Проект соединительной цифровой радиорелейной линии для сети сотовой связи Томск - Володино

Темпы увеличения потребности в электросвязи и соответственно темпы реализации этой потребности в технических системах непрерывно увеличивались на всем протяжении закончившегося ХХ века и продолжают нарастать. Непрерывный и быстрый рост потоков информации между людьми, учреждениями, населенными пунктами и странами - один из наиболее характерных процессов в развитии современной культуры.

Благодаря очевидным достоинствам связи без проводов именно радиосвязь развивалась особенно быстро, как по объемам, так и по количеству и уровню новых открытий, изобретений, конструкций, и по масштабам внедрения в жизнь. Это развитие привело к обострению проблемы электромагнитной совместимости радиотехнических устройств, так как открытое распространение радиоволн делает неизбежными взаимные помехи при работе этих устройств, действующих в общем пространстве.

Существует много методов того чтобы избежать взаимных помех при работе РРС, но наиболее надёжными считаются три.

1. Уменьшение мощности передатчиков (ограничение по дальности);

2. Разделение передачи по времени или временное разделение каналов ВРК;

. Частотное разделение каналов - ЧРК. Оно является самым эффективным при котором для излучение каждой линии радиосвязи выделяется определенная длинна волны и разрешенная для занятия полоса частот.

Развитие многоканальной радиорелейной связи относится к началу 40-х годов, когда появляются первые 12-канальные радиолинии, использующие тот же, что и для кабельных линий, способ частотного разделения каналов и ту же каналообразующую аппаратуру, а также частотную модуляцию сигнала.

В начале 50-х годов появилось сразу несколько типов отечественной аппаратуры РРЛ («Стрела», Р-60/120, Р-600). В дальнейшем на сети связи страны появились радиорелейные системы прямой видимости РРСП «Рассвет», «Восход», КУРС (комплекс унифицированных радиорелейных систем), «Электроника-связь» и др. Общая протяженность РРЛ, эксплуатируемых в народном хозяйстве СССР, составляет более 100 тысяч км.

Радиорелейные линии связи (РРЛ), как коаксиальные и волоконно-оптические кабельные магистрали, служат для многоканальной передачи сотен и тысяч телефонных сообщений, ряда телевизионных программ, высокоскоростной передачи данных в буквенно-цифровом формате от многих корреспондентов и т.д.

Сегодня операторы связи чаще, чем когда либо, обращаются к беспроводным решениям. Это естественный результат постоянного роста требований заказчика как к скорости развертывания новых транспортных магистралей, так и к оперативности увеличения емкости сетей. Особенно актуальной эта проблема становится в эпоху Интернет-экономики, новых широкополосных услуг, мобильной радиосвязи и появления сетей третьего поколения.

Технология радиорелейной связи является хорошим дополнением к проводным средствам, так как представляет заказчикам гибкие и надежные решения, а также возможность быстрого развертывания сети при сравнительно низких затратах.

Освоение природных богатств Дальнего Востока и Сибири а также развитие Газовой отрасли на этом участке потребовало резкого увеличения протяженности ретрансляционных участков РРЛ для обеспечения связью в труднодоступных и отдаленных районов.

В данной дипломной работе рассмотрены вопросы организации цифровых соединительных линий для управления работой Газопровода

С момента изобретения телефона в 1875 году, ставшего отправной точкой в развитии телефонной связи, методов и технологий передачи голоса, прошло сто лет прежде чем в 1975 году появился первый микрокомпьютер.

Все это время системы связи были аналоговыми (в мире - практически вплоть до середины 60-х, в России до середины 70-х годов). Цифровых систем связи практически не было, несмотря на то, что ИКМ была известна с 1937 года, а специализированные цифровые компьютеры - с 1939 года. Несмотря на то, что импульсные методы модуляции интенсивно развивались с начала 40-х в связи с развитием радиолокации, ИКМ не находила широкого практического применения ввиду громоздкости цифрового оборудования, вплоть до появления в 1959 году компьютеров второго поколения, использующих транзисторы в качестве элементной базы.

Начало использования цифровых технологий в сетях передачи данных связано с ИКМ, а именно, с системами цифровой телефонии на основе кабельных сетей связи, используемыми для передачи голоса.

Первой коммерческой цифровой системой передачи голоса, использующей ИКМ и методы мультиплексирования с временным разделением каналов, считают систему компании Bell System (США), установленную в Чикаго в 1962 году. Система давала возможность передавать 24 голосовых канала по медному кабелю, проложенному между офисами компании Bell System. Каждый голосовой канал использовал скорость передачи 64 кбит/с, все каналы объединялись с помощью мультиплексора в единый поток двоичных данных со скоростью 1536 кбит/с, а с учетом служебного канала (8 кбит/с) этот поток приобретал скорость 1544 кбит/с. Он, благодаря последующей стандартизации, и стал известен как канал DS1 или Т1, принятый далее в США за первый (или первичный) уровень мультиплексирования для систем цифровой телефонии. Это было уже время появления ЭВМ третьего поколения (IBM System 360, 1963 год), принесших с собой концепцию канала ввода/вывода с развитой системой мультиплексоров ввода/вывода, используемых для организации коммерческих компьютерных систем цифровой передачи данных, а также для объединения компьютеров в локальные сети.

Однако только стремительное развитие микропроцессорной техники и технологии, зародившейся в 1971 году с появлением первого микропроцессора компании Intel, сделало возможным реальное внедрение цифровой техники в телекоммуникационные системы и привело к широкому распространению и развитию компьютерных сетей, давших вторичный мощный импульс развитию сетей передачи данных на основе ИКМ.

Сетевые цифровые технологии развивались до последнего времени параллельно для глобальных и локальных сетей. Технологии глобальных сетей были направлены в основном на развитие цифровых телефонных сетей, используемых для передачи голоса. Технологии локальных сетей - напротив, использовались, в основном, для передачи данных.

Развитие цифровых телефонных сетей шло по линии уплотнения каналов, как за счет мультиплексирования низкоскоростных первичных каналов Т1, так и за счет использования более рациональных методов модуляции, например, использования дифференциальной ИКМ и ее модификаций, позволивших применять для передачи голосового сигнала скорости 32, 16 и 8 кбит/с.

Развитие схем мультиплексирования привело к возникновению трех цифровых иерархий с разными (для разных групп стран) уровнями стандартизованных скоростей передачи или каналов: DS2 или Т2/Е2, DS3 или ТЗ/ЕЗ, DS4 или Т4/Е4. Эти иерархии, названные плезиохронными цифровыми иерархиями PDH (ПЦИ), широко использовались и продолжают использоваться как в цифровой телефонии, так и для передачи данных.

Развитие технологий скоростных телекоммуникаций на основе PDH привело к появлению в последнее время двух наиболее значительных новых цифровых технологий: синхронной оптической сети SONET (COC), и синхронной цифровой иерархии SDH (СЦИ), иногда рассматриваемых как единая технология SONET/SDH. Эти технологии были ориентированы на использование волоконно-оптических кабелей (ВОК) в качестве среды передачи.

Технологии локальных сетей, ориентированных на передачу данных, а не голоса, развивались не по линии уплотнения каналов, а по линии увеличения полосы пропускания каналов передачи данных, необходимой для передачи не только текстовых, но и графических данных, а сейчас и данных мультимедиа. В результате используемые на начальном этапе развития сетевые технологии ARCnet, Ethernet и Token Ring, реализующие скорости передачи 2-16 Мбит/с в полудуплексном режиме и 4-32 Мбит/с в дуплексном режиме, уступили место новым скоростным технологиям: FDDI, Fast Ethernet 100VG-Any LAN, использующим скорость передачи данных 100 Мбит/с и ориентированных в больше части своей также на применение ВОК.

Создание компьютерных сетей масштаба предприятия, корпоративных, региональных и глобальных сетей передачи данных, связывающих множество локальных компьютерных сетей, в свои очередь привело к созданию таких транспортных технологий передачи данных как Х.25, цифровая сеть интегрированного обслуживания ISDN и peтрансляция кадров Frame Relay, решавших эти задачи первоначально на скоростях 64 кбит/с - 14 кбит/с - 1.5/2 Мбит/с соответственно.

Дальнейшее развитие этих технологий также шло по линии увеличения скоростей передачи и привело к трем важным результатам:

постепенному отмиранию (в плане бесперспективности развития) существующей еще технологии Х.25;

увеличению скорости передачи данных, реализуемому технологией Frame Relay, до скорости ТЗ (45 Мбит/с);

появлению в недрах технологии широкополосной ISDN (B-ISDN) новой технологии ATM, или режима асинхронной передачи, которая принципиально может применяться на различных скоростях передачи (от 1.5 Мбит/с до 40 Гбит/с), благодаря использованию техники инкапсуляции данных.

Система сотовой связи стандарта GSM.

Общие характеристики стандарта GSM.

В стандарте GSM используется узкополосный многостанционный доступ с временным разделением каналов (NB ТDМА). В структуре ТDМА кадра содержится 8 временных позиций на каждой из 124 несущих.

Для защиты от ошибок в радиоканалах при передаче информационных сообщений применяется блочное и сверточное кодирование с перемежением. Повышение эффективности кодирования и перемежения при малой скорости перемещения подвижных станций достигается медленным переключением рабочих частот (SFH) в процессе сеанса связи со скоростью 217 скачков в секунду.

Для борьбы с интерференционными замираниями принимаемых сигналов, вызванными многолучевым распространением радиоволн в условиях города, в аппаратуре связи используются эквалайзеры, обеспечивающие выравнивание импульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс.истема синхронизации рассчитана на компенсацию абсолютного времени задержки сигналов до 233 мкс, что соответствует максимальной дальности связи или максимальному радиусу ячейки (соты) 35 км.

В стандарте GSM выбрана Гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Обработка речи осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи (DTX), которая обеспечивает включение передатчика только при наличии речевого сигнала и отключение передатчика в паузах и в конце разговора. В качестве речепреобразующего устройства выбран речевой кодек с регулярным импульсным возбуждением, долговременным предсказанием и линейным предикативным кодированием с предсказанием (RPE/LTR-LTP-кодек). Общая скорость преобразования речевого сигнала - 13 кбит/с.

В стандарте GSM достигается высокая степень безопасности передачи сообщений осуществляется шифрованием сообщений по алгоритму шифрования с открытым ключом (RSA).

В целом система связи, действующая в стандарте GSM, рассчитана на ее использование в различных сферах. Она предоставляет пользователям широкий диапазон услуг и возможность применять разнообразное оборудование для передачи речевых сообщений и данных, вызывных и аварийных сигналов; подключаться к телефонным сетям общего пользования (PSTN), сетям передачи данных (PDN) и цифровым сетям с интеграцией служб (ISDN).

Таблица 1. Основные характеристики стандарта GSM

Частоты передачи подвижной станции приема базовой станции, МГц	890-915
Частоты приема подвижной станции и передачи базовой станции, МГц	935-960
Дуплексный разнос частот приема и передачи, МГц	45
Скорость передачи сообщений в радиоканале, кбит/с	270, 833
Скорость преобразования речевого кодека, кбит/с	13
Ширина полосы канала связи, кГц	200
Максимальное количество каналов связи	124
Максимальное количество каналов, организуемых в базовой станции	16-20
Вид модуляции	GMSK
Индекс модуляции	ВТ 0,3
Ширина полосы предмодуляционного гауссовского фильтра, кГц	81,2
Количество скачков по частоте в секунду	217
Временное разнесение в интервалах ТDМА кадра (передача/прием) для подвижной станции	2
Вид речевого кодека	RPE/LTP
Максимальный радиус соты, км	до 35
Схема организации каналов комбинированная TDMA/FDMA

Структурная схема и состав оборудования сетей связи

Рисунок 1. - Функциональное построение и интерфейсы в стандарте GSM

Функциональное построение и интерфейсы, принятые в стандарте GSM, иллюстрируются структурной схемой рисунок 1.2, на которой MSC (Mobile Switching Centre) - центр коммутации подвижной связи; BSS (Base Station System) - оборудование базовой станции; ОМС (Operations and Maintenance Centre) - центр управления и обслуживания; MS (Mobile Stations) подвижные станции.

Функциональное сопряжение элементов системы осуществляется рядом интерфейсов. Все сетевые функциональные компоненты в стандарте GSM взаимодействуют в соответствии с системой сигнализации МККТТ SS N 7 (CCITT SS. N 7).

Центр коммутации подвижной связи обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы подвижная станция. MSC аналогичен ISDN коммутационной станции и представляет собой интерфейс между фиксированными сетями (PSTN, PDN, ISDN и т.д.) и сетью подвижной связи. Он обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами. Кроме выполнения функций обычной ISDN коммутационной станции, на MSC возлагаются функции коммутации радиоканалов. К ним относятся "эстафетная передача", в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении подвижной станции из соты в соту, и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностях.

Каждый MSC обеспечивает обслуживание подвижных абонентов, расположенных в пределах определенной географической зоны (например, Москва и область). MSC управляет процедурами установления вызова и маршрутизации. Для телефонной сети общего пользования (PSTN) MSC обеспечивает функции сигнализации по протоколу SS N 7, передачи вызова или другие виды интерфейсов в соответствии с требованиями конкретного проекта. MSC формирует данные, необходимые для выписки счетов за предоставленные сетью услуги связи, накапливает данные по состоявшимся разговорам и передает их в центр расчетов (биллинг-центр). MSC составляет также статистические данные, необходимые для контроля работы и оптимизации сети. MSC поддерживает также процедуры безопасности, применяемые для управления доступами к радиоканалам.не только участвует в управлении вызовами, но также управляет процедурами регистрации местоположения и передачи управления, кроме передачи управления в подсистеме базовых станций (BSS). Регистрация местоположения подвижных станций необходима для обеспечения доставки вызова перемещающимся подвижным абонентам от абонентов телефонной сети общего пользования или других подвижных абонентов. Процедура передачи вызова позволяет сохранять соединения и обеспечивать ведение разговора, когда подвижная станция перемещается из одной зоны обслуживания в другую. Передача вызовов в сотах, управляемых одним контроллером базовых станций (BSC), осуществляется этим BSC. Когда передача вызовов осуществляется между двумя сетями, управляемыми разными BSC, то первичное управление осуществляется в MSC. В стандарте GSM также предусмотрены процедуры передачи вызова между сетями (контроллерами), относящимися к разным MSC. Центр коммутации осуществляет постоянное слежение за подвижными станциями, используя регистры положения (HLR) и перемещения (VLR). В HLR хранится та часть информации о местоположении какой-либо подвижной станции, которая позволяет центру коммутации доставить вызов станции. Регистр HLR содержит международный идентификационный номер подвижного абонента (IMSI). Он используется для опознавания подвижной станции в центре аутентификации (AUC).

Практически HLR представляет собой справочную базу данных о постоянно прописанных в сети абонентах. В ней содержатся опознавательные номера и адреса, а также параметры подлинности абонентов, состав услуг связи, специальная информация о маршрутизации. Ведется регистрация данных о роуминге (блуждании) абонента, включая данные о временном идентификационном номере подвижного абонента (TMSI) и соответствующем VLR.

К данным, содержащимся в HLR, имеют дистанционный доступ все MSC и VLR сети и, если в сети имеются несколько HLR, в базе данных содержится только одна запись об абоненте, поэтому каждый HLR представляет собой определенную часть общей базы данных сети об абонентах. Доступ к базе данных об абонентах осуществляется по номеру IMSI или MSISDN (номеру подвижного абонента в сети ISDN). К базе данных могут получить доступ MSC или VLR, относящиеся к другим сетям, в рамках обеспечения межсетевого роуминга абонентов.

Второе основное устройство, обеспечивающее контроль за передвижением подвижной станции из зоны в зону, - регистр перемещения VLR. С его помощью достигается функционирование подвижной станции за пределами зоны, контролируемой HLR. Когда в процессе перемещения подвижная станция переходит из зоны действия одного контроллера базовой станции BSC, объединяющего группу базовых станций, в зону действия другого BSC, она регистрируется новым BSC, и в VLR заносится информация о номере области связи, которая обеспечит доставку вызовов.

Защита и безопасность информации

Для исключения несанкционированного использования ресурсов системы связи вводятся механизмы аутентификации - удостоверения подлинности абонента. Центр аутентификации состоит из нескольких блоков и формирует ключи и алгоритмы аутентификации. С его помощью проверяются полномочия абонента и осуществляется его доступ к сети связи. AUC принимает решения о параметрах процесса аутентификации и определяет ключи шифрования абонентских станций на основе базы данных, сосредоточенной в регистре идентификации оборудования (EIR - Equipment Identification Register).

Каждый подвижный абонент на время пользования системой связи получает стандартный модуль подлинности абонента (SIM), который содержит: международный идентификационный номер (IMSI), свой индивидуальный ключ аутентификации (Ki), алгоритм аутентификации (A3).

С помощью записанной в SIM информации в результате взаимного обмена данными между подвижной станцией и сетью осуществляется полный цикл аутентификации и разрешается доступ абонента к сети.

Организация эстафетной передачи абонента

Рассмотрим случай корректировки местоположения в момент эстафетной передачи. В этом случае подвижная станция уже зарегистрирована в регистре перемещения VLR с временным номером TMSI, соответствующим TMSI прежней зоны обслуживания. При входе абонента в новую зону осуществляется процедура опознавания, которая проводится по старому, зашифрованному в радиоканале TMSI, передаваемому одновременно с номером LAI зоны обслуживания. Последний дает информацию центру коммутации и центру управления о направлении перемещения подвижной станции и позволяет запросить прежнюю зону расположения о статусе абонента и его данные, исключив обмен этими служебными сообщениями по радиоканалам управления. При этом по каналу связи сообщение передается как зашифрованный информационный текст с прерыванием сообщения в процессе эстафетной передачи на 100-150 мс.\

Выбор стандарта

В данном дипломном проекте используется стандарт GSM. Самый распространенный в мире стандарт сотовой связи, предоставляющий практически все услуги.

Его основное преимущество - в цифровом кодировании сигнала, что позволило избавиться от многих помех в радиопередаче, а значит, дать лучшее качество связи в местах плотной застройки и обеспечить конфиденциальность разговора.

Два других достижения - автоматический роуминг и авторизация на SIM-карте. Последнее означает, что, вынув карту из одного телефона и установив в другой (операция, занимающая не больше минуты), абонент может менять телефонные аппараты как заблагорассудится.

Стандарт в коммерческом исполнении существует в трех модификациях: для радиодиапазонов 900, 1800 и 1900 МГц. Первый диапазон экономически выгоднее для покрытия относительно больших территорий (радиус одной соты 35 км, что, конечно же, меньше, чем в NMT - 120 км в зоне прямой видимости). Второй диапазон больше подходит в городе: радиус соты меньше, зато в ней может находиться больше одновременно работающих абонентов.

Третий диапазон применяется только в США, где европейские 900 и 1800 МГц заняты другими службами. Владельцы трехдиапазонных трубок - единственные счастливые обладатели сотовых телефонов, способные воспользоваться услугой автоматического роуминга в США.

На сегодняшний день стандарт GSM поддерживают 228 операторов, официально зарегистрированных в Ассоциации операторов GSM из 110 стран.

За последнее время стандарт GSM-900 сделал еще один большой шаг в своем развитии. Были приняты новые спецификации - фаза 2 и фаза 2+.

Новые функции принятые в этих спецификациях являются полностью цифровыми и позволяют пользователю работать с еще большей эффективностью. К ним относятся ожидание звонка, удержание звонка, возможность просмотра стоимости разговора и состояния личного счета, а также идентификация входящего вызова. Эти функции расширяют и без того немалый ряд сервисных возможностей стандарта.

Но все-таки к наиболее важным изменениям стоит отнести появление новых кодеров речи и данных. Это EFR (Enhanced Full Rate), Full Rate и Half Rate. До введения спецификации "GSM фаза 2" все сети и, соответственно, аппараты работали на "полной скорости" (Full Rate), что в конце концов, стало камнем преткновения - сети не успевали обрабатывать большое количество пользователей и терялось основное назначение сотового телефона - мобильность. С введением EFR и Half Rate ситуация коренным образом изменилась. Пропускная способность сети увеличилась в несколько раз, так как теперь одним каналом передачи сигнала может пользоваться несколько абонентов одновременно. Возросло и качество передаваемой речи за счет более частого общения телефона с базовой станцией.EFR являет собой усовершенствованную систему кодирования речи. Эта система была разработана фирмой Nokia и, впоследствии, стала промышленным стандартом кодирования/декодирования для технологии GSM.

Еще одним немаловажным дополнением стало расширение языковых возможностей "Сервиса Коротких Сообщений" (SMS). Первоначально в SMS использовался только набор латинских букв, однако недавно в стандарте GSM фаза 2+ были введены символы UNICODE, которые включают кириллицу. Операторы использующие данную кодировку могут отправлять мобильным телефонам, поддерживающим кодировку UNICODE, уведомления о голосовой почте, написанные на русском языке.

Основным элементом в работе пользователя с этим стандартом является SIM-карта. С помощью нее выполняются все функции идентификации пользователя в сети (одновременно проводится проверка на наличие "двойников"), проверка подлинности абонента, связь с базовой станцией. SIM-карта также несет в себе все установки необходимые для работы аппарата в сети - вставив в новый аппарат свою SIM-карту, пользователь сохраняет все установки, а главное - свой телефонный номер.

Читайте также

Разработка компьютерного измерительного комплекса вагона-лаборатории железнодорожной автоматики, телемеханики и связи
Измерительная техника - один из важнейших факторов ускорения научно-технического прогресса практически во всех отраслях народного хозяйства. Получение и обработка измерительной информа ...

Применение системы автоматического проектирования на ИП Суслова
Почти все крупные предприятия используют в своей работе возможности компьютерной техники, в частности CAD, CAM, САЕ технологии, т.к. они предоставляют ряд преимуществ, таких как ...

Подвеска оптического кабеля на опорах
В настоящее время на ВОЛП-ВЛ применяются следующие типы ОК: ОКГТ - оптический кабель, встроенный в грозозащитный трос; ОКСН - оптический кабель самонесущий; ОКНН - оптический ...

Основные разделы