Обработка сигналов в беспроводных телекоммуникационных системах

Обработка сигналов в беспроводных телекоммуникационных системах

1. Принципы построения беспроводных телекоммуникационных систем 3

1.1 Архитектура сотовых систем связи 3

1.2 Обслуживание абонента сетью 11

1.3 Методы разделения абонентов в сотовой связи 19

1.4 Стандарт DECT для связи 24

1.5 Стандарты Bluetooth, Wi-Fi (802.11, 802.16) 28

2. Системы сложных сигналов для телекоммуникационных систем 36

2.1 Спектры сигналов 36

2.2 Корреляционные свойства сигналов 40

2.3 Типы сложных сигналов 45

2.4 Производные системы сигналов 48

3. Модуляция сложных сигналов 51

3.1 Геометрическое представление сигналов 51

3.2 Методы фазовой манипуляции сигналов (ФМ2, ФМ4, ОФМ) 53

3.3 Модуляция с минимальным частотным сдвигом 57

3.4 Квадратурная модуляция и ее характеристики (QPSK, QAM) 60

3.5 Реализация квадратурных модемов 65

4. Характеристики приема сигналов в телекоммуникационных системах 68

4.1 Вероятность ошибок различения М известных сигналов 68

4.2 Вероятность ошибок различения М флуктуирующих сигналов 73

4.3 Расчет ошибок различения М сигналов с неизвестными неэнергетическими параметрами 77

4.4 Сравнение синхронных и асинхронных систем связи 84

Заключение

90

Список литературы

91

1. Принципы построения беспроводных телекоммуникационных систем

1.1 Архитектура сотовых систем связи Система сотовой связи — это сложная и гибкая техническая система, допускающая большое разнообразие, как по вариантам конфигураций, так и по набору выполняемых функций. Примером сложности и гибкости системы является то, что она может обеспечивать передачу, как речи, так и других видов информации, в частности текстовых сообщений и компьютерных данных. В части передачи речи, в свою очередь, может быть реализована обычная двусторонняя телефонная связь, многосторонняя телефонная связь (так называемая конференц-связь — с участием в разговоре более двух абонентов одновременно), голосовая почта. При организации обычного двустороннего телефонного разговора, начинающегося с вызова, возможны режимы автодозвона, ожидания вызова, переадресации вызова.

Рис. 1.1. Ячейки (соты) системы, покрывающие всю обслуживаемую территорию.

Система сотовой связи строится в виде совокупности ячеек, или сот, покрывающих обслуживаемую территорию, например, территорию города с пригородами. Ячейки обычно схематически изображают в виде правильных равновеликих шестиугольников (рис. 1.1.), что по сходству с пчелиными сотами и послужило поводом назвать систему сотовой. Ячеечная, или сотовая, структура системы непосредственно связана с принципом повторного использования частот — основным принципом сотовой системы, определяющим эффективное использование выделенного частотного диапазона и высокую емкость системы.

В центре каждой ячейки находится базовая станция, обслуживающая все подвижные станции (абонентские радиотелефонные аппараты) в пределах своей ячейки (рис. 1.2.). При перемещении абонента из одной ячейки в другую происходит передача его обслуживания от одной базовой станции к другой. Все базовые станции системы, в свою очередь, замыкаются на центр коммутации, с которого имеется выход во Взаимоувязанную сеть связи (ВСС) России, в частности, если дело происходит в городе, — выход в обычную городскую сеть проводной телефонной связи.

Рис. 1.2. Одна ячейка с базовой станцией в центре, обслуживающей все подвижные станции в ячейке.

На рис. 1.3. приведена функциональная схема, соответствующая описанной структуре.

Рис. 1.3. Упрощенная функциональная схема системы сотовой связи: БС — базовая станция; ПС — подвижная станция (абонентский радиотелефонный аппарат).

В действительности ячейки никогда не бывают строгой геометрической формы. Реальные границы ячеек имеют вид неправильных кривых, зависящих от условий распространения и затухания радиоволн, т. е. от рельефа местности, характера и плотности растительности и застройки и тому подобных факторов. Более того, границы ячеек вообще не являются четко определенными, так как рубеж передачи обслуживания подвижной станции из одной ячейки в другую может в некоторых пределах смещаться с изменением условий распространения радиоволн и в зависимости от направления движения подвижной станции. Точно так же и положение базовой станции лишь приближенно совпадает с центром ячейки, который к тому же не так просто определить однозначно, если ячейка имеет неправильную форму. Если же на базовых станциях используются направленные (не изотропные в горизонтальной плоскости) антенны, то базовые станции фактически оказываются на границах ячеек. Далее, система сотовой связи может включать более одного центра коммутации, что может быть обусловлено эволюцией развития системы или ограниченностью емкости коммутатора. Возможна, например, структура системы типа показанной на рис. 1.4. — с несколькими центрами коммутации, один из которых условно можно назвать «головным» или «ведущим».

Рис. 1.4. Система сотовой связи с двумя центрами коммутации.

Рассмотрим подвижную станцию — наиболее простой по функциональному назначению и устройству элемент системы сотовой связи, к тому же это единственный элемент системы, который реально доступен пользователю. Блок-схема подвижной станции приведена на рис. 1.5. В ее состав входят:

— блок управления;

— приемопередающий блок;

— антенный блок.

Рис. 1.5. Блок-схема подвижной станции (абонентского радиотелефонного аппарата).

Приемопередающий блок, в свою очередь, включает передатчик, приемник, синтезатор частот и логический блок.

Наиболее прост по составу антенный блок: он включает собственно антенну и коммутатор прием-передача. Последний для цифровой станции может представлять собой электронный коммутатор, подключающий антенну либо на выход передатчика, либо на вход приемника, поскольку подвижная станция цифровой системы никогда не работает на прием и передачу одновременно.

Блок управления включает микротелефонную трубку — микрофон и динамик, клавиатуру и дисплей. Клавиатура (наборное поле с цифровыми и функциональными клавишами) служит для набора номера телефона вызываемого абонента, а также команд, определяющих режим работы подвижной станции. Дисплей служит для отображения различной информации, предусматриваемой устройством и режимом работы станции.

