне частот (речь от 3 кГц

до 20 кГц), при этом вы, разговаривая со своим оппонентом, понимаете только

его, но слышите всех.

Так же и в стандарте CDMA передаваемая в эфире информация от базовой

станции к мобильной или наоборот попадает ко всем абонентам сети, но каждый

абонент понимает только ту информацию, которая предназначена для него, т.е.

русский понимает только русского, немец только немца, а остальная

информация отсеивается. Язык общения в данный момент является кодом. В CDMA

это организовано за счет применения кодирования передаваемых данных, если

точнее, то за это отвечает блок умножения на функцию Уолша.

В отличие от стандарта GSM, который использует TDMA (Time Division

Multiple Access - многостанционный доступ с кодовым разделением канала,

т.е. несколько абонентом могут разговаривать на одной и той же частоте, как

и в CDMA, но в отличие от CDMA, в разное время), стандарт IS-95 диапазон

частот использует более экономично.

CDMA называют широкополосной системой и сигналы идущие в эфире

шумоподобными. Широкополосная - потому, что занимает широкую полосу частот.

Шумоподобные сигналы - потому, что когда в эфире на одной частоте, в одно и

то же время работают несколько абонентов, сигналы

Рис. 3 сигнал и помеха

накладываются друг на друга (можно представить шум в ресторане, когда все

одновременно говорят). Помехоустойчивая - потому, что при возникновении в

широкой полосе частот(1,23 Мгц) сигнала-помехи, узкого диапазона ( 400 МГц.(3.20)

Для корректного использования формул Hata необходимо придерживаться

следующего соответствия между типами моделей и характеристиками местности:

Плотная городская застройка (большой город) - плотная застройка в

основном высокими зданиями (выше 20 этажей) с малой площадью зеленых

насаждений. Покрытие ячеек в значительной мере определяется дифракцией и

рассеянием сигнала на ближайших к абоненту зданиях.

Городская застройка - многоэтажная административная и жилая

застройка, индустриальные районы. Плотность зданий достаточно высокая, но

может быть разбавлена зелеными насаждениями, небольшими скверами.

Пригород - одиночные жилые дома, административные здания,

магазины высотой 1-3 этажа. Большие площади зеленых

насаждений (деревьев), парковые зоны с отдельными группами зданий плотной

застройки.

Сельская местность - открытое пространство с несколькими зданиями, фермы,

кустарниковые насаждения, шоссе.

Открытое пространство - озера, водохранилища, открытые участки

без насаждений, неплодородные земли.

На рис. 15, 16 представлены графики для медианного значения ослабления

радиоволн по модели Hata и свободного пространства в диапазонах 450 МГц и

850 МГц. Значения параметров hБС, hАС, указаны на рисунках. Цифрами

обозначены: 1 - свободное пространство; 2 - открытая местность; 3 -

пригород; 4 - город; 5 - большой город.

[pic]

Рис. 15. Графики для медианного значения ослабления радиоволн по модели

Hata в диапазонах 450 МГц и 850 МГц.

[pic]

Рис. 16. Графики для медианного значения ослабления радиоволн свободного

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) существенно зависит от высоты

расположения антенны БС и может составлять 30...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

подвижной связи

Число пользователей сотовых сетей мобильной связи растет значительно

быстрее, чем могли себе представить изобретатели этой технологии. Каждый

год количество абонентов возрастает на 40%, и предполагается, что данная

тенденция сохранится до конца десятилетия. Резкое увеличение числа

абонентов и растущая коммерциализация технологии обуславливают новые

требования к сети; в частности, довольно остро стоит задача увеличения

емкости ячеек и повышения качества передачи звука при телефонных

переговорах.

С одной и той же базовой станцией сотовой сети может взаимодействовать

большое число абонентов. Такой режим работы называется множественным

доступом (multiple access) к базовой станции. Для обеспечения

множественного доступа общий ресурс базовой станции подразделяется на

определенное количество "каналов", к которым получают доступ пользователи.

В одно и то же время абонент может использовать только один канал. Захват

канала происходит при подсоединении к данной базовой станции (при переходе

к ней из зоны действия другой базовой станции или инициализации вызова),

освобождение канала - при переходе в зону действия другой базовой станции

или окончании переговоров.

Разные стандарты организации множественного доступа по-разному

"упаковывают" каналы в наличный диапазон частот; от способа этой упаковки

зависит емкость ячейки сети.

Первыми появились методы множественного доступа, основанные на

разделении каналов по частотам (FDMA, frequency division multiple access).

Каждый канал занимает определенную частотную полосу в отведенном для ячейки

частотном диапазоне. В настоящее время используются стандарты AMPS

(Advanced Mobile Phone Service, ширина канала 30 кГц), NAMPS (Narrowband

Advanced Multiple Phone Service, ширина канала 10 кГц), TACS (Total Access

Communications System, ширина канала 25 кГц). Все эти стандарты основаны на

передаче аналогового сигнала. После установления соединения вся

соответствующая каналу полоса частот используется для обслуживания диалога

только между одним абонентским телефоном и базовой станцией, какое-либо

совместное применение одной полосы частот несколькими абонентами

невозможно.

Емкость ячейки сети определяется тем, сколько частотных каналов

"умещается" в частотном диапазоне, отведенном для данной ячейки. Величина

этого диапазона обычно составляет одну седьмую часть от общего диапазона

частот, отведенного для конкретной сотовой сети, что необходимо для

"разнесения" по частотам соседних ячеек сети. Благодаря этому можно

повторно использовать одни и те же частоты в отдаленных друг от друга

ячейках сети, а значит, строить сети неограниченных географических

масштабов, применяя конечный диапазон частот.

Большей емкости сети можно достичь с помощью

одного из многочисленных методов множественного доступа с временным

разделением каналов (Time Division Multiple Access, TDMA). Весь диапазон

частот, выделенный для данной ячейки, сначала подразделяется на

определенное число несущих частот (как в методах множественного доступа),

после чего каждая из несущих делится еще на некоторое число временных

слотов, и именно эти слоты представляют собой каналы. 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 TDMA можно привести следующие

стандарты: IS-54 (частотные каналы AMPS шириной 30 кГц делятся на три

временных слота), PDC (каналы на 25 кГц по три слота в каждом) и усиленно

продвигаемый в настоящее время GSM (восемь временных слотов при несущем

диапазоне 200 кГц).

Существенное увеличение емкости сети обеспечивает не так

давно появившийся в технике сотовых сетей метод CDMA (Code Division

Multiple Access). Как и метод множественного доступа, он подразумевает

передачу голосовой информации только в оцифрованном 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 шумоподобного или широкополосного

сигнала (ШПС; в англоязычной литературе используется термин spread

spectrum, что часто переводится на русский язык как "растянутый" или

"размытый" спектр). Полезная информация как бы

"размазывается" по частотному диапазону, существенно более широкому, чем

при традиционных способах модуляции сигнала (в данном контексте такой

сигнал часто называют узкополосным). Осуществляется это за счет

перемножения последовательности полезных битов информации

на псевдослучайную последовательность более коротких импульсов. В

результате получается сигнал, который занимает больший частотный диапазон и

имеет значительно меньшую интенсивность, чем получаемый при узкополосной

модуляции. CDMA как метод множественного доступа аналогичен методу

модуляции DSSS (direct-sequence spread spectrum), используемому в

беспроводных локальных сетях.

Ясно, что в этом случае можно принять информацию, только зная

последовательность, на которую был перемножен полезный сигнал при передаче,

в противном случае он будет выглядеть как шум (отсюда и название). В

военных приложениях данный метод используется в первую очередь для защиты

от помех (широкополосный сигнал очень устойчив к узкополосным помехам) и

подслушивания. Для нас 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 практически не будут создавать помех друг для друга.

Все абонентские телефонные аппараты, работающие в зоне действия одной

базовой станции, используют одну и ту же несущую частоту. Для передачи

информации отводятся частотный диапазон шириной 1,25 МГц и фрагменты общей

"большой" псевдослучайной последовательности, по-разному смещенные от

условно выбранного начала этой последовательности. Емкость ячейки сети CDMA

определяется тем, насколько независимы друг от друга коды, используемые

абонентскими аппаратами. При работе по этой технологии размер ячейки,

качество звука и емкость оказываются тесно взаимосвязанными, поэтому при

проектировании сети следует выбирать некое оптимальное решение; улучшить

одну из этих характеристик можно только за счет ухудшения другой. Дело тут

в следующем. Чем больше CDMA-каналов в данной ячейке сети, тем выше уровень

взаимных помех из-за неполной независимости кодовых последовательностей.

Отсюда ясно, что чем более низкое качество передачи звука считается

приемлемым, тем больше каналов можно разместить в ячейке сети. Взаимная

зависимость между размерами ячейки и емкостью сети обусловлена тем, что

можно обеспечить заданное качество передачи речи, только если соотношение

сигнал/шум оказывается выше определенного значения. Чем слабее сигнал (а

при заданной мощности оборудования с увеличением размера ячейки сигнал

становится слабее), тем меньшим должен быть уровень помех - а он, как мы

знаем, зависит от числа используемых каналов. (Строго говоря, в последнем

случае все несколько сложнее, однако сейчас мы не станем в это

углубляться.)

По данным компании Motorola, одного из ведущих производителей

аппаратуры для CDMA в одном несущем диапазоне шириной 1.25 МГц можно

разместить до 18 каналов для сетей мобильной связи и около 30 - для

фиксированных сетей (где абонентские терминалы не перемещаются в

пространстве в процессе вызова). Много это или мало? Попробуем сравнить

емкость сети CDMA с емкостью сети на базе AMPS. На первый взгляд, кажется,

что для такого сравнения надо ширину несущего диапазона CDMA (1,25 МГц)

поделить на ширину одного частотного канала AMPS (30 кГц) и выяснить, не

больше ли получившееся 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 AMPS каналы,

организованные в семи соседствующих между собой ячейках (см. рис. 17),

должны различаться по частотам, а в CDMA во всех ячейках можно использовать

один и тот же несущий диапазон. Поэтому полученный результат надо разделить

на семь (42 : 7 = 6). Получаем, что емкость CDMA втрое выше, чем AMPS. Но и

этот результат нельзя считать окончательным, поскольку и в CDMA, и в AMPS

ячейку сети обычно делят на три сектора по 120° в каждом - это позволяет

увеличить радиус ячейки сети, используя направленные антенны, и, таким

образом, снизить число базовых станций, необходимых для покрытия

определенной площади. Так вот, при работе по стандарту AMPS в разных

секторах одной и той же ячейки приходится использовать разные частотные

каналы (иначе неизбежны взаимные помехи, поскольку секторы ограничены не

линиями, а, скорее, областями постепенного спадания мощности сигнала), а в

CDMA можно 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 частотного диапазона шириной 1,25 МГц

емкость сети CDMA в девять раз выше, чем емкость AMPS. При сравнении CDMA с

другими стандартами выигрыш в емкости получается меньшим; конкретное число

можно узнать путем аналогичных расчетов.

Возможность использования в двух соседних ячейках сети одной и той же

несущей частоты значительно упрощает так называемое частотное планирование,

которое является весьма сложной операцией при развертывании сети. Если же

применяется частотное разделение каналов, необходимо расписать все

используемые в ячейках сети частоты так, чтобы ни в одной паре соседних

ячеек не оказалось двух одинаковых частотных каналов. Это совсем не просто

и часто связано со значительными материальными затратами.

Качество связи

Общеизвестно, что мобильный телефон обеспечивает не слишком высокое

качество связи. Причин тому много. В городах, где обычно и развертываются

сети мобильной связи, имеется много индустриальных помех. Распространяясь

между базовой станцией и мобильным аппаратом, радиоволна многократно

отражается от препятствий; в результате интерференции сигналов, прошедших

разными путями, интенсивность принимаемого сигнала может внезапно упасть.

Такие явления, называемые в радиотехнике федингами (fading), обычно

наблюдаются в ограниченных пространственных областях, чьи форма и

расположение определяются расположением зданий и длиной волны, на которой

ведется передача. Наконец, качество связи заметно снижается при переходах

мобильного абонента от одной ячейки сети к другой: в обычных стандартах

осуществляется так называемое "жесткое переключение" (hard handoff), при

котором сначала разрывается связь с покидаемой ячейкой и только после этого

устанавливается связь с новой.

Конечно, сравнивать качество связи, устанавливаемой с фиксированных

телефонов, с качеством мобильной связи не вполне корректно: в последнем

случае действует значительно больше факторов, обуславливающих ухудшение

связи. Тем не менее факт остается фактом - CDMA позволяет получить

значительно более высокое качество связи, чем стандарты, основанные на FDMA

и 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 CDMA используется широкополосная модуляция

сигнала.

Цифровой сигнал значительно меньше уязвим для помех, чем аналоговый.

Кроме того, в CDMA применяются новейшие алгоритмы коррекции ошибок

передачи, а в аппаратуре обычно используются самые современные методы

сжатия голосового сигнала. Это позволяет достигнуть большой степени сжатия

голоса при достаточно высоком качестве связи.

Очень большие преимущества с точки зрения качества связи дает

применение широкополосной модуляции сигнала (рис. 18). Широкополосный

сигнал значительно меньше страдает от помех, особенно узкополосных.

