Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра телекоммуникационных систем

 

 

МОБИЛНЫЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ И ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ

 для студентов специальности

5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации

Конспект лекций

 

 

Алматы 2013

СОСТАВИТЕЛИ: Б. Б. Агатаева, Л. И. Сарженко  Конспект лекции для специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникаций для студентов всех форм обучения. – Алматы: АУЭС, 2013. – 60 с.

 

Конспект лекций предназначен для  самостоятельного изучения курса «Мобильные телекоммуникации и цифровые системы передачи». В конспекте приведен  обзор основных элементов мобильной телекоммуникации и цифровых систем передачи. Необходимость самого конспекта лекций обусловлена потребностью  более глубокого понимания процессов, происходящих в области мобильной телекоммуникации и цифровых систем передачи. Развитие телекоммуникации не стоит на месте, появляются новые   способы реализации тех или иных технических решений создания телекоммуникационных сетей, новые стандарты передачи информации, поэтому в конспекте лекций, помимо описания основных принципов построения технических  схем, представлены ссылки на литературу, которая может быть использована при изучении той или иной темы. Приведены основные структурные и принципиальные схемы, необходимые для понимания процессов, происходящих в  области телекоммуникации.

Конспект лекций предназначен (для студентов всех форм обучения), по специальности 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации.

 

Ил. – 38; табл. – 9, библиогр. назв. – 30.

  

Рецензент: канд. техн. наук, проф. Коньшин С. В.

  

Печатается  по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи»  на 2012 г.

 

 

             © НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2013 г.

 

 

 

Алматы  2012

                                                                     

 Св. пл. 2012 г., поз. 340

 

 Содержание 

Введение

3

1 Лекция №1. Радиальные и сотовые сети

4

2  Лекция №2. Цифровые методы модуляции QPSK – квадратурная фазовая модуляция и модуляция с минимальным фазовым сдвигом GMSK.

7

3 Лекция №3.  Построение кадра для БС и АС при МДВР. Принцип МДКР. Использование ШПС, сопоставление методов МД по эффективности.

14

4 Лекция №4. Мобильные телекоммуникационные системы

19

5 Лекция №5. Многостанционный доступ с кодовым разделением каналов

21

6 Лекция №6. Соединительные радиолинии базовых и центральных станций в GSM

25

7 Лекция №7. Общеевропейская система стандарта GSM

29

8  Лекция №8. Система базовых станций в GSM

34

9  Лекция №9. Территориально-частотное планирование

36

10 Лекция №10. Синхронная цифровая иерархия

39

11  Лекция №11. Общая реализация схемы СЦИ

42

12  Лекция№ 12. Преобразовательные процедуры СЦИ. Архитектура сети СЦИ

44

13  Лекция№ 13. Состав сети SDH. Работа некоторых модулей

48

14 Лекция №14. Стуктура цикла СТМ-N. Сеть слоев в СЦИ

52

15 Лекция №15. Топология сетей SDH

56

Список литературы

60

 

 

 

Введение 

Связь – одна из наиболее динамично развивающихся отраслей телекоммуникационной индустрии. В 21 веке при реализации глобальных персональных систем и создании Всемирной сети связи большое значение отводится развитию сетей подвижной (мобильной) связи.

Преимущества систем мобильной связи состоит в том, что:

- абонент мобилен при сеансе связи;

- сотовые телефоны сопрягаются с компьютером и имеют интерфейсы для подключения к сетям связи всех действующих стандартов.

Бурное развитие мобильной связи объясняется:

- гибкой архитектурой, что связано с динамическим изменением топологии сети при подключении, передвижении и отключении мобильных пользователей, без значительных потерь времени;

- быстротой проектирования и развертывания;

- отказом от дорогостоящей и не всегда возможной прокладки или аренды оптоволоконного или медного кабеля;

- высокой скоростью передачи информации (до 10 Мбит/с и выше);

- высокой степенью защиты от несанкционированного доступа.

Сети мобильной связи базируются на совокупности двух групп технологий – сетевого взаимодействия и беспроводной передачи информации, а также построены на основе сотовой концепции.

Сети мобильной связи можно разделить на следующие классы:

- сотовые системы подвижной связи (ССПС);

- профессиональные системы подвижной связи (ПСПС);

- системы персонального радиовызова (СПРВ), или пейджинговые системы (от англ. paging – письменное сообщение);

- системы мобильной спутниковой связи (СМСС);

- системы беспроводных телефонов (СБТ).

По беспроводным технологиям имеются широко известные книги, например, Ю. А. Громакова «Стандарты и системы подвижной радиосвязи», В. Г. Карташевского и др. «Сети подвижной связи», К. Феера «Беспроводная цифровая связь». Принципы, изложенные в этих книгах, продолжают оставаться основополагающими, но имеются и изменения:  аналоговые сети практически заменены цифровыми системами связи, в том числе 3G и 4G;

- практически не используется пейджинговая связь;

Казахстан активно использует построенные на базе стандартов GSM, DECT, WCDMA, CDMA2000, WiMAX сети и системы связи, активно внедряет стандарт TETRA и технологию 3G.

В соответствии с программой по подготовке специалистов в области телекоммуникаций конспект лекций содержит краткую характеристику мобильных систем связи, описание основных стандартов и технологий в настоящее время, а также методики и модели, используемые при проектировании  мобильных систем связи.

1 Лекция №1. Радиальные и сотовые сети, их особенности и сопоставление. Виды станций сети: центральная, базовая, абонентская, их назначение и особенности комплектации. Диапазоны частот, выделенные для систем подвижной связи. Планы частот. Понятие о территориальном планировании и кластере. Центры коммутации подвижной связи. Центры управления и обслуживания

 

Цель лекции: изучить структуру современных сетей связи назначение основных элементов сети.

 

Система мобильной связи строится в виде совокупности шестиугольных ячеек (сот), покрывающих обслуживаемую территорию. В центре каждой ячейки находится базовая станция (БС), обслуживающая все мобильные станции (МС) в пределах своей ячейки. При перемещении абонента меж­ду ячейками системы происходит передача обслуживания от одной БС к другой – эстафетная передача (handover). Все БС соединены с центром коммутации (ЦК) мобильной связи по выделенным проводным или ра­диорелейным каналам связи, имеющим выход на телефонную сеть общего пользования (ТфОП), через которую осуществляется взаимодействие систем мобильной связи, выход к сетям PDN и ISDN. При перемещении абонента на территорию дру­гой системы мобильной связи осуществляется передача его обслужива­ния от одной CСMC к другой CСMC – роуминг (roaming). На рисунке 1.1 приведена упрощенная функциональная схема системы мобильной связи.

 

http://oo5f.mail.yandex.net/static/2e6eac34874f4ef9a863dd664e75d646/tmpioUzsm_html_m1e341c62.png

 

Рисунок 1.1 – Функциональная схема системы мобильной связи

 Принципы построения цифровых сотовых систем мобильной связи (ССМС) позволили применить эффективные модели повторного использования частот в несмежных сотах. Это в первую очередь относится к стандарту GSM. Вид модуляции, способы кодирования и формирования сигналов в каналах связи, принятые в GSM, обеспечивают прием сигналов с отношением сигнал/помеха C/I=9 дБ. Поэтому передатчики базовых станций, работающие на совпадающих частотах, могут размещаться в более близко расположенных сотах без потери высокого качества приема сообщений.

Группа сот с одинаковым набором частот называется кластером. Определяющим параметром кластера является размерность – количество используемых в соседних сотах частот. Базовые станции, на которых допускается повторное использование выделенного набора частот, удалены друг от друга на расстояние D, называемое защитным интервалом.

Смежные базовые станции, использующие различные частотные каналы, образуют группу из B станций. Если каждой базовой станции выделяется набор из N каналов с шириной полосы FК каждого, то общая ширина полосы FC, занимаемая данной системой сотовой связи составит

http://oo5f.mail.yandex.net/static/2e6eac34874f4ef9a863dd664e75d646/tmpioUzsm_html_m59be4408.gif.                                                  (1.1)

Величина B определяет минимально возможное количество каналов в системе, ее называют частотным параметром системы или коэффициентом повторения частот. Коэффициент B увеличивается по мере уменьшения радиуса ячейки. Таким образом, при использовании сот меньших размеров можно увеличить повторяемость частот. Наилучшее соотношение между B и D обеспечивается в шестиугольной соте.

Число каналов в соте (число абонентов) определяетс выражением:

http://oo5f.mail.yandex.net/static/2e6eac34874f4ef9a863dd664e75d646/tmpioUzsm_html_297bfbb1.gif .                                                     ( 1.2)

Размер соты R (радиус окружности, описанной около правильного шестиугольника) определяет защитный интервал D между сотами, в которых одни и те же частоты могут быть использованы повторно:

http://oo5f.mail.yandex.net/static/2e6eac34874f4ef9a863dd664e75d646/tmpioUzsm_html_892ad73.gif                                                     (1.3)

http://oo5f.mail.yandex.net/static/2e6eac34874f4ef9a863dd664e75d646/tmpioUzsm_html_m4cd2fd10.gif.                                                        (1.4)

Параметр

http://oo5f.mail.yandex.net/static/2e6eac34874f4ef9a863dd664e75d646/tmpioUzsm_html_31571279.gif                                                        (1.5)

называется коэффициентом уменьшения соканальных помех или коэффициентом соканального повторения.

На рисунке 1.2 а приведен кластер с размерностью равной семи. Самую высокую эффективность использования полосы частот обеспечивает разработанная фирмой Motorola (США) модель повторного использования частот, включающая четыре БС (см. рисунок 1.2 б).

Следующий шаг развития сотовых систем подвижной связи после введения цифровой технологии – переход к микросотовой структуре сетей с радиусом действия до 500 метров (см. рисунок 1.2 в), что позволяет увеличить емкость макросоты, содержащей группу микросот в 5-10 раз.

 

http://oo5f.mail.yandex.net/static/2e6eac34874f4ef9a863dd664e75d646/tmpioUzsm_html_1de16c8b.png

                            а)                                   б)                                в)

 

а) – кластер из семи сот, в котором R – размер соты; D – защитный интервал; б) – секторизация сот с формированием 12-ти групп частот (кластер из четырех сот); в) – формирование микросот в макросоте.

Рисунок 1.2 – Методы повышения емкости сети

 Микросоты строятся на основе БС небольшой мощности, обслуживающих участки улиц, помещения в зданиях. Микросоты берут на себя нагрузку от медленно перемещающихся абонентов.

Принципы построения микросотовых сетей отличаются от макросотовых. В микросотовых сетях отсутствует частотное планировние и «эстафетная передача» (handover).

Для увеличения емкости сети микросоты могут быть разбиты на пикосоты с радиусом действия около до 100 метров в местах, где скапливается население (абоненты). Это торговые центры и т.п.

Каждая система связи работает в выделенном диапазоне частот (см. рисунок 1.3).

 

http://oo5f.mail.yandex.net/static/2e6eac34874f4ef9a863dd664e75d646/tmpioUzsm_html_m248e4ab2.png

Рисунок 1.3 – Диапазоны частот функционирования систем подвижной связи

 Центр коммутации – основной элемент ССС, автоматическая телефонная станция, обеспечивающая все функции управления сетью. ЦК осуществляет постоянное слежение за МС, организует эстафетную передачу в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении ПС и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностей.

На ЦК замыкаются потоки информации со всех БС, и через него осуществляется выход на другие сети связи – станционную телефонную сеть, сети междугородной связи, спутниковой связи, другие сотовые сети.

 

2 Лекция №2. Цифровые методы модуляции QPSK – квадратурная фазовая модуляция и модуляция с минимальным фазовым сдвигом GMSK. Эффективность использования полосы частот. Спектр модулированного сигнала. Обеспечение компактности спектра. Понятие о широкополосных сигналах (ШПС) и методах модуляции ШПС

 

Цель лекции: изучить основные методы модуляции, применяемые в современных цифровых системах с вязи.

 

В технике цифровой связи процесс модуляции, помимо преобразования «символ – сигнал», является составной частью общего процесса согласования сигнала с характеристиками канала.

Специфика выбора методов модуляции обусловлена использованием уже существующих частотных планов и спектральной эффективностью использования полосы частот, т.е. количеством бит, передаваемых в секунду на один Гц (бит/(с∙Гц).

При модуляции несущего колебания изменяться могут параметры: амплитуда, фаза и частота. При простых видах модуляции модулирующее сообщение изменяет только один параметр. При комбинированных видах модуляции одновременно могут изменяться амплитуда и фаза несущей. Современные методы многопозиционной модуляции, применяемые в цифровых системах связи, в полном соответствии с теоремой Шеннона могут рассматриваться и как способ кодирования данных сообщений в символы канала.

Современные модуляторы для цифровых систем передачи строятся, как правило, по квадратурной схеме, т.е. выходной сигнал образуется суммированием двух различных модулированных сигналов, несущие которых имеют между собой фазовый сдвиг 90°. Входы двух модулирующих сигналов квадратурного модулятора обозначаются I и Q: I (синфазный) относится к каналу, в котором начальный фазовый сдвиг несущей принимается равным 0°, Qк каналу, несущая в котором сдвинута на 90°.

Квадратурный модулятор – универсальное устройство для получения сигнала линейно-модулированной несущей с двумя боковыми полосами, включая такие виды, как фазовая и амплитудно-фазовая модуляции.

Рассмотрим отображение сигнала на выходе квадратурного модулятора на примере двукратной или четырехфазовой модуляции 4-ОФМ, обеспечивающей наилучший компромисс по соотношению: мощность-полоса.

Она называется также квадратурная относительная фазовая модуляция (КОФМ) или QPSK (Quadrature или Quaternary Phase Shift Keying), применяется в cdma2000 и WCDMA.

Модуляция QPSK предоставляет необходимый компромисс между скоростью передачи и помехоустойчивостью. Функциональная схема модулятора QPSK показана на рисунке 2.1 а; диаграммы состояний – на рисунке 2.1 б.

 

http://oo5f.mail.yandex.net/static/2e6eac34874f4ef9a863dd664e75d646/tmpioUzsm_html_mcffebbf.png

 

а) –функциональная схема модулятора QPSK; б) диаграммы состояний модуляции QPSK.

Рисунок 2.1 – Квадратурная относительная фазовая модуляция QPSK

 Входной поток данных D разделяется на два параллельных потока А и В, которые затем в преобразователе кода (ПК) перекодируются в относительный код двух каналов (компонентов) I′ и Q′. Цифровые потоки I′ и Q′ сглаживаются в формирующих фильтрах (ФФ), выходные сигналы которых I и Q непосредственно управляют работой четырёхфазового модулятора, состоящего из двух балансных модуляторов и сумматора.

