Передатчик базовой станции стандарта GSM - 900

Задание на курсовое проектирование

Спроектировать радиопередатчик мобильной станции со следующими техническими данными:

Стандарт GSM

Диапазон частот 900 МГц

Мощность 10 Вт

Нагрузка КСВН=1,24 W =50 Ом

Выполнить конструктивный расчёт ВЧ нагрузки выходного каскада

Введение

Влияние технологий мобильной связи на нашу жизнь переоценить невозможно. Мобильная связь рассматривается в настоящее время как необходимость, а технологии мобильной связи являются наиболее востребованными и быстро растущими. Системы мобильной связи эволюционировали в очень короткое время.

Системы первого поколения (1G) были аналоговыми, реализованными на достаточно надежных сетях, но с ограниченной возможностью предложения услуг абонентам. Кроме того, они не позволяли осуществлять роуминг между сетями.

Системы мобильной связи второго поколения (2G) являются цифровыми. Они привнесли существенные преимущества с точки зрения предложения абонентам усовершенствованных услуг, повышения емкости и качества. Система GSM относится к технологии 2G. Возросшая потребность в беспроводном доступе в Интернет привела к дальнейшему развитию системы 2G. Так появилась система, называемая 2.5G.

Поскольку в настоящее время существует несколько систем 2G, использующих несовместимые технологии и работающих в различных частотных спектрах, они не могут завоевать массовый рынок на долгосрочный период. Эти факторы привели к концепции систем третьего поколения (3G), которые позволят осуществлять связь, обмен информацией и предоставлять различные развлекательные услуги, ориентированные на беспроводное оконечное устройство (терминал). Развитие подобных услуг началось уже для систем 2G, но для поддержки этих услуг система должна располагать высокой емкостью и пропускной способностью радиоканалов, а также совместимостью между системами для того, чтобы предоставлять прозрачный доступ по всему миру.

Общая характеристика стандарта GSM

Важную роль в телекоммуникации играют стандарты, поскольку они:

  • позволяют обеспечить взаимосвязь продукции разных производителей;
  • облегчают внедрение новых технологий путем создания больших рынков для общей продукции.

Первостепенной целью разработки стандартов для мобильной связи является специфицирование того, как сеть мобильной связи должна обрабатывать вызовы с телефонных аппаратов мобильной связи. Например, они включают в себя спецификацию следующих элементов:

  • процедуры приема и передачи сигналов телефонными аппаратами мобильной связи;
  • формат этих сигналов;
  • взаимодействие сетевых узлов;
  • основные сетевые услуги, которые должны быть доступны абонентам мобильной связи;
  • базовая структура сети (например, соты и т. д.).

Каждый стандарт мобильной связи был разработан с целью удовлетворить конкретные требования тех стран, из которых были собраны исследовательские группы, вовлеченные в спецификацию стандартов.

Основополагающей технологией, на которой росли технологии предыдущих и существующих систем мобильной связи, и на которой будут отрабатываться будущие направления развития в области связи, является GSM. На начало 2002 года сети мобильной связи стандарта GSM занимали 71% мирового рынка услуг цифровой связи и 68% мирового рынка услуг беспроводной связи.

В целях принятия единого стандарта в 1982 году была создана специальная группа под названием GRoUP SPeCIaL moBILe (GSM), в которую вошли представители 24 западноевропейских стран. В качестве стандарта была принята цифровая система компании mANNesmANN, внедренная в 1991 году в Германии Стандарт GSM разрабатывался как независимый стандарт. Разработанные спецификации GSM не накладывают ограничения на требования к аппаратному обеспечению, используемому для организации мобильной связи, но однозначно определяют требования к функциональным возможностям систем мобильной радиосвязи стандарта GSM и используемым интерфейсам. Данный подход дает возможность разработчикам аппаратного обеспечения выпускать собственные реализации оборудования стандарта GSM, и в то же самое время дает возможность операторам выбирать производителя аппаратного обеспечении.

GSM включает в себя три диапазона частот: 900, 1800, 1900 МГц.

В 1995 году в США была разработана спецификация для стандарта «Персональные услуги связи» (PCS). Это версия GSM, работающая в диапазоне 1900 МГц, а в 1996 году становятся доступными первые системы GSM 1900. Они соответствуют стандарту PCS1900(американский стандарт AmeRICaN NatIoNaL StaNdaRds(ANSI)). Основной идеей этой концепции является возможность предоставления персональной связи, то есть связи между двумя абонентами, а не между двумя мобильными станциями. PCS не требует, чтобы эти услуги были реализованы на основе сотовой технологии. Но в настоящее время эта технология признана наиболее эффективной для данной концепции. Частоты, доступные для реализации PCS, находятся в области 1900 МГц. Поскольку в Северной Америке Стандарт GSM 900 не может быть использован из-за того, что эта полоса частот занята другим стандартом, стандарт GSM 1900 является возможностью заполнения этого пробела. Основным различием между американским стандартом GSM 1900 и GSM 900 является то, что GSM 1900 поддерживает сигнализацию ANSI.

Сегодня аббревиатуру GSM расшифровывают как GLoBaL System foR moBILe CommUNICatIoNs, а стандарт GSM и его версии приняты к использованию приблизительно в 80 странах мира. До России технология добралась с традиционным опозданием: первая система сотовой связи появилась у нас только в 1991 году. Несмотря на это, темпы развития сотовой связи у нас в стране настолько высоки, что всего за несколько лет этот сервис превратился из "привилегии избранных" в насущную необходимость для людей со средними доходами. Вместо символа достатка сотовая связь становится тем, чем она и должна быть - средством связи, конкурируя уже в отдельных областях с проводными сетями. Принцип построения Принцип построения сотовых систем вкратце состоит в следующем: в пределах территории действия сети устанавливается некоторое количество относительно маломощных стационарных приемо-передающих станций (базовых станций), каждая из которых имеет небольшую зону действия (обычно несколько километров). При этом зоны действия соседних станций несколько перекрывают друг друга, чтобы обеспечить возможность перемещения абонента из одной зоны в другую без потери связи. Чтобы такое перекрытие было возможным, соседние станции должны использовать различные рабочие частоты. Для полного покрытия определенной территории требуется как минимум три различные частоты, чтобы расположенные в виде треугольника станции могли иметь перекрытие зон обслуживания. Четвертая же станция может снова использовать одну из этих трех частот, так как она граничит только с двумя зонами. При таком подходе форма зоны действия каждой базовой станции представляет собой шестиугольник, а расположение этих зон в точности повторяет структуру пчелиных сот, что и дало название системам связи с подобным принципом построения.

Описание стандарта

Стандарт GSM относится ко второму поколению стандартов для сотовой связи, основанному на цифровой технологии. Реализованное в системах GSM полноскоростное кодирование речи позволяет сделать ее качество сравнимым с качеством стационарных телефонных сетей. Радиотелефон стандарта GSM можно условно разделить на две части: абонентский модуль SIm (SIm-карта) и непосредственно сам телефон, содержащий аппаратное и программное обеспечение. SIm-карта служит подтверждением подлинности абонента и содержит в своей памяти все необходимые данные, связанные с полномочиями конкретного абонента. Чтобы похититель не смог ею воспользоваться, в нее вводят специальный идентификационный номер (РIN-код). Использование SIm-карты также удобно тем, что при смене аппарата абоненту не нужно менять свой мобильный номер, он просто переставляет карту, и все сохраненные на ней данные, включая записную книжку, становятся доступными в новом аппарате. Когда SIm-карты нет в аппарате, доступ к абсолютному большинству услуг закрыт, за исключением экстренных вызовов (если позволяет сеть). Изготовить дубликат SIm-карты очень сложно и в совокупности с функциями защиты, она дает высокий уровень защиты пользователей и сетей от несанкционированного доступа.

Возможности GSM

В стандарте GSM введено несколько функций защиты. В первую очередь это шифрация радиоканала, которая исключает прослушивание третьей стороной, а также защита номера абонента (для предотвращения раскрытия его местонахождения). Помимо стандартных возможностей, предоставляемых операторами сотовой связи - местная, междугородная и международная связь, переадресация вызова и других, телефоны стандарта GSM дают своим обладателям ряд дополнительных функций: сохранение речевых сообщений, поступивших в период, когда абонент был недоступен (голосовая почта), прием сообщения о пришедшем факсе (факс-почта), определение номера звонящего. Предусмотрена возможность передачи коротких сообщений "из точки в точку" (пейджинга), то есть абоненты при желании могут обмениваться простыми короткими (несколько десятков символов) сообщениями (тарифы на эту услугу несколько ниже, чем на обычные переговоры). Функция мобильного модема/факса наряду с повсеместным распространением портативных компьютеров дает возможность доступа к Интернету и электронной почте через сети GSM. Эти услуги значительно увеличивают привлекательность использования телефонов GSM для пользователей. Так, к примеру, факс-почта может быть очень полезна деловому человеку, ибо позволяет не пропустить информацию о факсе в любое время, независимо от местонахождения абонента. Мобильный телефон известит своего владельца, а тот может получить факс когда угодно и где угодно, так как факс автоматически поступает в его электронный почтовый ящик.

Особенности

  • Меньшие по сравнению с аналоговыми стандартами размеры и вес телефонных аппаратов при большем времени работы без подзарядки аккумулятора. В основном это достигается за счет аппаратуры базовой станции, которая постоянно анализирует уровень сигнала, принимаемого от аппарата абонента. В тех случаях, когда он выше требуемого, автоматически снижается излучаемая мощность.
  • Относительно высокая емкость сети
  • Низкий уровень индустриальных помех в данном частотном диапазоне
  • Несколько неестественное звучание речи, за то нет шипения и треска
  • Максимальная защита от подслушивания и нелегального использования, что достигается путем применения алгоритмов шифрования с открытым ключом. EfR-технология являет собой усовершенствованную систему кодирования речи. Эта система была разработана фирмой NoKIa и впоследствии стала промышленным стандартом кодирования/декодирования для технологии GSM
  • Связь на расстоянии не более 35 км от ближайшей базовой станции даже при использовании усилителей и направленных антенн (для стандарта 900)
  • Максимальная излучаемая мощность мобильных телефонов стандарта GSM-1800: 1Вт; GSM-900: 2Вт
  • Высокая защита от подслушивания и нелегального использования номера
  • Высокая емкость сети, что важно для крупных городов

В соответствии с рекомендацией СЕРТ 1980 г., касающейся использования спектра частот подвижной связи в диапазоне частот 862-960 МГц, стандарт GSM на цифровую общеевропейскую (глобальную) сотовую систему наземной подвижной связи предусматривает работу передатчиков в двух диапазонах частот: 890-915 МГц (для передатчиков подвижных станций - mS), 935-960 МГц (для передатчиков базовых станций - BTS) .

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.

Система 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 шифрование 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).

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