Приемопередающий блок значительно сложнее.

В состав передатчика входят:

— аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — преобразует в цифровую форму сигнал с выхода микрофона, и вся последующая обработка и передача сигнала речи производятся в цифровой форме, вплоть до обратного цифро-аналогового преобразования;

— кодер речи осуществляет кодирование сигнала речи — преобразование сигнала, имеющего цифровую форму, по определенным законам с целью сокращения его избыточности, т. е. с целью сокращения объема информации, передаваемой по каналу связи;

— кодер канала — добавляет в цифровой сигнал, получаемый с выхода кодера речи, дополнительную (избыточную) информацию, предназначенную для защиты от ошибок при передаче сигнала по линии связи; с той же целью информация подвергается определенной переупаковке (перемножению); кроме того, кодер канала вводит в состав передаваемого сигнала информацию управления, поступающую от логического блока;

— модулятор — осуществляет перенос информации кодированного видеосигнала на несущую частоту.

Приемник по составу в основном соответствует передатчику, но с обратными функциями входящих в него блоков:

— демодулятор выделяет из модулированного радиосигнала кодированный видеосигнал, несущий информацию;

— декодер канала выделяет из входного потока управляющую информацию и направляет ее на логический блок; принятая информация проверяется на наличие ошибок, и выделенные ошибки по возможности исправляются; до последующей обработки принятая информация подвергается обратной (по отношению к кодеру) переупаковке;

— декодер речи восстанавливает поступающий на него с декодера канала сигнал речи, переводя его в естественную форму, со свойственной ему избыточностью, но в цифровом виде;

— цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует принятый сигнал речи в аналоговую форму и подает его на выход динамика;

— эквалайзер служит для частичной компенсации искажений сигнала вследствие многолучевого распространения; по существу, он является адаптивным фильтром, настраиваемым по обучающей последовательности символов, входящей в состав передаваемой информации; блок эквалайзера не является, вообще говоря, функционально необходимым и в некоторых случаях может отсутствовать.

Для сочетания кодера и декодера иногда употребляют наименование кодек.

Помимо передатчика и приемника, в приемопередающий блок входят логический блок и синтезатор частот. Логический блок — это, по сути, микрокомпьютер со своей оперативной и постоянной памятью, осуществляющий управление работой подвижной станции. Синтезатор является источником колебаний несущей частоты, используемой для передачи информации по радиоканалу. Наличие гетеродина и преобразователя частоты обусловлено тем, что для передачи и приема используются различные участки спектра.

Блоксхема базовой станции приведена на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Блок-схема базовой станции.

Наличие нескольких приемников и такого же числа передатчиков позволяет вести одновременную работу на нескольких каналах с различными частотами.

Одноименные приемники и передатчики имеют общие перестраиваемые опорные генераторы, обеспечивающие их согласованную перестройку при переходе с одного канала на другой. Для обеспечения одновременной работы N приемников на одну приемную и N передатчиков на одну передающую антенну между приемной антенной и приемниками устанавливается делитель мощности на N выходов, а между передатчиками и передающей антенной — сумматор мощности на N входов.

Приемник и передатчик имеют ту же структуру, что и в подвижной станции, за исключением того, что здесь в них отсутствуют ЦАП и АЦП, поскольку и входной сигнал передатчика, и выходной сигнал приемника имеют цифровую форму.

Блок сопряжения с линией связи осуществляет упаковку информации, передаваемой по линии связи на центр коммутации, и распаковку принимаемой от него информации.

Контроллер базовой станции, представляющий собой достаточно мощный и совершенный компьютер, обеспечивает управление работой станции, а также контроль работоспособности всех входящих в нее блоков и узлов.

Центр коммутации является мозговым центром и одновременно диспетчерским пунктом системы сотовой связи, на который замыкаются потоки информации со всех базовых станций и через который осуществляется выход на другие сети связи — стационарную телефонную сеть, сети междугородной связи, спутниковой связи, другие сотовые сети.

Блок-схема центра коммутации представлена на рис. 1.7. Коммутатор осуществляет переключение потоков информации между соответствующими линиями связи. Он может, в частности, направить поток информации от одной базовой станции к другой, или от базовой станции к стационарной сети связи, или наоборот.

Коммутатор подключается к линиям связи через соответствующие контроллеры связи, осуществляющие промежуточную обработку (упаковку/распаковку, буферное хранение) потоков информации. Общее управление работой центра коммутации и системы в целом производится от центрального контроллера, который имеет мощное математическое обеспечение. Работа центра коммутации предполагает активное участие операторов, поэтому в состав центра входят соответствующие терминалы, а также средства отображения и регистрации (документирования) информации. Оператором вводятся данные об абонентах и условиях их обслуживания, исходные данные по режимам работы системы.

Рис. 1.7. Блок-схема центра коммутации.

Важными элементами системы являются базы данных — домашний регистр, гостевой регистр, центр аутентификации, регистр аппаратуры. Домашний регистр содержит сведения обо всех абонентах, зарегистрированных в данной системе, и о видах услуг, которые могут быть им оказаны. Здесь же фиксируется местоположение абонента для организации его вызова, и регистрируются фактически оказанные услуги. Гостевой регистр содержит примерно такие же сведения об абонентах — гостях (роумерах), т. е. об абонентах, зарегистрированных в другой системе, но пользующихся в настоящее время услугами сотовый связи в данной системе. Центр аутентификации обеспечивает процедуры аутентификации абонентов и шифрования сообщений. Регистр аппаратуры, если он существует, содержит сведения об эксплуатируемых подвижных станциях на предмет их исправности и санкционированного использования. [1]

1.2 Обслуживание абонента сетью Интерфейс — система сигналов, посредством которых устройства системы сотовой связи соединяются друг с другом. В каждом стандарте сотовой связи используется несколько интерфейсов (различных в разных стандартах).

Из всех интерфейсов, используемых в сотовой связи, один занимает особое место — это интерфейс обмена между подвижной и базовой станциями. Он носит название эфирного интерфейса. Эфирный интерфейс обязательно используется в любой системе сотовой связи, при любой ее конфигурации и в единственном возможном для своего стандарта сотовой связи варианте.

Эфирный интерфейс системы D-AMPS стандарта IS-54 отличается сравнительной простотой (рис. 1.8.).

Рис. 1.8. Структура кадра и слота системы D-AMPS (канал трафика; стандарт IS-54): Data — информация речи; Sync (Sc) — синхронизирующая (обучающая) последовательность; SACCH — информация медленного совмещения канала управления; CDVCC (CC) — кодированный цифровой код подтверждения цвета; G — защитный бланк; R — интервал фронта импульса передатчика; V, W, X, Y — шестнадцатеричные нули; Res — резерв.

Канал трафика — это канал передачи речи или данных. Передача информации в канале трафика организуется следующими один за другим кадрами длительностью 40 мс. Каждый кадр состоит из шести временных интервалов — слотов; длительность слота (6.67 мс) соответствует 324 битам. При полноскоростном кодировании на один речевой канал в каждом кадре отводится два слота, т. е. 20-миллисекундный сегмент речи упаковывается в один слот, длительность которого втрое меньше. При полускоростном кодировании на один речевой канал отводится один слот в кадре, т. е. упаковка сигнала речи оказывается вдвое более плотной, чем при полноскоростном кодировании.

Слот имеет несколько различную структуру в прямом канале трафика — от базовой станции к подвижной и в обратном канале трафика — от подвижной станции к базовой. В обоих случаях на передачу речи отводится 260 бит. Еще 52 бита занимает управляющая и вспомогательная информация. Она включает: 28-битовую обучающую последовательность, используемую для идентификации слота в пределах кадра, синхронизации слота во времени и настройки эквалайзера; 12-битовое сообщение сигнализации (контроля и управления) канала SACCH; 12-битовое поле кодированного цифрового кода окраски (CDVCC), служащего для идентификации подвижной станции при приеме ее сигнала базовой станцией (код назначается базовой станцией индивидуально для каждого канала, т. е. для каждой подвижной станции и ретранслируется последней обратно на базовую).

Оставшиеся 12 бит в прямом канале не используются (резерв), а в обратном канале выполняют функцию защитного интервала, в течение которого не передается никакой полезной информации.

На начальном этапе установления связи используется укороченный слот, в котором многократно повторяются синхронизирующая последовательность и код CDVCC, разделяемые нулевыми числами различной длинны. В конце укороченного слота имеется дополнительный защитный бланк. Подвижная станция передает укороченные слоты до тех пор, пока базовая станция не выберет необходимую временную задержку, определяемую удалением подвижной станции от базовой.

Существуют несколько каналов связи: частотные, физические и логические.

Частотный канал — это полоса частот, отводимая для передачи информации одного канала связи. В одном частотном канале могут размещаться несколько физических, например, в методе TDMA.

Физический канал в системе с множественным доступом на основе временного разделения (TDMA) — это временной слот с определенным номером в последовательности кадров эфирного интерфейса.

Логические каналы разделяют по виду информации, передаваемой в физическом канале на канал трафика и канал управления. По каналу управления передается сигнальная информация, включающая информацию управления и информацию контроля состояния аппаратуры, а по каналу трафика передаются речь и данные.

(Трафик — это совокупность сообщений, передаваемых по линии связи).

Рассмотрим работу подвижной станции в пределах одной ячейки своей («домашней») системы, без передачи обслуживания. В этом случае в работе подвижной станции можно выделить четыре этапа, которым соответствуют четыре режима работы:

— включение и инициализация;

— режим ожидания;

— режим установления связи (вызова);

— режим ведения связи (телефонного разговора).

После включения подвижной станции производится инициализация — начальный запуск. В течение этого этапа происходит настройка подвижной станции на работу в составе системы — по сигналам, регулярно передаваемым базовыми станциями по соответствующим каналам управления, после чего подвижная станция переходит в режим ожидания.

Находясь в режиме ожидания, подвижная станция отслеживает:

— изменения информации системы — эти изменения могут быть связаны как с изменениями режима работы системы, так и с перемещениями самой подвижной станции;

— команды системы — например, команду подтвердить свою работоспособность;

— получение вызова со стороны системы;

— инициализацию вызова со стороны собственного абонента.

Кроме того, подвижная станция может периодически, например раз в 10…15 минут, подтверждать свою работоспособность, передавая соответствующие сигналы на базовую станцию. В центре коммутации для каждой из включенных подвижных станций фиксируется ячейка, в которой она «зарегистрирована», что облегчает организацию процедуры вызова подвижного абонента.

Если со стороны системы поступает вызов номера подвижного абонента, центр коммутации направляет этот вызов на базовую станцию той ячейки, в которой «зарегистрирована» подвижная станция, или на несколько базовых станций в окрестности этой ячейки — с учетом возможного перемещения абонента за время, прошедшее с момента последней «регистрации», а базовые станции передают его по соответствующим каналам вызова. Подвижная станция, находящаяся в режиме ожидания, получает вызов и отвечает на него через свою базовую станцию, передавая одновременно данные, необходимые для проведения процедуры аутентификации. При положительном результате аутентификации назначается канал трафика, и подвижной станции сообщается номер соответствующего частотного канала. Подвижная станция настраивается на выделенный канал и совместно с базовой станцией выполняет необходимые шаги по подготовке сеанса связи. На этом этапе подвижная станция настраивается на заданный номер слота в кадре, уточняет задержку во времени, подстраивает уровень излучаемой мощности и т. п. Выбор временной задержки производится с целью временного согласования слотов в кадре при организации связи с подвижными станциями, находящимися на разных дальностях от базовой. При этом временная задержка передаваемой подвижной станцией пачки регулируется по командам базовой станции.

Затем базовая станция выдает сообщение о подаче сигнала вызова (звонка), которое подтверждается подвижной станцией, и вызывающий абонент получает возможность услышать сигнал вызова. Когда вызываемый абонент отвечает на вызов, подвижная станция выдает запрос на завершение соединения. С завершением соединения начинается сеанс связи.