Узкополосная помеха способна "испортить" широкополосный сигнал только в

каком-то относительно узком частотном диапазоне, и полезная информация

может быть восстановлена по неповрежденным участкам несущего диапазона. Это

относится и к федингам, о которых говорилось выше: интерференция прошедших

разными путями сигналов приводит к снижению суммарной интенсивности лишь в

достаточно узком частотном диапазоне, и снова полезную информацию можно

восстановить по неповрежденной части сигнала. Конечно, сигнал несколько

ухудшается, однако это несопоставимо с потерями качества связи при

использовании обычных методов модуляции.

Рис. 18. Воздействие узкополосных помех (а) и федингов (б) на

широкополосный сигнал.

Помимо повышения качества связи, устойчивость CDMA к федингам приводит

к значительной экономии ресурса источников питания и улучшению

экологических параметров мобильных телефонов. В других сетях мобильные

телефоны обычно работают на более высокой мощности, чем это нужно для

устойчивой связи с базовой станцией, что позволяет при внезапном

возникновении фединга не потерять связь (происходит лишь значительное

снижение ее качества). В CDMA же такой резерв не нужен, поэтому телефон

может работать с меньшей мощностью передаваемого сигнала.

Этим не ограничиваются преимущества технологии CDMA, связанные с

использованием широкополосной модуляции сигнала. Вместо жесткого

переключения (hard handoff или break before make) от ячейки к ячейке,

принятого во всех прочих сотовых сетях, в CDMA можно использовать мягкий

переход (soft handoff или make before break): мобильный аппарат сначала

устанавливает связь с базовой станцией, в зону действия которой он

переходит, и только после этого освобождает канал в покидаемой ячейке. Это

возможно за счет того, что и в покидаемой, и в новой ячейке используется

одна и та же несущая частота. Данное преимущество заметнее всего

сказывается на работе телефонов, находящихся в пограничной зоне между двумя

ячейками, где уровни сигналов от базовых станций примерно одинаковы. Тогда

выбор базовой станции в значительной степени определяется случайными

причинами, и абонент подключается то к одной, то к другой станции. При

жестком переходе частые переключения значительно ухудшают качество связи и

даже могут привести к ее обрыву, а при мягком переходе ничего подобного не

происходит.

Далее, для работы системы CDMA необходимо, чтобы все приходящие на

базовую станцию сигналы имели одинаковую интенсивность, - в противном

случае возникнут проблемы с декодировкой информации. Ясно, что чем дальше

телефон от базовой станции, тем выше должна быть мощность передаваемого им

сигнала. Базовая станция следит за тем, чтобы сигналы, приходящие к ней от

разных телефонов, были строго одинаковой интенсивности, и дает указания

индивидуальным телефонам о повышении или понижении мощности передаваемого

сигнала. Такая схема управления мощностью реализована во многих стандартах

мобильной связи, однако в CDMA удается управлять мощностью передатчиков

мобильных телефонов с очень высокой точностью. Мощность удерживается на том

минимальном уровне, который обеспечивает уверенный прием сигнала базовой

станцией. При этом снижается общий уровень взаимных помех в системе, что

повышает качество связи. Кроме того, точное управление мощностью позволяет

продлить срок службы аккумуляторов мобильных телефонов и улучшить

экологические параметры технологии.

Недостатков у CDMA относительно немного. Главный из них - новизна

технологии. Стандартизирована она была лишь в 1994 г. (соответствующий

документ называется IS-95), поэтому значительно менее устоялась, чем другие

технологии мобильной связи.

Другими недостатками являются большая сложность оборудования и, как

следствие, довольно ограниченный круг производителей. В настоящее время

базовые станции для этой технологии выпускают фирмы QUALCOMM, Samsung,

Motorola, Lucent Technologies, Nortel и некоторые другие. Намного больше

компаний выпускают абонентское оборудование, однако их тоже меньше, чем

аналогичных производителей для других технологий.

Определенные проблемы вызывает и использование "мягкого переключения".

В частности, если абонент находится в зоне действия нескольких базовых

станций, то правило make before break может привести к тому, что для работы

с ним будут одновременно резервироваться каналы в нескольких ячейках сети,

что приведет к снижению эффективной емкости сети. В настоящее время

разрабатываются различные способы, позволяющие избежать такой ситуации.

Помимо своего, так сказать, основного амплуа, сети CDMA могут

обеспечивать целый ряд других функций. Прежде всего, следует упомянуть

приложения так называемой "беспроводной последней мили" (Wireless Local

Loop, WLL). Такое приложение реализуется в

"фиксированных" сетях, не поддерживающих мобильных абонентов. Следует,

впрочем, подчеркнуть, что совершенно неподвижными абоненты таких сетей быть

не обязаны, - допускается, например, перемещение с места на место в

пределах территории, на которой развернута сеть.

Наибольший интерес к фиксированным сетям проявляют компании-операторы из

развивающихся стран, где необходимо быстро обеспечить связь на большой

территории, и на прокладку разветвленной кабельной сети просто нет времени.

Помимо недостаточно развитой коммуникационной инфраструктуры, существует и

еще одна причина интереса к беспроводным технологиям "последней мили" -

большие расстояния. Этот фактор не зависит от уровня экономического

развития страны - проложить кабель к удаленному ранчо в Соединенных Штатах

ничуть не дешевле (а скорее всего, значительно дороже), чем к какой-нибудь

глухой российской деревушке на десять домов. Переход от мобильной связи к

фиксированной сопряжен со значительным повышением качества передачи голоса

и увеличением емкости сети. По данным корпорации QUALCOMM, максимальная

емкость ячейки сети в этом случае возрастает до 45 каналов на одну несущую

частоту.

В настоящее время испытания систем WLL на базе CDMA проходят в Канаде,

Бразилии, Индии, России, Китае, Польше.

Другим весьма перспективным применением технологии CDMA будет, как

предполагается, начинающая развиваться в США система сотовой связи в

диапазоне 1900 МГц под названием PCS (Personal Communications Services).

Идея PCS состоит в том, чтобы превратить сотовую связь во всепроникающую

телекоммуникационную технологию. 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 любого места. Согласно

прогнозам, одно из наиболее эффективных решений для организации PCS -

применение технологии CDMA, в первую очередь благодаря большей емкости

таких сетей, более высокому качеству связи (в частности, малый размер ячеек

означает частые переключения, а они, как мы помним, в CDMA происходят менее

болезненно, чем при использовании других технологий), а также малой

стоимости в расчете на одного абонента. В настоящее время в США уже

развернуты первые системы PCS на базе CDMA.

Расчет межсистемной ЭМС

Требуется провести анализ ЭМС между двумя базовыми станциями (БС) двух

различных стандартов сотовой связи (CDMA и D-AMPS), с целью их взаимной

беспомеховой (корректной) работы.

Ниже приведены исходные данные, необходимые для расчета:

|Характеристика |CDMA |GSM |D-AMPS |

|Рабочий диапазон |824-840 |880-915 |824-840 |

| |869-894 | |869-894 |

|Мощность передатчика БС, дБ |40 |40 |40 |

|Чувствительность приемника |-102 |-107 |-90 |

|БС, дБ | | | |

|К-нт усиления антенны |16 |14 |16 |

|РПД в направлении | | | |

|на РПМ | | | |

|GРПД(?РПМ),дБ | | | |

|К-нт усиления антенны |16 |0 |16 |

|РПМ в направлении на РПД | | | |

|GРПМ(?РПД),дБ | | | |

|Разнос каналов, кГц |1250 | |30 |

|Защитное отношение |7 |9 |9 |

|(сигнал/помеха), дБ | | | |

|Среда распространения |Город |Город |Город |

|радиоволн | | | |

Как видно из таблицы рассчитывать ЭМС сетей EGSM и D-AMPS не имеет

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 друг другу помехи

1. Начнем расчет с нахождения POI :

POI — мощность радиопомехи на входе РПМ (БС CDMA), дБВт.

POI = PРПД + GРПД(?РПМ) + GРПМ(?РПД) + UРПД + UРПМ + N(?f) - L(R),

Нам известно, что:

PРПД = 40дБ (мощность радиопередатчика источника радиопомех)

GРПД(?РПМ) = 16дБ (к-нт усиления антенны РПД в направлении на РПМ)

GРПМ(?РПД) = 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(?f) = 1 дБ (ослабление радиопомехи в линейном тракте РПМ)

L(R) - потери на трассе распространения сигналов от РПД (в данном случае

источника радиопомех) 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 lgf - 13,82 lg(hБС) - a(hАС) + k[44,9 - 6,55

lg(hБС)] lgR, где

HБC =30 м.(высота антенны базовой станции)

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

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

Коэффициент k позволяет расширить действие модели для протяженности

трассы до 100 км:

k =1 для R 9+1,65(0,4)6

-62>15 -Неравенство не выполняется.

Вывод: взаимная беспомеховая работа невозможна.

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, установке и использованию БС

стандарта D-AMPS. Итак, если неравенство не выполняется, то необходимо:

Уменьшить мощность РРПД БС стандарта D-AMPS, что в свою очередь

приведет к уменьшению обслуживаемой зоны.

Уменьшение GРПД(?РПМ) - коэффициента усиления антенны РПД в

направлении на РПМ. Это достигается применением направленных

(секторных) антенн и их ориентацией в пространстве.

Уменьшение GРПМ(?РПД) - коэффициента усиления антенны РПМ в

направлении на РПД. Это достигается применением направленных

(секторных) антенн и их ориентацией в пространстве.

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 одной территории, может возникнуть, если рабочие

полосы частот в предусмотренных для этих систем диапазонах перекрываются

или защитный интервал между ними недостаточен. Особенно тщательного

исследования требует случай, когда одна из систем уже развернута и

функционирует в выделенных для нее рабочих полосах частот, а вторая

планируется 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;

• в Москве: (879...882 МГц; 834...837 МГц).

Полоса, выделенная для стандарта EGSM-900: 880...915 МГц.

Следовательно, частотные полосы систем не только перекрываются, но,

фактически, часть рабочей полосы частот EGSM-900 приходится на ранее

выделенную и занятую полосу системы связи CDMA-800. В связи со сложившейся

ситуацией необходимо провести оценку ЭМС этих двух систем.

Из анализа частот EGSM и CDMA в Москве, 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 для следующих исходных данных:

1. Характеристики передатчика БС CDMA:

Максимальная мощность излучения БС CDMA: PБС CDMA = 17 Вт;

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

Полоса пропускания на уровне 3 дБ передатчика БС CDMA: 1,2 МГц;

Потери радиочастотного кабеля, включая потери на радиочастотном

разъеме: 3 дБ;

Высота установки антенны передатчика БС CDMA: HБС CDMA =30 m;

КУ секторной антенны передатчика БС CDMA: GБС CDMA = 14 дБ;

Уровень внеполосного излучения БС CDMA при отстройке от несущей на МГц и

более: менее -44 дБ;

2. Характеристики приемника 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) при использовании 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 передатчика МС EGSM:

Мощность излучения МС EGSM: PМС EGSM = 2 Вт;

Несущая частота передатчика МС EGSM: fМС EGSM = 889,6 МГц;

Полоса пропускания на уровне 3 дБ передатчика МС EGSM: 6 МГц;

Уровень внеполосного излучения МС EGSM при отстройке от несущей на 0,5 МГц

и более: менее -60 дБ;

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

4. Характеристики приемника БС EGSM:

Частота приема БС EGSM: fБС EGSM = 889,6 МГц;

Полоса пропускания на уровне 3 дБ приемника БС EGSM: 6 МГц;

Высота установки антенны приемника БС EGSM: HБС EGSM = 30 м;

КУ секторной антенны приемника БС EGSM: GБС EGSM = 14 дБ;

Чувствительность приемника БС EGSM: -107 дБ;

Требуемое отношение S/(N+I) в системе EGSM: 9 дБ;

5. Условные характеристики трасс распространения сигналов:

Условия распространения сигнала передатчик БС CDMA - приемник БС EGSM:

городская застройка;

Условия распространения сигнала передатчик БС CDMA - приемник МС CDMA:

городская застройка;

Условия распространения сигнала передатчик МС EGSM - приемник МС CDMA:

прямая видимость (распространение в свободном пространстве);

Условия распространения сигнала передатчик МС EGSM - приемник БС EGSM:

городская застройка.

Анализ параметров источников полезного и мешающего сигналов

1. Мощность передатчиков:

Для передатчика БС CDMA:

[pic], дБм;

Для передатчика МС EGSM:

[pic], дБм.

2. Уменьшение уровня мощности мешающего сигнала на гармониках:

Частоты приемника МС CDMA и передатчика МС EGSM примерно равны:

[pic], МГц.

Значит, уменьшение уровня мощности мешающего сигнала на гармониках

отсутствует.

Частоты приемника БС EGSM и передатчика БС CDMA примерно равны:

[pic]МГц.

Значит, уменьшение уровня мощности мешающего сигнала на гармониках

отсутствует.

3. Потери в фидерах:

Для передатчика БС CDMA: 3 дБ.

Для передатчика МС EGSM: 0 дБ.

4. Усиление антенн:

КУ секторной антенны передатчика БС CDMA: GБС CDMA = 14 дБ.

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

5. Уменьшение уровня мощности для частот передатчика, лежащих вне

рабочей полосы частот.

Уровень внеполосного излучения БС CDMA при отстройке от несущей на 2

МГц и более: менее -44 дБ;

Уровень внеполосного излучения МС EGSM при отстройке от несущей на 0,5

МГц и более: менее -60 дБ;

6. Уменьшение коэффициента усиления антенны передатчика в

направлении рецептора.

Секторная антенна БС CDMA должна обеспечивать примерно одинаковое

усиление во всех направлениях, в т.ч. и направлении на БС EGSM.

Следовательно, уменьшение КУ антенны БС CDMA принимаем равное 0 дБ.

Антенна МС является всенаправленной, поэтому уменьшение КУ антенны МС

EGSM принимаем равным 0 дБ.

Итоговые данные по уровню эффективно передаваемой мощности.

С помощью расчета параметров передатчиков, полученные результаты

сводятся в таблицу. Для нахождения результата необходимо сложить все строки

таблицы.

Расчет уровня эффективной передаваемой мощности.

|Пара сигнал - |БС EGSM |МС CDMA |

|помеха | | |

| |МС EGSM |БС CDMA |БС CDMA |МС EGSM |

|Параметры |Сигнал |Помеха |Сигнал |Помеха |

Потери энергии на трассе распространения радиоволн

8, 9. Медианные и дифракционные потери.

Для трассы БС CDMA - БС EGSM.

Определим потери на трассе распространения по формулам Hata:

h 1 = h2 = 30м - высоты антенн БС.

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

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

[pic];

[pic];

[pic]

[pic]

?=1 при r < 20 км;

[pic] , при 20 < r < 100 км

т.к. берем расстояние между БС меньше 20 км, то ? = 1;

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

+ ? [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 распространения МС EGSM - БС EGSM.

Определим потери на трассе распространения по формулам Хаты:

Городская застройка f=889,6 МГц, h1=30 м - высота расположения антенны

БС EGSM, h2=1 м - высота расположения антенны МС EGSM, rEGSM - расстояние

между МС и БС системы EGSM.

[pic], [pic]

В формулах Хаты рассматривается несколько случаев, в зависимости от

расстояния rEGSM. в данной задаче целесообразно рассматривать только худший

для ЭМС случай, когда rEGSM > 0,1 км (большее расстояние - большие потери).

[pic][pic][pic]

[pic]

?=1, если r < 20 км

[pic]

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

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

+ ? • [44,9 - 6,55log(max{30; Hb })]• logr - a(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 трассе распространения по формулам Хаты:

Городская застройка f = 881,25 МГц, h1=30 м - высота расположения

антенны БС CDMA, h2= 1м - высота расположения антенны МС CDMA, rcdma -

расстояние между МС и БС системы CDMA.

[pic] [pic].

В формулах Хаты рассматривается несколько случаев, в зависимости от

расстояния, но в данной задаче целесообразно рассматривать только худший

для ЭМС случай, когда rEGSM > 0,1 км.

[pic]

[pic]

?=1, если r < 20 км

[pic]

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

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

+ ? • [44,9 - 6,55log(max{30; Hb })]• logr - a(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 распространения МС EGSM - МС CDMA.

Для оценки ЭМС МС систем связи с различными методами разделения каналов

при их пространственном разнесении в пределах прямой видимости,

целесообразно использовать модель распространения сигналов в свободном

пространстве.

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

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

A = 91,42 + 201grMC,[AB]. Где rUc - расстояние между мобильными

станциями CDMA и EGSM, км.

10. Замирание сигнала.

В формулах Хаты потери на замирание полезного сигнала лежат в пределах

3,5-17 дБ, в зависимости от расстояния и распространения выше или ниже

уровня крыш. Т.к. расстояние между БС и МС - не определенно, а сигнал может

идти как выше уровня крыш, так и ниже, то берем наибольшие потери на

замирание 17 дБ.

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

Потери в атмосферных осадках сказываются на частотах выше 5 ГГц. На

частотах ниже 5 ГГц потери практически отсутствуют.

|Пара сигнал - |БС EGSM |МС CDMA |

|помеха | | |

| |МС EGSM |БС CDMA |БС CDMA |МС EGSM |

|Параметры |Сигнал |Помеха |Сигнал |Помеха |

|9. Дифракционные | | | | |0 |

|потери | | | | | |

Суммарные потери на трассе распространения подсчитываются с помощью

таблицы сложением значений всех строк.

Потери на трассе распространения.

Характеристики рецептора

13. Коэффициент усиления приемной антенны.

КУ антенны МС - 0 дБ, КУ антенны БС - 14 дБ.

14. Уменьшение коэффициента усиления приемной антенны в 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 является всенаправленной, поэтому

уменьшение КУ антенны МС CDMA принимаем равным 0 дБ.

15. Уменьшение коэффициента усиления антенны из-за рассогласования

поляризации.

Принимаем равными 0 дБ.

16. Потери в фидере приемного тракта.

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

|Пара сигнал - помеха|БС EGSM |МС CDMA |

| |МС EGSM |БС CDMA |БС CDMA |МС EGSM |

|Параметры |Сигнал |Помеха |Сигнал |Помеха |

17. Суммарное усиление антенны определяется с помощью таблицы путем

суммирования значений для сигнала и помехи всех строк таблицы:

Суммарное усиление антенны рецептора.

18. Мощность на входе приемника определяется по результатам проведенных

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 |

|12. Суммарные потери|-144,8-35,|-94,8-35,|-144,7-35,|-91,42-20|

|на трассе |2logrEGSM |2logrБС |2logrCDMA |logrМС |

|распространения | | | | |

|17. Суммарное |+11 |+11 |0 |0 |

|усиление антенны | | | | |

|рецептора | | | | |

|18. Мощность на |-100,8-35,|-74,5-35,|-91,4-35,2|-118,4-20|

|входе приемника - |2logrEGSM |2logrБС |logrCDMA |logrМС |

|рецептора | | | | |

9. Поправка на несовпадение рабочих частот.

Полоса пропускания на уровне 3 дБ передатчика МС EGSM: ВТ = 6 МГц. Полоса

пропускания на уровне 3 дБ приемника МС CDMA: BR = 1,2 МГц.

Несовпадение частоты приема МС CDMA и передачи МС EGSM равно:

[pic] МГц.

Параметр В позволяющий использовать равен:

[pic]МГц.

Поправочный коэффициент:

K(?F, В) ? -39 дБ.

Полоса пропускания на уровне 3 дБ передатчика 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 CDMA равно:

?F = 889,6 - 881,25 = 8,35 МГц.

Параметр В позволяющий использовать графики на рисунке 1.9. равен:

B = (BR + BT)/2 = (6+1,2)/2 = 3,6 МГц.

По графику на рис. 1.9. поправочный коэффициент K(?F, В) ? -39 дБ.

20. Поправка на ширину полосы частот.

Для пары МС EGSM - МС CDMA:

BR < ВТ, следовательно, по таблице 1.8. коррекция на ширину 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 равна 0.

21. Чувствительность приемника.

Чувствительность приемника МС CDMA: -120,65 дБ.

Чувствительность приемника БС EGSM: -107 дБ.

22. Выигрыш в отношениях S/N и I/N при детектировании.

Выигрыш в отношениях S/N и I/N в приемнике МС CDMA при детектировании

составляет 23 дБ.

Так как в приемнике БС EGSM не предусмотрено никаких специальных

средств или приемов по выделению сигналов при детектировании, то отношения

S/N и I/N останутся такие же, как и на входе детектора.

23. Отношение S/N и I/N на выходе детектора.

Отношения S/N для полезного сигнала и I/N для помехи с помощью таблицы,

просуммировав данные соответствующих столбцов, беря значения строки 21

(чувствительность приемника) со знаком "минус".

24. Отношение сигнал/(помеха+шум).

Определяется по итоговым данным строки 23 таблицы 1.9. следующим

образом:

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

Отношение S/N и I/N на входе детектора приемника.

|Пара сигнал - помеха|БС EGSM |МС CDMA |

| |МС EGSM |БС CDMA |БС CDMA |МС EGSM |

|Параметры |Сигнал |Помеха |Сигнал |Помеха |

|23. Отношение S/N и |+6,2-35,2l|-13,5-35,|+52,3-35,2|-36,7-20l|

|I/N на выходе |ogrEGSM |2logrБС |logrCDMA |ogrМС |

|детектора | | | | |

|24. Отношение |+19,7+35,2log(rБС / |+89-35,2logrCDMA+20lg|

|S/(N+I) |rEGSM) |rМС |

Оценка условий обеспечения ЭМС

Для пары БС CDMA – БС EGSM

Минимально допустимый уровень сигнала, при котором обеспечивается

приемлемое качество речи, в системе EGSM равен 9 дБ. Это значит, что

расстояние между МС и БС системы EGSM, rEGSM, при котором уровень сигнала

будет больше 9 дБ, находится из условия:

[pic]

[pic]

Расстояние rБС между источником и рецептором помехи для пары БС CDMA –

БС EGSM, при котором она может влиять на соотношение S/(N+I) , можно найти

из неравенства:

[pic]

[pic]

Если rБС меньше 413 м, то необходимо оценить уровень S/(N+I), который

должен быть больше 9 дБ:

[pic]

Для пары МС CDMA – МС CDMA

Минимально допустимый уровень сигнала, при котором обеспечивается

приемлемое качество речи, в системе CDMA равен 5.5 дБ. Внутрисистемные

помехи в системе CDMA поднимают минимально допустимый уровень сигнала на 8

дБ. Это значит, что расстояние между МС и БС системы CDMA, rCDMA, при

котором уровень сигнала будет больше 5,5+8=13,5 дБ, находится из условия:

[pic]

[pic]

Расстояние rМС между источником и рецептором помехи для пары БС CDMA -

БС EGSM, при котором она может влиять на соотношение S/(N+I), можно найти

из неравенства:

[pic]

[pic]

Если rМС < 15 м, то необходимо оценить уровень S/(N+I), который должен

быть больше 13,5 дБ:

[pic]дБ.

При оценке ЭМС сетей CDMA и EGSM не были учтены потери сигналов на

проникновение в здания, автотранспорт и т.д. Влияние этих потерь уменьшает

зону обслуживания сотовых сетей связи, но не сказывается на уровнях

мешающих сигналов МС EGSM и БС CDMA. Антенны БС обеих систем располагаются

на улице, следовательно, потери на проникновение сигнала от БС CDMA к БС

EGSM отсутствуют. Расстояние, при котором сигнал МС EGSM может влиять на

приемник МС CDMA - невелико, а значит можно считать, препятствия (а

следовательно и потери на проникновение) между ними отсутствуют.

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

Разнос БС CDMA и EGSM на расстояние 410 и более метров, обеспечивает

ЭМС БС этих систем. Это расстояние можно уменьшить, применяя специальные

преселекторы и/или фильтры.

Разнос МС CDMA и EGSM на расстояние 15 и более метров обеспечивает ЭМС

МС этих систем. Но, т.к. расстояние между МС - случайный фактор, обеспечить

защитное расстояние между МС - нельзя. Если принять, что МС будут

находиться на расстоянии не ближе 0,5 м, то из-за мешающего сигнала МС

EGSM, зона обслуживания БС CDMA уменьшается:

[pic];

[pic]

Если учитывать потери на проникновение в здания, автотранспорт и т.д.,

равные 20 дБ, то на уровень помехи они не скажутся (расстояние между МС 0,5

м, следовательно, ни о каких потерях проникновения не может быть и речи), а

зона обслуживания БС CDMA составит:

[pic];

[pic]

Зона обслуживания 1,8 км для системы CDMA вполне приемлема, т.к. она

определяется в основном параметрами обратной линии связи, т.е. параметрами

сигнала МС CDMA - БС CDMA. Зона обслуживания МС CDMA немного больше зоны

обслуживания МС EGSM, и составляет 1...2 км. При уменьшении расстояния

между МС до 10 см, зона обслуживания БС CDMA уменьшается до 750 м, что уже

нежелательно.

Т. к. нахождение двух одновременно работающих 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 обоснование расчета ЭМС сотовых сетей связи

Для оценки новизны, технического уровня, технико-экономической и

эксплутационной прогрессивности, качества и конкурентоспособности

необходимо дать характеристику НТПр со следующих позиций: предназначение

продукции, особенности и отличия от продукции конкурентов, основные

качества (свойства), защищенность патентами и свидетельствами. Также

необходимо определить затраты, цену, величину прибыли на единицу продукции,

другие преимущества и организацию технического обслуживания и сервиса.

После выбора наиболее существенных свойств, изменяющих уровень текущих

затрат при создании НТПр, производстве, эксплуатации техники или

программного продукта, являющихся ее результатом, определяется научно-

техническая прогрессивность результатов НТПр:

[pic]

где [pic], [pic] - обобщенный количественный показатель научно-

технического уровня НТПр взятой за базу сравнения и НТПр являющейся

результатом дипломной работы.

В качестве базы сравнения может быть принята передовая отечественная

НТПр, а также зарубежная и теоретически возможная в будущем.

После выбора база сравнения заполняется таблица для оценки научно-

технического уровня НТПр.

|Существенные |Уровень свойств |Уровень свойств |Значение |

|свойства НТПр |НТПр выбранной за |НТПр являющейся |весового |

| |базу сравнения |результатом |коэффициента |

| | |дипломной работы | |

|Кол-во циклов |204 |102 |0,5 |

|измерений | | | |

|Кол-во циклов |204 |204 |0,3 |

|расчета | | | |

|Точность метода |0,05 |0,03 |0,15 |

|Длительность цикла |15 |30 |0,05 |

|расчета | | | |

Обобщенный количественный показатель научно-технического уровня как для

базовой НТПр, так и для разрабатываемой определяется с помощью

среднеарифметической взвешенной:

[pic]

где [pic] - значение j-го показателя i-го признака (свойства НТПр,

выраженного в соответствующих единицах измерения, либо в баллах);

[pic] - значение весового коэффициента i-го признака (свойства) НТПр,

выраженного в процентах либо в долях единицы.

[pic]

Для проведения корректного расчета научно технической прогрессивности

обобщенный количественный показатель научно-технического уровня, как для

базовой НТПр, так и для разрабатываемой, необходимо принять обратно

пропорциональным т.к. положительным эффектом дипломной работы является

снижение количества проводимых измерений и замена их расчетными величинами.

В результате выражение для научно-технической прогрессивность результатов

НТПр примет вид:

[pic]

Определим научно-техническую прогрессивность результатов НТПр:

[pic]

Определение затрат и цены на НТПр

Затраты на создание НТПр [pic] определяются укрупненно по удельному весу

наиболее простой для расчета статьи калькуляции, отражающей зарплату труда

персонала, занятого в создании НТПр:

[pic],

где [pic] - оплата труда персонала в соответствии с действующими

системами и формами оплаты труда; [pic] - удельный вес оплаты труда с

начислениями в общих затратах на создание НТПр.

Оплата труда персонала составит:

[pic]р.

Удельный вес оплаты труда с начислениями в общих затратах на создание

научно-технической продукции: [pic].

Затраты на создание НТПр:

[pic] р.

Цена на НТПр, имеющая целью создание новой техники, технологии,

вычислительных технологических средств и программного обеспечения,

определяется исходя из принципа обеспечения безубыточности деятельности

организации (предприятия), получения прибыли, позволяющей выплатить

обязательные платежи в бюджет и инвестировать расширение ее деятельности.

Цена первоначальной продажи (цена предложения) [pic] определяется как

[pic],

где [pic] - текущие затраты на создание НТПр; [pic] - оплата труда

персонала в общих текущих затратах на создание НТПр;

[pic] - уровень рентабельности (прибыли по отношению к оплате труда

персонала), обеспечивающий безубыточность деятельности ([pic]=200-400%).

[pic]р.

|Стадия |Трудое|Исполнители |Часо|Средняя|Заработ|Заработ|

| |мкость| |вая |дневная|ная |ная |

| |, | |став|часовая|плата, |плата с|

| |чел./ч| |ка, |ставка,|р. |учетом |

| |. | |р. |р. | |премии,|

| | | | | | |р. |

| | |Должность |числен| | | | |

| | | |ность | | | | |

|1.Анализ помех, | | | | | | | |

|создаваемых | |Ведущий |1 |60,8| | | |

|станциями |10 |инженер | | |52,3 |523 |653,75 |

|сотовых сетей | |Инженер |1 | | | | |

| | | | |43,8| | | |

|2.Анализ | | | | | | | |

|существующих | |Ведущий |1 |60,8| | | |

|методов оценки |5 |инженер | | |52,3 |261,5 |326,88 |

|помехоэмиссии | |Инженер |1 | | | | |

| | | | |43,8| | | |

|3.Оптимизация | |Ведущий |1 |60,8| | | |

|методик по | |инженер | | | | | |

|исследованию |20 |Инженер |1 | |46,7 |934 |1167,5 |

|излучаемых ЭМП | |Технолог |1 |43,8| | | |

| | | | | | | | |

| | | | |35,5| | | |

|4.Проведение | |Ведущий |1 |60,8| | | |

|расчета ЭМС | |инженер | | | | | |

|между сотовыми |100 |Инженер |2 | |41,76 |4176 |5220 |

|сетями | |Лаборант |2 |43,8| | | |

| | | | | | | | |

| | | | |30,2| | | |

|6.Анализ | |Ведущий |2 |60,8| | | |

|полученных |50 |инженер | | |55,13 |2756,5 |3445,62|

|результатов | |Инженер |1 | | | | |

| | | | |43,8| | | |

Оценка экономической 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 или

экспертная) происходящих при этом изменений каждого из них.

Экономический эффект определяется как годовая экономия на текущих

затратах, причем во внимание принимают изменяющиеся статьи затрат.

Если результаты НТПр находят применение в сфере науки, то экономический

эффект отражает экономию на текущих затратах при выполнении других видов

НТПр. Эта экономия является следствием усовершенствования теории и методики

эксперимента, испытаний и вычислительных работ в связи с применением более

высоких уровней математических моделей, алгоритмических языков и

рациональным использованием ЭВМ.

Величина [pic] определяется в зависимости от характера проводимого

исследования: для тем, связанных с совершенствованием методики и техники

испытаний,

[pic],

где [pic]ч – длительность цикла испытаний; [pic] - коэффициент

совершенства применяемых математических моделей и совершенства

программирования (определяется по соотношению трудоемкостей

программирования задач); n=408 – среднегодовое число циклов испытаний;

[pic] р/ч - затраты (текущие) на проведение одного цикла испытаний

(определяются по данным предприятия) в расчете на соответствующую единицу

времени.

[pic]р

Уровень экономической эффективности капиталовложений на НТПр по

результатам в сфере науки:

[pic].

Размер доли экономического эффекта [pic] в пользу разработчика НТПр

определяется укрупненно, пропорционально затратам всех участников создания

и применения (эксплуатации) соответствующей НТПр.

[pic]

Выводы

В результате проведенных вычислений получили уровень экономической

эффективности E=1,2 и экономию ЭНТПр=360 000 рублей.

Охрана труда и окружающей среды

Охрана труда при проведении расчета электромагнитной совместимости

сотовых сетей связи.

В данной дипломной работе проводится исследование проблем

электромагнитной совместимости (ЭМС) сетей сотовой связи. Основными

источниками помех для станций сотовой связи являются станции сотовой связи

других сетей. В задачу оператора ставится произвести с помощью ЭВМ расчет

ЭМС станций 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.

В помещении в теплый период года температура воздуха 12-30°С, в холодный

период 16-24° С, по ГОСТ12.1005.88 температура воздуха в помещении в

холодный период года должна быть от 22 до 24 °С, в теплый период от 23 до

25 °С. параметр не удовлетворяет.

Относительная влажность в помещении в теплый период года 30-90%, в холодный

40-70%,по ГОСТ12.1005.88 этот параметр находится в пределах 40-60% в

холодный и теплый периоды года, данный параметр не удовлетворяет.

Скорость движения воздуха в помещении составляет 0.3-0.8м/с, по ГОСТ

12.005.88 скорость движения воздуха на рабочем месте оператора 0.1м/с, то

есть данный параметр не удовлетворяет.

