История появления и развития сотовой связи. Три поколения сотовой связи: обзор технологий, сравнительные характеристики).

Основная статья: GPRS

GPRS (англ. General Packet Radio Service — пакетная радиосвязь общего пользования) — надстройка над технологией мобильной связи GSM, осуществляющая пакетную передачу данных. GPRS позволяет пользователю мобильного телефона производить обмен данными с другими устройствами в сети GSM и с внешними сетями, в том числе Интернет. GPRS предполагает тарификацию по объёму переданной/полученной информации, а не времени.

Основная статья: XRTT

XRTT (One Times Radio Transmission Technology) — 2.5G мобильная технология передачи цифровых данных основанная на CDMA-технологии. Использует принцип передачи с коммутацией пакетов. Теоретически возможная скорость передачи 144 Кбит/сек, но на практике реальная скорость менее 40-60 Кбит/сек. 1XRTT использует лицензируемый радиочастотный диапазон и, подобно другим мобильным технологиям, широко распространена.

Основная статья: 3G

Все перечисленные выше цифровые системы второго поколения основаны на методе множественного доступа с временным разделением каналов (Time Division Multiple Access — TDMA). Однако уже в 1992—1993 гг. в США был разработан стандарт системы сотовой связи на основе метода множественного доступа с кодовым разделением каналов (Code Division Multiple Access — CDMA) — стандарт IS-95 (диапазон 800 МГц). Он начал применяться с 1995−1996 гг. в Гонконге, США, Южной Корее, причём в Южной Корее -наиболее широко, а в США начала использоваться и версия этого стандарта для диапазона 1900 МГц. Направление персональной связи нашло своё преломление и в Японии, где в 1991—1992 гг. была разработана и с 1995 г. начала широко использоваться система PHS диапазона 1800 МГц (Personal Handyphone System — буквально «система персонального ручного телефона»).

Основные понятия сотовых технологий, принцип повторного использования частот. Принципы организации (центр коммутации, БС, подвижная станция).

Идея которого заключается в том, что в соседних ячейках системы используются разные полосы частот, а через несколько ячеек эти полосы повторяются. Это разрешает при ограниченной общей полосе частот охватить системой как можно большую зону обслуживания и существенным образом повысить емкость системы.

Группа сот с разными наборами частот называетсякластером. Определяющим его параметром является количество частот, которые используются в соседних сотах. При 3-элементном кластере соты с одинаковыми полосами частот повторяются очень часто.

История появления и развития сотовой связи. Три поколения сотовой связи: обзор технологий, сравнительные характеристики). - student2.ru

Вызов подвижной станции

Вызов всех типов подвижных станций посылается одновременно всеми базовыми станциями, расположенными в зоне связи, в которой предполагается работа подвижных станций. Когда подвижная станция приняла сигнал вызова, содержащий ее сигнал опознавания, она отвечает на вызов сигналом подтверждения на ответной частоте канала вызова, после чего MSC передает канал связи той базовой станции, в зоне которой ответила на вызов подвижная станция, Подвижная станция принимает номер нужного канала и подключает к нему предоставленный ей канал связи. Весь обмен сигналами между MSC и подвижной станцией осуществляется по каналам. Канал вызова, на котором продолжают работать на прием все остальные подвижные станции, готов к немедленной передаче следующего вызова.

Вызов с подвижной станции

Когда подвижный абонент дает вызов, подвижная станция автоматически находит и выделяет свободный канал, по которому передаются все служебные сигналы, и происходит

HLR – домашний регистр местоположения.Содержит базу данных абонентов, приписанных к нему. Здесь содержится информация о предоставляемых данному абоненту услугах, информация о состоянии каждого абонента, необходимая в случае его вызова, а также Международный Идентификатор Мобильного Абонента.

VLR - Гостевой регистр местоположения.VLR обеспечивает мониторинг передвижения MS из одной зоны в другую и содержит базу данных о перемещающихся абонентах, находящихся в данный момент в этой зоне, в том числе абонентах других систем GSM — так называемых роумерах. Данные об абоненте удаляются из VLR в том случае, если абонент переместился в другую зону.

EIR - Регистр идентификации оборудования.содержит базу данных, необходимую для установления подлинности MS.Формирует три списка: белый (допущен к использованию), серый (некоторые проблемы с идентификацией MS) и чёрный (MS, запрещённые к применению).