В процессе разговора подвижная станция производит обработку передаваемых и принимаемых сигналов речи, а также передаваемых одновременно с речью сигналов управления. По окончании разговора происходит обмен служебными сообщениями между подвижной и базовой станцией, после чего передатчик подвижной станции выключается и станция переходит в режим ожидания.

Если вызов инициируется со стороны подвижной станции, т. е. абонент набирает номер вызываемого абонента и нажимает кнопку «вызов» на панели управления, то подвижная станция передает через свою базовую станцию сообщение с указанием вызываемого номера и данными для аутентификации подвижного абонента. После аутентификации базовая станция назначает канал трафика, и последующие шаги по подготовке сеанса связи такие же, как и при поступлении вызова со стороны системы.

Затем базовая станция сообщает на центр коммутации о готовности подвижной станции, центр коммутации передает вызов в сеть, а абонент подвижной станции получает возможность слышать сигналы «вызов» или «занято». Соединение завершается на стороне сети.

При каждом установлении связи выполняются процедуры аутентификации и идентификации.

Аутентификация — процедура подтверждения подлинности (действительности, законности, наличия прав на пользование услугами сотовой связи) абонента системы подвижной связи. Необходимость введения этой процедуры вызвана неизбежным соблазном получения несанкционированного доступа к услугам сотовой связи.

Идентификация — процедура установления принадлежности подвижной станции к одной из групп, обладающих определенными свойствами или признаками. Эта процедура используется для выявления утерянных, украденных или неисправных аппаратов.

Идея процедуры аутентификации в цифровой системе сотовой связи заключается в шифровании некоторых паролей-идентификаторов с использованием квазислучайных чисел, периодически передаваемых на подвижную станцию с центра коммутации, и индивидуального для каждой подвижной станции алгоритма шифрования. Такое шифрование, с использованием одних и тех же исходных данных и алгоритмов, производится как на подвижной станции, так и в центре коммутации, и аутентификация считается закончившейся успешно, если оба результата совпадают.

Процедура идентификации заключается в сравнении идентификатора абонентского аппарата с номерами, содержащимися в соответствующих «черных списках» регистра аппаратуры, с целью изъятия из обращения украденных и технически неисправных аппаратов. Идентификатор аппарата делается таким, чтобы его изменение или подделка были трудными и экономически невыгодными.

При перемещении подвижной станции из одной ячейки в другую ее обслуживание передается от базовой станции первой ячейки к базовой станции второй (рис. 1.9.). Этот процесс называется передачей обслуживания. Он имеет место только тогда, когда подвижная станция пересекает границу ячеек во время сеанса связи и связь при этом не прерывается. Если же подвижная станция находится в режиме ожидания, она просто отслеживает эти перемещения по информации системы, передаваемой по каналу управления, и в нужный момент перестраивается на более сильный сигнал другой базовой станции.

Рис. 1.9. Передача обслуживания из ячейки, А в ячейку Б при пересечении подвижной станцией границы ячеей.

Необходимость в передаче обслуживания возникает, когда качество канала связи, оцениваемое по уровню сигнала и/или частоте битовой ошибки, падает ниже допустимого предела. В стандарте D-AMPS подвижная станция измеряет эти характеристики только для рабочей ячейки, но при ухудшении качества связи она сообщает об этом через базовую станцию на центр коммутации, и по команде последнего аналогичные измерения выполняются подвижными станциями в соседних ячейках. По результатам этих измерений центр коммутации выбирает ячейку, в которую должно быть передано обслуживание.

Обслуживание передается из ячейки с худшим качеством канала связи в ячейку с лучшим качеством, причем указанное различие должно быть не менее некоторой заданной величины. Если не требовать выполнения этого условия, то, например, при перемещении подвижной станции примерно вдоль границы ячеек, возможна многократная передача обслуживания из первой ячейки во вторую и обратно, приводящая к загрузке системы бессмысленной работой и к снижению качества связи.

Приняв решение о передаче обслуживания, и выбрав новую ячейку, центр коммутации сообщает об этом базовой станции новой ячейки, а подвижной станции через базовую станцию старой ячейки выдает необходимые команды с указанием нового частотного канала, номера рабочего слота и т. п. Подвижная станция перестраивается на новый канал и настраивается на совместную работу с новой базовой станцией, выполняя примерно те же шаги, что и при подготовке сеанса связи, после чего связь продолжается через базовую станцию новой ячейки. При этом перерыв в телефонном разговоре не превышает долей секунды и остается незаметным для абонента.

Система сотовой связи может оказывать функцию роуминга — это процедура предоставления услуг сотовой связи абоненту одного оператора в системе другого оператора.

Идеализированная и упрощенная схема организации роуминга такова: абонент сотовой связи, оказавшийся на территории «чужой» системы, допускающей реализацию роуминга, инициирует вызов так, как если бы он находился на территории «своей» системы. Центр коммутации, убедившись, что в его домашнем регистре этот абонент не значится, воспринимает его как роумера и заносит в гостевой регистр. Одновременно он запрашивает в домашнем регистре «родной» системы роумера относящиеся к нему сведения, необходимые для организации обслуживания, и сообщает, в какой системе роумер находится в настоящее время; последняя информация фиксируется в домашнем регистре «родной» системы роумера. После этого роумер пользуется сотовой связью как дома. [1]

1.3 Методы разделения абонентов в сотовой связи Ресурс связи представляет время и ширину полосы, доступные для передачи сигнала в определенной системе. Для создания эффективной системы связи необходимо спланировать распределение ресурса между пользователями системы, чтобы время/частота использовались максимально эффективно. Результатом такого планирования должен быть равноправный доступ пользователей к ресурсу. Существует три основных метода разделения абонентов в системе связи.

1. Частотное разделение. Распределяются определенные поддиапазоны используемой полосы частоты.

2. Временное разделение. Абонентам выделяются периодические временные интервалы. В некоторых системах пользователям предоставляется ограниченное время для связи. В других случаях время доступа пользователей к ресурсу определяется динамически.

3. Кодовое разделение. Выделяются определенные элементы набора ортогонально (либо почти ортогонально) распределенных спектральных кодов, каждый из которых использует весь диапазон частот.

