ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕДЛЕННЫХ ПРЫЖКОВ ПО ЧАСТОТЕ В СИСТЕМЕ GSM

June 29, 2012 by admin Комментировать »

Афонин С. В. Липатов А. А. Федорова Т. М. Научный центр связи и информатизации ВС Украины ул. Московская 45/1, Киев, 01015, Украина тел.: (8044) 2912336;

Коломыцев М. А.

Институт телекоммуникационных систем НТУУ "КПИ" просп. Победы 37, Киев, 03056 тел.: (8044) 2416897


Аннотация Раскрывается сущность режима "медленных прыжков по частоте" систем GSM, до сих пор неиспользуемого в Украине и в странах СНГ. Приведена ориентировочная оценка эффективности этого режима и особенности его реализации.

I.  Введение

Среди других систем подвижной радиосвязи Украины сотовые системы GSM-900 и GSM-1800 (далее Системы) занимают первое место по охвату территории, количеству абонентов и техническому совершенству. Для повышения емкости и качества передачи в Системах используются [1]: узкополосный множественный доступ с временным разделением каналов; блочное и свёрточное кодирование с перемежением; эквалайзеры, выравнивающие импульсные сигналы со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс.; компенсация времени задержки сигналов до 233 мкс.; прерывистая передача речи; управление мощностью излучения; модуляция GMSK; речепреобразующие кодеки; шифрование сообщений с открытым ключом и др.

В Системах предусмотрена также возможность использования специфического режима медленного переключения (прыжков) рабочих частот. В странах СНГ этот режим, насколько нам известно, не используется и рассмотрение его сущности, а также оценка эффективности, в широко доступных источниках, отсутствуют. В докладе приводятся обобщённые нами сведения по данному режиму.

II.  Основная часть

Назначение и сущность режима работы с медленными прыжками по частоте. Повышение эффективности Систем достигается применением, наряду с другими вышеуказанными техническими мерами, медленных скачков частоты (SFH) разновидности псевдослучайной перестройки рабочей частоты (ППРЧ), циклической или псевдослучайной. Цель введения этого режима снижение влияния интерференционных помех, уровень которых с увеличением емкости системы неизбежно возрастает и может превзойти допустимый, ухудшая качество передачи.

Сущность режима SFH заключается [1] в переключении рабочей частоты с определенной скоростью по псевдослучайному закону во время передачи сообщения (рис.1). Благодаря медленным прыжкам по частоте, а также кодированию с перемежением в течение сеанса связи, снижается влияние интерференционных помех.

Термин "медленные" в данном случае означает, что частота скачков fh меньше частоты следования информационных бит fb, вследствие чего на одной частотной позиции могут передаваться несколько (до тысячи, в некоторых системах) бит сообщения. Переключение частот считается мгновенным, а время занятия одной частотной позиции Tf связано с длительностью бита Ть соотношением:

Tf = k Ть, где к =1,2,3…, то есть Tf [с] = 1/217 > Ть

Рис. 1. Последовательность смены частот при SFH Fig. 1. The sequence of frequency changes in the SFH

Если на частоте f1 возникает интерференционная помеха, существенно влияющая на связь базовой станции с мобильной, то без SFH связь в канале на частоте f1 будет отсутствовать. При использовании п прыжков по частоте, передача на частоте f1 (подверженной воздействию интерференционной помехи) будет осуществляться в течение времени Т/n, где Т длительность сеанса связи, апколичество частот, используемых для связи. Если интерференция наблюдается только на одной из всех выделенных для работы частоте fl, то (п-1)/п% всех бит будет принято верно, а 1/п их часть с большими вероятностями ошибок вследствие интерференционных замираний на частоте f1. Поскольку при передаче осуществляется перемежение, а на приеме обратная процедура, то все ошибочные биты, принятые на частоте fl, будут равномерно рассредоточены между верно принятыми битами, принятыми на остальных частотах. С такого рода ошибками успешно справляется применяемый в GSM сверточный код. Зависимость выигрыша в отношении С/П от количества переключаемых [1] частот приведена на рис. 2.

Отметим, что в Системах предусмотрена возможность применения двух видов SFH: base band hopping (ВВН) и synthesizer hopping (SH). При BBH скачки частоты реализуются в пределах какого-либо сектора конкретной базовой станции, количество передатчиков соответствует числу частотных позиций последовательности.

При SH по определённому частотному плану осуществляется синхронное изменение частот во всех сотах системы, в каждой соте для всех таймслотов в данный момент времени задействован только один передатчик. Этот вид SFH считается более эффективным и гибким.

На эффективность SFH влияют следующие факторы.

Тип кластера

1/3-4С

1/3-6С

2/6-4С

4/12 (по Hopping)

Число сот в кластере

1

1

2

4

Число секторов в кластере

3

3

6

12

Число частотных позиций SFH

4

6

3

нет

Количество обрывов связи, %

2,6

2,36

2,4

2,5

Число «Hand-overs»

4000

3900

3800

3400

Вероятность приема с различным качеством

идеальное

50%

23%

11%

45%

хорошее

30%

55%

20%

32%

удолетво-

рительное

15%

11,5%

17%

2%

плохое

5%

10,5%

52%

11%

Рис. 2. Выигрыш от SFH Fig. 2. Advantages of SFH

Число частот (частотных позиций) последовательности. С увеличением числа позиций эффективность SFH возрастает (рис.2). Однако, использование более 8 частот в последовательности нерационально в связи уменьшением роста выигрыша за счет SFH при дальнейшем увеличении количества частот.

Разнесение прыгающих частот. Чем больше разнос частотных позиций, тем больше эффективность SFH, так как корреляция между сигналами на этих частотах уменьшается.

Нагрузка (трафик) системы. Нагрузка системы существенно влияет на результаты применения SFH, так как при её уменьшении снижается вероятность интерференции на каждой частоте и, следовательно, возрастает выигрыш от применения рассматриваемого режима.

Частотный план. При включении SFH частотный план, составленный для обычного режима и предусматривающий повторное использование частот, становится малоэффективным. Режиму SFH должен соответствовать новый частотный план с более плотным переиспользованием частот в сотах, позволяющий увеличить емкость системы.

Оценка использования SFH. В отечественных источниках результаты экспериментальной оценки использования SFH отсутствуют. В таблице 1 обобщены результаты, опубликованные в [2].

Использование режима SFH способствует:

–    уменьшению числа обрывов соединения;

–    увеличению среднего уровня принимаемого сигнала;

–    применению частотных планов с более плотным переиспользованием частот. При этом рекомендуется применять не менее 3-4 частотных позиций в последовательности, разносить частоты последовательности друг от друга как можно дальше, использовать для каналов управления и каналов трафика различные частотные планы. Дальнейшую оценку приведём в виде ответов на часто задаваемые вопросы.

Повышается ли емкость обслуживаемой сети при работе с SFH?

Если мы работаем в полностью загруженной сети с заданной структурой, то использование скачков частоты не увеличит её емкость. Однако, если учесть энергетический выигрыш за счёт указанных скачков, то реконфигурируя сеть можно организовать соты меньшего размера, вводя дополнительные базовые станции. Это позволит увеличить их количество и, следовательно, приведет к увеличению числа обслуживаемых абонентов, то есть емкости сети.

При неизменных размерах не полностью загруженных сот использование прыжков по частоте и соответствующее снижение мощностей передатчиков БС позволяют переиспользовать частоты чаще, т.е. уменьшить общее количество рабочих частот сети, сохраняя ее емкость.

Повышает ли SFH криптозащиту? Собственная криптозащита в стандарте GSM достаточно надежна. Если злоумышленник может взломать криптозащиту GSM без прыжков по частоте, то введение этих прыжков незначительно усложнит взлом, так как, зная указанную защиту, определить закон SFH не сложно. Более опасна утечка незакрытой информации на коммутационных центрах.

Оценка экономической эффективности использования режима SFH. Ее методику и результаты проиллюстрируем на следующем гипотетическом примере. Пусть необходимо увеличить ёмкость сети, содержащей 100 БС, на 25%. Для этого потребуется дополнительно 25 БС и, соответственно, «6 новых дополнительных частот. Покажем, что применение SFH позволит существенно снизить затраты. При этом принятые стоимостные показатели условны и несколько отличаются от реальных.

Решение задачи без использования SFH

•        Стоимость дополнительных передатчиков (БС): 25*(8…Ю тыс $) = $ 250.000

•        Полоса частот 200кГц*6=1,2 МГц

•       Стоимость 1,2 МГц составляет примерно 1 млн. грн.= $ 200.000

•        Ежегодные платежи 320.000 грн/МГц*1,2МГц = $ 80.000. За пять лет ежегодные платежи составят $ 80.000*5 = $ 400.000

•        Суммарные затраты составят 250.000+400.000+ 200.000= $ 850.000

Стоимость расширения сети с SFH При использовании SFH оплата за дополнительные частоты может отпасть. Остается только стоимость оборудования $ 250.000.

Вывод’, применение режима SFH может способствовать существенному увеличению емкости сети и уменьшению затрат на её расширение

III.  Заключение

Из вышеизложенного следует, что режим SFH может улучить некоторые характеристики Систем. Причинами задержки в его применении являются:

•       система оплаты частотных ресурсов в Украине, при которой оплата производится не за всю зону покрытия системы, а за частоты используемые каждой БС отдельно;

•        наличие другой, заложенной в Системе и пока не исчерпанной возможностью увеличения ее емкости, понижение мощности БС и наклон диаграмм направленности антенн, переход к меньшим сотам с введением дополнительных БС. Этим путем в настоящие время сотовые компании повышают емкость Систем в центре Киева (где находится Администрация Президента, Верховный Совет, Кабинет Министров, …), а также его локальных бизнес-районов;

•        разнородность сведений о повышении показателей качества Системы; отсутствует их проверка на отечественных Системах.

Для окончательной оценки эффективности SFH необходимо: проведение теоретических и экспериментальных исследований на базе отечественных Систем.

I.     Список литературы

[1] Гоомаков Ю. А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. М.: Эко-Трендз. 225 с.

[2] Cayetano Carbajo, Ricardo Baudin, Eduardo Alonso. Telefonica Moviles. C/Orduna, 3-3°. 28034 Madrid (S).

ESTIMATES OF SLOW FREQUENCY HOPPING EFFICIENCY IN GSM

Afonin S. V., Lipatov A. A., Fedorova Т. M Scientific Centre for Communications and Informatization of the Armed Forces of Ukraine 45/1 Moskovskaya St., Kyiv, Ukraine, 01015 phone +380 (44) 2912336, 2904173 Kolomytzev M. A.

Research Institute of Telecommunications, National Technical University of Ukraine ‘Kyiv Polytechnical Institute’

37 Prospekt Peremogy, Kyiv, Ukraine, 03056 phone +380(44) 2416897

Abstract The concept behind the ‘slow frequency hopping’ technique (which has not found any application so far in Ukraine and the ex-USSR countries) used in GSM systems is presented. Estimates of its efficiency and features of its implementation are given.

I.  Introduction

In terms of coverage, number of subscribers and technical perfection, the GSM-900 and GSM-1800 cellular systems occupy leading positions in Ukraine. These systems allow for a specific technique to be implemented, i. e. operating frequency hopping. This technique is yet to see its application in the exUSSR countries; as far as is known, discussions of its underlying concept and efficiency estimates have not been widely available. The present report summarizes the information related to this technique.

II.  Main part

The concept and application of the slow frequency hopping technique. The efficiency of communications systems may be boosted by using the slow frequency hopping (SFH) technique, which is a variety of a pseudo-random tuning of a cyclical or pseudo-random operating frequency. This technique is intended to reduce the effect of beat interference whose level inevitably increases with the growing capacity of the system and may even exceed the permissible levels compromising the transmission.

The idea behind the SFH technique is that of switching operational frequencies at specified speeds according to the pseudo-random law during the message transmission [1]. Due to slow frequency hopping and interleaved coding, the influence of beat interference on the communications is reduced.

The efficiency of the SFH is determined by the following factors: number of frequency positions in a sequence, hopping frequencies separation, system traffic, frequency schedule.

The SFH application estimates. Ukrainian sources contain no information on the experimental estimates of the SFH. According to [2], the implementation of the SFH technique offers the following:

reduced communication breakdowns; increased average levels of incoming signals; frequency schedules with a denser reuse of frequencies.

At least 3-4 frequency positions for a sequence, the widest possible frequency spacing, and different frequency schedules for control and traffic channels are recommended.

III.  Conclusion

Implementing the SFH technique may considerably improve the system performance.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты