Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Цифровая мобильная радиосвязь

Учебное пособие для вузов
Покупка
Артикул: 084267.04.99
Рассмотрены основные методы и технические решения построения цифрового радиоканала для мобильных систем радиосвязи, а также общие принципы построения и проектирования мобильных сетей радиосвязи. Первая часть книги посвящена теоретическим основам построения радио- канала. В ней рассмотрены свойства цифровых модулирующих сигналов, классические узкополосные методы модуляции и модулированные сигналы с расширенным спектром, типы фединга при многолучевом распростране- нии радиоволн, методы оптимального приема цифровых модулированных сигналов в условиях белого гауссовского шума и фединга, схемы тактовой синхронизации и алгоритмы восстановления цифрового сообщения, мето- ды синтеза и преобразования частот. Во второй части систематизированы сведения об организации каналов и сетей связи. Рассмотрены методы разде- ления и коммутации каналов, передача данных по цифровому радиоканалу, доступ абонентов к ограниченным ресурсам сети и разрешение конфликт- ных ситуаций, транкинг и качество обслуживания, управление обслужива- ния абонентов при миграции, основы построения сетей сотовой связи, расчет дальности радиосвязи и частотно-территориальное планирование. Во втором издании исправлены недостатки и неточности, существенно расширены разделы, посвященные особенностям распространения радио- волн в условиях города, оптимального приема и синхронизации. Для студентов старших курсов, обучающихся по инфокоммуникацион- ным и радиотехническим специальностям, может быть полезна аспирантам и инженерам, работающим в области цифровых сетей радиосвязи.
Галкин, В. А. Цифровая мобильная радиосвязь: Учебное пособие для вузов/Галкин В. А. - Москва : Гор. линия-Телеком, 2012. - 592 с. (Учебное пособие для высших учебных заведений) ISBN 978-5-9912-0185-8, 100 экз. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/560424 (дата обращения: 23.05.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
В. А. Галкин 

ЦИФРОВАЯ МОБИЛЬНАЯ 
РАДИОСВЯЗЬ

2-е  издание,
 переработанное  и  дополненное

Рекомендовано УМО по образованию
 в области телекоммуникаций в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению подготовки бакалавров и магистров 
«Телекоммуникации» и по направлению подготовки 
дипломированных специалистов  «Телекоммуникации»

Москва
Горячая линия - Телеком
2012

УДК 621.396.218 
ББК 32.84 
     Г16 
 
Галкин В. А. 
   Г16  Цифровая мобильная радиосвязь. Учебное пособие для вузов. – 
2-е изд., перераб. и доп. – М.: Горячая линия–Телеком, 2012. – 
592 с., ил. 
ISBN 978-5-9912-0185-8. 
Рассмотрены основные методы и технические решения построения 
цифрового радиоканала для мобильных систем радиосвязи, а также общие 
принципы построения и проектирования мобильных сетей радиосвязи. 
Первая часть книги посвящена теоретическим основам построения радиоканала. В ней рассмотрены свойства цифровых модулирующих сигналов, 
классические узкополосные методы модуляции и модулированные сигналы 
с расширенным спектром, типы фединга при многолучевом распространении радиоволн, методы оптимального приема цифровых модулированных 
сигналов в условиях белого гауссовского шума и фединга, схемы тактовой 
синхронизации  и алгоритмы восстановления цифрового сообщения, методы синтеза и преобразования частот. Во второй части систематизированы 
сведения об организации каналов и сетей связи. Рассмотрены методы разделения и коммутации каналов, передача данных по цифровому радиоканалу, 
доступ абонентов к ограниченным ресурсам сети и разрешение конфликтных ситуаций, транкинг и качество обслуживания, управление обслуживания абонентов при миграции, основы построения сетей сотовой связи, расчет 
дальности радиосвязи и частотно-территориальное планирование. 
Во втором издании исправлены недостатки и неточности, существенно 
расширены разделы, посвященные особенностям распространения радиоволн в условиях города, оптимального приема и синхронизации. 
Для студентов старших курсов, обучающихся по инфокоммуникационным и радиотехническим специальностям, может быть полезна аспирантам 
и инженерам, работающим в области цифровых сетей радиосвязи. 
ББК 32.84 
Адрес издательства в Интернет  WWW.TECHBOOK.RU 

Учебное издание 

Галкин  Вячеслав Александрович 
ЦИФРОВАЯ МОБИЛЬНАЯ РАДИОСВЯЗЬ 

Учебное пособие 
Компьютерная верстка   
Обложка художника  В. Г. Ситникова 

Подписано в печать  25.11.2010.  Печать офсетная. Формат 60×88/16. Уч. изд. л. 37.  Тираж 500 экз. 
 
ISBN  978-5-9912-0185-8                                                                © В. А. Галкин, 2012 
    © Издательство «Горячая линия–Телеком», 2012  

 Предисловие 

В настоящее время мобильные системы радиосвязи являются наиболее 
быстро развивающимся сегментом рынка радиосредств. Микроминиатюризация аналоговых СВЧ микросхем и внедрение микропроцессоров качественно изменили аппаратуру радиосвязи, она стала не только средством специального и профессионального назначения, но и средством коммуникаций 
массового потребителя. 
Мобильные системы радиосвязи являются сложными комплексами, 
включающими в себя достаточно самостоятельные компоненты: радиоканал, 
речепреобразование, помехоустойчивое кодирование и шифрование, частотно-территориальное планирование и т.д. 
Основой функционирования современной системы радиосвязи является 
радиоканал цифровой передачи данных. Метод формирования спектра сигналов, вид модуляции, схема приемника высокочастотных модулированных 
сигналов, алгоритм восстановления переданного цифрового сообщения определяют основные эксплуатационные характеристики системы радиосвязи: 
число каналов связи в выделенной полосе частот, скорость передачи информации, достоверность и качество приема информации. 
В настоящей книге последовательно изложены основные идеи и технические решения, составляющие основу цифровой передачи данных по радиоканалу, и работа радиоканала как части системы радиосвязи.  
Передача данных по радиоканалу начинается с отображения цифрового 
сообщения на цифровой сигнал и заканчивается восстановлением цифрового 
сообщения по цифровому сигналу. Соответственно, подробно рассмотрены 
основные параметры цифрового сигнала с точки зрения его последующего 
преобразования в передатчике и приемнике: спектральная плотность мощности, энергия и расстояние между символами, ограничение ширины спектра с 
минимальными межсимвольными искажениями. 
Модуляция/демодуляция, которые совместно обеспечивают прохождение сигналов по эфиру, является основной функцией приемника и передатчика. Параметры и структура модулированных сигналов в решающей степени определяют структуру высокочастотной части оборудования, методы 
формирования и приема сигналов, разделения и управления каналами, допустимую скорость передачи информации, энергетический потенциал и т.д. 
Приведены базовые функциональные схемы приемников/передатчиков и 
основные характеристики модулированных сигналов, используемых в современных сетях радиосвязи: узкополосные с амплитудной, фазовой и частотной модуляцией, широкополосные (с прямым расширением спектра 
DSSS, со скачками частоты FHSS, с линейной внутриимпульсной частотной 
модуляцией), сверхширокополосные UWB, многомерные OFDM. Единой 

Предисловие 
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 

методологической базой анализа модулированных сигналов является фундаментальное понятие комплексной огибающей модулированного сигнала. 
Построение и анализ функциональных схем классического приемника 
цифровых и модулированных сигналов в условиях белого гауссова шума 
производится на основе последовательного применения функции максимального правдоподобия. Показана оптимальная реализация когерентного и 
некогерентного приема, временной, фазовой и частотной синхронизации, 
сравнительная достоверность приема информации для различных видов модуляции. Анализ оптимального приемника в идеальных условиях белого 
гауссова шума дополнен определением влияния на его параметры и функциональную схему реальных условий прием при многолучевом распространении радиоволн в городе (различного типа фединга). В отдельной главе 
рассматриваются основные положения двух базовых стандартов электромагнитной совместимости на радиоканал цифровой подвижной связи – российский РД45.299-2002 (ГОСТ12252-86) и европейский ETS-300-113 – предельные значения параметров передатчиков и приемников, функциональные 
схемы измерений. Указаны основные методы достижения указанных значений параметров при проектировании радиоаппаратуры. 
Методологической основой анализа сетей радиосвязи является модель 
взаимодействия открытых систем OSI-7. В приложении к радиосетям уточняются назначение и выполняемые функции двух нижних уровней модели: физического и канального. Из всех функций канального уровня рассмотрены те, которые имеют отношение к управлению радиоканалом, а именно: организация, 
разделение и коммутация каналов связи, передача данных в канале, симплексный, дуплексный и полудуплексный режимы работы, сотовая, транкинговая и конвенциональная организация сети, доступ к каналам связи в 
случайные моменты времени (ALOHA) и определение занятости канала путем 
прослушивания несущей частоты сторонних радиостанций (CSMA), разрешение 
конфликтных ситуаций.  
Частотно-территориальное планирование сети связи включает определение 
оптимального расположения и конфигурации сот, мощности передатчиков и 
диаграмм направленности антенн базовых радиостанций, распределения частот 
по сотам, количества каналов на основании ожидаемой внутриканальная и межканальной интерференции, загрузки сот и качества обслуживания абонентов. 
В заключительной части книги дано краткое описание структуры и основных характеристик радиоканалов наиболее распространенных стандартов 
наземной мобильной радиосвязи APCO-25, TETRA, GSM, СdmaOne, DMR и 
беспроводных систем передачи данных. 
 

Глава 1 
Беспроводные сети связи 

В современной радиотехнике термин «беспроводные сети связи» относится к сетям, которые призваны заменить проводные или кабельные сети 
связи. На сегодняшний день существует множество разнообразных сетей 
радиосвязи: от простейших типа «walkie-talkie», которые обеспечивают связь 
между двумя абонентами на расстоянии несколько десятков метров, до глобальных сотовых и спутниковых сетей, обслуживающих десятки миллионов 
абонентов во всех концах земного шара. В общем многообразии радиосетей 
выделяют группу мобильных сетей связи, которые в зависимости от реализации подразделяются на спутниковые, наземные и локальные сети связи [1]. 
В известной степени почти любую сеть радиосвязи можно назвать мобильной сетью связи. Радиоволны в отличие от тока в проводных сетях не 
требуют физической среды для распространения, поэтому системы радиосвязи за исключением, может быть, радиорелейных или сетей фиксированного радиодоступа, не предъявляют требований к неизменному положению 
приемников или передатчиков. Однако реально термин «мобильная связь» 
применяется к значительно более узкому классу, а именно к сетям радиосвязи, в которых неопределенное местоположение абонента принципиально 
важно с точки зрения построения аппаратуры и организации системы связи. 
Общепринято называть мобильной систему связи, реализующую поиск мобильного абонента, установление и поддержание канала связи с этим абонентом при его перемещении в ареале, обслуживаемом сетью. С этой точки 
зрения телевидение или радиовещание, которые формально могут иметь в 
своем составе мобильные передатчики и работать на переносные приемники, 
не являются мобильными системами связи. В этих сетях не осуществляется 
поиск абонента, а подвижность абонента никак не учитывается ни в организации сети связи, ни в схемотехнике радиоаппаратуры. В широком смысле к 
мобильным сетям относят спутниковые сети связи, сети локального радиодоступа (обычно передачи данных), сети беспроводного доступа (бесшнуровой телефон), пейджинговые сети (системы персонального радиовызова). 
Типичными мобильными наземными системами связи являются радиосистемы передачи речи и данных с транкинговой или сотовой организацией. 
Общепринято классифицировать системы связи по следующим критериям, каждый из которых отражает наиболее существенную функцию, реализуемую на физическом, канальном и сетевом уровне концептуальной модели OSI-7 в приложении к сетям радиосвязи: 
 
метод модуляции; 
 
метод разделения каналов связи; 
 
метод организации сети связи. 

Глава 1 
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 

В настоящей главе рассматриваются основные характеристики мобильных наземных систем связи первого и второго поколений, направления проектирования сетей связи третьего поколения, общая функциональная модель 
системы связи и особенности ее реализации для радиосетей, общая структура и принципы работы современных мобильных наземных сетей радиосвязи. 

1.1. Мобильные системы радиосвязи 

Традиционно мобильные системы радиосвязи подразделяют на три поколения [2, 3]. Эта классификация является общепринятой и достаточно условной. Существует значительное количество промежуточных типов систем 
связи, часто говорят о поколении 2+, отдельно выделяют класс систем связи 
между компьютерами, сети локального радиодоступа и т.д. При этом появление нового поколения аппаратуры мобильной радиосвязи не отменяет существование предыдущего, а только ограничивает область его использования. Например, аналоговые транкинговые системы связи (первое поколение) 
являются наиболее старым видом системы радиосвязи и еще лет 20 назад 
они применялись практически во всех областях. Появившиеся сотовые цифровые радиосети второго поколения вытеснили аналоговые транкинговые 
радиосети из области систем связи массового обслуживания, но не из области систем связи ведомственного и профессионального назначения. Точно так 
же развитие сетей связи третьего поколения будет происходить с использованием инфраструктуры сетей связи второго поколения и применением этих 
сетей как отдельных локальных компонентов будущей глобальной сети. 

1.1.1. Мобильные системы связи первого поколения 

В соответствие с указанной выше классификацией мобильные системы 
связи первого поколения характеризуются: 
 
модуляцией несущей частоты аналоговым сигналом; 
 
частотным методом разделения каналов; 
 
конвенциональной или транкинговой организацией сети связи. 
Модуляция несущей частоты аналоговым сигналом предполагает, 
что аналоговый сигнал, поступающий с выхода микрофона (или иного источника информации), непосредственно используется для изменения (модуляции) амплитуды, частоты или фазы монохроматического высокочастотного колебания. Диапазон частот речевого сигнала ограничивается стандартным полосовым фильтром с полосой пропускания 300…3000 Гц, фактически 
высокочастотный модулированный сигнал будет занимать полосу частот, 
примерно в два раза большую. В результате реализуется передачи информации по эфиру в предельно узкой полосе частот при относительно простой 
аппаратурной реализации. 
Частотный метод разделения каналов FDMA (Frequency Division 
Multiple Access) обеспечивает наиболее простую организацию множества 

Беспроводные сети связи                                                                                               7 
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 

каналов связи в выделенном частотном диапазоне 
F

. Каждому физическому каналу связи отводится определенная полоса частот 
f
 , в пределах 
которой и производится передача модулированного высокочастотного колебания (рис. 1.1).  

Полоса частот 
f
 , которая отводится каждому каналу связи, является 
одним из основных параметров в системе связи. С уменьшением полосы 
частот увеличивается количество каналов связи в выделенном участке спектра 
F

, а, следовательно, и количество одновременно работающих пользователей в сети. С другой стороны, уменьшение полосы частот канала приводит к снижению его помехозащищенности и ухудшает качество речевого 
сигнала. Для систем связи с аналоговыми узкополосными сигналами ширина 
полосы частот Δf канала связи не превышает 12.5 кГц. 
Конвенциональная организация сети связи характеризуется функциональной однородностью аппаратуры связи, как это показано на рис. 1.2. 
Абонент конвенциональной сети связи может самостоятельно выбирать канал связи с другим абонентом (по предварительной договоренности), при 
этом канал связи немедленно устанавливается между абонентскими радиостанциями без анализа состояния радиосети или радиоканала. Конвенциональная сеть связи может включать в себя радиостанции различного типа 
(персональные, автомобильные, стационарные) с различными техническими 
характеристиками и возможностями. Например, стационарная радиостанция 
имеет в своем составе диспетчерский пульт и возможность выхода в фиксированные телефонные сети, но с точки зрения организации сети связи все 
радиостанции одинаковы. Никакая радиостанция не имеет средств управления или контроля другой радиостанцией, единственный способ регулирования работы конвенциональной сети – это назначение по договоренности 
(конвенции) одного из абонентов диспетчером, к которому и обращаются в 
случае необходимости другие абоненты. Стандарт конвенциональной сети 
связи не определяет специальных технических средств, которые выделяют 
диспетчерскую станцию среди прочих. Вызов абонента в сети осуществляет
Рис. 1.2. Конвенциональная 
сеть связи

Рис. 1.1. Частотное разделение 
каналов

f

Модулированный 
сигнал

F


)
( f
S

f


Абонентская 
радиостанция

Абонентская 
радиостанция

Абонентская 
радиостанция

Глава 1 
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 

ся путем выбора заранее согласованного канала связи; если на согласованном канале связи находится несколько абонентов, вызов может дополняться 
персональным кодом абонента.  
Основные свойства конвенциональных сетей связи – простота, предельно низкая стоимость оборудования, возможность быстрого оперативного 
установления  сеанса  связи.  Соответственно,  область  применения  таких 
сетей – служебная связь, в которой отсутствует напряженной трафик, передаются короткие служебные указания или сообщения абонентам, местоположение которых заранее известно. Например, локальная группа спасателей, 
небольшое подразделение службы безопасности в офисе или здании, строительная бригада и т.п.  

Транкинговая организация сети связи – это радиально-зоновая 
структура радиосвязи, осуществляющая автоматическое распределение каналов между базовой станцией и абонентами, как это показано на рис. 1.3. 
Транкинговая сеть связи включает многоканальную базовую радиостанцию 
и некоторое количество мобильных радиостанций, связь между абонентами 
устанавливается только через базовую радиостанцию. При частотном разделении каналов базовая радиостанция обычно содержит от 2 до 16 приемопередатчиков, каждый из которых работает на фиксированной частоте радиоканала. Кроме связи с мобильными радиостанциями, базовая радиостанция 
поддерживает выход в телефонную сеть и другие фиксированные или мобильные сети связи. Как правило, антенны базовой радиостанции устанавливаются максимально высоко, что при большой мощности базового и мобильного передатчиков реально позволяет достичь дальности связи, ограниченной 
только 
горизонтом 
или 
естественными 
и 
искусственными 
препятствиями. Организация связи в транкинговой сети может быть децентрализованной (выбор рабочего канала осуществляется непосредственно 
абонентской радиостанцией) или централизованной (под управлением центрального процессора базовой радиостанции).  

Рис. 1.3. Транкинговая 

сеть связи

Мобильная 
радиостанция

Мобильная 
радиостанция

Фиксированная 
сеть связи

Многоканальная 
базовая 
радиостанция

Мобильная 
радиостанция

Беспроводные сети связи                                                                                               9 
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 

Простейший децентрализованный алгоритм взаимодействия базовой 
станции с мобильными абонентами реализован, например, в транкинговой 
системе связи SmartTrunk. Этот алгоритм основан на непрерывном прослушивании каналов связи приемниками базовой и мобильных радиостанций и 
независимом, автономном установлении связи на любом свободном канале. 
Радиостанция мобильного абонента непрерывно сканирует (прослушивает) 
все выделенные или разрешенные частотные каналы и определяет, занят 
канал или свободен. При требовании абонента на установление связи радиостанция останавливается на любом свободном канале и посылает запрос на 
базовую радиостанцию. Биллинговая система базовой радиостанции проверяет легальность абонента, выдает абонентской радиостанции разрешение на 
установление связи и подключает радиоканал к коммутатору базовой станции. После получения разрешения на установление связи мобильная радиостанция посылает на базовую радиостанцию требуемый телефонный номер 
абонента. Проверяется легальность и доступность вызываемого абонента, а 
затем базовая радиостанция посылает вызов на абонентскую радиостанцию 
по свободному радиоканалу (или ретранслирует, например,  полученный 
номер в телефонную сеть общего пользования). 
Абонент телефонной сети общего пользования набирает либо непосредственно персональный номер мобильного абонента в системе прямой адресации, либо многоканальный номер базовой радиостанции, а затем персональный номер мобильного абонента в локальной адресации сети радиосвязи. После поступления запроса на установление связи с мобильным 
абонентом базовая радиостанция определяет свободный частотный канал и 
передатчик базовой радиостанции, работающий на этом канале, посылает 
сигнал вызова. Мобильная радиостанция, непрерывно сканирующая все разрешенные к работе частоты, идентифицирует номер вызываемого абонента 
как собственный, посылает на базовую радиостанцию сигнал готовности к 
сеансу связи и включает звуковой зуммер для абонента. 
В более сложных транкинговых системах (МТР-1327) реализовано централизованное управление мобильными радиостанциями процессором базовой радиостанции с помощью специального служебного канала, предназначенного только для передачи сигналов взаимодействия между базовой и мобильными радиостанциями. Хотя это и приводит к дополнительным 
затратам частотных ресурсов (по выделенному служебному каналу не производится передача речевой информации), однако в конечном счете обеспечивается более эффективное использование имеющихся речевых каналов 
путем уменьшения времени установления радиосвязи, установления очередности и длительности вызовов, управления передачей информации. Например, при высоком приоритете абонента базовая радиостанция в случае отсутствия свободных каналов может прервать один из текущих сеансов связи 
и предоставить канал для срочного аварийного вызова. 
Достоинством транкинговой организации сети связи является относительно 
низкая стоимость оборудования и большая автономность в сочетании с широ
Глава 1 
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 

ким спектром предоставляемых услуг. Транкинговая сеть может быть развернута в короткие сроки на любой территории, в том числе совершенно необжитой, 
при минимальных затратах времени и средств. Сеть может оперативно подключаться к фиксированным локальным сетям (телефонным) или к выделенным 
физическим линиям передачи. Отдельные транкинговые сети совместимых 
стандартов могут объединяться в единую сеть на уровне больших регионов и 
территорий. Однако в связи с большим радиусов действия и относительно небольшим количеством рабочих каналов на каждой базовой радиостанции  цель 
объединения заключается не в увеличении числа абонентов в сети, а в максимальном покрытии территории, например для организации служебной радиосвязи вдоль железных и шоссейных дорог, магистральных трубопроводов. Основная область применения транкинговых сетей связи на сегодняшний день – 
это специальная или локальная связь без напряженного трафика: скорая помощь, милиция, армия, служебная связь на железнодорожных станциях, в зонах 
вокзала или аэропорта, протяженная магистральная связь, оперативная связь в 
районе стихийного бедствия и т.д. 

Основными недостатками сетей связи первого поколения являются 
низкая эффективность использования радиоспектра, проблемы с качеством и 
защитой информации. 
Эффективность использования радиоспектра оценивается по количеству 
абонентов, которое одновременно обслуживается на территории действия 
радиосети в пределах выделенного частотного диапазона. Количество абонентов, назначаемое на один частотный канал, определяется допустимым 
количеством отказов в установлении сеанса связи или допустимым временем ожидания в очереди на установление связи. Реальное количество абонентов на одном частотном канале при разумном времени установления связи для малоканальной сети не превышает 10. Количество частотных каналов 
на базовой станции по различным причинам (прежде всего связанным с реализацией антенно-фидерной системы) не превышает 16; технические проблемы, связанные с организацией даже 50-канальной базовой  радиостанции,  
практически  исключают возможность ее реализации. В результате транкинговая сеть связи, радиус действия которой может достигать десятки километров, реально поддерживает одновременно всего несколько десятков каналов (сеансов связи), а общее число обслуживаемых абонентов на огромной 
территории будет исчисляться лишь сотнями. Ясно, что никакая транкинговая сеть связи не в состоянии обслужить достаточно крупный город, потенциальное количество абонентов в котором составляет сотни тысяч. 
Проблемы с качеством принимаемой информации являются прямым 
следствием модуляции несущей частоты аналоговым сигналом. Для обработки аналоговых сигналов необходимо применять линейные аналоговые 
схемы, которые требуют настройки, регулировки и стабилизации режима 
работы во времени и рабочем диапазоне температур; существенной проблемой является и выделение слабых аналоговых сигналов на фоне шумов.