При частотном разделении (FDMA) ресурс связи распределяется согласно рис. 1.10. Здесь распределение сигналов или пользователей по диапазону частот является долгосрочным или постоянным. Ресурс связи может одновременно содержать несколько сигналов, разнесенных в спектре.

Рис. 1.10. Уплотнение с частотным разделением.

Первичный частотный диапазон содержит сигналы, которые используют промежуток частот между f0 и f1, второй — между f2 и f3 и т. д. Области спектра, находящиеся между используемыми диапазонами, называются защитными полосами частот. Защитные полосы выполняют роль буфера, что позволяет снизить интерференцию между соседними (по частоте) каналами.

Чтобы немодулированный сигнал использовал более высокий диапазон частот, его преобразуют при помощи наложения или смешивания (модуляции) этого сигнала и синусоидального сигнала фиксированной частоты.

При временном разделении (TDMA) ресурс связи распределен путем предоставления каждому из M сигналов (пользователей) всего спектра в течение небольшого отрезка времени, называемого временным интервалом (рис. 1.11.). Промежутки времени, разделяющие используемые интервалы, называются защитными интервалами.

Защитный интервал создает некоторую временную неопределенность между соседними сигналами и выступает в роли буфера, снижая тем самым интерференцию. Обычно время разбито на интервалы, называемые кадрами. Каждый кадр делится на временные интервалы, которые могут быть распределены между пользователями. Общая структура кадров периодически повторяется, так что передача данных по схеме TDMA — это один или более временных интервалов, которые периодически повторяются на протяжении каждого кадра.

Рис. 1.11. Уплотнение с временным разделением.

Множественный доступ с кодовым разделением (CDMA) является практическим приложением методов расширения спектра, которые можно разделить на две основные категории: расширение спектра методом прямой последовательности и расширение спектра методом скачкообразной перестройки частоты.

Рассмотрим расширение спектра методом прямой последовательности. Метод расширения спектра получил свое название благодаря тому, что полоса, используемая для передачи сигнала, намного шире минимальной, необходимой для передачи данных. Итак, N пользователей получают индивидуальный код gi (t), где i = 1,2,…, N. Коды являются приблизительно ортогональными.

Блок-схема стандартной системы CDMA приведена на рис. 1.12.

Рис. 1.12. Множественный доступ с кодовым разделением.

Первый блок схемы соответствует модуляции данными несущей волны Acosщ0t. Выход модулятора, принадлежащего пользователю из группы 1, можно записать в следующем виде: s1(t)=A1(t)cos (щ0t+ц1(t)).

Вид полученного сигнала может быть произвольным. Модулированный сигнал умножается на расширяющий сигнал g1(t), закрепленный за группой 1; результат g1(t)s1(t) передается по каналу. Аналогичным образом для пользователей групп от 2 до N берется произведение кодовой функции и сигнала. Довольно часто доступ к коду ограничен четко определенной группой пользователей. Результирующий сигнал в канале является линейной комбинацией всех передаваемых сигналов. Пренебрегая задержками в передаче сигналов, указанную линейную комбинацию можно записать следующим образом: g1(t)s1(t)+ g2(t)s2(t)+…+ gN (t)sN (t).

Умножение s1(t) и g1(t) дает в результате функцию, спектр которой является сверткой спектров s1(t) и g1(t). Поскольку сигнал s1(t) можно считать узкополосным (по сравнению с g1(t)), полосы g1(t)s1(t) и g1(t) можно считать приблизительно равными. Рассмотрим приемник, настроенный на получение сообщений от группы пользователей 1. Предположим, что полученный сигнал и код g1(t), сгенерированный приемником, полностью синхронизированы между собой. Первым шагом приемника будет умножение полученного сигнала на g1(t). В результате будет получена функция g12(t)s1(t) и набор побочных сигналов g1(t)g2(t)s2(t)+ g1(t)g3(t)s3(t)+…+ g1(t)gN (t)sN (t). Если кодовые функции gi (t) взаимно ортогональны, полученный сигнал может быть идеально извлечен при отсутствии шумов, т.к.

.

Побочные сигналы легко отсеиваются системой, так как

.

Основными преимуществами CDMA являются конфиденциальность и помехоустойчивость.

1. Конфиденциальность. Если код группы пользователей известен лишь разрешенным членам этой группы, CDMA обеспечивает конфиденциальность связи, поскольку несанкционированные лица, не имеющие кода, не могут получить доступ к передаваемой информации. [2]

2. Помехоустойчивость. Модуляция сигнала последовательностью при передаче требует его повторной модуляции той же последовательностью при приеме (что эквивалентно демодуляции сигнала), в результате чего восстанавливается исходный узкополосный сигнал. Если помеха узкополосная, то демодулирующая прямая последовательность при приеме воздействует на нее как модулирующая, т. е. «размазывает» ее спектр по широкой полосе Wss, в результате чего в узкую полосу сигнала Ws попадает лишь 1/G часть мощности помехи, так что узкополосная помеха будет ослаблена в G раз, где G=Wss/Ws (Wss — полоса расширенного спектра, Ws — исходный спектр). Если же помеха широкополосная — с полосой порядка Wss или шире, то демодуляция не изменит ширины ее спектра, и в полосу сигнала помеха попадет ослабленной во столько раз, во сколько ее полоса шире полосы Ws исходного сигнала. [1]

1.4 Стандарт DECT для связи Системы и устройства DECT распространены более чем в 30 странах на всех континентах планеты. Фактически DECT — это набор спецификаций, определяющих радиоинтерфейсы для различных видов сетей связи и оборудования. DECT объединяет требования, протоколы и сообщения, обеспечивающие взаимодействие сетей связи и оконечного оборудования. Организация самих сетей и устройство оборудования в стандарт не входят. Важнейшая задача DECT — обеспечить совместимость оборудования различных изготовителей.