HLR (HomeLocationRegister) — это база данных, которая содержит информацию о абоненте сети GSM-оператора.HLR содержит данные о SIM-картах данного оператора мобильной связи. Каждой SIM-карте сопоставлен уникальный идентификатор, называемый IMSI, который является ключевым полем для каждой записи в HLR.

Основная функция HLR состоит в контроле процесса перемещения мобильных абонентов путём:

VLR (VisitorsLocationRegister) — это временная база данных абонентов, которые находятся в зоне действия определённого MSC/VLR. Каждая базовая станция в сети приписана к определённому VLR, так что абонент не может присутствовать в нескольких VLR одновременно.

Основные функции VLR:

Организация роуминга.

Роуминг в GSM автоматический. Телефон стандарта GSM при включении сам находит гостевую сеть GSM и прописывается в ней (может даже предложить несколько сетей на выбор). Но доступ в гостевую сеть может и не состояться - если дома у вас эта возможность не входит в список положенных вам услуг.

В любой сети GSM есть две основные базы данных абонентов: HLR –«домашний регистр» и VLR – «гостевой регистр». В домашнем регистре содержатся данные об абонентах, принадлежащих этой сети, а также об услугах, предоставляемых им, и их местонахождении. В гостевом регистре содержится информация об абонентах-роумерах , т.е. о приезжих и услугах для них.

При роуминге входящие звонки перенаправляются из "домашней" в "гостевую" сеть, исходящие звонки совершаются в "гостевой" сети - следовательно, возникает необходимость и финансовых расчетов и обмена информацией между компаниями. Поэтому перед открытием роуминга между двумя операторами заключается роуминговое соглашение - договор, регламентирующий порядок взаиморасчетов, а также тарифы на услуги. Без наличия такого соглашения роуминг работать в данной сети не будет.

Правила набора номера могут отличаться в различных сетях, однако полный формат набора номера будет работать всегда: [+] [Код страны] [Код города] [Номер абонента].

Процесс поиска сети может производится как автоматическим, так и ручным. В автоматическом режиме: сначала производятся попытки обнаружить домашнюю сеть, затем, в случае неудачи, ищутся сети из списка, хранящегося на SIM-карте.Если телефон зарегистрировался в гостевой сети, расположенной в той же стране, что и домашняя, то во время работы он будет периодически просматривать эфир с целью обнаружения своей сети.

В ручном режиме на дисплей выводятся все обнаруженные сети, в том числе и запрещенные.

Структура TDMA-кадра.

TDMA - технология временного разделения каналов, позволяет увеличить емкость полосы частот, которая в стандарте GSM сильно ограничена.Суть метода в следующем. Каждая несущая частота разбивается на 8 физических каналов, информация по которым передается в последовательности кадров TDMA в циклически повторяющиеся отрезки времени, называемые таймслотами (TimeSlot, TS). Физический смысл временного разделения на каналы в следующем: в каждом из 8 промежутков времени в пределах кадра несущая частота модулируется своим информационным сигналом. Передаваемая по TS информация называется пакетами. Длительность таймслота составляет 576.9 мкс. Таким образом, мобильная станция получает доступ ко всей ширине канала, но только в конкретные промежутки времени. И если изначально количество каналов в GSM-900 составляет 124, то с использованием TDMA 124*8=992.

Рисунок 2 – изображении технологии разделения каналов

Процессы обработки речи в стандарте GSM направлены на обеспечение высокого качества передаваемых сообщений, реализацию дополнительных сервисных возможностей и повышение потребительских качеств абонентских терминалов.

Обработка речи осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи. Система прерывистой передачи речи (DTX) обеспечивает включение передатчика только тогда, когда пользователь начинает разговор и отключает его в паузах и в конце разговора. DTX управляется детектором активности речи (VAD), который обеспечивает обнаружение и выделение интервалов передачи речи с шумом и шума без речи даже в тех случаях, когда уровень шума соизмерим с уровнем речи. В состав системы прерывистой передачи речи входит также устройство формирования комфортного шума, который включается и прослушивается в паузах речи, когда передатчик отключен. Экспериментально показано, что отключение фонового шума на выходе приемника в паузах при отключении передатчика раздражает абонента и снижает разборчивость речи, поэтому применение комфортного шума в паузах считается необходимым. DTX процесс з приемнике включает также интерполяцию фрагментов речи, потерянных из-за ошибок в канале.

Структурная схема процессов обработки речи в стандарте GSM показана на рис. 4.1, главным устройством в этой схеме является речевой кодек [4.1, 4.2, 4.3].