Фазовый сдвиг несущих в каналах I и Q равен 90°. Правило кодирования фазовых сдвигов показано в таблице 2.1.

 

Таблица 2.1 – Правило кодирования фазовых сдвигов

А

В

QPSK

А

В

QPSK

0

0

450

1

0

3150

0

1

1350

1

1

2250

Спектрально-эффективная гауссова частотная манипуляция с минимальным фазовым (частотным) сдвигом (GMSK) применяется в стандарте GSM. Манипуляция называется гауссовой потому, что последовательность информационных битов до модулятора проходит через ФНЧ с характеристикой Гаусса, что уменьшает полосу частот излучаемого радиосигнала. GMSK- радиосигнал формируется так, что на интервале одного инфор­мационного бита фаза несущей изменяется на 90° – наименее возможное изменение фазы, распознаваемое при данном типе модуляции. Непрерывное изменение фазы синусоидального сигнала дает частотную модуляцию с дискретным изменением частоты, а фильтр Гаусса – получить «гладкие переходы». В GSM применяется GMSK-модуляция с величиной нормированной полосы ВТ = 0,3, где В – ширина полосы фильтра по уровню -3 дБ, Т – длительность 1 бита цифрового сообщения (см. рисунок 2.2).

 

http://oo5f.mail.yandex.net/static/2e6eac34874f4ef9a863dd664e75d646/tmpioUzsm_html_6351df8a.png

 

Рисунок 2.2 – Функциональная схема модулятора GMSK

 В схеме два умножителя и один сумматор, она обеспечивает непрерывную точ­ную фазовую модуляцию. Один умножитель изменяет амплитуду синусоидального, а второй умножитель  – косинусоидального  колебания. Входной сигнал до умножителя разбивается на две квадратурные составляющие в двух обозначенных «sin» и «cos» блоках. Диаграммы, иллюстрирующие формирование GMSK-сигнала, показаны на рисунке 2.3.

 

http://oo5f.mail.yandex.net/static/2e6eac34874f4ef9a863dd664e75d646/tmpioUzsm_html_m5d4c1ea8.png

 

Рисунок 2.3 – Формирование GMSK-сигнала

 

Модуляцию GMSK отличают следующие свойства, предпочтитель­ные для мобильной связи:

- постоянную по уровню огибающую, что позволяет использовать эффективные передающие устройства с усилителями мощности в режиме класса С;

- компактный спектр на выходе усилителя мощности передающего устройства, что обеспечивает низкий уровень внеполосного излу­чения;

- хорошие характеристики помехоустойчивости канала связи.

Спектральная (частотная) эффективность цифровой системы определяется, как

http://oo5f.mail.yandex.net/static/2e6eac34874f4ef9a863dd664e75d646/tmpioUzsm_html_4c3f4493.gif                                                     (2.1)

где Rb – скорость передачи информации, бит/с;

BW полная полоса частот канала, Гц.

Измеряется спектральная эффективность числом битов в секунду, приходящихся на 1 Гц полосы канала, т.е. бит/(с·Гц).

В реальных условиях доступная полоса частот канала BW по тем или иным причинам может использоваться не полностью, поэтому, даже достаточно эффективная система передачи по данному критерию оценки, будет выглядеть неэффективной. Необходимо уточнить критерий спектральной эффективности, связав его с полосой Найквиста BN и коэффициентом скругления спектра http://oo5f.mail.yandex.net/static/2e6eac34874f4ef9a863dd664e75d646/tmpioUzsm_html_7a00ba7d.gif, значение которого характеризует расширение практически занимаемой спектром сигнала полосы частот канала BL сверх полосы Найквиста BN:

http://oo5f.mail.yandex.net/static/2e6eac34874f4ef9a863dd664e75d646/tmpioUzsm_html_2506eaa9.gif.                                                        (2.2)

Соответственно реальная спектральная эффективность http://oo5f.mail.yandex.net/static/2e6eac34874f4ef9a863dd664e75d646/tmpioUzsm_html_m16a5aa5a.gifразличных схем модуляции, предназначенных для цифровой передачи, выражается формулой:

http://oo5f.mail.yandex.net/static/2e6eac34874f4ef9a863dd664e75d646/tmpioUzsm_html_m35b20856.gif.                                           (2.3)

В идеальном случае при полном использовании всей полосы частот канала, когда BW = ВL, показатели эффективности η и γ совпадают, т.е. γ = η.

Рассмотрим обеспечение компактности спектра (на примере телефонного канала).

В современных модемах преимущественно используются методы модуляции с двумя боковыми полосами, т.е. такие, при которых амплитудный спектр симметричен относительно несущей частоты. Так как искажения, обусловленные неидеальностью частотных характеристик канала, нарастают к краям полосы пропускания телефонного канала, спектр сигнала размещается ближе к центру канала, для чего несущая частота обычно выбирается равной 1800 Гц (в модемах по Рекомендации V.29 – 1700 Гц).

Однако, при значениях модуляционной скорости 2400 Бод, спектр модулированного сигнала занимает практически всю полосу частот канала (600 – 3000 Гц по уровню 0,5 от значения на частоте 1800 Гц).

Требования к форме спектра модулированного сигнала на выходе передатчика модемов изложены в соответствующих Рекомендациях МСЭ-Т.

Типовая форма спектра сигнала: плоская с боковыми скруглениями в форме четверти периода (или кратной четверти периода) косинусоидального колебания. При такой форме спектра сигнала на выходе передачи и аналогичной форме амплитудно-частотной характеристики полосового фильтра приемника обеспечиваются максимально так называемый оптимальный прием (помехоустойчивость метода модуляции по отношению к белому шуму) и безыскаженная передача.

Одиночный элемент модулированного сигнала с таким спектром представляет собой несущее колебание с огибающей вида  с длительностью 2/B центрального лепестка, где B модуляционная (линейная) скорость передачи в Бодах. При этом огибающая одиночного элемента сигнала проходит через 0 в моменты, когда следующие элементы сигнала достигают максимума, т.е. тем самым обеспечивается безыскаженная передача.

Кроме того, на спектр модулированного сигнала на выходе передатчика накладывается требование подавления компонентов за пределами полосы частот телефонного канала. В соответствии с ГОСТ 26557-85 ("Сигналы передачи данных, поступающие в каналы связи"), затухание компонентов сигнала в диапазоне 3400 – 10000 Гц по отношению к уровню сигнала в полосе 300 – 3400 Гц должно быть больше затухания, определяемого линией «-30 – -60 дБ», соединяющей крайние точки этого диапазона, а на частотах более 10000 Гц – не менее 60 дБ по отношению к мощности сигнала в полосе канала (300 – 3400 Гц).

Широкополосные сигналы (ШПС) имеют полосу частот, которая значительно превышает полосу частот, необходимую для обычной передачи сообщений. Основной характеристикой ШПС является база сигнала В, определяемая как произведение ширины его спектра F на его длительность Т:

                                                          (2.4)

В результате перемножения сигнала – источника псевдослучайной последовательности с информационным сигналом энергия последнего распределяется в широкой полосе частот, т. е. его спектр расширяется. ШПС – сигналы с большой базой.

ШПС значительно меньше страдает от узкополосных помех, которые способны "испортить" ШПС только в относительно узком частотном диапазоне. Полезная информация может быть восстановлена по неповрежденным участкам несущего диапазона (см. рисунок 2.4 а).

 

http://oo5f.mail.yandex.net/static/2e6eac34874f4ef9a863dd664e75d646/tmpioUzsm_html_15dc94c2.png

а)                                    б)

Рисунок 2.4 – Воздействие помех (а) и федингов (б) на широкополосный сигнал

 Так же восстанавливается информация после фединга – ослабления сигнала за счет суммирования в точке приема большого количества противофазных сигналов: интерференция прошедших разными путями сигналов приводит к снижению суммарной интенсивности лишь в достаточно узком частотном диапазоне (см. рисунок 2.4 б).

Восстановленный сигнал все-таки несколько ухудшится.

Одним из методов получения ШПС – метод прямого расширения спектра псевдослучайной последовательностью, при котором каждый информационный бит заменяется пачкой из десяти или больше бит – «чипами», пропорционально расширяется и полоса частот: узкополосный сигнал умножается на псевдослучайную последовательность (ПСП или PN) с периодом Т, состоящую из N бит длительностью τ0 каждый. Получаем широкополосный шумоподобный сигнал (ШПС), база которого численно равна количеству элементов ПСП, т.е., для сдвига фазы несущей (фазовой манипуляции) используется быстрый поток битов. Полоса расширяется искусственно за счет увеличения скорости передачи данных (увеличения количества передаваемых бит). Битовые PN последовательности генерируются таким образом, чтобы в них количество нулей и единиц было приблизительно равное. Каждый из нулевых битов информационного потока заменяется PN-кодом, а единицы – инвертированным PN-кодом (модуляция с разрядной инверсией). Получается PN-сигнал (см. рисунок 2.5).

Сущность широкополосной связи в расширении полосы частот сигнала, передачи ШПС и выделении из него полезного сигнала путем преобразования спектра принятого ШПС в первоначальный спектр информационного сигнала.

В корреляторе (приемника) неинвертированный PN-код, близко совпадающий с локальным PN-кодом, генерирует бит информации "0". А последовательность, соответствующая «1», приводит к полной декорреляции.

 

http://oo5f.mail.yandex.net/static/2e6eac34874f4ef9a863dd664e75d646/tmpioUzsm_html_6df02e96.jpg

 

Рисунок 2.5 – Схема прямого расширения спектра частот цифровых сообщений псевдослучайной последовательностью

 

Коррелятор будет производить поток единиц для инвертированной PN-последовательности и поток нулей – для неинвертированной PN-последовательности – происходит восстановление переданной информации. Чаще всего передача реализуется модуляцией QPSK. Передатчик с одним PN-кодом не может создать точно те же боковые полосы (спектральные составляющие), как другой передатчик, использующий другой PN-код.

Обработка сигнала на выходе приемника требует превышения уровня сигнала над уровнем помех всего на 3 дБ. В реальных условиях уровень помех значительно меньше. Кроме того, расширение спектра сигнала (до 1,23 МГц) можно рассматривать как применение методов частотного разнесения приема.

Скачкообразное изменение частоты несущей во втором способе (см. рисунок 2.6), осуществляется за счет быстрой перестройки выходной частоты синтезатора в соответствии с законом формирования ПСП. Каждая несущая частота и связанные с ней боковые полосы должны оставаться в пределах ширины полосы, определяемой системе связи. Только в случае, когда предполагаемый получатель знает последовательность прыжков частоты передатчика, его приемник может следовать этим прыжкам частоты.

 

http://oo5f.mail.yandex.net/static/2e6eac34874f4ef9a863dd664e75d646/tmpioUzsm_html_f0f095.jpg

 

Рисунок 2.6 – Схема расширения спектра частот цифровых сообщений методом частотных скачков

 При кодировке по методу частотных скачков (FHSS) вся отведенная полоса частот подразделяется на некоторое количество подканалов (по стандарту 802.11 этих каналов 79). Каждый передатчик в каждый данный момент использует только один из этих подканалов, перескакивая с одного подканала на другой. Различают «быстрые» и «медленные» прыжки по частоте – рисунок 2.7.

При «быстрых» прыжках длительность передачи символа меньше времени нахождения на одной из подчастот.

При «медленных» прыжках длительность передачи символа больше времени нахождения на одной из подчастот.

http://oo5f.mail.yandex.net/static/2e6eac34874f4ef9a863dd664e75d646/tmpioUzsm_html_361eac42.png

                                   а)                                        б)

Рисунок 2.7 – Диаграмма прыжков по частоте: а – «быстрые»; б – «медленные»; (ТS длительность передачи символа)

3 Лекция №3. Построение кадра для БС и АС при МДВР. Принцип МДКР. Использование ШПС (*), сопоставление методов МД по эффективности

 

Цель лекции: изучить способы построения кадров при МДВР и МДКР.

 

Частотный канал – это полоса частот для передачи информации одного канала связи. При использовании МДВР (TDMA) в одном частотном канале передается информация нескольких каналов связи, т.е. в одном частотном канале размещается несколько физических каналов (ФК).

ФК в системе TDMA – это временной слот с определенным номером в последовательности кадров радиоинтерфейса. Положение каждого слота определяет отдельный логический канал (ЛК).

ЛК различаются по виду информации, передаваемой по ФК. В ФК могут быть реализованы каналы трафика (КТ) или каналы управления (КУ). Каждый из них может существовать в одном из нескольких вариантов. Логический КТ – это канал передачи речи или данных. КУ – это канал передачи управляющей информации (сигнализации). В TDMA, так же, как в FDMA, каждой соте выделяется некоторое количество частотных каналов, половина из них используются для обратной связи, а половина – для прямой. Для полнодуплексного соединения мобильной станции выделяется пропускная способность на парных – прямом и обратном каналах.

В одном частотном канале стандарта GSM, занимающем полосу , всегда передается информация восьми ФК, но при полускоростном кодировании один ФК содержит два КТ, информация которых передается по очереди через кадр. Длина и структура слота трафика соответствует требованиями эффективной передачи речи и данных, а также эффективному использованию спектра радиодиапазона. При этом реализуется временное уплотнение каналов в 3 или 8 раз при полноскоростном кодировании и в 6 или 16 раз при полускоростном. Формат кадров и слотов GSM показан на рисунке 3.1.

Длина периода последовательности (гиперкадра) в этой структуре равна: Тг = 3 ч 28 мин 53 с 760 мс (12533,76 с).

 

http://oo1h.mail.yandex.net/static/8fb5cb1473b84f578cdb2ef35a250609/tmp8J8CJe_html_m95c8761.png

Рисунок 3.1 – Структура кадров и временных окон (слотов) в стандарте GSM

Гиперкадр де­лится на 2048 суперкадров, каждый из которых имеет длительность Тс = 12533,76/2048 = 6,12 с.

Суперкадр состоит из мультикадров. Для организации различных ка­налов связи и управления в стандарте GSM используются два вида муль­тикадров:

- 26-позиционные TDMA-кадры мультикадра;

- 51-позиционные TDMA-кадры мультикадра.

Суперкадр может содержать в себе 51 мультикадр первого типа или 26 мультикадров второго типа. Длительности мультикадров соответст­венно:

- Тм = 6120/51 = 120 мс;- Тм = 6120/26 = 235,385 мс.

