Исследование стандартов связи GSMEDGE (6.42 Мб)

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»
Кафедра Радиоэлектронных и телекоммуникационных систем
ИНСТРУМЕНТАЛЬНО-ПРОГРАММНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
«ЛАБОРАТОРИЯ БЕСПРОВОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СВЯЗИ НА БАЗЕ
NATIONAL INSTRUMENTS»
Книга 5
Том 1
Методические указания для лабораторной работы №1
Исследование стандартов связи GSM/EDGE
Руководитель:
Исполнитель:
Краснокутский А.В
Соколов Р.И.
Екатеринбург 2014
Введение
На данный момент рынок услуг сотовой связи насчитывает более 4
миллиардов пользователей по всему миру. В некоторых странах люди меняют
свои сотовые телефоны 2-3 раза в год. К концу 2010 года доля пользователей
сотовой связи во всем мире оценивалось величиной 45%, а к 2014 году
планируется увеличение этого показателя до 53%. В связи с этим будет расти
потребность в производстве сотовых устройств, особенно в развивающихся
странах. По ряду причин тестирование сотовых телефонов является
неизбежным. Основной причиной этого служат правительственные
постановления, определяющие правила работы беспроводных устройств.
Разрешенная полоса частот, используемая устройством. Допустимый уровень
мощность, излучаемая устройством. И, наконец, совместимость роботы сотового
телефона с другими беспроводными устройствами. Тестирование сотовых
аппаратов очень важно для сохранения престижа фирмы-производителя. Если
сотовые телефоны одной компании будут часто выходить из строя, потребители
будут покупать аппараты других компаний. Учитывая рост популярности
сотовых телефонов и важность их тестирования, производители ищут золотую
середину, стараясь получить наибольший доход. Таким образом, стоимость
потенциальных систем тестирования должна быть по возможности низкой, а
скорость выполнения тестов наоборот, как можно более высокой. Повышая
скорость системы тестирования, вы одновременно снижаете стоимость сотового
телефона и всего производственного процесса в целом.
Мобильные устройства содержат ряд компонентов, требующих
тестирования: усилители мощности передающего модуля телефона,
малошумящие усилители приемника сигнала в телефоне, коммутаторы
различных полос и стандартов сотовой связи, находящиеся в блоке центрального
процессора, конечный ВЧ приемопередатчик, а также интерфейсы сигнала
основной полосы и элементы ввода/вывода телефона для работы со звуком,
аккумуляторной батареей и др.
Базовые станции содержат еще большее количество компонентов, но
выпускаются не в таких больших объемах, как сотовые телефоны. Обычно в
базовых станциях содержатся усилители мощности на гораздо больший уровень
выходного сигнала, а также собственные блоки обработки сигнала, такие как
смесители, синтезаторы, модуляторы и другие компоненты. В сотовых
телефонах большинство из этих компонентов совмещены в одном кристалле, что
недостижимо для базовой станции из-за больших мощностей сигналов.
Дальнейшее развитие базовых станций предполагает использование массивов
антенн для передачи сигнала WiMax и LTE с использованием технологии
MIMO.
1. Обзор стандарта GSM
Стандарт GSM (от названия группы Groupe Special Mobile, позже
переименован в Global System for Mobile Communications) - глобальный
цифровой стандарт для мобильной сотовой связи второго поколения, с
разделением канала по времени (TDMA) и высокой степенью безопасности
благодаря шифрованию с открытым ключом. Разработан под эгидой
Европейского института стандартизации электросвязи (ETSI) в конце 80-х годов.
Сотовые телефоны стандарта GSM функционирует в 4-х диапазонах
частот: 850 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц. Существуют также, и довольно
распространены, мультидиапазонные (Dual-Band, Multi-Band) телефоны,
способные работать в диапазонах 900/1800 МГц, 850/1900 МГц, 900/1800/1900
МГц.
Основное предназначение GSM - передача разговорной речи. Но помимо
этого в нем реализованы функции пейджера (SMS) и функции передачи-приема
информации (факс, GPRS, HSCSD).
GSM на сегодняшний день является наиболее распространенным
стандартом связи. По данным ассоциации GSMA на данный стандарт
приходится 82% мирового рынка мобильной связи.
1.1 Структура кадра GSM:

Восемь временных слотов на кадр;

573 мкс - один временной слот;

Тестовая последовательность (midambie) в середине каждого слота
для синхронизации.
Каждый кадр состоит из восьми временных слотов или интервалов,
позволяющих восьми абонентам использовать одинаковую частоту. Каждый
временной слот имеет длительность примерно 573 мкс.
Рис. 1. Структура кадра GSM.
Для облегчения синхронизации приемника в середине каждого
временного слота содержится тестовая кодовая последовательность, называемая
«midamble». Каждый из временных слотов содержит свою уникальную тестовую
последовательность, определенную стандартом. Это позволяет приемнику
опознать каждый временной слот.
1.2 Модуляция.
В стандарте GSM для модуляции пакетов используется технология
гауссовской манипуляции с минимальным сдвигом (Gaussian Minimum Shift
Keying - GMSK). Одним из важнейших преимуществ такой модуляции является
неизменность энергии сигнала от символа к символу, а переход от одного
символа к другому осуществляется на I/Q диаграмме по кругу. Поскольку в
данном типе модуляции используется гауссова форма импульсов, ее применение
не позволяет полностью избавиться от межсимвольной интерференции даже при
идеальных условиях.
Рис. 2. Модуляция GMSK.
2. Сравнение технологий FDMA и TDMA
Технология GSM предполагает, что все абоненты используют один и тот
же частотный канал, но разные временные слоты (интервалы). Эта технология
известна как «Множественный доступ с разделением по времени» (Time Domain
Multiple Access или TDMA). Однако полосы частот входящего и исходящего
каналов различаются – методика частотного разделения (FDD).
Важно понимать принципы разделения используемой полосы частот в
том или ином стандарте. Это позволяет определить необходимые измерения
исследуемого сигнала. например для корректности взаимодействия устройств
стандарта GSM необходимо оценить временные характеристики сигнала.
Рис. 3. Сравнение технологий FDMA и TDMA.
Наиболее распространенная реализация технологии широкополосного
множественного доступа с кодовым разделением (Wideband Code Division
Multiple Access) – это технология множественного доступа с частотным
разделением (Frequency Domain Multiple Access).
3. Обзор технологии EDGE
EDGE (EGPRS) (англ. Enhanced Data rates for GSM Evolution) – цифровая
технология беспроводной передачи данных для мобильной связи, которая
функционирует как надстройка над 2G и 2.5G GSM-сетями.
Технология позволяет передавать данные по мобильной сети со
скоростью до 474 кбит/с. Это в 2,8 раза быстрее, чем по GPRS. При этом в сеть
не вводятся новые элементы, вся инфраструктура остается прежней, за
исключением апгрейда некоторых его элементов. Дабы подчеркнуть то, что
различия между системами EDGE и GPRS незначительны эту технологию еще
называют EGPRS (Enhanced GPRS) – улучшенный, расширенный GPRS. За счет
чего же получилось достичь такой качественный скачок? В-первую очередь
этому способствует новый способ модуляции сигнала на радио интерфейсе
между мобильной станцией (MS) и базовой станцией (BTS). Этот способ
называется восьмипозиционная фазовая манипуляция (8-PSK). Главное его
отличие заключается в том, что с помощью одного элемента сигнала в
радиоэфире передается не один как это было в GPRS, а сразу три
информационных бита. Благодаря этому более эффективно используются
имеющиеся радиоресурсы – наиболее ценный из всех ресурсов в системе
сотовой связи.
Внедрение технологии EDGE оказывает влияние лишь на систему
базовых станций (BSS), а точнее на сами базовые станции (BTS). Из-за смены
способа модуляции претерпевают изменение приемопередатчики, так
называемые TRX. Для внедрения EDGE необходима полная их замена.
Остальные элементы, включая и контроллер базовых станций (BSC) требуют
только замены программного обеспечения.
Мобильные станции (MS) из-за смены вида модуляции также должны
обладать GSM-модулями, которые могут ее обработать. Поэтому для поддержки
EDGE аппаратная часть MS также должна быть заменена. Терминалы,
поддерживающие EDGE классифицируют также как и GPRS-терминалы в
зависимости от возможности одновременной работы с голосом и данными, а
также в зависимости от максимально возможной скорости работы в сети
пакетной передачи данных EDGE. Причем последний параметр определяется
двумя составляющими: набором кодовых схем, которые поддерживает терминал
и максимальным числом таймслотов, по которым MS может одновременно
принимать и передавать данные.
Таким образом, технология EDGE позволяет без особых временных и
финансовых затрат значительно улучшить качество предоставляемых услуг, что
делает эту технологию особо привлекательной. Это подтверждает тот факт, что
более 90% всех операторов, которые эксплуатируют сети стандарта GSM,
предоставляют услугу доступа в Интернет по технологии EDGE.
3.1 Структура кадра EDGE
 Восемь временных слотов на кадр;
 573 мкс - один временной слот;
 Тестовая последовательность (midambie) в середине каждого слота для
синхронизации.
В EDGE используется такой же тип кадра, как и в GSM. Каждый кадр
состоит из восьми временных слотов или интервалов, позволяющих восьми
абонентам использовать одинаковую частоту. Каждый временной слот имеет
длительность примерно 573 мкс.
Для облегчения синхронизации приемника в середине каждого
временного слота содержится тестовая кодовая последовательность, называемая
«midamble». Каждый из временных слотов содержит свою уникальную тестовую
последовательность, определенную стандартом. Это позволяет приемнику
опознать каждый временной слот.
Рис. 4. Структура кадра EDGE.
3.2 Модуляция
Технология EDGE предполагает подстройку канала передачи в
зависимости от его качества за счет изменения типа модуляции. При подстройке
используется закрепленная стандартом модуляция 8-PSK со смещением на Зл/8.
В этом случае все сигнальное созвездие поворачивается на Зл/8 при передаче
каждого очередного символа. При рассмотрении сигнального созвездия для
принятого сигнала оно очень похоже на сигнальное созвездие для модуляции 16PSK.
Рис. 5. Модуляция 8-PSK со смещением на Зл/8.
Цель работы
Исследовать влияние внешних помех и внутренних искажений на качество
приема сигналов стандарта EDGE и GSM.
Исследовать систему связи стандартов GSM и EDGE в режиме цифрового
и полунатурного моделирования.
Порядок выполнения работы
Допуск к работе осуществляется после ответа на вопросы преподавателя
по теме выполняемой работы.
Включение лабораторного стенда производится только преподавателем
или дежурным инженером.
После выполнения работы необходимо представить результаты
исследований преподавателю.
1. Переключите тип исследования на GSM. Слева на лицевой панели
произведите настройки передатчика: выберете название устройства, управление
частотой GSM; установите уровень выходного излучения в пределах -5 дБм;
базовая станция BST; Полоса частот PGSM; номер радиоканала 1.
2. Настройте сигнал в режиме пользовательской последовательности, по
типу меандра чередуя 1 и 0. Выберете тип Пакета Normal Burst. Тестовая
последовательность по умолчанию.
3. Отключите искажения сигнала и внешний шум.
4. Настройте параметры приемника идентичными параметрам
передатчика. Дополнительно установите параметры опорного генератора
OnboardClocK с частотой 10 МГц.
5. Запустите виртуальный Прибор с заданными настройками. Убедитесь,
что передатчик и приемник соединены кабелем.
6. Снимите осциллограммы формы сигнала на соответствующем графике,
его спектр, а также последовательность декодированных бит, при отсутствии
шума и искажений представляющий последовательность 0 и 1.
7. Снимите показания двух параметров мощности и четырех параметров,
определяющих качество приема по указанию преподавателя. Нарисуйте
спектральное распределение в центральной части пакета и на его границе на
основании данных из вкладки Спектр ВЧ сигнала.
8. Снимите зависимости параметров пункта 7, а также вероятности
ошибки правильного обнаружения от мощности внешнего шума, увеличивая
значение отношения Сигнал/Шум от 1 до 100 с шагом 10дБ.
9. Проведите исследования по пунктам 1–8 для двух любых типов пакета.
11. Проведите исследования по пунктам 1–9 для стандарта EDGE.
12. Вместо кабеля подключите рамочные антенны необходимого
частотного диапазона и проведите аналогичные исследования по пунктам 6-11
регулируя отношение сигнал/шум путем уменьшения мощности выходного
полезного сигнала.
Рис. 6. Лицевая панель программного комплекса.