Изначально DECT был ориентирован на телефонию — радиоудлинители, беспроводные учрежденческие АТС, предоставление радиодоступа к телефонным сетям общего пользования. Но стандарт оказался столь удачным, что его стали использовать в системах передачи данных, беспроводного абонентского доступа к сетям связи общего пользования. DECT нашел применение в приложениях мультимедиа и домашних радиосетях, для доступа в Интернет и факсимильной связи.

Что же представляет собой радиоинтерфейс DECT? В диапазоне шириной 20 МГц (1880 — 1900 МГц) выделено 10 несущих частот с интервалом 1,728 МГц. В DECT применяется технология доступа с временным разделением каналов — TDMA. Временной спектр разделен на отдельные кадры по 10мс (рис. 1.13.). Каждый кадр разбит на 24 временных слота: 12 слотов для приема (с точки зрения носимого терминала) и 12 — для передачи. Таким образом, на каждой из 10 несущих частот формируется 12 дуплексных каналов — всего 120. Дуплекс обеспечивается временным разделением (с интервалом 5 мс) приема/передачи. Для синхронизации применяется 32-битная последовательность «101 010…». В DECT предусмотрено сжатие речи в соответствии с технологией адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции со скоростью 32 Кбит/с. Поэтому информационная часть каждого слота — 320 бит. При передаче данных возможно объединение временных слотов. В радиотракте использована гауссова частотная модуляция.

Базовые станции (БС) и абонентские терминалы (АТ) DECT постоянно сканируют все доступные каналы (до 120). При этом измеряется мощность сигнала на каждом из каналов, которая заносится в список RSSI. Если канал занят или сильно зашумлен, показатель RSSI для него высокий. БС выбирает канал с самым низким значением RSSI для постоянной передачи служебной информации о вызовах абонентов, идентификаторе станции, возможностях системы и т. д. Эта информация играет роль опорных сигналов для АТ — по ним абонентские устройства определяют, есть ли право доступа к той или иной БС, предоставляет ли она требуемые абоненту услуги, есть ли в системе свободная емкость и выбирают БС с наиболее качественным сигналом.

В DECT канал связи всегда определяет АТ. При запросе соединения от БС (входящее соединение) АТ получает уведомление и выбирает радиоканал. Служебная информация передается базовой станцией и анализируется абонентским терминалом постоянно, следовательно, АТ всегда синхронизируется с самой близкой из доступных БС. При установлении нового соединения АТ выбирает канал с самым низким значением RSSI — это гарантирует, что новое соединение происходит на самом «чистом» канале из доступных. Данная процедура динамического распределения каналов позволяет избавиться от частотного планирования — важнейшее свойство DECT.

Рис. 1.13. Спектр DECT.

Поскольку АТ постоянно, даже при установленном соединении, анализирует доступные каналы, может происходить их динамическое переключение во время сеанса связи. Такое переключение возможно как на другой канал той же БС, так и на другую БС. Эта процедура называется «хэндовер». При хэндовере АТ устанавливает новое соединение, и какое-то время связь поддерживается по обоим каналам. Затем выбирается лучший. Автоматическое переключение между каналами разных БС происходит практически незаметно для пользователя и полностью инициируется АТ.

Существенно, что в радиотракте аппаратуры DECT мощность сигнала весьма мала — от 10 до 250 мВт. Причем 10 мВт — практически номинальная мощность для микросотовых систем с радиусом соты 30 — 50 м внутри здания и до 300 — 400 м на открытом пространстве. Передатчики мощностью до 250 мВт используются для радиопокрытия больших территорий (до 5 км).

При мощности 10 мВт возможно располагать базовые станции на расстоянии 25 м. В результате достигается рекордная плотность одновременных соединений (около 100 тыс. абонентов) при условии расположения БС по схеме шестиугольника в одной плоскости (на одном этаже).

Для защиты от несанкционированного доступа в системах DECT используется процедура аутентификации БС и АТ. АТ регистрируется в системе или на отдельных базовых станциях, к которым имеет допуск. При каждом соединении происходит аутентификация: БС посылает АТ «запрос» — случайное число (64 бит). АТ и БС на основании этого числа и ключа аутентификации по заданному алгоритму вычисляют аутентификационный ответ (32 бит), который АТ передает на БС. БС сравнивает вычисленный ответ с принятым и при их совпадении разрешает подключение АТ. В DECT существует стандартный аутентификационный алгоритм DSAA.

Как правило, ключ аутентификации вычисляется на основании абонентского аутентификационного ключа UAK длиной 128 бит либо аутентификационного кода AC (16 — 32 бит). UAK хранится в ПЗУ АТ либо в карточке DAM — аналоге SIM-карты. AC можно и вручную записать в ПЗУ АТ либо вводить при аутентификации. Совместно с UAK применяют и персональный идентификатор пользователя UPI длиной 16- 32 бита, вводимый только вручную. Кроме того, несанкционированный съем информации в системах с TDMA крайне сложен и доступен только специалистам. [3]

1.5 Стандарты Bluetooth, Wi-Fi (802.11, 802.16)

Спецификация Bluetooth описывает пакетный способ передачи информации с временным мультиплексированием. Радиообмен происходит в полосе частот 2400−2483,5 МГц. В радиотракте применен метод расширения спектра посредством частотных скачков и двухуровневая гауссова частотная модуляция.

Метод частотных скачков подразумевает, что вся отведенная для передачи полоса частот подразделяется на определенное количество подканалов шириной 1МГц каждый. Канал представляет собой псевдослучайную последовательность скачков по 79 или 23 радиочастотным подканалам. Каждый канал делится на временные сегменты продолжительностью 625 мкс, причем каждому сегменту соответствует определенный подканал. Передатчик в каждый момент времени использует только один подканал. Скачки происходят синхронно в передатчике и приемнике в заранее зафиксированной псевдослучайной последовательности. За секунду может происходить до 1600 частотных скачков. Такой метод обеспечивает конфиденциальность и некоторую помехозащищенность передач. Помехозащищенность обеспечивается тем, что если на каком-либо подканале передаваемый пакет не смог быть принят, то приемник сообщает об этом и передача пакета повторяется на одном из следующих подканалов, уже на другой частоте.

Протокол Bluetooth поддерживает как соединения типа точка-точка, так и точка-многоточка. Два или более использующих один и тот же канал устройства образуют пикосеть. Одно из устройств работает как основное, а остальные — как подчиненные. В одной пикосети может быть до семи активных подчиненных устройств, при этом остальные подчиненные устройства находятся в состоянии «парковки», оставаясь синхронизированными с основным устройством. Взаимодействующие пикосети образуют «распределенную сеть».

В каждой пикосети действует только одно основное устройство, однако подчиненные устройства могут входить в различные пикосети. Кроме того, основное устройство одной пикосети может являться подчиненным в другой (рис. 1.14.). Пикосети не синхронизированы друг с другом по времени и частоте — каждая из них использует свою последовательность частотных скачков. В одной же пикосети все устройства синхронизированы по времени и частотам. Последовательность скачков является уникальной для каждой пикосети и определяется адресом ее основного устройства. Длина цикла псевдослучайной последовательности — 227 элементов.

Рис. 1. 14. Пикосеть с одним подчиненным устройством а), несколькими б) и распределенная сеть в).

В стандарте Bluetooth предусмотрена дуплексная передача на основе разделения времени. Основное устройство передает пакеты в нечетные временные сегменты, а подчиненное устройство — в четные (рис. 1.15.). Пакеты в зависимости от длины могут занимать до пяти временных сегментов. При этом частота канала не меняется до окончания передачи пакета (рис. 1.16.). Протокол Bluetooth может поддерживать асинхронный канал данных, до трех синхронных (с постоянной скоростью) голосовых каналов или канал с одновременной асинхронной передачей данных и синхронной передачей голоса.

Рис. 1. 15. Временная диаграмма работы канала.

Рис. 1. 16. Передача пакетов различной длины.

При синхронном соединении основное устройство резервирует временные сегменты, следующие через так называемые синхронные интервалы. Даже если пакет принят с ошибкой, повторно при синхронном соединении он не передается. При асинхронной связи используются временные сегменты, не зарезервированные для синхронного соединения. Если в адресном поле асинхронного пакета адрес не указан, пакет считается «широковещательным» — его могут читать все устройства. Асинхронное соединение позволяет повторно передавать пакеты, принятые с ошибками.

Стандартный пакет Bluetooth содержит код доступа длиной 72 бита, 54-битный заголовок и информационное поле длиной не более 2745 бит. Код доступа идентифицирует пакеты, принадлежащие одной пикосети, а также используется для синхронизации и процедуры запросов. Он включает преамбулу (4 бита), слово синхронизации (64 бита) и трейлер — 4 бита контрольной суммы.

Заголовок содержит информацию для управления связью и состоит из шести полей: AM_ADDR — 3-битный адрес активного элемента; TYPE — 4-битный код типа данных; FLOW — 1 бит управления потоком данных, показывающий готовность устройства к приему; ARQN — 1 бит подтверждения правильного приема; SEQN — 1 бит, служащий для определения последовательности пакетов; HEC — 8-битная контрольная сумма.

Информационное поле, в зависимости от типа пакетов, может содержать либо поля голоса, либо поля данных, либо оба типа полей одновременно.

Рассмотрим стандарт IEEE 802.11, используемый в локальных сетях передачи данных — т. е. в Ethernet-подобных беспроводных сетях, принципиально асинхронных по своей природе.

IEEE 802.11 рассматривает два нижних уровня модели взаимодействия открытых систем — физический (определяются способ работы со средой передачи, скорость и методы модуляции) и уровень звена данных, причем на последнем уровне рассматривается нижний подуровень — MAC, т. е. управление доступом к каналу (среде передачи). IEEE 802.11 использует диапазон 2,400 — 2,4835 ГГц с шириной полосы 83,5 МГц и предусматривает пакетную передачу с 48-битовыми адресными пакетами.

Стандарт предусматривает два основных способа организации локальной сети — по принципу «каждый с каждым» (связь устанавливается непосредственно между двумя станциями, все устройства должны находится в зоне радиовидимости, никакого администрирования не происходит) и в виде структурированной сети (появляется дополнительное устройство — точка доступа, как правило, стационарная и действующая на фиксированном канале; связь между устройствами происходит только через точки доступа, через них же возможен выход во внешние проводные сети).

Как правило, функции управления распределены между всеми устройствами сети IEEE 802.11 — режим DCF. Однако для структурированных сетей возможен режим PCF, когда управление передано одной определенной точке доступа. Необходимость в режиме PCF возникает при передаче чувствительной к задержкам информации. Ведь сети IEEE 802.11 действуют по принципу конкурентного доступа к каналу — приоритетов нет. Чтобы их при необходимости задавать, и введен режим PCF. Однако работа в данном режиме может происходить только в определенные периодически повторяющиеся интервалы.

Для безопасности передачи данных на MAC-уровне предусмотрены аутентификация станций и шифрование передаваемых данных.

IEEE 802.11 осуществляет множественный доступ к каналу связи с контролем несущей и обнаружением конфликтов. Станция может начать передачу, только если канал свободен. Если станции обнаруживают, что на одном канале пытаются работать несколько станций, все они прекращают передачу и пытаются возобновить ее через случайный промежуток времени. Таким образом, даже при передаче устройство должно контролировать канал, т. е. работать на прием.

Перед первой попыткой получить доступ к каналу устройство загружает длительность случайного интервала ожидания в специальный счетчик. Его значение декрементируется с заданной частотой, пока канал свободен. Как только счетчик обнулится, устройство может занимать канал. Если до обнуления счетчика канал занимает другое устройство, счет останавливается, сохраняя достигнутое значение. При следующей попытке отсчет начинается с сохраненной величины. В результате не успевший в прошлый раз получает больше шансов занять канал в следующий раз. В проводных сетях Ethernet подобного нет.

Пакеты, посредством которых происходит передача, фактически формируются на MAC-уровне, на физическом уровне к ним добавляется заголовок физического уровня (PLCP), состоящий из преамбулы и собственно PLCP-заголовка. Пакеты MAC-уровня могут быть трех типов — пакеты данных, контрольные и пакеты управления. Их структура одинакова. Каждый пакет включает MAC-заголовок, информационное поле и контрольную сумму. [3]

В широкополосных городских беспроводных сетях передачи данных с фиксированным доступом используется стандарт IEEE 802.16.

Стандарт IEEE 802.16 описывает работу в диапазоне 10 — 66 ГГц систем с архитектурой «точка-многоточка» (из центра — многим). Это двунаправленная система, т. е. предусмотрены нисходящий (от базовой станции к абонентам) и восходящий (к базовой станции) потоки. При этом каналы подразумеваются широкополосные (порядка 25 МГц), а скорости передачи — высокие (например, 120 Мбит/с).

Стандарт IEEE 802.16 предусматривает схему с модуляцией одной несущей (в каждом частотном канале) и допускает три типа квадратурной амплитудной модуляции: четырехпозиционную QPSK и 16-позиционную 16-QAM (обязательны для всех устройств), а также 64-QAM (опционально).

Данные на физическом уровне передаются в виде непрерывной последовательности кадров. Каждый кадр имеет фиксированную длительность — 0,5; 1 и 2 мс. Кадр состоит из преамбулы (синхропоследовательности длиной 32 QPSK-символа), управляющей секции, последовательности пакетов с данными. Поскольку определяемая стандартом IEEE 802.16 система двунаправленная, необходим дуплексный механизм. Он предусматривает как частотное, так и временное разделение восходящего и нисходящего каналов. При временном дуплексировании каналов кадр делится на нисходящий и восходящий субкадры, разделенные специальным интервалом. При частотном дуплексировании восходящий и нисходящий каналы транслируются каждый на своей несущей.

MAC-уровень IEEE 802.16 подразделяется на три подуровня — подуровень преобразования сервиса (сервисы — это различные приложения), основной подуровень и подуровень защиты. На подуровне защиты реализуются механизмы аутентификации и шифрование данных. На подуровне преобразования сервиса происходит трансформация потоков данных протоколов верхних уровней для передачи данных через сети IEEE 802.16. Для каждого типа приложений верхних уровней стандарт предусматривает свой механизм преобразования. На основном подуровне MAC формируются пакеты данных, которые затем передаются на физический уровень и транслируются через канал связи. Пакет MAC включает заголовок и поле данных, за которым может следовать контрольная сумма.

Ключевой момент в стандарте IEEE 802.16 — это понятие сервисного потока и связанные с ним понятия «соединение» и «идентификатор соединения» (CID). Сервисным потоком в стандарте IEEE 802.16 называется поток данных, связанный с определенным приложением. В этом контексте соединение — это установление логической связи на MAC-уровнях на передающей и приемной стороне для передачи сервисного потока. Каждому соединению присваивается 16-разрядный идентификатор CID, с которым однозначно связаны тип и характеристики соединения. Сервисный поток характеризуется набором требований к каналу передачи информации (к времени задержки символов, уровню флуктуаций задержек и гарантированной пропускной способности). Каждому сервисному потоку присваивается идентификатор SFID, основываясь на котором БС определяют необходимые параметры связанного с данным сервисным потоком конкретного соединения.

Основной принцип предоставления доступа к каналу в стандарте IEEE 802.16 — это доступ по запросу. Ни одна АС (абонентская станция) не может ничего передавать, кроме запросов на регистрацию и предоставление канала, пока БС не разрешит ей этого, т. е. отведет временной интервал в восходящем канале и укажет его расположение. АС может, как запрашивать определенный размер полосы в канале, так и просить об изменении уже предоставленного ей канального ресурса. Стандарт IEEE 802.16 предусматривает два режима предоставления доступа — для каждого отдельного соединения и для всех соединений определенной АС. Очевидно, что первый механизм обеспечивает большую гибкость, однако второй существенно сокращает объем служебных сообщений и требует меньшей производительности от аппаратуры. [7]

2. Системы сложных сигналов для телекоммуникационных систем

2.1 Спектры сигналов Спектр сигнала s (t) определяется преобразованием Фурье В общем случае спектр является комплексной функцией частоты щ. Спектр может быть представлен в виде

где |S (щ)| - амплитудный, а ц (щ) — фазовый спектр сигнала s (t).

Спектр сигнала обладает следующими свойствами:

1. Линейность: если имеется совокупность сигналов s1(t), s2(t), …, причем s1(t)S1(щ), s2(t)S2(щ), …, то сумма сигналов преобразуется по Фурье следующим образом:

где ai — произвольные числовые коэффициенты.

2. Если сигналу s (t) соответствует спектр S (щ), то такому же сигналу, смещенному на t0, соответствует спектр S (щ) умноженный на e-jщt0 s (t-t0)S (щ)e-jщt0.

3. Если s (t)S (щ), то

4. Если s (t)S (щ) и f (t)=ds/dt, то f (t)F (щ)=jщS (щ).

5. Если s (t)S (щ) и g (t)=?s (t)dt, то g (t)G (щ)=S (щ)/jщ.

6. Если u (t)U (щ), v (t)V (щ) и s (t)=u (t)v (t), то

.

Сигнал находится по спектру с помощью обратного преобразования Фурье

. 4]

Рассмотрим спектры некоторых сигналов.

1. Прямоугольный импульс.

Рис. 2.1. Спектр прямоугольного импульса.

2. Гауссовский импульс.

s (t)=Uexp (-вt2)

Рис. 2.2. Спектр гауссовского импульса.

3.Сглаженный импульс.

С помощью численного интегрирования находим спектр S (щ).

S (0)=2.052 S (6)=-0.056

S (1)=1.66 S (7)=0.057

S (2)=0.803 S (8)=0.072

S (3)= 0.06 S (9)=0.033

S (4)=-0.259 S (10)=-0.0072

S (5)=-0.221 S (щ)=S (-щ) Рис. 2.3. Спектр сглаженного импульса.

2.2 Корреляционные свойства сигналов Для сравнения сигналов, сдвинутых во времени, вводят автокорреляционную функцию (АКФ) сигнала. Она количественно определяет степень отличия сигнала u (t) и его смещенной во времени копии u (t — ф) и равна скалярному произведению сигнала и копии: