Проект соединительной цифровой радиорелейной линии для сети сотовой связи Томск - Володино

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Темпы увеличения потребности в электросвязи и соответственно темпы реализации этой потребности в технических системах непрерывно увеличивались на всем протяжении закончившегося ХХ века и продолжают нарастать. Непрерывный и быстрый рост потоков информации между людьми, учреждениями, населенными пунктами и странами - один из наиболее характерных процессов в развитии современной культуры.

Благодаря очевидным достоинствам связи без проводов именно радиосвязь развивалась особенно быстро, как по объемам, так и по количеству и уровню новых открытий, изобретений, конструкций, и по масштабам внедрения в жизнь. Это развитие привело к обострению проблемы электромагнитной совместимости радиотехнических устройств, так как открытое распространение радиоволн делает неизбежными взаимные помехи при работе этих устройств, действующих в общем пространстве.

Существует много методов того чтобы избежать взаимных помех при работе РРС, но наиболее надёжными считаются три.

1. Уменьшение мощности передатчиков (ограничение по дальности);

2. Разделение передачи по времени или временное разделение каналов ВРК;

3. Частотное разделение каналов - ЧРК. Оно является самым эффективным при котором для излучение каждой линии радиосвязи выделяется определенная длинна волны и разрешенная для занятия полоса частот.

Развитие многоканальной радиорелейной связи относится к началу 40-х годов, когда появляются первые 12-канальные радиолинии, использующие тот же, что и для кабельных линий, способ частотного разделения каналов и ту же каналообразующую аппаратуру, а также частотную модуляцию сигнала.

В начале 50-х годов появилось сразу несколько типов отечественной аппаратуры РРЛ («Стрела», Р-60/120, Р-600). В дальнейшем на сети связи страны появились радиорелейные системы прямой видимости РРСП «Рассвет», «Восход», КУРС (комплекс унифицированных радиорелейных систем), «Электроника-связь» и др. Общая протяженность РРЛ, эксплуатируемых в народном хозяйстве СССР, составляет более 100 тысяч км.

Радиорелейные линии связи (РРЛ), как коаксиальные и волоконно-оптические кабельные магистрали, служат для многоканальной передачи сотен и тысяч телефонных сообщений, ряда телевизионных программ, высокоскоростной передачи данных в буквенно-цифровом формате от многих корреспондентов и т.д.

Сегодня операторы связи чаще, чем когда либо, обращаются к беспроводным решениям. Это естественный результат постоянного роста требований заказчика как к скорости развертывания новых транспортных магистралей, так и к оперативности увеличения емкости сетей. Особенно актуальной эта проблема становится в эпоху Интернет-экономики, новых широкополосных услуг, мобильной радиосвязи и появления сетей третьего поколения.

Технология радиорелейной связи является хорошим дополнением к проводным средствам, так как представляет заказчикам гибкие и надежные решения, а также возможность быстрого развертывания сети при сравнительно низких затратах.

Освоение природных богатств Дальнего Востока и Сибири а также развитие Газовой отрасли на этом участке потребовало резкого увеличения протяженности ретрансляционных участков РРЛ для обеспечения связью в труднодоступных и отдаленных районов.

В данной дипломной работе рассмотрены вопросы организации цифровых соединительных линий для управления работой Газопровода

С момента изобретения телефона в 1875 году, ставшего отправной точкой в развитии телефонной связи, методов и технологий передачи голоса, прошло сто лет прежде чем в 1975 году появился первый микрокомпьютер.

Все это время системы связи были аналоговыми (в мире - практически вплоть до середины 60-х, в России до середины 70-х годов). Цифровых систем связи практически не было, несмотря на то, что ИКМ была известна с 1937 года, а специализированные цифровые компьютеры - с 1939 года. Несмотря на то, что импульсные методы модуляции интенсивно развивались с начала 40-х в связи с развитием радиолокации, ИКМ не находила широкого практического применения ввиду громоздкости цифрового оборудования, вплоть до появления в 1959 году компьютеров второго поколения, использующих транзисторы в качестве элементной базы.

Начало использования цифровых технологий в сетях передачи данных связано с ИКМ, а именно, с системами цифровой телефонии на основе кабельных сетей связи, используемыми для передачи голоса.