Длительность каждого TDMA-кадра: Тк= 120/26 = 235,385/51 = 4,615 мс.

http://oo1h.mail.yandex.net/static/8fb5cb1473b84f578cdb2ef35a250609/tmp8J8CJe_html_m358b45aa.gifВ периоде последовательности каждый TDMA-кадр имеет свой по­рядковый номер (NF) от 0 до NFmax, где NPmax = (26 х 51 х 2048) -1 = 2715647.

Таким образом, гиперкадр состоит из 2715647 TDMA-кадров, что объясняется требованиями процесса криптографической защиты, в котором номер кадра NF используется как входной параметр.

TDMA-кадр делится на 8 временных позиций (окон, слотов) с периодом: То = 4,615/8 = 576,9 мкс = 0,577 мс.

Каждая временная позиция обозначается TN с номером от 0 до 7. Физический смысл временных позиций - время, в течение которого осуществляется модуляция несущей цифровым информационным потоком, соответствующим речевому со­общению или данным.

Цифровой информационный поток представляет собой последова­тельность пакетов, размещаемых в этих временных интервалах. Пакеты формируются немного короче, чем интервалы, их длительность составляет 0,546 мс, что необходимо для приема сообщения при наличии временной дисперсии в канале распространения.

Информационное сообщение передается по радиоканалу со скоро­стью 270,833 кбит/с. Это означает, что временной интервал TDMA кадра содержит 156,25 бита. Длительность одного информационного бита 576,9 мкс/156,25 = 3,69 мкс.

Каждый временной интервал, соответствующий длительности бита, обозначается BN с номером от 0 до 155; последнему интервалу, длитель­ностью 1/4 бита, присвоен номер 156.

Для передачи информации по каналам связи и управления, подстрой­ки несущих частот, обеспечения временной синхронизации и доступа к каналу связи в структуре TDMA-кадра используется 5 видов временных интервалов (окон):

- NB (Normal Burst) - нормальный временной интервал;

- FB (Frequency Correction Burst) - интервал подстройки частоты;

- SB (Synchronization Burst) - интервал временной синхронизации;

- DB (Dummy Burst) - установочный интервал;

- АВ (Access Burst) - интервал доступа.

NB применяется для передачи информации по каналам связи и управления (за исключением канала доступа RACH). Он содержит 114 бит зашифрованного сообщения и включает защитный интервал (GP) длительностью 30,46 мкс (8,25 бита). Информационный блок 114 бит разбит на два самостоятельных блока по 57 бит, разделенных между со­бой обучающей последовательностью в 26 бит. Кроме этого, в состав NB включены два контрольных бита (Steeling Flag), которые служат призна­ком передачи речевой информации или сообщений сигнализации. Обучающая последовательность (26 бит) предназначена для:

- оценки частоты появления ошибок в двоичных разрядах по результатам сравнения принятой и эталонной последовательно­стей;

- оценки импульсной характеристики радиоканала на интервале пе­редачи NB для последующей коррекции тракта приема сигнала за счет использования адаптивного эквалайзера;

- определения задержек распространения сигнала между базовой и мобильной станциями, для оценки дальности связи и для исключения наложения пакетов данных мо­бильных станций, удаленных на различные расстояния, при их приеме базовой станцией.

FB предназначен для синхронизации мобильной станции по частоте. Все 142 бита в этом временном интервале нулевые. Это соответствует немодулированному излучению на частоте выше номинального значения несущей на 1625/24 кГц. FB используется для проверки работы приемо­передающего тракта при небольшом частотном разносе каналов (200 кГц). FB содержит защитный интервал 8,25 бита так же, как и NB. Повторяющиеся временные интервалы подстройки частоты (FB) образу­ют канал установки частоты (FCCH).

SB используется для синхронизации по времени базовой и мобиль­ной станций. Он состоит из синхропоследовательности длительностью 64 бита. SB содержит информацию о номере TDMA-кадра и идентификаци­онный код базовой станции. SB передается вместе с FB. Повторяющиеся интервалы синхронизации образуют канал синхронизации (SCH).

DB обеспечивает установление и тестирование канала связи. DB совпадает с NB по структуре и содержит установоч­ную последовательность в 26 бит. В DB отсутствуют контрольные биты и не передается никакая информация. DB лишь информирует о том, что передатчик функционирует.

АВ обеспечивает доступ мобильной станции к новой базовой стан­ции. АВ передается мобильной станцией при запросе канала сигнализа­ции, когда время прохождения сигнала еще неизвестно. Поэтому пакет имеет специфическую структуру. Сначала передается концевая комбина­ция 8 бит, затем – последовательность синхронизации для базовой станции (41 бит), что позволяет базовой станции обеспечить правильный прием последующих 36 зашифрованных бит. АВ содержит большой за­щитный интервал (68,25 бита, длительностью 252 мкс), что обеспечивает (независимо от расстояния до базовой станции) достаточное временное разнесение с пакетами других мобильных станций. Защитный интервал определяет максимально допустимые размеры соты с радиусом 35 км (время распространения радиосигнала в прямом и обратном направлении 233,3 мкс).

Наиболее популярной схемой МДКР (CDMA) второго поколения является система IS-95: прямой канал связи состоит из 64 ЛК CDMA, каждый занимает полосу частот шириной 1228 кГц. При прямой связи поддерживаются четыре типа каналов (см. рисунок 3.2, а) [3 поколение связи]:

1)  Пилот-сигнал (канал 0). Постоянно передаваемый сигнал. Канал позволяет МС получать информацию о синхронизации, дает точку отсчета для определения сдвига фаз в процессе демодуляции и средство для сравнения интенсивности сигнала для определения момента переключения. Пилот-канал состоит из всех нулей.

2)  Синхронизация (канал 32). Канал со скоростью передачи данных 1200 бит/с, используется МС для получения идентификационной информации о сотовой системе (системное время, состояние длинного кода, проверка протоколов и т.д.).

3)  Избирательные сообщения (каналы 1—7). Содержат сообщения для одной или нескольких мобильных станций.

4)  Информационный обмен (каналы 8—31 и 33—63). В прямом канале поддерживается 55 информационных каналов. В исходной спецификации указано, что поддерживаются скорости передачи данных до 9600 бит/с. Позже был добавлен второй набор скоростей до 14400 бит/с.

Все эти каналы используют одну и ту же полосу частот. Для распознавания разных каналов используется раздробленный код. Раздробленный код прямого канала включает 64 ортогональных 64-битовых кодов, полученных из матрицы Уолша размером  .

Обратный канал связи может включать в себя до 94 логических каналов CDMA, каждый из которых занимает одну и ту же полосу частот шириной 1228 кГц (см. рисунок 3.2, б). Обратный канал связи поддерживает до 32 каналов доступа и до 62 информационных каналов.

При обратной связи каждый информационный канал однозначно связан с одним мобильным устройством. Каждая станция имеет уникальную маску длинного кода, основанную на ее электронном регистрационном номере. Маска длинного кода представляет собой 42-битовое число, так что всего может быть различных масок. Каналы доступа используются мобильным устройством для инициации звонка, ответа на сообщения нисходящего канала избирательного вызова и для обновления сведений о местоположении.

 

http://oo1h.mail.yandex.net/static/8fb5cb1473b84f578cdb2ef35a250609/tmp8J8CJe_html_1e589997.png

 

Рисунок 3.2 – Структура каналов системы IS-95

 

4 Лекция №4. Особенности распространения сигнала в городских условиях. Быстрые и медленные замирания сигнала. Расчёт медианного значения мощности принимаемого сигнала на основании модели Окумура. Учёт характера среды распространения.

 Цель лекции: изучить методы распространения сигналов частотного диапазона, применяемые в мобильных системах связи; модели расчета медианного значения мощности принимаемого сигнала на основании модели Окумура.

 Используемые в мобильной связи радиоволны дециметрового диапазона (см. таблицу 4.1), в основном, распространяются в пределах прямой видимости, дифракция на этих частотах выражена слабо, молекулярного поглощения и поглощения в гидрометеорах (каплях дождя, снежинках, частичках тумана) практически нет.

Преграды в виде зданий (медленные замирания сигналов), движущихся автомобилей (быстрые замирания) и подстилающей поверхности приводит к появлению отраженных сигналов, интеферирующих между собой, следовательно, к адресату сигнал придет многими путями, ослабленный значительнее, чем при распространении в свободном пространстве. Итак, на трассе распространения присутствует очень короткий участок по линии прямой видимости (LOS), остальной участок – линия непрямой видимости - NLOS.

Таблица 4.1 – Полосы частот, используемые в сотовой связи стандартами GSM

 

 

Стандарт

Частота, МГц

Длина волны, см

Обратный канал

Прямой канал

Обратный канал

Прямой канал

GSM-900

890-915

935-960

32,8-33,7

31,2-32,1

GSM-1800

1710-1785

1805-1880

16,8-17,6

16,0-16,6

Для изотропных передающей и приемной антенн с коэффициентами усиления, равными 1, (т. е. для идеальных всенаправленных антенн) основные потери передачи в пределах прямой видимости (LOS) в свободном пространстве рассчитываются по формуле:

                             (4.1)

или по формуле:

.                           (4.2)

На основании экспериментальных данных была разработана и используется большинством инженеров (достаточно общая) модель для оценки потерь при распространении радиоволн при отсутствии прямой видимости. Эта модель описывается следующим выражением

,                                       (4.3)

 ,                                                       (4.4)

где L – суммарные потери (при распространении) комбинированной трассы, состоящей из участков LOS и NLOS;

     L(d0) – потери при распространении на линии LOS (4.1 и 4.2);

     d0 – эталонное расстояние или длина отрезка трассы до первого препятствия (участок распространения в свободном пространстве, около 1,5-3 м в помещении или вне здания);

    d – расстояние или разнесение между БС и МС;

    n – показатель степени вне зданий, равный , внутри зданий(AT@T Bell Laboratories).

Многочисленные измерения, выполненные Окумурой (Okumura), позволили получить эмпирическую формулу для средних потерь при распространении Lp, дБ, в случае изотропных (идеальных всенаправленных), имеющих коэффициенты усиления, равные 1, антенн базовой станции и подвижного объекта.

                         (4.5)

где r – расстояние между антеннами базовой и подвижной станции, км.

Радиочастота несущей fo, МГц, высота антенны базовой станции hb, м, и высота антенны подвижной станции hm, м; величины A, B, C и D выражаются соответственно следующим образом

 ,            (4.6)

 ,                                  (4.7)

   ,                                  (4.8)

    .               (4.9)

Для средних и малых городов:

 ;                    4.10)

для крупных городов      

.                         (4.11)                                                                                      

      Данной формулой можно пользоваться, если выполняются следующие условия:

1)     fо: от 150 до 1500 МГц;

2)     hb: от 30 до 200 м; возможно расширение диапазона (от 1,5 до 400 м);

3)     hm: от 1 до 10 м;

4)     d: от 1 до 20 км; возможно расширение диапазона (от 2м до 80 км).

Модель COST231-Хата справедлива для http://oo1h.mail.yandex.net/static/8fb5cb1473b84f578cdb2ef35a250609/tmp8J8CJe_html_m7a1ee4a3.gifот 1,5 до 2 ГГц; http://oo1h.mail.yandex.net/static/8fb5cb1473b84f578cdb2ef35a250609/tmp8J8CJe_html_52cdbe90.gifот 30 до 200 м; http://oo1h.mail.yandex.net/static/8fb5cb1473b84f578cdb2ef35a250609/tmp8J8CJe_html_m671aff3d.gifот 1 до 10 м; http://oo1h.mail.yandex.net/static/8fb5cb1473b84f578cdb2ef35a250609/tmp8J8CJe_html_m2ca7e31d.gifот 1 до 20 км:

,   (4.12)

где С – постоянная: для средних городов и пригородных районов с умеренной растительностью С = 0 и для центров крупных городов С = 3.

 

5 Лекция №5. Эмпирическая формула для определения медианной мощности в зависимости от протяжённости трассы. Расчёт мощности шума на входе приёмника и отношения сигнал/шум (Qш). Расчёт мощности помех от других БС, работающих на той же частоте и отношения сигнал/помеха (Qм). Определение вероятности ошибок при цифровой модуляции

 

Цель лекции: изучить методику расчета медианной мощности в зависимости от протяженности трассы.

 Основой для аналитических расчетов дальности радиосвязи являются документы МККР «Рекомендация 370» и «Отчет 239», а также разработанная на их основе «Методика определения ожидаемой дальности УКВ-радиосвязи с подвижными объектами», предназначенная для расчета систем связи с аналоговыми сигналами. В основе методики МККР лежат следующие положения:

1) величину зоны радиосвязи системы связи с подвижными объектами рассчитывают, исходя из минимальной величины сигнал/шум на выходе приемника, при которой обеспечивается заданная разборчивость речи. Общепринято для систем с цифровыми сигналами заменять понятие «разборчивость речи» на «достоверность приема». «Методика» и «Рекомендация» не определяют эти понятия;

2) все расчеты по «Методике» и «Рекомендации» имеют вероятностный характер. Это объясняется тем, что только отдельные параметры, влияющие на дальность радиосвязи, могут быть получены путем точных математических расчетов. Большое количество поправочных коэффициентов рекомендуется, исходя из среднестатистических многолетних наблюдений. Вопрос о полноте этих данных и их применимости в каждом отдельном случае остается открытым;

3) основой методики расчета являются кривые распространения радиоволн. Эти кривые представляют собой зависимости средней напряженности электромагнитного поля E (децибелы относительно 1 мкВ/м при 1 кВт эффективной излучаемой мощности и высоте передающей антенны 10 м) в точке расположения приемника от расстояния d до передатчика при различных значениях высоты подъема антенны приемника h, построенные для различных частот и типов подстилающих поверхностей. Графики соответствуют 50 % вероятности установления радиосвязи на 50 % территории.

Типовые графики распространения радиоволн приведены [1]. Кривые распространения могут относиться к сухопутным трассам, морским и смешанным. При использовании антенн с высотой подъема, не приведенной на графиках, можно использовать линейную экстраполяцию. Наибольшую надежность приведенные зависимости имеют на расстоянии прямой видимости (до горизонта).

Фактически кривые распространения представляют собой обобщенные зависимости средней мощности сигнала от расстояния в соответствии с формулой для различных географических условий в предположении, что на границе зоны радиосвязи средняя мощность сигнала равна минимально необходимой мощности Р0.

Реальные условия распространения в каждом конкретном регионе отражаются путем введения поправок, соответствующих типу и характеру местности. Кроме того, поправки отражают параметры приемников и передатчиков (мощность передатчика, высоты подъема и диаграммы направленности антенн, чувствительность приемника), уровень электромагнитных шумов в точке приема и т. д.

В документе «Методика определения ожидаемой дальности УКВ радиосвязи с подвижными объектами» приводится следующая формула для расчета поправок к графикам, опубликованным в документах «Рекомендация 370» и «Отчет 239» МККР:

                     (5.1)

 

Е=Еср.нфh2рел+ (a*lф)-Dу,                                 (5.2)

 

где  Eнеобх – необходимый уровень напряженности в точке приема, дБ;

Nш – уровень шумов в точке приема, дБ; (S/N)вх отношение сигнал/шум на входе приемника, дБ;

Вр – поправка на отличие мощности передатчика от 1 кВт, дБ;

Вh2 – поправка на отличие высоты установки антенны от 10 м, дБ;

В% – поправка на медленные замирания, учитывающая отличие количества пунктов успешной связи от 50 %, дБ;

Взам – поправка на быстрые замирания, учитывающая отличие количества успешных сеансов связи от 50 %, дБ;

Врел – поправка на реальный рельеф местности, дБ;

σпр, σпер – поправки на неравномерность диаграмм направленности приемной и передающей антенн, дБ.

Вычисление поправочных коэффициентов выражения (5.1) проводится следующим образом:

- шумы в точке приема Nш (дБ) состоят из внешних шумов и собственного шума приемника, приведенного к точке приема. Величина шума Nш определяется по формуле

,                                 (5.3)

 ,                                       (5.4)

где Nш – уровень внешних шумов в точке приема, мкВ/м;

      Евн – чувствительность приемника по полю, мкВ/м;

     (S/N)вх требуемое отношение сигнал/шум на входе приемника, относительные единицы;

     A – потери в антенно-фидерном тракте приемника, относительные единицы;

    (S/N)дет требуемое отношение сигнал/шум на входе детектора;

    Nлин – коэффициент шума линейной части приемника.

Поправка Вp определяется по формуле:

,                                (5.5)

где РПРД мощность передатчика, Вт;

А – потери в антенно-фидерном тракте передатчика, дБ;

GA – коэффициент усиления антенны передатчика, дБ.

Поправка Вh2 определяется по формуле

 ,                                                      (5.6)

где h2 - высота подъема приемной антенны, м.

Поправка В% (дБ) определяется, исходя из процента приемных пунктов – см. таблицу 5.1.

Таблица 5.1

Процент приемных пунктов

50 %

60 %

70 %

80 %

90 %

95 %

98 %

 

В%, дБ

0

–2

–5

–7,5

–11

–14

–17

 

 

 

 

 

 

Поправка Взам (дБ) определяется из процента времени превышения расчетной величины поля в точке приема – см. таблицу 5.2.

 

Таблица 5.2

 

 

до 100 МГц

300 МГц

1000 МГц

50 %

0

0

0

 

90 %

2

4

6

 

99,5 %

6

10

14

 

Поправка Bрел определяется как функция максимального перепада рельефа Δh между базовой и абонентской радиостанциями. Эта величина оценивается от –5 дБ при условиях прямой видимости до примерно +5 дБ при перепаде высот более 200 м.

Поправки σпр и σпер определяются степенью экранирования приемной и передающей антенн местными предметами и постройками.

В результате расчета напряженности поля определяется дальность радиосвязи по графикам МККР. Если расчетная дальность радиосвязи превышает расстояние до горизонта, рассчитанное для выбранной высоты подъема антенны передатчика, то дальность радиосвязи равна расстоянию до горизонта с вероятностью лучшей, чем это принято при расчетах. В настоящее время разработано несколько специализированных программ, осуществляющих автоматический расчет рассмотренных поправок и определение дальности радиосвязи. Кроме рекомендованных поправок, в программы введены и другие поправки, позволяющие более точно провести расчеты. Наибольшее распространение эта методика получила для расчета дальности УКВ-радиосвязи на частотах до 500 МГц.

Обозначим hВХ.min – минимально допустимое отношение «сигнал-шум» на входе приемника, определяемое из выражений, связывающих отношение  «сигнал-шум» на входе приемника с вероятностью ошибки при различных способах модуляции сигнала – см. таблицу 5.3.

 

Т а б л и ц а 5.3

Способы модуляции

Формула расчета вероятности ошибки

 

ИКМ-АМ

http://oo1h.mail.yandex.net/static/8fb5cb1473b84f578cdb2ef35a250609/tmp8J8CJe_html_m7d5579c1.gif

ИКМ-ЧМ

http://oo1h.mail.yandex.net/static/8fb5cb1473b84f578cdb2ef35a250609/tmp8J8CJe_html_m75f2d67b.gif

ИКМ-ОФМ с автокорреляционным способом демодуляции

http://oo1h.mail.yandex.net/static/8fb5cb1473b84f578cdb2ef35a250609/tmp8J8CJe_html_60288875.gif

ИКМ-ОФМ с когерентным способом демодуляции

http://oo1h.mail.yandex.net/static/8fb5cb1473b84f578cdb2ef35a250609/tmp8J8CJe_html_m330ed79c.gifhttp://oo1h.mail.yandex.net/static/8fb5cb1473b84f578cdb2ef35a250609/tmp8J8CJe_html_m3e7ac52e.gif– интеграл вероятности

При hВХ>4 имеем .

 

 

 

 

 

 

 

 

6 Лекция №6. Организация радиолиний (*). Структурная схема РРЛ. Структурная схема спутниковой линии связи. Расчёт энергетических параметров

 

Цель лекции: Изучить структуру РРЛ и спутниковых линий связи, диаграммы их энергетических уровней, а также энергетический расчет. 

Радиорелейные линии связи основываются на принципах многократной ретрансляции сигнала, что иллюстрируется упрощенной структурной схемой, показанной на рисунке 6.1.

Различаются оконечные (ОС) с аппаратурой оконечной станции (АОС), промежуточные (ПС) и узловые (УС) станции.

Оконечные станции устанавливаются в крайних пунктах линии связи и содержат модуляторы (Мод) и передатчики (Пд) в направлении передачи сигналов и приемники (Пр) с демодуляторами (Дм) в направлении приема. Для приема и передачи применяется одна антенна, соединенная с трактами приема и передачи при помощи антенного разветвителя (дуплексера).

 

http://oo1h.mail.yandex.net/static/8fb5cb1473b84f578cdb2ef35a250609/tmp8J8CJe_html_m29fc66bb.png

 

Рисунок 6.1 – Структурная схема одного направления радиорелейной линии связи

 

При передачи сигналов в прямом и обратном направлениях применяются 2-частотные и 4-частотные системы (см. рисунок 6.2).

 

 

http://oo1h.mail.yandex.net/static/8fb5cb1473b84f578cdb2ef35a250609/tmp8J8CJe_html_m78c0acbd.png

 

Рисунок 6.2 – Двухчастотные и четырехчастотные системы

 

   Упрощенная структурная схема интервала радиолинии и соответствующая диаграмма уровней представлена на рисунке 6.3. Очевидно, что качество работы линии связи определяется уровнем сигнала на входе приемника Pпр и возможными отклонениями этого уровня при замираниях.
    На диаграмме уровней видно, что сигнал излучается передатчиком с уровнем Pпд, проходит через разделительный фильтр (РФ), в котором уровень упадет за счет внутренних потерь и поступает через фидерную линию в передающую антенну с коэффициентом усиления G1. За счет потерь в фидерной линии Lф1 уровень сигнала еще уменьшится, а в передающей антенне увеличится на величину G1.

При распространении сигнала по интервалу РРЛ (протяженностью R0, на рабочей частоте f) уровень сигнала упадет за счет ослабления свободного пространства, потерь в газах атмосферы и некоторых дополнительных потерь. Общее ослабление сигнала за счет этих причин может достигнуть 130-140 дБ и больше.

http://oo1h.mail.yandex.net/static/8fb5cb1473b84f578cdb2ef35a250609/tmp8J8CJe_html_m170f9dae.png

 

Рисунок 6.3 – Структурная схема интервала радиолинии и соответствующая ей диаграмма энергетических уровней

 

В приемной антенне уровень сигнала увеличится на величину G2, затем уменьшится в приемной фидерной линии, в разделительном фильтре и поступит на вход приемника с уровнем Pпр. Это значение получается в отсутствии замираний сигнала на пролете РРЛ.

Запас на замирания (M) является разницей между пороговым значением уровня сигнала на входе приемника Pпр и пороговым значением Pпр пор, которое определяется из параметров конкретной аппаратуры цифровых РРЛ для заданной величины  k  (10-3 или  10-6).

Уровень сигнала на входе приемника (Pпр, дБм):

Рпр = Рпд + G1 + G2 - L0 - Lф1 - Lф2 - Lг - Lрф – Lдоп,         (6.1)                                

где Рпд – уровень мощности передатчика, дБм;

G1, G2 – коэффициенты усиления передающей и приемной антенн;

Lф1, Lф2 – ослабление сигнала в фидерных линиях (Ф1, Ф2), дБ;

Lф1= La, где L – длина фидера, м; a – погонное затухание фидера, дБ/м;

Lф2 – определяется аналогично.

Lрф – определяется из параметров аппаратуры. Обычно значение ослабления в разделительных фильтрах соответствует сумме потерь в передающем и  приемном устройствах. Lрф равно 0 при моноблочной конструкции и 4 – 5 дБ при разнесенной конструкции. 

Lдоп – дополнительные потери, складывающиеся из потерь в антенных обтекателях Lао и потерь от перепада высот приемной и передающей антенн Lпв. (Lдоп = 1 – 2  дБ).

 L0 = 20 lg (4.189 104 R0 f), дБ,                                 (6.2)

где R0 – протяженность интервала РРЛ, км;

f – рабочая частота, ГГц.

Lг рассчитывается по формуле:

   = oн) R0, дБ.                                              (6.3)

где γ0, γн – погонные затухания в водяных парах и атомах кислорода атмосферы (дБ/км), определяемые из графика.

На рисунке 6.4 схематично изображены две наиболее распространенные конфигурации спутниковых систем связи. В первой конфигурации спутник используется для обеспечения двухточечной связи между двумя удаленными наземными антеннами. Во второй конфигурации спутник обеспечивает сообщение между одним наземным передатчиком и несколькими наземными приемниками.

 

http://oo1h.mail.yandex.net/static/8fb5cb1473b84f578cdb2ef35a250609/tmp8J8CJe_html_m16200e76.png

 

а) двухточечный канал связи;    б) широковещательный канал связи.

Рисунок 6.4 – Конфигурации систем спутниковой связи

 Задача энергетического расчета – определение основных энергетических параметров, обеспечивающих требуемое качество передачи сигналов по спутниковой линии связи.

Выбираем общую структуру системы, в результате чего определяем диапазоны частот, методы многостанционного доступа и использование полосы частот, режим работы ретранслятора, используемые виды и параметры модуляции, зоны обслуживания и т. п.

Энергетическими параметрами линии связи являются мощность передатчика, коэффициенты усиления передающей и приемной антенн, эквивалентная шумовая температура приемного устройства в целом.

Рассмотрим один участок спутниковой линии, состоящей из передающего и приемного устройства, антенного тракта и тракта распространения, как это показано на рисунке 6.5.

Пропускная способность спутниковой линии ограничивается, с одной стороны, шириной полосы пропускания, а с другой – энергетикой участка «вниз».

Эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ) передающей станции:

http://oo1h.mail.yandex.net/static/8fb5cb1473b84f578cdb2ef35a250609/tmp8J8CJe_html_m487ffcf1.gif,                                               (6.4)

где РПЕР – эффективная мощность на выходе передатчика;

ηПЕР – коэффициент передачи по мощности волноводного тракта;

GПЕР – коэффициент усиления передающей антенны относительно изотропного излучателя.

Затухание энергии сигнала в свободном пространстве – уменьшение плотности потока мощности при удалении от излучателя

http://oo1h.mail.yandex.net/static/8fb5cb1473b84f578cdb2ef35a250609/tmp8J8CJe_html_25053433.gif,                                             (6.5)

где λ – длина волны;

d – наклонная дальность (расстояние между передающей и приемной антеннами).

 

http://oo1h.mail.yandex.net/static/8fb5cb1473b84f578cdb2ef35a250609/tmp8J8CJe_html_7405926f.png

 

Рисунок 6.5 – Структурная схема и диаграмма уровней одного участка линии спутниковой связи

 

Полное значение потерь на трассе:

http://oo1h.mail.yandex.net/static/8fb5cb1473b84f578cdb2ef35a250609/tmp8J8CJe_html_303ff30b.gif.                                            (6.6)

При согласовании волновых сопротивлений антенны, элементов тракта и приемника мощность сигнала на входе приемника РПР

http://oo1h.mail.yandex.net/static/8fb5cb1473b84f578cdb2ef35a250609/tmp8J8CJe_html_1d0efd1f.gif.             (6.7)

 

7 Лекция №7. Цифровые стандарты GSM, IS-95, CDMA 2000 1x. Основные характеристики систем. Применяемые методы модуляции (*). Универсальные мобильные телесистемы (UMTS)

 

Цель лекции: изучить основные характеристики стандартов второго и третьего поколения.

 В таблице 7.1 приведены основные сведения о годах введения и методах доступа в наиболее распространенных стандартах второго и третьего поколений.

 

Таблица 7.1- Цифровые стандарты второго и третьего поколений

Стандарты

GSM

IS-95

CDMA2000 1X EV-DO

Год введения

1990

1993

2000

Метод доступа

TDMA

CDMA

MC-CDMA

Основные характеристики стандарта GSM приведены в таблице 7.2.

 

Таблица 7.2- Основные характеристики стандарта GSM

Частоты передачи подвижной станции и приема базовой станции (обратный канал), МГц

890-915

Частоты приема подвижной станции и передачи базовой станции (прямой канал), МГц

935-960

Дуплексный разнос частот приема и передачи, МГц

45

Скорость передачи сообщений в радиоканале, кбит/с

270, 833

Скорость преобразования речевого кодека, кбит/с

13

Ширина полосы канала связи, кГц

200

Максимальное количество каналов связи

124

Максимальное количество каналов, организуемых в базовой станции

16-20

Вид модуляции

GMSK

Индекс модуляции

ВТ 0,3

Ширина полосы предмодуляционного гауссовского фильтра, кГц

81,2

Количество скачков по частоте в секунду

217

Временное разнесение в интервалах TDMA кадра     (передача/прием) для подвижной станции

2

Вид речевого кодека

RPE/LTP

Максимальный радиус соты, км

до 35

Схема организации каналов

TDMA

Структурная схема системы мобильной связи стандарта GSM представлена на рисунке 7.1. Сеть GSM делится на две системы: система коммутации (SSS) и система базовых станций (BSS). Функциональное сопряжение элементов системы осуществляется посредством интерфейсов, а все сетевые компоненты взаимодействуют в соответствии с системой сигнализации МСЭ SS № 7 (CCITT SS № 7).

Центр коммутации мобильной связи MSC обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы мобильная станция. MSC аналогичен коммутационной станции, интерфейс между фиксированными сетями (PSTN, PDN, ISDN и т. д.) и системой мобильной связи. Он обеспечивает мар­шрутизацию вызовов и функции управления вызовами, коммутацию радиоканалов (эстафетную пере­дачу).

 

http://oo1h.mail.yandex.net/static/8fb5cb1473b84f578cdb2ef35a250609/tmp8J8CJe_html_m7d82046b.png

 

Рисунок 7.1 – Структурная схема системы мобильной связи стандарта GSM

 

Здесь: MS – мобильная станция; BTS – приемно-передающие базовые станции; BSC – контроллер базовой станции; TCE – транскодер; BSS – оборудование базовой станции; MSC – центр коммутации мобильной связи; HLR – регистр положения; VLR – регистр перемещения; AUC – центр аутентификации; EIR – регистр идентификации оборудования; OMC – центр эксплуатации и технического обслуживания; NMC-центр управления сетью.

Основные характеристики стандарта cdma2000 приведены в таблице 7.3, а структурная схема системы связи на основе технологии CDMA2000 1X EV-DO, как стандарта 3G – на рисунке 7.2.

Здесь: BTS – (Base Transceiver Station) Базовая станция; BSC – (Base Station Controller) Контроллер базовой станции; MSC – (Mobile Switching Center) Коммутотор; PDN – (Public Data Network) Общая сеть передачи данных; PDSN – (Public Data Switched Network) Общая коммутируемая сеть передачи данных; PCF – (Packet Control Function) Оборудование, управляющее обменом цифровых пакетов между базовой станцией и PDSN. PCF – часть контроллера базовой станции, обеспечивает режим «всегда на связи».

 

Таблица 7.3 – Основные характеристики стандарта cdma2000

 Диапазон частот, МГц

824-849 / 869-894 и 1900

Полоса частот, МГц

3,75 (Зх 1,25)-базовая 1,25 xN, где N=1,6, 9, 12

Метод доступа

MC-CDMA

Совместимость

Обратная совместимость с dmaOne

Чиповая скорость, Мчип/с

3,6864 (3x1,2288) - базовая Nxl,2288,r\aeN=l,6, 9, 12

Кодирование

Сверточный код (К=9, R-1/2, 1/3, 1/4), турбо-код (К=4)

Синхронизации базовых станций

Синхронная работа

Ортогональные коды

Функции Уолша и квазиортого­нальные коды

Расширяющие последо­вательности

Короткие коды длиной 215 и длин­ные коды длиной (242-1)

Схема поиска сот

По пилот-сигналу

Длина кадра, мс

5,20

Модуляция данных

«вниз»

QPSK

«вверх»

BPSK

Расширяю­щая моду­ляция

«вниз»

QPSK

«вверх»

QPSK

Метод автоматического переключения каналов

Мягкий, жесткий (межчастотный)

Управление мощностью

Скорость 0,8 кбит/с, шаг управле­ния 0,25; 0,5 и 1,0

 

http://oo1h.mail.yandex.net/static/8fb5cb1473b84f578cdb2ef35a250609/tmp8J8CJe_html_m34544dd8.png

 

 Рисунок 7.2 – Структурная схема сети с использованием CDMA 1x-EV

 

Если есть пакеты из Интернета, предназначенные для МС, которая в настоящее время не включена, пакет сохраняется в PCF, пока пользователь не включит станцию и пакеты не будут доставлены. PCF может быть реализована как аппаратно, так и программно; AAA – (Authorization And Accounting) Сервер, выполняющий аутентификацию и биллинг трафика при передаче данных; AN AAA – ААА для Access Network; Access Network – Сетевое оборудование, обеспечивающее обмен данными между PDSN (обычно Интернет сеть) и мобильным терминалом (мобильной станцией). Эквивалентно БС в CDMA2000.

UMTS – Универсальная система мобильных телекоммуникаций (Universal Mobile Telecommunications System) – является членом европейского семейства стандартов мобильной сотовой связи третьего поколения. Большая часть исходных задач UMTS таких, как глобальный роуминг и персонализация обслуживания, достигнута в ходе развития стандарта GSM. Основное отличие UMTS состоит в использовании нового частотного диапазона 2 ГГц, что позволяет добиться более высокого по сравнению с GSM качества обслуживания благодаря повышению скорости передачи данных и ёмкости каналов, а также благодаря внедрению пакетной архитектуры сети, поддерживающей функции передачи голоса и данных.

 UMTS обеспечивают две основные компоненты: радиосеть и несущая сеть. Радиосеть состоит из мобильного оборудования и базовой станции, между которыми коммутируется передача данных. Несущая сеть, в свою очередь, соединяет базовые станции друг с другом, а также создаёт соединения с сетью ISDN и Интернетом.

При значительно большей полосе пропускания (5 МГц), чем у GSM (200 кГц) и, используя для передачи метод CDMA, становится возможным передать информацию любого типа (мультимедийные приложения, загрузка из Интернета, видео и аудио) при высокой (2 Мбит/с) скорости передачи.

 

8 Лекция №8. Общая характеристика и принципы функционирования стандарта CDMA. Понятие о логическом канале связи и логическом канале управления (*). Функциональная схема сети связи. Структура и технические параметры АС и БС (*)

 

Цель лекции: изучить принципы функционирования стандарта CDMA.

 В проекте cdma2000 предлагаются два варианта построения системы: с многочастотной не­сущей MC-CDMA (Multi Carrier CDMA) и с прямым расширением спектра DS-CDMA (Direct Sequence CDMA).

В варианте многочастотной CDMA модулированные символы уплотняются на несколь­ких несущих с шириной спектра 1,25 МГц на каждой поднесущей. Число поднесущих N может изменяться в зависимости от ширины спектра (N=1, 3, 6, 9 и 12). На каждой поднесущей информация передается с чиповой скоростью 1,2288 Мчип/с.

Такой принцип построения cdma2000 позволяет эффективно использовать весь рабочий диапазон с шириной полосы 5, 10, 15 или 20 МГц.

В стандарте cdma2000 все логические каналы так же, как и в системе cdmaOne, разделены на две группы. Каналы, предназначенные для передачи информации с БС на МС, называются прямыми, а каналы для передачи с МС на БС – обратными.

При формировании названия логических и физических каналов используются буквы, обозначающие специальные характеристики (признаки) данного класса. Первая буква указывает на направление связи: F (Forward) – прямой канал, R (Reverse) – обратный канал, а две последние буквы – признак канала – СН (channel). Другие буквы в обо­значении канала характеризуют следующие признаки:

1)  назначение канала – передача трафика Т (Traffic) или управляющей информации С (Control);

2)  тип канала – основной F (Fundamental) или дополнительный S (Supplemental);

3) способ организации связи – выделенный канал D (Dedicated) типа «точка-точка», орга­низуемый между базовой и одной из мобильных станций или общий канал С (Common) типа «точка-многоточка», доступный группе или всем мобильным станциям, располо­женным в одной соте;

4) функции, выполняемые в общем канале – канал доступа A (Access) или пейджинговый (вызывной) канал Р (Paging);

5) служебные и вспомогательные каналы: вспомогательный A (Auxiliary), канал пилот-сигнала PICH (Pilot), синхроканал SYNC.

В cdma2000 сохранена существующая в стандарте IS-95 канальная структура, однако число логических каналов увеличено с 9 до 15 (таблица 8.1).

Канал передачи «пилот-сигнал» PICH (Pilot Channel) в CDMA играют важную роль. Он излу­чается каждой базовой станцией непрерывно в широковещательном режиме и может быть принят одновременно всеми мобильными станциями, расположенными в ее зоне обслужи­вания. С его помощью может быть обеспечено решение трех основных задач:

 - оценка коэффициента передачи радиоканала и фазы принимаемых сигналов;

   - выделение копий многолучевого сигнала (так называемый «поиск многолучевости») с возможностью дальнейшей обработки в многоканальном RAKE приемнике;

- идентификация базовых станций при поиске сот и обеспечение хэндовера.

Использование общего «пилот-сигнала» PICH позволяет более точно и эффективно оце­нить характеристики каналов с замираниями и обеспечить ускоренное обнаружение сла­бых сигналов по сравнению со случаем использования индивидуальных пилот-сигналов.

 

Таблица 8.1 – Типы логических каналов

 

Тип

канала

Название канала

F- APICH

Forward Common Auxiliary Pilot Channel

Прямой общий вспомогательный пилотный канал

F-CCCH

Forward Common Control Channel

Прямой общий канал управления

FDAPICH

Forward Dedicated Auxiliary Pilot Channel

Прямой выделенный вспомогательный пилотный канал

F-DCCH

Forward Dedicated Control Channel

Прямой выделенный канал управления

F-FCH

Forward Fundamental Channel

Прямой основной канал

F-PCH

ForwardPaging Channel

Прямой пейджинговый канал

F-PICH

Forward Pilot Channel

Прямой пилотный канал

F-SCH

Forward Supplemental Channel

Прямой дополнительный канал

F-SYNC

Forward Sync Channel

Прямой синхроканал

R-ACH

ReverseAccess Channel

Обратный канал доступа

R-CCCH

ReverseCommon Control Channel

Обратный общий канал управления

R-DCCH

ReverseDedicated Control

 

  

9   Лекция № 9. Территориально-частотное планирование

 Цель лекции: изучение основ территориально-частотного планирования в GSM.

 Стоимость проектируемой сотовой сети является одним из важнейших факторов. Вложенные в строительство сети средства должны окупаться в заданный период. При проектировании конкретной системы группа специалистов по технической, финансовой, маркетинговой стороне проекта должны разработать бизнес-план, в котором, исходя из условий рынка, технических и финансовых возможностей оператора должны быть оценены объемы возможных затрат и объемы предполагаемой прибыли от реализации конкретного проекта.

На начальном этапе проектирования системы под пропускной способностью системы понимают предполагаемое количество обслуживаемых абонентов. Пропускная способность сети на этапе проектирования должна быть выбрана достаточной, для удовлетворения всей потенциальной емкости рынка мобильной связи в намеченном регионе.

Зона радиопокрытия сети городской сотовой связи, должна охватывать всю территорию города, пригородных населенных пунктов и путей сообщений.

Вероятность блокировка вызовов или (GoS - Grade of Service) -процент неудачных попыток установления соединения, вызванных перегрузками в сети, вычисляется по формуле Эрланга Б и используется для расчета вероятности блокировки вызовов при заданной величине нагрузки и заданном количестве каналов трафика.

Вероятность поступления вызовов в момент, когда все каналы заняты, может быть рассчитана по формуле:

                                         ,                                         (9.1)

где, N- количество каналов трафика;

 А - обслуживаемая нагрузка, Эрланг.

Нагрузка на одного абонента может быть посчитана по формуле

                                                ,                                               (9.2)

где, n - количество соединений за промежуток времени, например, 1 час или 3600 сек.;

Т- среднее время разговора в течение соединения, сек.

В соответствии с требованиями операторских лицензий, величина отказов внутри отечественных сотовых сетей общего пользования принимается на уровне Ротк 5%, а расчетная удельная нагрузка на одного абонента 0.015 Эрланг. Иногда, закладывая запас на проектирование, расчет трафика производят, исходя из нагрузки (входящая + исходящая) на одного абонента в ЧНН, равной 0.025 Эрл и вероятности блокировки 2%. Опыт работы сотовых сетей в России и Казахстане показывает, что средняя нагрузка, создаваемая одним абонентом, колеблется на уровне (0,007 – 0,016) Эрл.

При анализе доступных для планирования частот, важнейшим пунктом является оценка электромагнитной совместимости (ЭМС) подсистемы базовых станций BSS. ЭМС рассматривается на двух уровнях:

- межсистемная ЭМС;

- внутрисистемная ЭМС.

В рамках требований межсистемной ЭМС рассматриваются вопросы, относящиеся к обеспечению совместной работы приемопередающего оборудования подсистем BSS с радиоэлектронными средствами (РЭС) гражданского и специального назначения, работающими в соответствующих частотных диапазонах и в пределах координационных расстояний. Основой для обеспечения межсистемной ЭМС является разделение частотного диапазона, определяемое Регламентом радиосвязи Республики Казахстан.

Анализ межсистемной ЭМС проводится на этапе выдачи Агентством по Информатизации и Связи разрешений на использование операторами связи радиочастот. В рамках рассмотрения межсистемной ЭМС могут быть выделены вопросы обеспечения объектной ЭМС. Объектная ЭМС должна обеспечить совместную работу различных РЭС, устанавливаемых на одном объекте, и предусматривает отсутствие взаимных помех под воздействием излучаемых радиочастот, их гармоник и продуктов интермодуляции.

На этапе анализа абонентского распределения учитывается:

- плотность застройки территории, ее неравномерность;

- направление   и загруженность автомобильных     дорог в данном районе;

- статистика загрузки существующих сетей PSTN или PLMN.

На основании полученных данных определяется топология сотовой сети. Топология подсистем базовых станций BSS строится на основе сотовых структур. Радиусы сот подбираются в соответствии с плотностью абонентской нагрузки и требованиями по пропускной способности. Различают 3 градации размеров сот:

- макросоты радиусом (3.5 - 35) км;

- микросоты радиусом (0.5 - 3.5) км;

- пикосоты радиусом до 0.5 км.

При этом пикосоты могут вкладываться в микросоты, а те в макросоты для увеличения пропускной способности в точках локально увеличенного трафика. Таким образом, адаптируется топология подсистемы базовых станций к величине, плотности и территориальному распределению абонентской нагрузки.

В местах, где предполагается большая нагрузка, BS необходимо располагать несколько ближе друг к другу, чем в местах меньшей концентрации трафика.        

После того, как собраны данные о предполагаемой нагрузке и требуемом покрытии, составляется номинальный сотовый план, который представляет собой географическую презентацию сети на карте. Необходимо отметить, что номинальный сотовый план является первым этапом сетевого планирования.

Для наиболее эффективного планирования важно учитывать законы распространения радиоволн в конкретных условиях. Для этих целей существуют специальные компьютерные программы, в которых заложены цифровые карты местности и используются общепринятые эмпирические модели распространения радиоволн в городской и пригородной застройке такие, как "Окумура-Хата", "Ли" и др. Вычислительные программы, основанные на этих алгоритмах, позволяют:

- предсказывать зоны покрытия базовыми станциями;

- предсказывать зоны интерференции в будущей сети.

Входными данными для вычислительных программ является:

- частотный диапазон;

- расположение BS;

- мощности излучения BS;

- параметры антенных систем.

Номинальный сотовый план является упрощенным (идеализированным). Реально, на распространение радиоволн влияет множество факторов (рельеф местности, дома, движущиеся объекты и т.д.).    Проблемы,    связанные    с    затенением,     многолучевым распространением радиоволн проявляются на действительном покрытии системы. В реальной ситуации форма покрытия от одной соты не имеет идеального шестигранника, а имеет более сложную форму.

Помимо проблем, перечисленных выше, в системе GSM присутствует еще одна – проблема временной дисперсии. Эта проблема вызвана отражением от удаленных объектов. Для оценки данной проблемы используется показатель качества – отношение C/R Carrier-to-Reflection (отношение основного сигнала С к отраженному сигналу R). Для открытых районов распространение радиоволн осуществляется в зоне прямой видимости. В таких случаях прием сигналов возможен на достаточно больших расстояниях из-за малого затухания сигнала. Максимальный радиус соты в системе GSM составляет 35 км. Это обусловлено проблемой временного выравнивания (Time Alignment – ТА). Чтобы этого избежать следует использовать системные опции, например, опцию Extended Range, которая путем использования двух последовательных временных интервалов TDMA позволяет увеличить значение ТА и тем самым увеличить зону обслуживания до 72 км и более.

  

10 Лекция №10.  Синхронная цифровая иерархия

 Цель лекции: изучение  методов передачи синхронных иерархии по существующим линиям связи и основные характеристики их.

 

Существующие плезиохронные методы объединения потоков имеют ряд существенных недостатков.

В плезиохронных цифровых иерархиях (PDH системах) для выравнивания скоростей приходится добавлять выравнивающие биты в поток, причём в неравные промежутки времени. Из-за этого поток в целом становится не совсем регулярным. Поэтому, чтобы извлечь информацию какого-либо отдельного канала из общего потока, нужно сначала расшить весь поток по каналам и удалить пустые выравнивающие биты. Это существеннейший недостаток PDH-систем. Становится невозможным на промежуточных пунктах выделять или вводить отдельные каналы или группы каналов без полного демультиплексирования (расшивки) всего потока, а после вывода/ввода (drop/insert) снова мультиплексировать с добавлением новых выравнивающих бит. Этот недостаток мало сказывается при «перегоне» потока транзитом на длинных магистральных линиях, где такие вводы/выводы редки. А на сетях малой протяжённости, например, между банками и их филиалами, такая операция происходит весьма часто. Это ведёт к существенному увеличению объёма аппаратуры и удорожанию связи.

Другой недостаток PDH – слабые возможности в организации служебных каналов для целей контроля и управления потоком в сети и практически полное отсутствие средств маршрутизации (для сигналов маршрутизации практически нет места в циклах и сверхциклах). Поэтому в некоторых случаях дополнительные сигналы передают малым количеством бит взамен других сигналов и не каждый цикл, что ограничивает возможности PDH систем.

 Рекомендация G/703 МСЭ вообще не предусматривает необходимые для маршрутизации адресные заголовки. Из-за отсутствия адресов назначения  тех или иных каналов при многократном мультиплексировании/демультиплесировании можно вообще потерять «историю» возникновения и передачи информации, что приведёт к нарушению схемы маршрутизации всего потока. Некоторые возможности использования PDH систем разными иерархами и аппаратурой разных стран для совместной работы предусмотрены в рекомендациях G.755 MCЭ.

Возникшие проблемы кардинально удаётся решить лишь в рамках нового подхода организации глобальной сети связи. Технические возможности позволяют осуществлять синхронизацию передаваемых и принимаемых потоков всей участвующей в соединении каналов аппаратуре от единого источника высокостабильных сигналов синхронизации. Это сразу снимает проблему необходимости кодовых посылок сигналов синхронизации в циклах и сверхциклах. Причём стабильность единой системы синхронизации обеспечивается вплоть до весьма высоких тактовых частот (десятки ГГЦ). Значит, можно организовать весьма высокоскоростные потоки (выше, чем в PDH), а значит, есть запас битовых позиций для организации передачи избыточных символов помимо информационных. Причём этот запас может быть весьма значительным. Это позволяет придавать каждому каналу свои ярлыки, адреса и многие другие дополнительные свойства, позволяющие легко распознавать каждый канал.

Такой путь признан мировым сообществом в качестве оптимального, и для его реализации разработана технология СИНХРОННОЙ ЦИФРОВОЙ ИЕРАРХИИ (СЦИ) – Synchronous Digital Hierarchy (SDH).

В рекомендации G.707 МСЭ–Т приводятся его следующие преимущества:

-    упрощённая техника объединения/разделения цифровых потоков;

-    прямой доступ к компонентам без необходимости расшивки всего потока;

-    расширение возможностей эксплуатации в сети и технического обслуживания;

-    лёгкий переход к всё более высоким скоростям передачи;

-    возможна передача как сигналов SDH систем, так и  PDH систем.

Исторически ошибка с плохой совместимостью аппаратуры разных стран PDH систем, да ещё работающих на разных стандартах, могла повториться и при разработке SDH систем. Каждая группа разработчиков стремилась внедрять в свою систему уже существующие  PDH системы своих стран.

Синхронная Цифровая Иерархия – это иерархический набор цифровых транспортных структур, стандартизованных с целью транспонирования нужным образом адаптированной нагрузки через физические сети передачи.

Байтовая структура SDH поддерживает 64 кбит/с сигналы, которые необходимы для Цифровой Сети с Интеграцией Служб (ISDN). Групповое включение нескольких тысяч 64 кбит/с каналов может быть передано или как маршрут, или как широкополосные каналы. Маршруты и широкополосные каналы могут быть смешанные.

Внутри SDH пропускная способность передачи может быть выбрана в модульных шагах, давая необходимую гибкость ввиду потребности быть способной выполнить переход на маршруты, имеющие различную пропускную способность. SDH предоставляет достаточно большие возможности по созданию систем централизованного управления.

Как мы уже отмечали, Plesiochronous означает «почти» синхронный (ПЦИ), то есть сигнал может изменяться немного во времени (изменение частоты синхронизации). Плезиохронные сигналы имеют определенную скорость передачи данных на каждом этапе мультиплексирования. Допустимое отклонение от номинальной скорости передачи данных также определено на каждом промежуточном этапе.

В традиционном мультиплексировании ряд плезиохронных битовых потоков, tributaries, разрядно чередуются в несколько шагов мультиплексирования. Каждый подчиненный разрядный поток, переданный индивидуально с помощью разрядного выравнивания на каждом шаге мультиплексирования, может быть восстановлен после передачи. Чередование бит – самый лучший способ достижения максимальной пропускной способности передачи в пределах ограничений принятых в цифровой технологии. Поступающий поток данных передается сразу, как прибывает.

SDH делает возможным реализовать много новых возможностей связанных с трафиком, распределением нагрузки на сети, предоставляет возможности по формированию различных подключаемых сигналов и преобразования их в соответствующие сигналы линии для передачи через оптоволоконный или коаксиальный кабель. Разрешает выделение некоторых сигналов и вставки их в другие потоки передачи данных (PDH), а также позволяет выделить 64 кбит/с канал из основного потока данных. SDH предоставляет возможности по управляемой маршрутизации и последнее, не менее важное, снижается вероятность сбоев, внесенных обслуживающих персоналом.

Целостность информации клиента в пределах данного слоя сети обеспечивает трасса (trail). Это введенное в СЦИ понятие обобщает понятие каналов, трактов и секций. Трасса включает средства передачи сигналов и оперативное администрирование и менеджмент (ОАМ-средства, т.е. средства для контроля и обслуживания передачи информации клиента, например, специальные биты в цикле; для борьбы с отказами, например,  системы оперативного переключения), что повышает качество связи, минимизирует усилия при авариях и снижает влияние аварий на другие слои. Поступающая в каждый слой информация клиента проходит через точки доступа, лежащие на границах слоя. Взаимосвязь и расположение некоторых слоев показана на рисунке 10.1.

 

 

           Рисунок 10.1 – Слои синхронно- цифровой иерархии

 

Сеть внутри слоя образуется звеньями, связывающими точки доступа напрямую или через другие звенья, соединяемые с данным звеном в точках внутри слоя. В каждом выполняется соединения звеньев – по принципу 1:1 или 1:N (например, коммутация каналов в коммутируемой сети, оперативное пере­ключение в сети трактов и мультиплексных секций). В каждом слое реали­зуются ОАМ-функции. Каждый сетевой слой может содержать подсети, соединяемые между собой СЛ, например, интернациональные, национальные, областные и т.д. Это деление сети СЦИ по горизонтали дополняет вышеописанное   деление   по   вертикали.   Отдельные   элементы   сети   СЦИ оснащаются   интерфейсами   сетевых   узлов   (NNI),    с   помощью   которых производится соединение элементов.

Вначале поступающая информация адаптируется, т.е. согласуется с функциями передачи данного слоя. В канальном слое производится аналого-цифровое преобразование или преобразование непрерывно поступающей от пользователя цифровой информации в циклическую форму в канале 64 Кбит/с; в слое трактов – группообразование; в слое секций несколько трактов высшего порядка объединяются между собой и с ОАМ-сигналами при вводе в цикл секции. Предполагается, что на первом этапе развития СЦИ она будет ис­пользоваться в основном для передачи существующих ПЦИ-потоков. В дальнейшем начнут создаваться линейные, кольцевые и разветвленные сетевые структуры с несколькими пунктами выделения. 

 

11Лекция №11.  Общая реализация схемы СЦИ

 

Цель лекции: ознакомление строениями сетей и принципами работы систем.

 Общая схема преобразований СЦИ сложна. Её сложность обусловлена тем, что она фактически объединяет две схемы: европейскую и американскую (SONET). Если выделить схему, принятую Европейским институтом стандартов электросвязи ETSI (European Telecommunications Standards Institute), то получится более простая и стройная система, представленная на рисунке 11.1.

Рисунок 11.1 – Европейская схема преобразований

 

 Именно она предусмотрена «Регламентом СЦИ для сети связи России», который утвержден  Государственной комиссией электросвязи (ГКЭС) в качестве технической правовой базы применения СЦИ на общегосударственной сети России. Далее будет рассматриваться именно эта европейская схема.

Для организации трактов используются виртуальные контейнеры VC. Они образуются добавлением к соответствующему контейнеру трактового заголовка РОН, т.е. условно можно записать: VC=C+POH. Как уже отмечалось выше, европейский вариант не включает в себя контейнер С-2. Соответствующий виртуальный контейнер VC-2 предназначен для транспортирования не сигналов ПЦИ, а новых сигналов с неиерархическими скоростями (например, ячеек с ATM).

Виртуальные контейнеры формируются и расформировываются в точках окончания трактов. Трактовый заголовок позволяет осуществлять контроль качества трактов «из конца в конец» и передавать аварийную и эксплуатационную информацию. Тракты, соответствующие виртуальным контейнерам 1-го и 2-го уровня VC-11 и VC-12, относятся к трактам низшего уровня, а виртуальным контейнерам 3-го и 4-го уровней VC-3 и VC-4 –высшего. При мультиплексировании циклы различных компонентных потоков могут не совпадать как между собой, так и с циклом агрегатного потока. В ПЦИ этому не придаётся значения, именно поэтому операции ввода-вывода там столь громоздки. Для разрешения указанной проблемы в СЦИ служат указатели PTR.

Они указывают, где именно внутри цикла синхронного транспортного модуля STM-1 находятся начальные позиции циклов компонентных потоков. Это позволяет легко производить ввод-вывод потоков. Виртуальные контейнеры 1-го, 2-го, 3-го уровней вместе с соответствующими указателями образуют субблоки TU, а 4-го уровня – административный блок AU. Таким образом, TUn=VCn+TU-PTR (n=12,2,3); AU-4=VC-4+AU-PTR.

Один или несколько субблоков, занимающих определённые фиксированные позиции в нагрузке виртуального контейнера высшего порядка, называют группой субблоков TUG. Группы определены так, чтобы получить возможность образования смешанной нагрузки из субблоков разных уровней для увеличения гибкости транспортной сети. Один или несколько административных блоков, занимающих определённые фиксированные позиции в нагрузке STM, называют группой административных блоков AUG. В европейской схеме преобразований в соответствии с рисунком 11.1 состоит из одного AU-4. Наконец, синхронный транспортный модуль STM-1 образуется добавлением к группе административных блоков AUG секционного заголовка SOH, который состоит из заголовков мультиплексной MSOH и регенерационной секций RSOH. Эти заголовки служат для контроля, управления и ряда других функций. При этом RSOH передаётся между соседними регенераторами, a MSOH – между пунктами, где формируются и расформировываются STM, проходя регенераторы транзитом. Таким образом: 

STM-1=AUG+SOH, где SOH=RSOH+MSOH.

Каждая из описанных выше информационных структур служит для транспортирования информации на определённом слое сети СЦИ или для согласования между собой двух смежных слоев. Соответствие между слоями или   межслоевыми   взаимодействиями   и   информационными   структурами.

 

12 Лекция №12.  Преобразовательные процедуры СЦИ. Архитектура сети СЦИ

 Цель лекции: изучение процедуры принципов преобразовании и строения сетей связи.

 

Преобразовательные процедуры СЦИ разделяются на три категории. Поступающие цифровые потоки размещаются на определённых позициях циклов виртуальных контейнеров. Учитывая широкое и разнообразное использование в современных сетях связи потока в 2 Мбит/с, предусмотрены различные варианты его размещения в контейнере С-12 (см. рисунок 12.1). Асинхронное размещение может применяться на первых этапах развёртывания СЦИ при работе синхронных участков в плезиохронном окружении. При создании синхронных зон целесообразно синхронное размещение, имеющие две разновидности. Байт-синхронное размещение представляет доступ к составляющим каналам в 64 Кбит/с, так как при этом октеты (байты) потока 2 Мбит/с совпадают с байтами контейнера.

