Содержание к диссертации
Введение
1, Основные характеристики систем стандарта TETRA 10
1.1. Сетевая архитектура стандарта TETRA 10
1.1.1. Обобщенные схемы сетей связи 11
1.1.2. Состав оборудования сетей связи 12
1.1.3. Топология сетей связи
1.2. Режимы функционирования системы и виды информационного обмена 13
1.3. Сведения о радиоинтерфейсе 16
1.4. Сетевые службы стандарта TETRA (основные услуги) 18
1.5. Дополнительные услуги 1.5.1. Специализированные услуги 21
1.5.2. Стандартные услуги 21
1.5.3. Дополнительные услуги и службы речевой связи
1.6. Краткая характеристика аппаратуры TETRA основных фирм-производителей 25
1.7. Основные задачи исследований 35
2. Особенности планирования транкинговых сетей 38
2.1. Цели и этапы планирования 38
2.2. Определение размеров одной соты 41
2.3. Влияние различных факторов на размеры соты и уровень со-канальных помех 47
2.4. Вывод основных формул, определяющих емкость сети связи... 52
2.5. Определение реальной емкости сети 60
2.6. Эффективность использования спектра
2.6.1. Характеристики эффективности 65
2.6.2. Число каналов в полосе 1 МГц, отнесенное к площади покрытия 66
2.6.3. Удельная спектральная нагрузка 70
3. Применение сигналов с двойной ортогональной поляризацией для увеличения емкости сетей связи 72
3.1. Постановка задачи. Принцип обеспечения ортогональности сигналов разных поляризаций 72
3.2. Физическая и математическая модели канала 75
3.3. Вероятность битовой ошибки 80
3.4. Процедура вычисления вероятности битовой ошибки 84
3.5. Анализ результатов расчета величины BER
3.5.1. Влияние задержек распространения 86
3.5.2. Зависимость величины ошибки от коэффициента кросс-по ляризации R 87
3.5.3. Зависимость величины BER от коэффициента скругления... 87
3.5.4. Анализ зависимости величины BER от ширины защитной полосы 89
3.5.5. Зависимость BER от отношения сигнал/шум 90
3.5.6. Влияние уровня мощности по второму лучу 91
3.6. Выводы 92
4. Передача видеоизображений в транкинговых сетях с небольшими скоростями передачи данных 94
4.1. Особенности передачи видеоизображений 94
4.2. Аналоговое и цифровое представление видеосигналов
4.2.1. Аналоговое представление видеосигналов 96
4.2.2. Цифровое представление видеосигналов 97
4.2.3. Избыточность видеоданных 101
4.3. Краткое описание алгоритма видеокодирования MPEG-4/Simple... 103
4.3.1. Режим I-VOP 105
4.3.2. Предсказание DC и АС коэффициентов 106
4.3.3. Предсказание DC коэффициентов 107
4.3.4. Предсказание АС коэффициентов 108
4.3.5. VLC кодирование 109
4.3.6. Декодер P-VOP ПО
4.3.7. Декодер VOP 112
4.3.8. Структура информационного потока на выходе кодера 112
4.3.9. Результаты воздействия ошибок на кодированное видеоизображение при передаче по каналу связи 115
4.4. Оценка возможностей стандарта TETRA для передачи изображений 116
4.5. Моделирование передачи изображения в мобильных системах... 123
4.5.1. Пропускная способность канала и внутриканальные помехи 123
4.5.2. Параметры модели канала 126
4.5.3. Передача видео через мобильный радиоканал 1
5. Заключение 131
6. Литература
- Состав оборудования сетей связи
- Влияние различных факторов на размеры соты и уровень со-канальных помех
- Процедура вычисления вероятности битовой ошибки
- Аналоговое представление видеосигналов
Состав оборудования сетей связи
В режиме транкинговой связи стандарт TETRA позволяет строить как системы с выделенным частотным каналом управления, так и с распределенным.
При работе с выделенным каналом управления приемопередающие станции предоставляют абонентам несколько частотных каналов, один из которых - канал управления - специально предназначается для обмена служебной информацией.
При работе сети с распределенным каналом управления служебная информация передается либо в специально выделенном временном канале (одном из 4-х физических каналов, организуемых на одной частоте), либо в контрольном кадре мультикадра (одном из 18).
Каналы передачи сообщений выделяются следующими способами: 1. Транкинг сообщений (message trunking). Канал присваивается в начале сеанса связи и освобождается по его окончании. 2. Транкинг передач (transmission trunking). Канал присваивается только на время одной транзакции (периода передача/прием), после чего он освобождается. Для следующей транзакции может быть выделен новый канал. 3.Квазитранкинг передач (quasi- transmission trunking). Канал, так же как и в транкинге передач, освобождается после транзакции, однако, с некоторой задержкой, что позволяет снизить количество сигналов управления.
В режиме с открытым каналом группа пользователей имеет возможность устанавливать соединение «один пункт - несколько пунктов» без какой-либо установочной процедуры. Любой абонент, присоединившись к группе, может в любой момент использовать этот канал. В режиме с открытым каналом радиостанции работают в двухчастотном симплексном режиме.
В режиме непосредственной (прямой) связи между терминалами устанавливаются двух- и многоточечные соединения по радиоканалам, не свя 15 занным с каналом управления сетью, и без передачи сигналов через базовые приемопередающие станции.
Мобильные станции могут работать в так называемом режиме двойного наблюдения (Dual Watch), при котором обеспечивается прием сообщений от абонентов, работающих как в режиме транкинговой, так и прямой связи.
Для передачи речи используются службы речевой связи, обеспечивающие следующие режимы: о речевая связь с индивидуальным вызовом абонентов (коммутируемое двухточечное соединение между двумя мобильными абонентами или между мобильным абонентом и стационарным терминалом для обеспечения прямой двухсторонней связи в дуплексном режиме или двухчастотном симплексном), о многосторонняя речевая связь, предполагающая групповой вызов абонентов (коммутируемые многопунктовые двунаправленные соединения между вызывающей стороной и несколькими вызываемыми абонентами при использовании симплексного режима связи), о циркулярная связь с широковещательным вызовом (односторонняя передача речевой информации от вызывающей стороны нескольким вызываемым абонентам). Все режимы речевой связи предусматривают возможность передачи как открытой речевой информации, так и речи, защищенной с помощью определенных алгоритмов шифрования.
В стандарте описываются следующие виды передачи данных: - передача данных с коммутацией цепей. Включает режимы передачи, аналогичные речевому обмену (двухточечное и многопунктовое соединения, широковещательная передача). Скорость обмена определяется числом временных интервалов, выделенных для связи, и классом защиты от ошибок, - коммутируемые пакеты данных. Транслируются по виртуальным цепям или в виде "data -грамм. В первом случае возможны только двухточечные соединения, во втором - многопунктовые соединения и широковещательная передача, - короткие сообщения (по 2048 бит). Передаются оперативно и независимо от передачи речи и данных.
В стандарте TETRA используется метод временного разделения сигналов TDMA (Time Division Multiple Access). На одной несущей частоте организовано четыре физических канала (слота, окна). Сообщения передаются мультикадрами длительностью 1,02 с (рис. 1.5). Шестьдесят мультикадров составляют один гиперкадр. Мультикадр содержит 18 кадров по 56,67 мс каждый, один из них является контрольным. В каждом кадре - 4 временных слота.
Один слот занимает временной интервал длительностью 14,167 мс и содержит 510 бит информации, из которых 432 бита являются информационными (два блока по 216 бит). В начале слота передается пакет длиной 36 бит, предназначенный для управления излучаемой мощностью. За ним следуют первый информационный блок (216 бит), синхронопоследовательность (36 бит) и второй информационный блок (216 бит). В конце слота передается защитный блок (6 бит), исключающий перекрытие по времени соседних физических каналов.
Влияние различных факторов на размеры соты и уровень со-канальных помех
В случае проектирования транкииговых сетей, предназначенных в значительной части для корпоративных пользователей, как, впрочем, и любых сетей мобильной связи, необходимо ответить на два важнейших вопроса. Первый - определение местоположения радиооборудования - базовых станций (БС), типа оборудования и его конфигурации. Второй - определение емкости (числа абонентов и трафика) сети в зависимости от числа каналов связи, выделяемых для этой сети. При этом необходимо учитывать специфику работы проектируемых сетей.
Ответ на оба вопроса дает частотно-территориальное планирование сети, которое начинается с анализа зоны обслуживания сети и ее емкости. При проведении такого анализа приходится учитывать большое число факторов: - стоимость услуги для абонента; - класс обслуживания (GoS - Grade of Service), который определяется процентом неуспешных звонков среди попыток соединения; - качество речи, определяемое процентом ошибок в канале передачи речи (BER - Bit Error Rate); - число выделенных частотных каналов; - зону покрытия (обслуживания) сети; - ряд факторов, определяющих емкость сети (распределение населения в зоне обслуживания, распределение использования автомобилей, данные по использованию земли, распределение уровня доходов населения, статистические данные по использованию телефонов и т.п.); - ряд других.
После сбора данных, полученных в результате анализа, может быть произведено первоначальное частотно-территориальное планирование. Его сущность сводится, во-первых, к определению размеров одной соты в зависимости от мощности используемых базовых и абонентских станций, высот и направленности антенн и условий распространения (город, пригород, сельская местность и т.п.) Во-вторых, к наложению полученного сотового шаблона на географическую карту местности, где предполагается построить сеть связи. Поскольку при частотно-территориальном планировании необходимо обеспечить внутрисистемную и межсистемную электромагнитную совместимость радиосредств, работающих в общих и смежных полосах частот, то описанный выше процесс следует рассматривать как первую стадию.
Вторая стадия обычно представляет собой компьютерный анализ условий распространения радиоволн, использующий информацию о зоне покрытия в виде цифровой электронной карты. Большинство крупных фирм производителей аппаратуры систем подвижной связи разработали специальные программы такого компьютерного анализа. Следует указать, что разработка этих программ достаточно трудоемка и дорога, как и создание цифровых электронных карт.
Полученный в результате проведения двух первых стадий проектирования частотно-территориальный план дает грубое представление о зоне обслуживания сети и внутрисистемной и межсистемной электромагнитной совместимости радиосредств. Это связано в первую очередь с невозможностью учета всех факторов, влияющих на распространение радиоволн, на первых двух стадиях проектирования. Для определения реального очертания отдельных сот системы на третьей стадии целесообразно измерение напряженнос-тей электромагнитного поля, создаваемого сигналом на реальных территориях, где могут располагаться абонентские станции. Последнее производится с помощью специальной аппаратуры.
На этом завершается разработка частотно-территориального плана, который используется при инсталляции сети. В дополнение к нему обычно готовится документ, называемый Cell Design Data (CDD), который содержит параметры всех сот. После инсталляции сети она постоянно оценивается на соответствие выставленным и часто изменяющимся требованиям. Это называется настройкой сети, которая включает в себя: - проверку того, что частотно-территориальный план выполнен правильно; - коррекцию частотно-территориального плана в соответствии с жалобами абонентов; - совершенствование сети в части расширения зоны обслуживания и изменения количества абонентов, и т.д.
В процессе функционирования сеть нуждается в постоянной проверке, так как обычно трафик и число абонентов возрастает. В конечном счете сеть исчерпывает имеющиеся резервы и требуется ее расширение, сводящееся к увеличению числа БС. Увеличение числа каналов обычно не производится, так как получить дополнительные каналы весьма сложно и дорого. При описанном выше расширении по существу необходимо повторение процесса частотно-территориального планирования.
Описанная процедура частотно-территориального планирования при использовании ее для проектирования транкинговых сетей, используемых в значительной мере для корпоративных пользователей, имеет ряд недостатков [29].
Во-первых, сама процедура достаточно трудоемка и дорога. Во-вторых, достоверность получаемых при компьютерном анализе результатов невысока из-за невозможности точного учета всех факторов распространения радиоволн и недостаточной точности использованных электронных карт. В-третьих, постоянные изменения сети (рост числа абонентов и трафика) заставляют постоянно корректировать частотно-территориальный план, что существенно удорожает работу сети.
Процедура вычисления вероятности битовой ошибки
В системе мобильной связи стандарта TETRA (а также и GSM) необходимость передачи пилот-тонов отсутствует [4], их функции выполняют тренировочные последовательности, например, последовательность в середине нормальных слотов. Это несколько упрощает аппаратурную реализацию системы связи с двойной поляризацией. Необходимо лишь добавление канала обработки сигнала в передатчике и приемнике базовой станции, аналогичного действующему каналу. Добавляются преобразователь (конвертор) входной последовательности данных в два параллельных потока и антенны.
Итак, канал в вертикальной поляризации смещен относительно соответствующего канала в горизонтальной поляризации на частоту, по величине равную сумме символьной скорости и защитного интервала (рис. 3.3).
Размещение каналов с горизонтальной и вертикальной поляризацией в выделенной полосе частот для стандарта TETRA
Поставив целью определить возможность применения передачи с двойной поляризацией для увеличения канальной емкости сети сотовой связи, в качестве первого критерия примем величину допустимой вероятности ошибки BER. Общепринято считать допустимой для речевой передачи величину BER не выше Ю-3 [44]; передача данных, в том числе - видеокартинки, требует BER ниже 10"6. Необходимо найти условия, например, параметры канала, при которых BER не превышает приведенных выше значений.
Для достижения поставленной цели рассчитаем вероятность битовой ошибки с учетом кросс-поляризации в радиоканале и многолучевости распространения сигнала. 3.2. Физическая и математическая модели канала
В настоящее время радиоканалы классифицируются как типичные городские (typical urbun,TU), сельские (rural area, RA) и пролегающие в холмистой местности (hill terrain, НТ) [44]. Классификация каналов содержит среднюю скорость движения мобильной станции, например, НТ 100. В литературе наиболее часто встречаются данные каналов TU 50, НТ 100 и RA 250. Число учитываемых путей распространения (лучей) - от 2 до 6 (табл. 3.1, [44]) и даже до 12 для всех типов каналов.
Практически важной особенностью сетей стандарта TETRA являются режимы передачи данных и прямой связи между станциями (DMO). Это делает сети привлекательными для специальных применений (спецслужбами), но также не позволяет ограничить анализ лишь городскими условиями. По всей видимости, наиболее отвечает условиям передачи данных на расстояния до 35-60 км канал типа НТ 100 со скоростью движения мобильной станции до 90-110 км/час. Последнее условие соответствует российским ограничениям на скорость движения автомобилей по большинству федеральных дорог.
Из анализа приведенных в табл. 3.1 данных следует, что число лучей, отличающихся по мощности от основного менее, чем на 3 дБ, не превышает одного. На основании этого с целью получения достаточно достоверных результатов ограничимся на данном этапе исследования учетом двух лучей распространения сигнала. Естественно предположить наличие на пути распространения сигнала в таком канале значительного количества перемещающихся неоднородностеи, что соответствует рэлеевской модели [41].
Итак, примем не противоречащую параметрам канала НТ100 двухпуте-вую модель с рэлеевской статистикой огибающей (рэлеевская модель) [41], которая позволит распространить результаты на транкинговый и DMO режимы в системах TETRA.
Импульсные отклики h (t) и h (t) такого канала при передаче сигнала с двойной поляризацией известны [41]:
В соответствии с рассматриваемой задачей и принятой физической моделью учтем межсимвольную и межканальную интерференции. Из перечисленных выше причин деградационных эффектов учтем первые три. Собственно замирания сигнала в многолучевом канале подробно рассмотрены в литературе [41].
Из-за ортогональности в результате смещения по частоте на интервал, равный по величине битовой скорости, сигналы ЗД) и и t) не взаимодействуют друг с другом. Но сигнал Soft) искажается смежным канальным сигналом S(i.Dy(0 и задержанным сигналом, распространяющимся по второму лучу. Аналогично, Siy(t) будет интерферировать с сигналом S{i+i)x(t) и с задержанным сигналом.
Приняв времена задержки тх Титу Г (см. табл.3.1), учтем мнтерференцию только текущего и предыдущего символов, что также соответствует принятой выше модели канала. Следовательно, на выходе радиоканала с аддитивным гауссовским шумом n(t) и откликами, описываемыми формулами (3.1), для Х-НП, например, имеем где собственно полезный сигнал
Отметим, что правая часть выражения (3.9) записана в предположении независимости рэлеевских статистических составляющих каналов обеих поляризаций. В противоположном случае следует предположить корреляцию коэффициентов Ах и 4 вплоть до их равенства [43], что несколько упрощает последующие выкладки.
Обработка сигнала в канале с вертикальной поляризацией описывается соотношениями, аналогичными (3.3) - (3.13).
Полученное выражение для выборки (3.9) является достаточно общим в рамках принятой модели. Но с целью получения далее доступных для анализа результатов следует конкретизировать вид отклика приемного фильтра hf (t), одинакового в каналах обработки сигналов обеих поляризаций. Чаще всего используемые фильтры в аппаратуре сотовых систем связи имеют либо гаус-совские характеристики, либо вида «приподнятый косинус». Без потери общности примем, что фильтры имеют характеристики вида «приподнятый косинус» (рис. 3.3), так что
Аналоговое представление видеосигналов
Разработаны весьма эффективные методы сжатия видеоданных. Новейшим из них является MPEG-4, который вобрал в себя все самые передовые технологии видеокомпрессии. Стандарт разработан как универсальный для использования во многих областях: Internet, интерактивное телевидение, видеофильмы, дистанционное видеонаблюдение, видео по требованию и т.п. Этот стандарт будет применяться и в сетях 3G, что позволит операторам мобильной связи предоставлять услуги интерактивного мультимедиа, видеоконференцсвязи и видеотелефонии со скоростью передачи до 2 Мбит/с.
Представляет несомненный интерес возможность передачи видеоизображений по линиям связи сети TETRA в реальном времени. Основным требованием, предъявляемым к данной услуге, является качество изображения. При передаче в цифровом виде уровень качества изображения определяется разрешением , наличием цветопередачи и количеством кадров, передаваемых за секунду. Имеющиеся цифровые видеокамеры обеспечивают разрешение до 2048 ХІ536 пикселей. Столь высокое разрешение требуется для профессиональных применений, таких как студийная видеозапись. Стандартные видеокамеры общего назначения способны передавать изображения с разрешениями до 800x600,640x480, причем они могут работать в режиме фотокамеры.
Разрешением называется четкость по вертикали и горизонтали, т.е. количество воспроизводимых пикселей. Современные мониторы в зависимости от размера экрана, могут воспроизводить до 1600x1200 пикселей, но при этом частота кадровой развертки оказывается на пределе заметности мельканий яркости экрана (46..50 Гц), что утомляет зрение пользователя. Для увеличения этой частоты (желательно до 100 Гц) приходится использовать монитор в режиме с меньшим разрешением (табл. 4.2). В области электронной обработки данных за единицу измерения разрешающей способности принимают число точек изображения, приходящихся на дюйм, dpi (dots per inch) dpi= kd/h , где kd- максимальное количество пикселей по вертикали, которое способен воспроизвести монитор, h - высота экрана данного монитора в дюймах. В мониторах с электронно-лучевой трубкой dpi зависит от диаметра пучка электронов, а в жидкокристаллических дисплеях - от размера ячейки. Этот параметр позволяет объективно сравнить качество воспроизведения изображений на мониторах с разными размерами диагонали экрана, а также определяет минимально возможный размер пикселя на экране (табл. 4.3).
В аналоговом телевидении разрешаюшую способность оценивают в телевизионных линиях, отнесенных к единице длины (обычно к высоте растра). Аналоговое ТВ изображение дискретизировано на 576 активных строк. Цифро 118 вое изображение, равное по качеству ТВ изображению, имеет разрешение 720x576 пикселей (рек. CCIR 601).
