Файл: Сети и системы телекоммуникаций.pdf

КАЗАНСКИЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ
ВЫСШАЯ ШКОЛА ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И
ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Кафедра автономных робототехнических систем
Д.Е. Чикрин
СЕТИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ -
Ч.1
Курс лекций
Казань — 2013

Принято на заседании Высшей школы информационных технологий и информационных систем
Протокол №8 от 20.08.2013
Научный редактор кандидат техн. наук, старший научный сотрудник
ООО КБ "НТ" А.П. Овчаров
Рецензент кандидат техн. наук, старший научный сотрудник
ООО КБ "НТ" О.С. Вершинин
Д.Е. Чикрин
Сети и системы телекоммуникаций: курс лекций / Д.Е. Чикрин. -
Казань: Казанский университет, 2013. - 146 с.
Дисциплина "Сети и системы телекоммуникаций"является базовой для понимания принципов функционирования современных сетей и си- стем телекоммуникаций, представляющих собой основу мировой инфор- мационной инфраструктуры. Дисциплина разбита на три семестровых раздела и предлагает слушателям необходимый для понимания и более глубокого дальнейшего изучения материал по физическому устройству и организационным основам функционирования современных телекомму- никационных сетей и систем. В рамках курса особое значение уделено практической проработке рассматриваемых вопросов, что необходимо для закрепления и понимания представленного материала. В данном докумен- те рассмотрен курс лекций первого семестра дисциплины, посвященный вопросам построения и функционирования беспроводных систем связи и передачи данных.
©Казанский университет, 2013
©Д.Е. Чикрин, 2013

Аннотация
Дисциплина

Сети и системы телекоммуникаций

является базовой для понимания принципов функционирования современных сетей и си- стем телекоммуникаций, представляющих собой основу мировой инфор- мационной инфраструктуры.
Представленный курс разбит на три семестровых раздела и предла- гает слушателям необходимый для понимания и более глубокого дальней- шего изучения материала по физическому устройству и организационным основам функционирования современных телекоммуникационных сетей и систем. В рамках курса особое значение уделено практической проработке рассматриваемых вопросов, что необходимо для закрепления и понима- ния представленного материала.
В первом семестровом разделе освещаются вопросы построения и функционирования беспроводных систем связи и передачи данных.
Как и все мои труды, посвящается моей жене и моим Учителям, без которых этой книги никогда бы не было.
Чикрин Д.Е.
3

TELECOMMUNICATION SYSTEMS AND NETWORKS
Abstract
Telecommunication systems and networks - fundamental discipline about structure, functioning and construction methods of nowadays telecommunications. This course is intended to students, IT-specialists and engineers in the fields of different information systems and hardware complex construction.
In this book (first part of overall discipline) we are consider topics of structure, functioning and construction methods of different wireless systems infrastructure and terminal equipment.
4

Содержание
I
Современные сети и системы телекоммуникаций
10 1 Классификация систем связи и передачи данных . .
11 1.1 Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2 Классификация АССиПД по зоне обслуживания . . . . . . . 11 1.2.1 Сети WMAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.2 Сети WLAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.3 Сети WPAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.4 Сети WBAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3 Классификация АССиПД по топологии сети связи . . . . . . 13 1.3.1 Спутниковые системы АССиПД . . . . . . . . . . . . 13 1.3.2 Транкинговые системы АССиПД . . . . . . . . . . . . 16 1.3.3 Сотовые системы АССиПД . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.3.4 Децентрализованные АССиПД . . . . . . . . . . . . . 20 2 Поколения беспроводных АССиПД . . . . . . . . .
22 2.1 0G: предшественники мобильных сетей связи . . . . . . . . . 22 2.2 1G: 1-е поколение мобильных сетей связи -

аналог

. . . . 23 2.3 2G: 2-е поколение -

цифра

. . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.4 Промежуточные поколения - 2,25; 2,5; 2,75G . . . . . . . . . 27 2.5 Поколения 3G и 3G+ - интегрированные беспроводные сети 28 2.6 Поколение сверхширокополосного доступа - 3,9G; 4G . . . . 29 2.7 Перспективные конвергентные сети связи - 5G . . . . . . . . 30 3 Технологии множественного доступа.
Методы коммутации
35 3.1 Технологии множественного доступа в сеть . . . . . . . . . . 35 3.1.1 Пространственное разделение каналов (SDMA) . . . . 35 3.1.2 Частотное разделение каналов (FDMA) . . . . . . . . 36 3.1.3 Временное разделение каналов (TDMA) . . . . . . . . 37 3.1.4 Кодовое разделение каналов (CDMA) . . . . . . . . . 39 3.2 Системы конкурентного доступа к среде . . . . . . . . . . . 40 3.2.1 Метод доступа к линии связи Pure ALOHA . . . . . . 40 3.2.2 Метод доступа к линии связи S-ALOHA . . . . . . . . 41 3.2.3 Методы избежания коллизий CSMA-CD и CSMA-CA 42 3.3 Методы коммутации в системах связи . . . . . . . . . . . . . 43 3.3.1 Коммутация каналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3.2 Коммутация пакетов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5

4 Компоненты современных систем связи . . . . . . .
48 4.1 Физический смысл компонентов системы связи . . . . . . . . 49 4.1.1 Форматирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.1.2 Кодирование источника . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.1.3 Шифрование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.1.4 Канальное кодирование . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.1.5 Уплотнение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.1.6 Синхронизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.1.7 Импульсная модуляция . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.1.8 Полосовая модуляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.1.9 Расширение спектра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.1.10 Блок обеспечения множественного доступа . . . . . . 54 4.1.11 ВЧ-тракт и среда распространения . . . . . . . . . . . 54
II
Теоретические основы функционирования радиоканала
56 5 Основы распространения радиоволн . . . . . . . .
57 5.1 Модель распространения радиоволн в свободном простран- стве . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5.1.1 Модель распространения в свободном пространстве . 58 5.1.2 Децибелы и сопутствующие вычисления . . . . . . . . 59 5.1.3 Модель свободного распространения и ВЧ-сигналы . 60 5.2 Зоны распространения радиоволн . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.2.1 Структура ближней и дальней зон распространения . 61 5.2.2 Зоны Френеля как дополнительные условия к LOS . 64 6 Механизмы и модели распространения радиоволн . .
66 6.1 Основные механизмы распространения радиоволн в NLOS . 66 6.1.1 Отражение радиоволн . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 6.1.2 Дифракция радиоволн . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 6.1.3 Эффект рассеивания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 6.1.4 Механизм поглощения радиоволн . . . . . . . . . . . . 68 6.2 Модели распространения радиоволн в NLOS . . . . . . . . . 69 6.2.1 Основные положения расчета дальности связи . . . . 70 6.2.2 Модель Ли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 6.2.3 Модель Окамуры-Хата . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 7 Модели замираний и сопутствующие эффекты
76 7.1 Модели замираний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 7.1.1 Медленные замирания . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 6

7.1.2 Логонормальная модель затуханий . . . . . . . . . . . 78 7.1.3 Рэлеевская модель затуханий . . . . . . . . . . . . . . 78 7.1.4 Райсовая модель затуханий . . . . . . . . . . . . . . . 80 7.1.5 Модели замирания Накагами-m . . . . . . . . . . . . . 80 7.2 Прочие эффекты распространения . . . . . . . . . . . . . . . 81 7.2.1 Эффект Допплера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 7.2.2 Многолучевое распространение . . . . . . . . . . . . . 82
III
Планирование систем связи и
основы телетраффика
84 8 Основы частотно-территориального планирования . .
85 8.1 Основы ЧТП в АССиПД . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 8.1.1 Типы формирования зон обслуживания . . . . . . . . 86 8.1.2 Определение площади зоны покрытия . . . . . . . . . 88 8.1.3 Использование секторного покрытия . . . . . . . . . . 89 8.2 Краткая процедура ЧТП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 9 Целевые показатели теории телетраффика . . . . .
91 9.1 Целевые показатели в теории телетраффика . . . . . . . . . 91 9.1.1 Качество обслуживания - QoS . . . . . . . . . . . . . 92 9.1.2 Системная емкость и загрузка канала . . . . . . . . . 93 9.2 Анализ АССиПД согласно теории телетраффика . . . . . . . 94 9.2.1 Свойства входящего потока вызовов . . . . . . . . . . 94 9.2.2 Простейший (пуассоновский) поток вызовов . . . . . 94 9.2.3 Потоки вызовов в системах АССиПД . . . . . . . . . 96 10Уровень обслуживания. Модели Эрланга . . . . . .
98 10.1 Интегральная оценка АССиПД . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 10.1.1 Уровень обслуживания в системах АССиПД . . . . . 98 10.1.2 Модели обслуживания для систем АССиПД . . . . . 99 10.1.3 Модель Эрланга A - система с очередностью обслу- живания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 10.1.4 Модель Эрланга B - система с отказами . . . . . . . . 100 10.1.5 Модель Эрланга C - система с ожиданиями . . . . . . 101
IV
Основы приема и передачи данных по каналам связи
. 104 11Дискретизация,
квантование,
низкочастотная модуляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 11.1 Преобразование аналоговых процессов в цифровую форму . 105 7

11.1.1 Классификация типов сигналов . . . . . . . . . . . . . 105 11.1.2 Дискретизация непрерывного сигнала . . . . . . . . . 106 11.1.3 Квантование сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 11.2 Правомерность представления аналогового сигнала в циф- ровой форме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 11.2.1 Спектральная (частотная) форма представления сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 11.2.2 Теорема Котельникова . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 11.3 Модуляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 11.4 Низкочастотная модуляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 11.4.1 Импульсно-кодовая модуляция . . . . . . . . . . . . . 110 11.4.2 Сигналы ИКМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 11.4.3 M-арные импульсно-модулированные сигналы . . . . 111 11.4.4 Относительная модуляция . . . . . . . . . . . . . . . . 113 12Полосовая модуляция.
Визуальные формы представления . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 12.1 Высокочастотная (полосовая) модуляция . . . . . . . . . . . 114 12.1.1 Модуляция по синусоидальной несущей . . . . . . . . 114 12.2 Визуальные форматы представления модулированного сиг- нала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 12.2.1 Сигнальное созвездие . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 12.2.2 Глазковая диаграмма . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 13Виды полосовой модуляции. OFDM
. . . . . . . . 120 13.1 Системы фазовой модуляции (ФМ) . . . . . . . . . . . . . . 120 13.1.1 Двоичная фазовая манипуляция ФМ-2 (BPSK) . . . . 120 13.1.2 Квадратурная фазовая манипуляция - ФМ-4 (QPSK) 121 13.1.3 Квадратурная амплитудная модуляция - КАМ (QAM)124 13.2 Системы частотной модуляции (ЧМ) . . . . . . . . . . . . . . 125 13.2.1 Частотная манипуляция M-й степени (M-FSK) . . . . 126 13.2.2 Частотная манипуляция с минимальным сдвигом . . 127 13.3 Принципы модуляции с несколькими несущими (FDM) . . . 128
V
Современные АССиПД .
. 131 14Современные АССиПД класса WMAN . . . . . . . 132 14.1 Сети связи стандарта GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 14.2 Фазы развития семейства стандартов GSM . . . . . . . . . . 133 14.2.1 Фаза 1 стандарта GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 14.2.2 Фаза 2 стандарта GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 8

14.2.3 Фаза 2+ стандарта GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 14.2.4 Фазы 3 и 3+ стандарта GSM . . . . . . . . . . . . . . 135 14.2.5 Обобщенная топология GSM-сетей . . . . . . . . . . . 136 14.3 Сравнение сетей связи стандарта WMAN . . . . . . . . . . . 137 15Современные АССиПД класса WLAN и WBAN . . . 139 15.1 АССиПД класса WLAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 15.1.1 Основные особенности и поколения сетей WiFi . . . . 139 15.1.2 Сенсорные сети WLAN - IEEE 802.15.4 (ZigBee) . . . 142 15.2 Сети WPAN и WBAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 15.2.1 Сети WPAN-802.15.1 - группа стандартов Bluetooth . 143 15.2.2 Сети WBAN - IEEE 802.15.6 . . . . . . . . . . . . . . 144
Список литературы
. 146 9

Тема I
Современные сети и системы телекоммуникаций
10

Лекция 1
Классификация систем связи и передачи данных
1.1 Введение
На протяжении представленного трехсеместрового курса лекций мы будем изучать основы функционирования и архитектурные особенности различных телекоммуникационных сетей и систем.
Первый семестр курса посвящен основам функционирования беспро- водных систем и сетей передачи данных, принадлежащих к классу або- нентских систем связи и передачи данных
1
Классификацию АССиПД возможно произвести по различным ос- нованиям. Рассмотрим далее два наиболее распространенных - по зоне обслуживания и по топологии сети связи.
1.2 Классификация АССиПД по зоне обслуживания
Одной из наиболее удобных и часто используемых классификаций современных АССиПД является классификация по зоне обслуживания:
• WMAN
2
- городские сети связи.
• WLAN
3
- сети связи предприятий и крупных учреждений.
1
Здесь и далее - АССиПД.
2
WMAN - Wireless Metropolitan Area Network - беспроводная сеть связи городского охвата.
3
WLAN - Wireless Local Area Network - беспроводная сеть связи локального охвата - сети предприятий, учреждений и пр.
11

• WPAN
4
- домашние сети связи.
• WBAN
5
- сети связи в пределах тела человека.
1.2.1
Сети WMAN
Сети WMAN представляют собой сети связи, обеспечивающие покры- тие значительных территорий и (наиболее часто) предназначенные для обслуживания большого (тысячи, десятки тысяч) абонентских устройств.
Классическими примерами сетей WMAN являются сотовые сети связи.
Наиболее известными сетями WMAN на сегодняшний день являют- ся сети стандартов GSM 2-го и 3-го поколений; сети WiMAX; сети LTE;
транкинговая связь APCO-25 и TETRA.
1.2.2
Сети WLAN
Сети WLAN представляют собой сети связи локального охвата, обес- печивающие телекоммуникационную инфраструктуру на предприятиях,
учреждениях и других крупных и средних объектах.
В зависимости от потребностей пользователей используются различ- ные типы WLAN - для передачи больших объемов данных - сети связи группы стандартов WiFi (IEEE 802.11), для считывания данных с датчи- ков - ZigBee, для организации беспроводной телефонии и дополнительных голосовых услуг - DECT и пр.
1.2.3
Сети WPAN
Сети WPAN достаточно распространены в жилых комплексах - это сети связи, обеспечивающие потребность в беспроводных услугах связи и передачи данных отдельных квартир, этажей и других небольших групп помещений.
К сетям WPAN в большинстве случаев относятся сети WiFi и стан- дарты беспроводной передачи данных Bluetooth различных версий.
4
WPAN - Wireless Personal Area Network - частная беспроводная сеть связи -домашние сети.
5
WBAN - Wireless Body Area Network - беспроводная сеть передачи данных в пределах тела человека.
12

1.2.4
Сети WBAN
Самыми молодыми из современных сетей связи являются сети обес- печения передачи данных на сверхкороткие расстояния (в пределах тела человека). На сегодняшний день двумя наиболее популярными техноло- гиями такого типа являются системы радиосвязи ANT (использующая- ся изначально для считывания показателей с медицинских датчиков, ис- пользуемых спортсменами) и NFC от корпорации Nokia, предназначенная для обмена данными с интеллектуальными телефонами - смартфонами.
1.3 Классификация АССиПД по топологии сети связи
Фактически, на сегодняшний день возможно различить четыре до- статочно отличающихся друг от друга по топологии типа АССиПД:
• Спутниковые;
• Транкинговые;
• Сотовые;
• Децентрализованные.
Рассмотрим далее подробнее каждый из упомянутых типов.
1.3.1
Спутниковые системы АССиПД
Особенность устройства данных систем следует непосредственно из названия. В современных спутниковых системах чаще всего осуществля- ется дуплексная, т.е. одновременная и в обоих направлениях, передача данных и\или речи. Основное преимущество спутниковых систем доста- точно очевидно – доступность практически в любой точки земного шара на открытом воздухе – от Тибета до тайги Дальнего Востока. Недостатки вплоть до настоящего времени также являлись достаточно прозрачными
- ограниченность пропускной способности каналов связи, а также доро- гостоящая элементная база, что и приводило к элитарности подобных систем связи.
13

Хотя уже Спутник-1 (первый КА
6
в мире, запущенный 4 октября
1957 года) обладал передатчиком радиосигналов, первым коммерческим спутником связи был Early Bird
7
от INTELSAT, запущенный в 1964 году и обеспечивающий до 240 каналов телефонной связи. Первым военным спутником связи, обеспечившим передачу речи по радиоканалу был спут- ник Project SCORE, запущенный 18 декабря 1958 года. Первыми совет- скими спутниками связи были спутники серий Молния, Стрела и Пчела
(спутник Стрела-1 - 22 августа 1964 года; Молния-1 - 23 апреля 1965 года).
Подобное отставание было связано с огромным количеством одновремен- но запущенных в Советском Союзе космических программ.
Долгое время спутники связи разделялись на два типа - пассивные
ИСЗ
8
, представляющие собой огромные (радиусом в несколько десятков метров) отражающие шары-ретрансляторы сигналов, посылаемых с Зем- ли и активные ИСЗ, осуществляющие полноценную работу по радиока- налу. На сегодняшний день в мировой практике используются только ак- тивные ИСЗ.
Сегодня ведущими глобальными спутниковыми системами, обеспечи- вающими полный комплекс услуг для конечных пользователей являются
Intelsat (наиболее крупная группировка, на текущий момент - 52 спутни- ка), Inmarsat (12 спутников), Eutelsat (более 30 спутников, активно разви- вающаяся). Существует достаточно большое количество азиатских и евро- пейских локальных спутниковых систем широкополосного радиодоступа
– примером является спутник Kisumu от Mitsubishu Heavy Industries, об- служивающий территорию Кении и предоставляющий доступ к скорост- ным услугам передачи данных – до 150 Мбит\с. в дуплексном режиме с объектами, движущимися со скоростью до 40 км\ч. и до 1,2 Гбит\c. с стационарными!
6
КА - космический аппарат
7
Ранняя пташка.
8
ИСЗ - искусственный спутник Земли.
14