Рис.4-1

Рис 4-2

Рис.4-3

11.2. Выбор речевого кодека для стандарта GSM

MPE-LTP - Multi-Pulse Excitation/Long-Term Prediction (Франция, IBM) -кодек с многоимпульсным возбуждением и долговременным предсказанием:

В принципе, LTP фильтр вычитает предыдущий период сигнала из текущего периода.

Этот фильтр характеризуется параметром задержки N и коэффициентом усиления Ь. Период вычисления этих параметров равен 5 мс.

Восемь коэффициентов r (i) LPC анализирующего фильтра и параметры фильтра LTP анализа кодируются и передаются со скоростью 3,6 кбит/с.

Для формирования последовательности возбуждения остаточный сигнал пропускают через фильтр нижних частот с частотой среза 3-4 кГц.

Окончательно периодическая последовательность фрагментов передается со скоростью 9,4 кбит/с. Общая скорость передачи составляет 3,6+9,4 = 13 кбит/с.

RPE-LPC - Regular-Pulse Excitation/Linear Predicative Coding (Германия, Philips) -кодек с регулярным импульсным возбуждением и линейным кодированием с предсказанием;

В декодере речевой сигнал восстанавливается по откликам последовательности регулярного импульсного возбуждения (RPE) двухступенчатым синтезирующим фильтром, как показано на рис. 4.3.

При этом качество речи соответствует качеству речи, передаваемой по ISDN, и превосходит качество речи в аналоговых радиотелефонных системах.

Теоретически время задержки речевого сигнала в кодекс равно длительности сегмента и составляет 20 мс. Реальное время задержки, с учетом операций канального кодирования и переме-жения, а также физического выполнения рассматриваемых операций, составляет 70-80 мс.

11.3.Детектор активности речи

Детектор активности речи (VAD) играет решающую роль в снижении потребления энергии от аккумуляторной батареи в портативных абонентских терминалах. Он также снижает интерференционные помехи за счет переключения свободных каналов в пассивный режим. Реализация VAD зависит от типа применяемого речевого кодека. Главная задача при проектировании VAD - обеспечить надежное отличие между условиями активного и пассивного каналов. Если канал на мгновение свободен, его можно заблокировать, поскольку средняя активность речи говорящего ниже 50%, то это может привести к существенной экономии энергии аккумуляторной батареи.

Рис.4-4

VAD с обработкой в спектральной области удачно сочетается с речевым RPE/LTP-LPC коде-ком, так как в процессе LPC анализа уже определяется огибающая спектра входного воздействия, необходимая для работы вторичного VAD.

11.4.Формирование комфортного шума

Формирование комфортного шума осуществляется в паузах активной речи и управляется речевым декодером. Когда детектор активности речи (VAD) в передатчике обнаружит, что говорящий прекращает разговор, передатчик остается еще включенным в течение следующих пяти речевых кадров. Во время первых четырех из них характеристики фонового шума оцениваются путем усреднения коэффициента усиления и коэффициентов фильтра LPC анализа. Эти усредненные значения передаются в следующем пятом кадре, в котором содержат информацию о комфортном шуме (SID кадр).

В речевом декодере комфортный шум генерируется на основе LPC анализа SID кадра. Чтобы исключить раздражающее влияние модуляции шума, комфортный шум должен соответствовать по амплитуде и спектру реальному фоновому шуму в месте передачи. В условиях подвижной связи фоновый шум может постоянно изменяться. Это значит, что характеристики шума должны передаваться с передающей стороны на приемную сторону не только в конце каждого речевого всплеска, но и в речевых паузах так, чтобы между комфортным и реальным шумом не было бы резких рассогласований в следующих речевых кадрах. По этой причине SID кадры посылаются каждые 480 мс в течение речевых пауз.

Динамическое изменение характеристик комфортного шума обеспечивает натуральность воспроизведения речевого сообщения при использовании системы прерывистой передачи речи.

11.5.Экстраполяция потерянного речевого кадра

В условиях замираний сигналов в подвижной связи речевые фрагменты могут подвергаться значительным искажениям. При этом для исключения раздражающего эффекта при воспроизведении необходимо осуществлять экстраполяцию речевого кадра.

Было установлено, что потеря одного речевого кадра может быть значительно компенсирована путем повторения предыдущего фрагмента. При значительных по продолжительности перерывах в связи предыдущий фрагмент больше не повторяется, и сигнал на выходе речевого декодера постепенно заглушается, чтобы указать пользователю на разрушение канала.

То же самое происходит и с SID кадром. Если SID кадр потерян во время речевой паузы, то формируется комфортный шум с параметрами предыдущего SID кадра. Если потерян еще один SID кадр, то комфортный шум постепенно заглушается.

Применение экстраполяции речи при цифровой передаче, формирование плавных акустических переходов при замираниях сигнала в каналах в совокупности с полным DTX процессом значительно улучшает потребительские качества связи с GSM PLMN по сравнению с существующими аналоговыми сотовыми системами связи.

Состав оборудования GPRS

Служба передачи данных GPRS надстраивается над существующей сетью GSM. На структурном уровне систему GPRS можно разделить на две части: подсистему базовых станций (BSS) и опорную сеть GPRS (GPRS Core Network).

В BSS входят все базовые станции и контроллеры, которые поддерживают пакетную передачу данных. Для этого BSC (Base Station Controller) дополняется блоком управления пакетами — PCU (Packet Controller Unit), а BTS (Base Tranceiver Station) — кодирующим устройством CCU (Channel Codec Unit).

Основным элементом опорной сети является сервисный узел поддержки GPRS — SGSN (Serving GPRS Support Node). Он занимается обработкой пакетной информации и преобразованием кадров данных GSM в форматы, используемые протоколами TCP/IP.

Шлюзы с внешними сетями (Internet, intranet, X.25) называют GGSN (Gateway GPRS Support Node). Обмен информацией между SGSN и GGSN происходит на основе IP-протоколов.

Также в состав GPRS Core входят DNS (Domain Name System) и Charging Gateway (шлюз для связи с системой тарификации).

Принцип работы GPRS.

Когда применяют технологию GPRS, информация собирается в пакеты и передаётся через неиспользуемые в данный момент голосовые каналы, такой вид технологии предполагает более рациональное использование ресурсов сети GSM. А приоритет передачи информации (голосовой трафик или передача данных) выбирается на усмотрения оператора связи.

При этом телефон, работающий в режиме GPRS, принимает все пакеты на одной частоте и не тратит времени на переключения. (Например, современная версия программного обеспечения контроллеров базовых станций допускает одновременное использование одного таймслота шестнадцатью) Другой крайний случай - пакетирование таймслотов в один непрерывный с вытеснением голосовых абонентов на другие частоты в этом случае скорость передачи данных достигает максимально возможной

Технология GPRS использует GMSK-модуляцию. В зависимости от качества радиосигнала, данные, пересылаемые по радиоэфиру, кодируются по одной из 4-х кодовых схем (CS1-CS4). Каждая кодовая схема характеризуется избыточностью кодирования и помехоустойчивостью, и выбирается автоматически в зависимости от качества радиосигнала

При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды. В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используются только значение потенциала сигнала, а его перепады, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса - перепадом потенциала определенного направления.

Требования к методам цифрового кодирования

При использовании прямоугольных импульсов для передачи дискретной информации необходимо выбрать такой способ кодирования, который одновременно достигал бы нескольких целей:

имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;
обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником;
обладал способностью распознавать ошибки;
обладал низкой стоимостью реализации.

Требования, предъявляемые к методам кодирования, являются взаимно противоречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых ниже популярных методов цифрового кодирования обладает своими преимуществами и своими недостатками по сравнению с другими

История появления и развития сотовой связи. Три поколения сотовой связи: обзор технологий, сравнительные характеристики).

1. а)История появления и развития сотовой связи. б)Три поколения сотовой связи: обзор технологий, сравнительные характеристики.

а)В 1947г. случилось событие, которое стало отправной точкой для создания сотовой связи. Д. Рингом была выдвинута блестящая идея мобильного принципа отраслей подвижной связи.

В 1951г С. Лаурин с Администрацией Шведского связи разработал автоматическую мобильную телефонную систему, испытанную в Стокгольме. В сер. 1950-х I-х снаряджени телефоном автомобили вышли на дорогу. Прибор состоял из приемника, передатчика и логического устройства, установленных в багажник автомобиля, из номеронабирателя и телефонной трубкой зафиксированными на щите, висящим над оборотной стороной переднего сиденья. Это было похоже на разъезды с полной телефонной станцией в автомобиле. С собственными функциями нормального аппарата, радиотелефон питался от автомобильной аккумулятора.

3 апреля 1973г на вершине 50-этажного Alliance Capital Building в Нью-Йорке была сделана базовая станция.

В окт. 1983 г. В Чикаго, наконец была запущена в частную эксплуатацию сотовая отрасль разработанная Bell Laboratories. А в дек. 1983 г. когда модель Motorola Dyna TAC 8000x стала первым портативным сотовым телефоном, получив сертификат от Федеральной Комиссии Связи США, компания Cellular One развернула сотовую отрасль в Балтиморе и Вашингтоне.

В 1991 г. создаются опытные области стандарта GSM и начинается его глобальное распространение по всему миру.

б)

Поколение	1G	2G	2.5G	3G
Начало разработок
Реализация
Сервисы	аналоговый стандарт,речевые сообщения	цифровой стандарт, поддержка коротких сообщений (SMS), передача данных со скоростью до 9,6 кбит/с	большая ёмкость, пакетная передача данных	ещё большая ёмкость, скорости до 2 Мбит/с
Скорость передачи	1,9 кбит/с	9,6-14,4 кбит/с	115кбит/с(1 фаза) 384 кбит/с (2 фаза),	2 Мбит/с
Стандарты	AMPS, TACS, NMT	TDMA, CDMA, GSM, PDC	GPRS, EDGE (2.75G), 1xRTT	WCDMA, CDMA2000, UMTS
Сеть	PSTN	PSTN	PSTN, сеть пакетной передачи данных	сеть пакетной передачи данных

Все первые системы сотовой связи были аналоговыми. К ним относятся:

1) аналоговый сигнал

а) незащищенность трансляции - существовала возможность создания телефонов двойников, которые использовались для «для разговоров за чужой счет»

б) разделение каналов и абонентов

в) низкая емкость

г) идентификация абонентов

Во всех аналоговых стандартах применяются амплитудная модуляция для передачи речи и частотная манипуляция для передачи информации управления. Этим так же была обусловлена интерференция сигнала. Как правило подвижная станция первого поколения имела высокую мощность(3-5 Вт). Для передачи информации различных каналов используются различные участки спектра частот — применяется метод множественного доступа с частотным разделением каналов (Frequency Division Multiple Access — FDMA), с полосами каналов в различных стандартах от 12,5 до 30 кГц. С этим непосредственно связан основной недостаток аналоговых систем — относительно низкая ёмкость, являющаяся прямым следствием недостаточно рационального использования выделенной полосы частот при частотном разделении каналов. Этот недостаток стал очевиден уже к середине 80-х годов, в самом начале широкого распространения сотовой связи в ведущих странах, и сразу же значительные силы были направлены на поиск более совершенных технических решений. В результате этих усилий и поисков появились цифровые сотовые системы второго поколения. Переход к цифровым системам сотовой связи стимулировался также широким внедрением цифровой техники в связь в целом и в значительной степени был обеспечен разработкой низкоскоростных методов кодирования и появлением сверхминиатюрных интегральных схем для цифровой обработки сигналов.

Разработка единого общеевропейского стандарта GSM (GSM 900 — диапазон 900 МГц).

1987 г. были определены все основные характеристики системы. Практическое применение стандарта началось с 1991 г.

Стандарт GSM, продолжая совершенствоваться технически (последовательно вводимые фазы 1, 2 и 2+).

В 1989 г. пошёл на освоение нового частотного диапазона 1800 МГц. Это направление известно под названием системы персональной связи. Отличие последней от исходной системы GSM 900 не столько техническое, сколько маркетинговое при технической поддержке: более широкая рабочая полоса частот в сочетании с меньшими размерами ячеек (сот) позволяет строить сотовые сети значительно большей ёмкости, и именно расчёт на массовую систему мобильной связи с относительно компактными, лёгкими, удобными и недорогими абонентскими терминалами был заложен в основу этой системы.

В 1996 г. было принято решение именовать её GSM 1800. В США диапазон 1800 МГц оказался занят другими пользователями, но была найдена возможность выделить полосу частот в диапазоне 1900 МГц, которая получила в Америке название диапазона систем персональной связи (PCS — Personal Communications Systems), в отличие от диапазона 800 МГц, за которым сохранено название сотового (cellular). Освоение диапазона 1900 МГц началось с конца 1995 г.; работа в этом диапазоне предусмотрена стандартом D-AMPS (версия IS-136, но аналогового AMPS в диапазоне 1900 МГц уже нет), и разработана соответствующая версия стандарта GSM («американский» GSM 1900 — стандарт IS-661).

Основная статья: GPRS

Основная статья: XRTT

Основная статья: 3G

Вызов подвижной станции

Вызов с подвижной станции