Первой коммерческой цифровой системой передачи голоса, использующей ИКМ и методы мультиплексирования с временным разделением каналов, считают систему компании Bell System (США), установленную в Чикаго в 1962 году. Система давала возможность передавать 24 голосовых канала по медному кабелю, проложенному между офисами компании Bell System. Каждый голосовой канал использовал скорость передачи 64 кбит/с, все каналы объединялись с помощью мультиплексора в единый поток двоичных данных со скоростью 1536 кбит/с, а с учетом служебного канала (8 кбит/с) этот поток приобретал скорость 1544 кбит/с. Он, благодаря последующей стандартизации, и стал известен как канал DS1 или Т1, принятый далее в США за первый (или первичный) уровень мультиплексирования для систем цифровой телефонии. Это было уже время появления ЭВМ третьего поколения (IBM System 360, 1963 год), принесших с собой концепцию канала ввода/вывода с развитой системой мультиплексоров ввода/вывода, используемых для организации коммерческих компьютерных систем цифровой передачи данных, а также для объединения компьютеров в локальные сети.

Однако только стремительное развитие микропроцессорной техники и технологии, зародившейся в 1971 году с появлением первого микропроцессора компании Intel, сделало возможным реальное внедрение цифровой техники в телекоммуникационные системы и привело к широкому распространению и развитию компьютерных сетей, давших вторичный мощный импульс развитию сетей передачи данных на основе ИКМ.

Сетевые цифровые технологии развивались до последнего времени параллельно для глобальных и локальных сетей. Технологии глобальных сетей были направлены в основном на развитие цифровых телефонных сетей, используемых для передачи голоса. Технологии локальных сетей - напротив, использовались, в основном, для передачи данных.

Развитие цифровых телефонных сетей шло по линии уплотнения каналов, как за счет мультиплексирования низкоскоростных первичных каналов Т1, так и за счет использования более рациональных методов модуляции, например, использования дифференциальной ИКМ и ее модификаций, позволивших применять для передачи голосового сигнала скорости 32, 16 и 8 кбит/с.

Развитие схем мультиплексирования привело к возникновению трех цифровых иерархий с разными (для разных групп стран) уровнями стандартизованных скоростей передачи или каналов: DS2 или Т2/Е2, DS3 или ТЗ/ЕЗ, DS4 или Т4/Е4. Эти иерархии, названные плезиохронными цифровыми иерархиями PDH (ПЦИ), широко использовались и продолжают использоваться как в цифровой телефонии, так и для передачи данных.

Развитие технологий скоростных телекоммуникаций на основе PDH привело к появлению в последнее время двух наиболее значительных новых цифровых технологий: синхронной оптической сети SONET (COC), и синхронной цифровой иерархии SDH (СЦИ), иногда рассматриваемых как единая технология SONET/SDH. Эти технологии были ориентированы на использование волоконно-оптических кабелей (ВОК) в качестве среды передачи.

Технологии локальных сетей, ориентированных на передачу данных, а не голоса, развивались не по линии уплотнения каналов, а по линии увеличения полосы пропускания каналов передачи данных, необходимой для передачи не только текстовых, но и графических данных, а сейчас и данных мультимедиа. В результате используемые на начальном этапе развития сетевые технологии ARCnet, Ethernet и Token Ring, реализующие скорости передачи 2-16 Мбит/с в полудуплексном режиме и 4-32 Мбит/с в дуплексном режиме, уступили место новым скоростным технологиям: FDDI, Fast Ethernet 100VG-Any LAN, использующим скорость передачи данных 100 Мбит/с и ориентированных в больше части своей также на применение ВОК.

Создание компьютерных сетей масштаба предприятия, корпоративных, региональных и глобальных сетей передачи данных, связывающих множество локальных компьютерных сетей, в свои очередь привело к созданию таких транспортных технологий передачи данных как Х.25, цифровая сеть интегрированного обслуживания ISDN и peтрансляция кадров Frame Relay, решавших эти задачи первоначально на скоростях 64 кбит/с - 14 кбит/с - 1.5/2 Мбит/с соответственно.

Дальнейшее развитие этих технологий также шло по линии увеличения скоростей передачи и привело к трем важным результатам:

- постепенному отмиранию (в плане бесперспективности развития) существующей еще технологии Х.25;

- увеличению скорости передачи данных, реализуемому технологией Frame Relay, до скорости ТЗ (45 Мбит/с);

- появлению в недрах технологии широкополосной ISDN (B-ISDN) новой технологии ATM, или режима асинхронной передачи, которая принципиально может применяться на различных скоростях передачи (от 1.5 Мбит/с до 40 Гбит/с), благодаря использованию техники инкапсуляции данных.

Система сотовой связи стандарта GSM.

Общие характеристики стандарта GSM.

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.

Cистема 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 шифрованием 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).

Таблица 1. 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

Структурная схема и состав оборудования сетей связи



Рисунок 1. - Функциональное построение и интерфейсы в стандарте GSM

Функциональное построение и интерфейсы, принятые в стандарте GSM, иллюстрируются структурной схемой рисунок 1.2, на которой MSC (Mobile Switching Centre) - центр коммутации подвижной связи; BSS (Base Station System) - оборудование базовой станции; ОМС (Operations and Maintenance Centre) - центр управления и обслуживания; MS (Mobile Stations) подвижные станции.

Функциональное сопряжение элементов системы осуществляется рядом интерфейсов. Все сетевые функциональные компоненты в стандарте GSM взаимодействуют в соответствии с системой сигнализации МККТТ SS N 7 (CCITT SS. N 7).

Центр коммутации подвижной связи обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы подвижная станция. MSC аналогичен ISDN коммутационной станции и представляет собой интерфейс между фиксированными сетями (PSTN, PDN, ISDN и т.д.) и сетью подвижной связи. Он обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами. Кроме выполнения функций обычной ISDN коммутационной станции, на MSC возлагаются функции коммутации радиоканалов. К ним относятся "эстафетная передача", в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении подвижной станции из соты в соту, и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностях.

Каждый MSC обеспечивает обслуживание подвижных абонентов, расположенных в пределах определенной географической зоны (например, Москва и область). MSC управляет процедурами установления вызова и маршрутизации. Для телефонной сети общего пользования (PSTN) MSC обеспечивает функции сигнализации по протоколу SS N 7, передачи вызова или другие виды интерфейсов в соответствии с требованиями конкретного проекта. MSC формирует данные, необходимые для выписки счетов за предоставленные сетью услуги связи, накапливает данные по состоявшимся разговорам и передает их в центр расчетов (биллинг-центр). MSC составляет также статистические данные, необходимые для контроля работы и оптимизации сети. MSC поддерживает также процедуры безопасности, применяемые для управления доступами к радиоканалам.

MSC не только участвует в управлении вызовами, но также управляет процедурами регистрации местоположения и передачи управления, кроме передачи управления в подсистеме базовых станций (BSS). Регистрация местоположения подвижных станций необходима для обеспечения доставки вызова перемещающимся подвижным абонентам от абонентов телефонной сети общего пользования или других подвижных абонентов. Процедура передачи вызова позволяет сохранять соединения и обеспечивать ведение разговора, когда подвижная станция перемещается из одной зоны обслуживания в другую. Передача вызовов в сотах, управляемых одним контроллером базовых станций (BSC), осуществляется этим BSC. Когда передача вызовов осуществляется между двумя сетями, управляемыми разными BSC, то первичное управление осуществляется в MSC. В стандарте GSM также предусмотрены процедуры передачи вызова между сетями (контроллерами), относящимися к разным MSC. Центр коммутации осуществляет постоянное слежение за подвижными станциями, используя регистры положения (HLR) и перемещения (VLR). В HLR хранится та часть информации о местоположении какой-либо подвижной станции, которая позволяет центру коммутации доставить вызов станции. Регистр HLR содержит международный идентификационный номер подвижного абонента (IMSI). Он используется для опознавания подвижной станции в центре аутентификации (AUC).

Практически HLR представляет собой справочную базу данных о постоянно прописанных в сети абонентах. В ней содержатся опознавательные номера и адреса, а также параметры подлинности абонентов, состав услуг связи, специальная информация о маршрутизации. Ведется регистрация данных о роуминге (блуждании) абонента, включая данные о временном идентификационном номере подвижного абонента (TMSI) и соответствующем VLR.

К данным, содержащимся в HLR, имеют дистанционный доступ все MSC и VLR сети и, если в сети имеются несколько HLR, в базе данных содержится только одна запись об абоненте, поэтому каждый HLR представляет собой определенную часть общей базы данных сети об абонентах. Доступ к базе данных об абонентах осуществляется по номеру IMSI или MSISDN (номеру подвижного абонента в сети ISDN). К базе данных могут получить доступ MSC или VLR, относящиеся к другим сетям, в рамках обеспечения межсетевого роуминга абонентов.

Второе основное устройство, обеспечивающее контроль за передвижением подвижной станции из зоны в зону, - регистр перемещения VLR. С его помощью достигается функционирование подвижной станции за пределами зоны, контролируемой HLR. Когда в процессе перемещения подвижная станция переходит из зоны действия одного контроллера базовой станции BSC, объединяющего группу базовых станций, в зону действия другого BSC, она регистрируется новым BSC, и в VLR заносится информация о номере области связи, которая обеспечит доставку вызовов.

Защита и безопасность информации

Для исключения несанкционированного использования ресурсов системы связи вводятся механизмы аутентификации - удостоверения подлинности абонента. Центр аутентификации состоит из нескольких блоков и формирует ключи и алгоритмы аутентификации. С его помощью проверяются полномочия абонента и осуществляется его доступ к сети связи. AUC принимает решения о параметрах процесса аутентификации и определяет ключи шифрования абонентских станций на основе базы данных, сосредоточенной в регистре идентификации оборудования (EIR - Equipment Identification Register).

Каждый подвижный абонент на время пользования системой связи получает стандартный модуль подлинности абонента (SIM), который содержит: международный идентификационный номер (IMSI), свой индивидуальный ключ аутентификации (Ki), алгоритм аутентификации (A3).

С помощью записанной в SIM информации в результате взаимного обмена данными между подвижной станцией и сетью осуществляется полный цикл аутентификации и разрешается доступ абонента к сети.

Организация эстафетной передачи абонента

Рассмотрим случай корректировки местоположения в момент эстафетной передачи. В этом случае подвижная станция уже зарегистрирована в регистре перемещения VLR с временным номером TMSI, соответствующим TMSI прежней зоны обслуживания. При входе абонента в новую зону осуществляется процедура опознавания, которая проводится по старому, зашифрованному в радиоканале TMSI, передаваемому одновременно с номером LAI зоны обслуживания. Последний дает информацию центру коммутации и центру управления о направлении перемещения подвижной станции и позволяет запросить прежнюю зону расположения о статусе абонента и его данные, исключив обмен этими служебными сообщениями по радиоканалам управления. При этом по каналу связи сообщение передается как зашифрованный информационный текст с прерыванием сообщения в процессе эстафетной передачи на 100--150 мс.\

Выбор стандарта

В данном дипломном проекте используется стандарт GSM. Самый распространенный в мире стандарт сотовой связи, предоставляющий практически все услуги.

Его основное преимущество - в цифровом кодировании сигнала, что позволило избавиться от многих помех в радиопередаче, а значит, дать лучшее качество связи в местах плотной застройки и обеспечить конфиденциальность разговора.

Два других достижения - автоматический роуминг и авторизация на SIM-карте. Последнее означает, что, вынув карту из одного телефона и установив в другой (операция, занимающая не больше минуты), абонент может менять телефонные аппараты как заблагорассудится.

Стандарт в коммерческом исполнении существует в трех модификациях: для радиодиапазонов 900, 1800 и 1900 МГц. Первый диапазон экономически выгоднее для покрытия относительно больших территорий (радиус одной соты 35 км, что, конечно же, меньше, чем в NMT - 120 км в зоне прямой видимости). Второй диапазон больше подходит в городе: радиус соты меньше, зато в ней может находиться больше одновременно работающих абонентов.

Третий диапазон применяется только в США, где европейские 900 и 1800 МГц заняты другими службами. Владельцы трехдиапазонных трубок - единственные счастливые обладатели сотовых телефонов, способные воспользоваться услугой автоматического роуминга в США.

На сегодняшний день стандарт GSM поддерживают 228 операторов, официально зарегистрированных в Ассоциации операторов GSM из 110 стран.

За последнее время стандарт GSM-900 сделал еще один большой шаг в своем развитии. Были приняты новые спецификации - фаза 2 и фаза 2+.

Новые функции принятые в этих спецификациях являются полностью цифровыми и позволяют пользователю работать с еще большей эффективностью. К ним относятся ожидание звонка, удержание звонка, возможность просмотра стоимости разговора и состояния личного счета, а также идентификация входящего вызова. Эти функции расширяют и без того немалый ряд сервисных возможностей стандарта.