Для того, чтобы оценить возможность стандарта TETRA для передачи изображений при использовании видеокодера MPEG-4, нужно произвести расчет объема информации, требуемого для передачи одного кадра при разных разрешениях. Учитывая возможности видеокамер и мониторов, расчет имеет смысл проводить для разрешений, меньших и равных 800x600. Такие разрешения стандартизованы:
Цифровое изображение с разрешением CIF по качеству соответствует изображению, получаемому с выхода VHS видеомагнитофона.
Сначала рассчитаем количество пикселей на дюйм/?/?/ (pixels per inch) при воспроизведении изображения с разным разрешением на мониторах с различными размерами диагонали при полноэкранной развертке: где кр - максимальное количество пикселей по вертикали при данном разрешении. Этот параметр позволяет судить о качестве воспроизведения изображений на мониторах с разными размерами диагонали экрана при различных разрешениях. Результаты расчета приведены в таблице 4.4
С выхода цифровой видеокамеры поступает сигнал с ИКМ. Объем информации, требуемый для передачи одного черно-белого кадра при ИКМ (без компрессии видеоданных) V =#8, где К -количество пикселей, передаваемых при данном разрешении (обычно используется 8-ми-битовое кодирование), оказывается слишком большим для передачи по мобильному каналу (см. табл.4.4). Принцип компрессии видеоданных в MPEG-4, как указывалось ранее, основан на устранении избыточности видеосигнала. Используются сложные алгоритмы с применением дискретного косинусного преобразования (ДКП) и дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (ДИКМ) с компенсацией движения. В MPEG-4 стандартизованы инструментальные средства кодирования формы видеообъектов, что позволяет при декодировании выделять объекты из сцены и манипулировать видеообъектами. Для расчета достаточно лишь напомнить некоторые аспекты стандарта MPEG-4 изложенные в предыдущих параграфах главы.
Каждому исходному кадру ставится в соответствие блок данных на выходе декодера. Этот блок данных называется "план видеообъекта", VOP (Video Object Plan). Первый кадр видеопоследовательности кодируется как опорный, и на выходе кодера ему соответствует I-VOP (INTRA -VOP), Остальные кадры могут кодироваться с использованием ДИКМ с компенсацией движения. Этим кадрам соответствуют P-VOP, которые образуются в результате вычитания значений соответствующих пикселей текущих и предыдущих кадров. MPEG-4 - универсальный стандарт, поэтому в нем предусмотрено не только покадровое кодирование (каждый VOP соответствует кадру), но и объектно-основанное кодирование при котором каждый видеообъект сцены описывается одним или несколькими VOP.
Для разных приложений в стандарте разработаны различные профили видеокодера. Профиль определяет набор инструментальных средств, которые должны быть использованы кодером для компрессии. Оптимальным для применения в существующих сетях мобильной связи является профиль Simple (Простой), т.к. при кодировании в этом профиле обеспечивается высокая эффек 120 тивность компрессии при сравнительно небольшой сложности видеокодера. В этом профиле используется только покадровое кодирование и форма видеообъектов не кодируется. Для каждого заголовка отводится строго определенное количество бит. Иерархия структуры потока видеоданных MPEG-4/Simple и распределение бит в этом потоке представлены на рис.4.14.
В процессе компрессии каждый исходный кадр делится на макроблоки (участок изображения 16x16 пикселей), которые содержат по 4 блока (8x8) отсчетов яркости и по 2 блока отсчетов цветности. Поэтому объем информации, требуемый для передачи одного кадра, зависит от разрешения исходного, т.е. от количества макроблоков. Видеоданные на выходе кодера MPEG-4 в общем случае представляются в виде иерархии классов. Каждый класс имеет заголовок, который содержит стартовый код и другую, необходимую для декодирования, информацию.
Похожие диссертации на Исследование особенностей построения и эксплуатации транкинговых сетей стандарта TETRA для транспорта и общественной безопасности