Бит-синхронное размещение применяется для сигналов, не имеющих октетной структуры. Как уже указывалось, добавляемые к виртуальным контейнерам при формировании субблоков и административных блоков указатели позволяют динамично компенсировать изменения скорости и фазы нагрузки блоков. Соответствующая процедура называется выравниванием. Наконец, мультиплексирование позволяет согласовать несколько сигналов слоя трактов низшего порядка с трактом высшего порядка или несколько сигналов тракта высшего порядка с мультиплексной секцией. Числа, стоящие вместе со знаком умножения, указывают количество объединяемых потоков.

 

Рисунок 12.1 – Преобразование потока 2 Мбит/с

 Циклы основных информационных структур СЦИ принято изображать графически в виде прямоугольных таблиц. Каждая клеточка такой таблицы соответствует байту. Порядок передачи байтов – слева направо, сверху вниз (так же, как при чтении текста на странице). Первый байт цикла размещается в левом углу таблицы, последний – в правом нижнем. На рисунке 12.2 изображен цикл STM-1. Он имеет период повторения 125 мкс. Таблица имеет 9 рядов и 270 столбцов. Таким образом, каждая клеточка соответствует скорости передачи 8 бит/125 мкс=64000 бит/с=64 Кбит/с, а вся таблица – 9×270×64 Кбит/с=155520 Кбит/с. Первые 9 столбцов цикла отведены для служебных сигналов. Ряды с 1-го по 3-й – заголовок регенерационной секции RSOH, ряды с 5-го по 9-й -заголовок мультиплексной секции MSOH, 4-й ряд несёт указатели административных блоков. Остальные 261=270-9 столбцов цикла предназначены для информационной нагрузки. В качестве информационной нагрузки для STM-1 может выступать, например, виртуальный контейнер VC-4. Ему соответствует таблица 9×261.

Следует подчеркнуть, что начало цикла сигнала в 140 Мбит/с (или любой другой нагрузки) внутри цикла STM-1 может не совпадать с началом последнего. Благодаря этому механизму и достигается в СЦИ присущая ей лёгкость мультиплексирования и выделения составляющих потоков.

 

 

 Рисунок 12.2 – Формат  цикла STM-1

 Согласно современным взглядам, перспективная сеть должна иметь иерархическую трехуровневую архитектуру (см. рисунок 12.3). Такая архитектура позволяет рациональнее построить гибкую, надёжную и экономичную сеть.

 

 

Рисунок 12.3. – Архитектура сети СЦИ

 Верхний (базовый, магистральный) уровень образуется главными узлами, в которых устанавливается аппаратура оперативного переключения (АОП) 4/4. Основными единицами, которыми обмениваются эти узлы, служат виртуальные контейнеры VC-4. Каждая линия несёт по несколько STM-4 или STM-16. Структура сети на этом уровне решетчатая. Средний уровень состоит из нескольких соединительных (региональных) сетей, каждая из которых охватывает определённую терри­торию. Узлы этих сетей обмениваются не только VC-4, но и более мелкими элементами, например, VC-12. Поэтому в узлах используется АОП 4/1, а также МВВ (мультиплексор ввода-вывода). Важнейшие узлы этого уровня выходят на один или несколько узлов верхнего слоя. Структура соединительных сетей может быть и кольцевой, и решетчатой. В линиях организуются тракты STM-4. Нижний уровень составляют сети доступа, куда и включаются основные источники и потребители нагрузки. Каждая из сетей доступа выходит на один или несколько узлов среднего уровня. Структура сетей кольцевая на основе МВВ трактов STM-1 или STM-4. В самых общих чертах можно охарактеризовать функции каждого уровня следующим образом: верхний уровень создаёт сеть трактов VC-4, средний – осуществляет перераспределение трактов   VC-12 и VC-3 между VC-4, нижний – обеспечивает доступ к сети пользователей. Преимуществами подобной иерархической архитектуры является возможность независимого развития и реконструкции каждого из уровней; концентрация потоков нагрузки, позволяющая использовать линейные тракты высокой пропускной способности, что даёт экономию при построении сети; возможность осуществлять контроль, управление и резервирование отдельно на каждом уровне, что упрощает и ускоряет ликвидацию последствий отказов на сети. Типовыми структурами при построении сетей СЦИ являются кольцевые сети на базе МВВ и решетчатые на базе АОП. Сеть СЦИ построена по принципу так называемых самозалечивающихся сетей, т.е. при выходе из строя отдельных элементов она способна сохранять или автоматически восстанавливать в короткое время нарушенные связи без серьёзных последствий для пользователей. Возможности МВВ позволяют организовать кольцевые самозалечивающиеся сети. Существует два варианта их построения: однонаправлен­ное и двунаправленное кольцо. При первом варианте каждый входной поток направляется вокруг кольца в обоих направлениях, а на приёмной стороне осуществляется выбор лучшего сигнала. Для построения сети используется несколько волокон. Передача по всем основным путям производится в одном направлении (например, по часовой стрелке), а по всем резервным – в противоположном (деление на основной и резервный пути здесь является условным, так как они оба равноправны). Поэтому такое кольцо называется однонаправленным, с переключением трактов или с закрепленным резервом.

Схема прохождения сигналов обоих направлений передачи для одного соединения по основному и резервному путям в таком кольце изображена на рисунке 12.4.

  

  

Рисунок 12.4 – Схема прохождения сигнала

 Как правило, блоки питания и другие важнейшие узлы дублируются. Для менее важных блоков возможна установка одного резервного блока на несколько однотипных основных. В результате коэффициент простоя аппаратуры СЦИ в расчёте на одно соединение имеет порядок 10-5. Возможность аппаратуры СЦИ позволяет строить надёжные и живучие сети, организуя резервирование на сетевом уровне.

 

13 Лекция №13. Состав сети SDH. Работа некоторых модулей

 Цель лекции: изучение работы модулей и и их область применения

 Функциональные модули SDH могут быть связаны между собой в сеть SDH. Логика работы или взаимодействия модулей в сети определяет необходимые функциональные связи модулей – топологию, или архитектуру сети SDH.

Сеть SDH, как и любая сеть, строится из отдельных функциональных модулей ограниченного набора: мультиплексоров, коммутаторов, концентраторов, регенераторов и терминального оборудования. Этот набор опреде­ляется функциональными основными задачами, решаемыми сетью:

-  сбор входных потоков через каналы доступа в агрегатный блок, при­годный для транспортировки в сети SDH – задача мультиплексирования, решаемая терминальными мультиплексорами – ТМ сети доступа;

- транспортировка агрегатных блоков по сети с возможностью ввода/вывода входных/выходных потоков – задача транспортирования, решаемая мультиплексорами ввода/вывода – ADM, логически управляющими информационным потоком в сети, а физически – потоком физической среде, формирующей в этой сети транспортный канал;

- перегрузка виртуальных контейнеров в соответствии со схемой маршрутизации из одного сегмента сети в другой, осуществляемая в выделенных узлах сети – задача коммутации, или кросскоммутации, решаемая с помощью цифровых коммутаторов или кросс-коммутаторов – DXC;

- объединение нескольких однотипных потоков в распределительный узел-концентратор (или хаб) – задача концентрации, решаемая концентраторами;

- восстановление (регенерация) формы и амплитуды сигнала, передаваемого на большие расстояния, для компенсации его затухания – задача регенерации, решаемая с помощью регенераторов – устройств, аналогичных повторителям в LAN;

- сопряжение сети пользователя с сетью SDH – задача сопряжения, решаемая с помощью оконечного оборудования – различных согласующих устройств, например, конверторов интерфейсов, конверторов скоростей, конверторов импедансов и т.д. Основным функциональным модулем сетей SDH является мультип­лексор.

Мультиплексоры SDH выполняют как функции собственно мультиплексора, так и функции устройств терминального доступа, позволяя подклю­чать низкоскоростные каналы PDH иерархии непосредственно к своим вход­ным портам, они являются универсальными и гибкими устройствами, позволяющие решать практически все перечисленные выше задачи, т.е. кроме за­дачи мультиплексирования выполнять задачи коммутации, концентрации и регенерации. Это оказывается возможным в силу модульной конструкции SDH мультиплексора – SMUX, при которой выполняемые функции опреде­ляются лишь возможностями системы управления и составом модулей, включённых в спецификацию мультиплексора. Принято, однако, выделять два основных типа SDH мультиплексора: терминальный мультиплексор и мультиплексор ввода/вывода.

        Терминальный мультиплексор ТМ является мультиплексором и око­нечным устройством SDH сети с каналами доступа, соответствующим три­бам доступа PDH и SDH иерархии (см. рисунок 13.1). Терминальный мультиплексор может либо вводить каналы, т.е. коммутировать их с входа трибного ин­терфейса на линейный выход, или выводить каналы, т.е. коммутировать с линейного входа на выход трибного интерфейса.

         Мультиплексор ввода/вывода ADM может иметь на входе тот же набор трибов, что и терминальный мультиплексор (см. рисунок 13.1). Он позволяет вво­дить/выводить соответствующие им каналы. Дополнительно к возможностям коммутации, обеспечиваемым ТМ, ADM, позволяет осуществлять сквозную коммутацию выходных потоков в обоих направлениях, а также осуществ­лять замыкание канала приёма на канал передачи на обеих сторонах ("вос­точный" и "западный") в случае выхода из строя одного из направлений. На­конец, он позволяет (в случае аварийного выхода из строя мультиплексора) пропускать основной оптический поток мимо него в обходном режиме. Всё это даёт возможность использовать ADM в топологиях типа кольца.

 

Рисунок 13.1 – Синхронный мультиплексор (SMUX): терминальный мультиплексор ТМ ввода/вывода ADM

         Регенератор представляет собой вырожденный случай мультиплексо­ра, имеющего один входной канал, как правило, оптический триб STM-N и один или два агрегатных выхода (см. рисунок 13.2).

Он используется для увеличения допустимого расстояния между узлами сети SDH путём регенерации сигналов полезной нагрузки. Обычно это расстоя­ние составляет 15 – 40 км для длины волны порядка 1300 нм или 40 – 80 км – для 1500 нм.

 

 

Рисунок 1З.2 – Мультиплексор в режиме регенератора

 Физические возможности внутренней коммутации каналов заложены в самом мультиплексоре SDH, что позволяет говорить о мультиплексоре как о утреннем или локальном коммутаторе. На рисунке 13.3, например, менеджер полезной нагрузки может динамически изменять логическое соответствие между трибным блоком TU и каналом доступа, что равносильно внутренней коммутации каналов. Кроме этого, мультиплексор, как правило, имеет возможность коммутировать собственные каналы доступа, что равносильно локальной коммутации каналов. На мультиплексоры, например, можно возложить задачи локальной коммутации на уровне однотипных ка­налов доступа, т.е. задачи, решаемые концентраторами.

 

 

Рисунок 13.3 – Локальный коммутатор 

В общем случае приходиться использовать специально разработанные синхронные коммутаторы – SDXC, осуществляющие не только локальную, и общую или проходную (сквозную) коммутацию высокоскоростных потоков и синхронных транспортных модулей STM-N (см. рисунок 13.4). Важной особенностью таких коммутаторов является отсутствие блокировки других каналов и коммутации, когда коммутация одних групп TU не накладывает ограничений на процесс обработки других групп TU. Такая коммутация называется неблокирующей.

Рисунок 13.4 – Высокоскоростной коммутатор

 

Можно выделить шесть различных функций, выполняемых коммутатором:

- маршрутизация (routing) виртуальных контейнеров VC, проводимая на основе использования информации в маршрутном заголовке ROH соответствующего контейнера;

- консолидация или объединение (consolidation/hubbing) виртуальных контейнеров VC, проводимая в режиме концентратора/хаба;

- трансляция (translation) потока от точки к нескольким точкам, или к мультиточке, осуществляемая при использовании режима связи "точка - мультиточка";

- сортировка или перегруппировка (drooming) виртуальных контейнеров VC, осуществляемая с целью создания несколких упорядоченных по­токов VC из общего потока VC, поступающего на коммутатор;

- доступ    к    виртуальному   контейнеру   VC,    осуществляемый    при тестировании оборудования;

- ввод/вывод (drop/insert) виртуальных контейнеров, осуществляемый при работе мультиплексора ввода/вывода.

 

  14 Лекция №14. Стуктура цикла СТМ-N. Сеть слоев в СЦИ

 Цель лекции: более подробное изучение слои СЦИ и структуры циклов.

 В SDH принято изображать цикл передачи (фрейм) в виде рамки (таблицы), содержащей k строк и  m столбцов, передаваемой за период цикла (125 мкс или 500 мкс). Каждый элемент рамки содержит 1 байт. Порядок передачи байтов во всех структурах одинаков: слева направо и сверху вниз.  Наиболее значащий бит байта передаётся первым. Первые столбцы обычно содержат заголовки и служебные сигналы, а затем идут информационные столбцы. Байты в скобках указаны для рамки STM-1 (см. рисунок 14.1).

          В рамке STM-N первые 9×N столбцов – байт заняты секционным заголовком SОH, подразделяющемся на регенерационный (RSОH) и мультиплексный  (МSОH)  подзаголовки. RSОH передаёт сигналы управления, контроля, цикловой синхронизации и порядка STM между регенераторами (3×9=27 байт), а МSОH (5×9 =45 байт) – сигналы согласования между точками доступа слоя среды передачи, в которых производится мультиплексирование/демультиплексирование. В этих SОH байтах передаётся также информация для автоматического управления маршрутом, переключением на резерв, передача данных и служебные сигналы.

чапрапрп_0

                     

Рисунок14.1 – Стуктура цикла SТМ-N 

Среди них на 4-й строке передается группа из 9×N байт сигналов указателей административных блоков AUР. Положение AUР строго фиксировано относительно рамки STM. Остальные 261×N байт столбцов каждой строки заняты под коммерческую (полезную) информацию.

Для STM-1 получим скорость │      информационная нагрузка 18729 байт.

      9+261 байт = 270 одна строка │ 

      270×9 строк×8бит=19440 бит за цикл 125 мкс или 19440 бит×8 цикл по 125 мкс = 155520 кбит/с.

       Для STM-4 это STM-1 × 4 = 622080 кбит/с. С 1993 года начали внедрять на сети связи оборудование STM-1 и STM-4 зарубежного производства.

Детальный пример схемы формирования модуля STM-1

Для того чтобы показать детали процесса формирования по указанной схеме ETSI, на рисунке 14.2 представлен пример логической схемы формирования модуля STМ-1 из потока трибов Е1 (нужно учесть, что в физической схеме положение отдельных элементов, например, указателей, не соответст­вует их месту в логической схеме, кроме того, используется ряд резервных, или фиксирующих элемен­тов, играющих роль "наполнителей", или элементов управления, или элементов выравнивания SDH фрейм.

Рисунок 14.2 – Пример логического формирования модуля STM-1 из триба Е1 по схеме ETSI

       

 Реализация мультиплексоров STM-4

Структурная схема мультиплексора STM-4 типа SMA-4 компании GPT приведена на рисунке 14.3.

Рисунок 14.3 – Структурная схема мультиплексора STM-4 GPT (уровень STM-4)

 

Мульти­плексор смонтирован на двойной стандартной стойке (980х450х280 мм) и состоит из следующих ос­новных блоков:

  - трибных блоков с набором электрических портов для приема входных потоков различной скорости (от 1,5 и 2 до 140 и 155 Мбит/с);

 - двух пар (основной и резервной) мультиплексоров и коммутаторов для мультиплексирова­ния, локальной коммутации и управления потоками;

 - двух оптических агрегатных блоков с выходными портами 622 Мбит/с (STM-4) "восток" и "запад" для формирования выходных потоков;

 - двух (основного и резервного) блоков питания (на схеме не показаны);

 - интерфейсами контроля и управления. служебным каналом.

Сеть SDH строится по функциональным слоям, верхний занимает пользователь. Он является клиентом, которого обслуживает нижележащий сетевой слой. Тот, в свою очередь, выступает в роли клиента для следующего слоя и т.д. Деление по слоям позволяет: внедрять и менять независимо друг от друга дельные сетевые слои; иметь в каждом слое собственные ОАМ operation, Administration and Management) - средства для контроля и обслуживания передачи информации клиента (например, специальные биты в цикле) и для борьбы с отказами (например, системы оперативного переключения), что повышает качество связи, минимизирует усилия при авариях и снижает влияния аварий на другие слои; выделять соответствующие объекты в системе TMN (Telecommunication Management Network).

Важнейшими являются сетевые слои (сверху вниз): каналов, актов и секций.

Сеть каналов – слой, обслуживающий собственно пользователей. Их терминалы подключаются к комплектам оконечной аппаратуры SDH соединительными линиями (СЛ). Сеть каналов соединяет различные комплекты оконечной аппаратуры SDH через коммутационные станции.

Группы каналов объединяются в групповые тракты различных рядков, образуя сеть трактов. Имеется два сетевых слоя трактов (сверху вниз по иерархии SDH) - низшего и высшего порядков.   

Групповые тракты организуется в линейные, построение которых зависит от среды передачи (оптическое волокно; радиорелейная линия). Это сетевой слой среды передачи. Он подразделяется на два: слой секций и слой физической среды, шейные тракты SDH выполняют и часть функций аппаратуры группы образования мультиплекса (например, ввод и ответвления цифровых потоков). Сетевой слой секций разделяется на два: слой  мультиплексных секций (MS) и слой регенерационных секций (RS).

 В каждом слое выполняются соединение звеньев по принципу 1:1 или 1:N (например, коммутация каналов коммутируемой сети, оперативное переключение в сети трактов и мультиплексных секций, регенерация в слое RS). Вместо громоздких и малооперативных кроссов, к которым подключаются действующие PDН тракты, трассы SDH заканчиваются комплектами оперативного переключения цифровых трактов и секций, управляемые в рамках SDН. Наконец в каждом слое реализуются ОАМ-функции (контроль качества передач, управление, локализация повреждений, обмен служебной информацией и т.п.).

 Каждый сетевой слой может содержать подсети, соединяемые между собой СЛ, например, интернациональные, национальные, областные и т.д.

 Отдельные элементы SDH (линейные тракты, мультиплекс, АОП, аппаратура ввода-вывода цифровых потоков и д.р.) оснащаются интерфейсами сетевых узлов (Network Node Interface, NNI), с помощью которых производится соединение элементов.

 

15 Лекция № 15. Топология сетей SDH

 Цель лекции: ознакомление общими и более распространенными видами топологии СЦИ.

 Рассмотрим топологию сетей SDH и особенности ее выбора.

Эта задача может быть решена достаточно легко, если знать возможный набор базовых стандартных топологий, из которых может быть составлена топология сети в целом.

Топология «Точка-точка» сегмент сети, связывающий два узла А и В, является наиболее простым примером базовой топологии SDH сети (см. рисунок 15.1). Она может быть реализована с помощью терминальных мультиплексоров ТМ как по схеме без резервирования канала приема/передачи, так и по схеме соответствующей стопроцентному резервированию типа 1+1, использующей основной и резервный электрические или оптические агрегатные выходы (канала приема/передачи). При выходе из строя основного канала сеть в считанные десятки миллисекунд автоматически переходит на резервный.

 

Рисунок 15.1 – Топология   «точка-точка»

Несмотря на свою простоту, именно эта базовая топология наиболее широко используется при передаче больших потоков данных по высокоскоростным магистральным каналам, например, по транс-океанским подводным кабелям, обслуживающим цифровой телефонный трафик. Эту же топологию используют для отладки сети при переходе к новой более высокой скорости в иерархии SDH, например, с 622 Мбит/с (SТМ-4) на 2,5 Гбит/с (STM-16) или с 2,5 Гбит/с (STM-16) на 10 Гбит/с (STM-64). Она является основой для топологии «последовательная линейная цепь», также ее с резервированием можно рассматривать как вырожденный вариант топологии «кольцо».

        Базовая топология «Линейная цепь» используется тогда, когда интенсивность трафика в сети не так велика и существует необходимость ответвлений в ряде точек на линии, где могут вводится и выводиться каналы доступа. Она реализуется с использованием как ТМ на обоих концах цепи, так и мультиплексоров ввода/вывода в точках ответвлений. Эта топология напоминает последовательную линейную цепь, где каждый мультиплексор ввода/вывода является отдельным ее звеном. Она может быть представлена либо в виде простой цепи без резервирования (см. рисунок 15.2), либо более сложной цепью с резервированием типа 1+1 (см. рисунок 15.3). Последний вариант топологии часто называют уплощенным кольцом.

 

 

Рисунок 15.2 – Линейная цепь без резервирования

                 

Рисунок 15.3 – Линейная цепь с резервированием

 

В топологии «Звезда» один из удаленных узлов сети, связанный с центром коммутации (например, цифровой АТС) или узлом сети SDH на центральном кольце, играет роль концентратора, или хаба, где часть трафика может быть распределена по другим удаленным узлам (см. рисунок 15.4). Ясно, что этот концентратор должен быть мультиплексором ввода/вывода с развитыми возможностями кросс­-коммутации.

 

 

Рисунок 15.4 – Топология «Звезда»

 

Иногда такую схему называют оптическим концентратором (хабом), если на его входы подаются частично заполненные потоки уровня STM-N (или потоки уровня на ступень ниже), а его выход соответствует STM-N. Фактически эта топология напоминает топологию «звезда», где в качестве центрального узла используется мультиплексор SDH.

 Топология «Кольцо»  (см. рисунок 15.5) широко используется для построения SDH сетей первых двух уровней SDH иерархии (155 и 622 Мбит/с). Основное преимущество этой топологии – легкость организации защиты типа 1+1, благодаря  наличию     в         синхронных мультиплексорах SMUX двух пар (основной и резервной) оптических агрегатных выходов (каналов приема/передачи): восток­-запад, дающих возможность формирования двойного кольца со встречными потоками.

 Кольцевая топология обладает рядом интересных свойств, позволяющих  сети самовосстанавливаться, т.е. быть защищенной от некоторых достаточно характерных типов отказов. Поэтому есть смысл остановиться на них подробно в следующем разделе.

        

                           Рисунок 15.5 – Топология кольцо

 Функциональные методы защиты синхронных потоков

Одним из основных преимуществ технологии SDH является возможность такой организации сети, при которой достигается не только высокая надежность ее функционирования, обусловленная использованием БОК, но и возможность сохранения или восстановления (за очень короткое время в десятки миллисекунд) работоспособности сети даже в случае отказа одного из ее элементов или среды передачи – кабеля. Такие сети и системы логично называют существующим в нашей литературе по системному анализу термином «самовосстанавливающиеся». Заметим, что применительно к сетям SDH иногда используется термин «самозалечивающиеся».

В принципе существуют различные методы обеспечения быстрого восстановления работоспособности синхронных сетей, которые могут быть сведены к следующим схемам:

- резервирование участка по схемам 1+1 и 1:1 по разнесенным трассам;

- организация самовосстанавливающих кольцевых сетей, резервированных по схемам 1+1 и 1:1;

-  резервирование терминального оборудования по схемам 1:1 и N:l;

- восстановление работоспособности сети путем обхода неработоспособного узла;

- использование систем оперативного переключения.

Указанные методы могут использоваться как отдельно, так и в комбинации.

Защита маршрута может быть организована так, что сигнал передается в двух противоположных направлениях (восточном и западном), причем одно направление используется как основное, второе - как резервное. Такой метод в случае сбоя использует переключение с основного кольца на резервное и называется методом организации двунаправленного сдвоенного кольца. В этом случае блоки TU-n исходно имеют доступ только к основному кольцу.

В случае сбоя происходит замыкание основного и резервного колец на границах дефектного участка (см. рисунок 15.6), образующее новое кольцо. Это замыкание происходит обычно за счет включения петли обратной связи, замыкающей приемник и передатчик агрегатного блока на соответствующей стороне мультиплексора (восточной и западной). Современные схемы управления мультиплексорами обычно поддерживают оба эти метода защиты. Треугольники на рисуноке обозначают мультиплексоры.

 

                    

 

Рисунок 15.6 – Защита  маршрута

 

Список литературы 

1.  Бабков В.Ю., Вознюк М.А., Дмитриев В.И. Системы мобильной связи/ СПб ГУТ. − СПб, 1999.

2. Карташевский В.Г. и др.  Сети подвижной связи. - М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2001.

3.   Андрианов В.И., Соколов А.В. Сотовые, пейджинговые и спутниковые средства связи. – СПб.: БХВ Петербург Арлит, 2001.

4.   Ратынский М.В.   Основы сотовой связи / Под ред. Д.Е. Зимина. - М.: Радио и связь, 2000.

5.   Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. – М.: Радио и связь, 1999.

6.   Мясковский Г.М. Системы производственной радиосвязи: Справочник. - М.: Связь, 1980.

7.   Коньшин С.В. Транкинговые радиосистемы: Учебное пособие. – Алматы: АИЭС, 2000.

8.   Коньшин С.В., Сабдыкеева Г.Г. Теоретические основы систем связи с подвижными объектами: Учебное пособие. – Алматы: АИЭС, 2002.

         9. Коньшин С.В. Подвижные телекоммуникационные радиосистемы: Учебное пособие. - Алматы: АИЭС, 2003.

        10. Коньшин С.В. и Агатаева Б.Б. Мобильные телекоммуникации и цифровые системы передачи: Учебное пособие. – Алматы: АИЭС, 2010г.

        11. . Б.Б. Агатаева, С.В. Коньшин  Мобильдік телекоммуникациялар және цифрлық тарату жүйелері., Оқу құралы. – Алматы: АЭж БИ, 2010ж.

        12. Иванов В.И., Гордиенко В.Н. и др. Цифровые и аналоговые системы передачи: Учебник для вузов/ Под ред. В.И. Иванова. – 2-е изд. – М.: Горячая линия – Телеком, 2003. – 232 с.

        13. Четкин С.В. Методические указания и задания на курсовой проект «Цифровая многоканальная система передачи с ИКМң. – М.: МИС, 1991.

         14. Кириллов Л.В. Многоканальные системы передачи: Учебник для ВУЗов. ­ М.: Радио и связь, 2003.

15. Шмытинский В.В., Глушко В.П. Многоканальные системы передачи для железно-дорожного транспорта (для колледжа). − М.: Радио и связь, 2002.

16.  Крухмалева В.В. Проектирование и техническая эксплуатация систем передачи: Учебное пособие для ВУЗов. − М.: Радио и связь, 1996.

17. Шмалько А.В. Цифровые сети связи. − М: Эко –Трендз, 2001.

18. Гаранин М.В., Журавлев В.И. и др. Системы и сети передачи информации. – М.: Радио и связь, 2001.

19. Баева Н.Н., Гордиенко В.Н., Тверецкий М.С. Проектирование цифровых каналов передачи: Учебное пособие. – М.: МТУСИ, 1996.

20. Берганов И.Р., Гордиенко В.Н., Крухмалев В.В. Проектирование и техническая эксплуатация систем передачи. – М.: Радио и связь, 1989.

21. Левин Л.С., Плоткин М.А. Цифровые системы передачи информации. – М.: Радио и связь, 1982.

22.Зингеренко А.М., Баева Н.Н., Тверецкий М.С. Системы многоканальной связи. – М.: Связь, 1980.

     23. Варакин Л.Е. Глобальное информационное общество: Критерии развития и соци­ально-экономические аспекты. - М.: MAC, 2001.

24. Крук Б.И., Попантонопуло В.Н., Шувалов В.П. Телекоммуникационные системы и сети. - Новосибирск: СП «Наука» РАН, 1998. Гл. 8.

     25. Толковый словарь терминов по системам, средствам и услугам связи. - М.: Радио и связь, 2000. - 256 с.

           26.  Агатаева б.б. Көпарналы тарату жүйелелері  техникасы мен теориясы (орысша-қазақша терминологиялық сөздік). Алматы:«Ғылым», 2004–160 б.        

            27. Нормы на электрические параметры цифровых каналов и трактов магистральной и внутризоновых первичных сетей. - М.: ЦНИИС, 1996. - 106 с.

      28 . Справочные материалы по вводу в эксплуатацию сетей тактовой сетевой синхро­низации. - М.: «Сайрус Системе», 2001. - 150 с.

 29.Бакланов И.Г. Технология измерений первичной сети. Ч. II. Системы синхрониза­ции. B-ISDN, ATM. - М.: ЭКО-Трендз, 2000. - 150 с.

 30.ITU-T Recommendation G.902. Frameworks. Recommendation on functional  accessnetworks. Architecture and functions, access types, management and service node as­pects. (11/95).