1.4.1. Шум в помещении создается вентилятором системного блока и

принтером, общий уровень шума составляет 45дБ*А, и соответствии с

ГОСТ12.1003-83 общий уровень шума должен не превышать 75дБ*А, то есть

параметр удовлетворяет.

1.4.2. Вибрация на рабочем месте передается через опорные конструкции

здания от системы вентиляции воздуха, уровень вибрации составляет

60дБ, по ГОСТ12.1.012-90 норму вибрационной нагрузки определяют не выше

75дБ (при длительном воздействии вибрации не менее 8 часов), делаем вывод,

что параметр удовлетворяет.

1.4. Электростатический потенциал дисплея компьютера равен 460В, по

ГОСТ 12.1.006-84 этот параметр не должен превышать 500В, следовательно,

параметр удовлетворяет.

1.5. Напряженность электромагнитной составляющей переменного

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.

На расстоянии 50см от экрана плотность магнитного потока равна 18нТл, а по

ГОСТ 12.1.006-84 плотность магнитного потока не должна превышать 2.5 В/м,

следовательно параметр удовлетворяет.

Мощность эквивалентной дозы рентгеновского излучения от экрана дисплея

составляет 3.2бэр/год, в соответствии с НРБ-99 мощность эквивалентной дозы

не больше 5бэр/год, следовательно, параметр удовлетворяет.

1.8. Наименьшим объектом различения является точи, ее минимальный

размер 0,24мм, фон средний, контрастность объекта различения средняя, при

таком характере зрительной работы согласно нормам СниП23-5-95

освещенность должна быть не менее 400 лк (для разряда работы 1-2), но в

помещении освещенность достигает только 270 лк, что не удовлетворяет норме.

2. Психофизиологические факторы.

Психофизиологические факторы, влияющие на работу оператора,

преимущественно определяются характером его зрительной работы, а именно

постоянным контактом с дисплеем компьютера. ГОСТ Р 50948-96 и его

приложения определяют критические величины, за которые не должны заходить

параметры, 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: рабочий стол, кресло, дисплей,

клавиатура, параметры которых определены ГОСТ Р50923-96.

3.1 Требования к дисплею: дисплей должен быть установлен ниже уровня

глаз оператора, угол наблюдения линии взгляда не должен превышать 60°, он

составляет 25°- удовлетворяет.

3.2. Клавиатура должна быть расположена на расстояик от 30 до 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 |520мм |400мм |параметр |

|сиденья | | | |

|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 | |

| | | | |

Расчет системы кондиционирования воздуха (СКВ).

Для обеспечения заданных параметров микроклимата целесообразно

предусматривать кондиционирование воздуха и создавать небольшое избыточное

давление для исключения поступления неочищенного воздуха.

Расчет СКВ 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 рабочей поверхности над полом; Нр = Н – Нс – Нрп =

2.85 м – расчетная высота, N =10 – число светильников (люминесцентные

лампы), число рабочих мест – 3.

Для выбора кондиционера необходимо рассчитать полную производительность

кондиционера – Lп :

[pic]

Kпот – коэффициент, учитывающий потери в воздуховодах, Kпот=1,1 по СниП

П-33-75;

L – полезная производительность системы, м3/ч;

[pic]

L – количество удаляемого воздуха, м3/ч;

Q – избыток тепла в помещении, Вт;

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

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

?tp – полная разность температур;

[pic]

Qобор – тепло от оборудования, Вт;

[pic]

K1 – коэффициент использования установочной мощности оборудования,

K1=0,95;

K2 – коэффициент, учитывающий процент одновременно работающего

оборудования, K2=1;

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

Qл – поступление тепла от персонала, Вт;

[pic]

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

q – количество тепла, выделяемое одним человеком, q=140 Вт;

[pic]

Qосв – выделение тепла искусственным освещением;

K3 – коэффициент, зависящий от способа установки светильников

производственного освещения и типа источников света, K3 = 1;

K4 – коэффициент, учитывающий пускорегулирующую аппаратуру светильника,

K3 = 1,2;

Nосв – суммарная установочная мощность светильников в Вт, Nосв = 300,

Вт

[pic]

ty – температура воздуха, удаляемая из помещения, 30 оС;

tо – температура воздуха, подаваемая в помещение, 9 оС;

Qогр.к =650 Вт;

[pic], м3/ч

Выбираем кондиционер КД-1500.

Общие выводы:

В данном разделе дипломного проекта был проведен анализ условий труда,

который показал, что не все условия труда соответствуют нормам. Также

проведен расчет системы кондиционирования, в результате которого был выбран

кондиционер, обеспечивающий необходимые условия труда.

Список использованной литературы:

Князев А. Д., Петров Б. В,, Кечиев Л. Н. и др.

Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной

аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости.-М.: Радио и связь,

1989.

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

Андронов А. А., Витт А. А., Хайкин С. Э. Теория колебаний.- 2-е изд.-

М.,1959

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

Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Теория поля-6-е изд.-М., 1973.

Изобретение радио. А. С. Попов. Документы и материалы. Под ред. А. И.

Берга.- М., 1966

Фейнберг Е. Л. Распространение радиоволн вдоль земной поверхности,- М.,

1961.

Альперт Я. Л. Распространение электромагнитных волн и ионосфера.- М.,1972

Гуревич А. В., Шварцбург А. Б. Нелинейная теория распространения радиоволн

в ионосфере.-М., 1973

Бреховских Л. М. Волны в слоистых средах.- 2-е изд.- М., 1973

Татарский В. И. Распространение волн в турбулентной атмосфере.- М., 1967

Чернов Л. А. Распространение волн в среде со

случайными неоднородностями - М., 1958

Гинзбург В. Л. Распространение электромагнитных волн в плазме.- М., 1967

Макаров Г. И., Павлов В. А. Обзор работ, связанных с подземным

распространением радиоволн. Проблемы дифракции и распространения

радиоволн. Сб. 5-Л., 1966

Долуханов М. П. Распространение радиоволн. 4-е изд.- М., 1972

16.Гавелей Н. П., Никитин Л. М. Системы подземной

радиосвязи.- "Зарубежная радиоэлектроника", 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 к ионосфере,

пер. с англ.- М., 1962

Хайкин С. Э. Электромагнитные волны.-2-е изд.-Л. 1964

Гольдштейн Л. Д., Зернов Н. В. Электромагнитные поля и волны- М, 1956

21.Рамо С, 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 и сигналы.-4-е изд.-М.:

1986.

24.Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы.-2-е изд.-М,: Высш.

Шк.,1988

25.0лифер В. Г., Олифер Н. А., Компьютерные сети. Принципы, технологии,

протоколы, С.-П.: ИД Питер, 2001;

-----------------------

[pic]