Но все-таки к наиболее важным изменениям стоит отнести появление новых кодеров речи и данных. Это EFR (Enhanced Full Rate), Full Rate и Half Rate. До введения спецификации "GSM фаза 2" все сети и, соответственно, аппараты работали на "полной скорости" (Full Rate), что в конце концов, стало камнем преткновения - сети не успевали обрабатывать большое количество пользователей и терялось основное назначение сотового телефона - мобильность. С введением EFR и Half Rate ситуация коренным образом изменилась. Пропускная способность сети увеличилась в несколько раз, так как теперь одним каналом передачи сигнала может пользоваться несколько абонентов одновременно. Возросло и качество передаваемой речи за счет более частого общения телефона с базовой станцией.EFR являет собой усовершенствованную систему кодирования речи. Эта система была разработана фирмой Nokia и, впоследствии, стала промышленным стандартом кодирования/декодирования для технологии GSM.

Еще одним немаловажным дополнением стало расширение языковых возможностей "Сервиса Коротких Сообщений" (SMS). Первоначально в SMS использовался только набор латинских букв, однако недавно в стандарте GSM фаза 2+ были введены символы UNICODE, которые включают кириллицу. Операторы использующие данную кодировку могут отправлять мобильным телефонам, поддерживающим кодировку UNICODE, уведомления о голосовой почте, написанные на русском языке.

Основным элементом в работе пользователя с этим стандартом является SIM-карта. С помощью нее выполняются все функции идентификации пользователя в сети (одновременно проводится проверка на наличие "двойников"), проверка подлинности абонента, связь с базовой станцией. SIM-карта также несет в себе все установки необходимые для работы аппарата в сети - вставив в новый аппарат свою SIM-карту, пользователь сохраняет все установки, а главное - свой телефонный номер.

1. Описание проектируемой РРЛ

1.1 Краткий обзор радиорелейных систем передачи прямой видимости

Радиосистема передачи, в которой сигналы электросвязи передаются с помощью наземных ретрансляционных станций, называется Радиорелейной Системой Передачи РРСП. Цепочка радиорелейных станций образует Радиорелейную Линию связи (РРЛС). Сигналы от первой станции принимаются второй, усиливаются и передаются далее к третьей станции и т. д.

Станции, устанавливаемые на конечных пунктах РРЛС и предназначенные для введения и выделения передаваемых сигналов электросвязи, называются Оконечными Радиорелейными Станциями (ОРС), станции ретрансляции называются Промежуточными Радиорелейными Станциями (ПРС). На отдельных станциях осуществляется ответвление части сигналов для передачи в другом направлении или частичное выделение сигналов для передачи потребителям. Такие станции называются Узловыми Радиорелейными Станциями (УРС).

В состав РРСП входит следующее оборудование:

1) Оконечная аппаратура (телефоны, компьютеры, базовые);

2) Аппаратура уплотнения каналов;

3) Аппаратура служебной связи,

4) Телесигнализации и телеуправления;

5) Приемопередающая аппаратура;

6) Аппаратура систем автоматического резервирования стволов;

7) Антенно-фидерные устройства;

8) Оборудование систем гарантированного электропитания

Один приемопередающий комплекс обычно может пропустить несколько сотен, а в ряде случаев и тысяч телефонных сигналов, или несколько телевизионных. В тех случаях, когда РРСП предназначена для передачи большего числа сигналов, она образуется несколькими приемопередающими комплексами, работающими в одном направлении на различных частотах. Каждый из таких комплексов сверхвысокочастотных приемопередатчиков принято называть стволом.

Радиосигнал, принятый антенной ПРС, поступает на Разделительно-Полосовой Фильтр (РПФ), который выполняет функцию распределения сигналов каждого радиопередатчика на вход «своего» радиоприемника.

Радиосигнал, пройдя РПФ, усиливается в радиоприемнике. При этом осуществляется преобразование частоты радиосигнала fНЧ в частоту fПЧ. После преобразования радиосигнал усиливается в радиопередатчике и излучается антенной в направлении следующей станции. На УРС между радиоприемниками и радиопередатчиками включается КОА, позволяющая выделить или дополнительно ввести часть сигналов.

По пропускной способности различают следующие РРЛС:

а) многоканальные, с числом каналов ТЧ свыше 300;

б) средней емкости - от 60 до 300 каналов ТЧ;

в) малоканальные - меньше 60 каналов ТЧ.

По области применения РРЛС делятся на магистральные, протяженностью 10 -12 тысяч км, зоновые - республиканского и областного значения, местные. Магистральные РРЛС являются многоканальными, зоновые имеют среднюю емкость, а местные - малоканальные.

По способу разделения каналов РРЛС могут быть с частотным и временным разделением каналов, а по диапазону используемых частот - дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов.

Чтобы обеспечить радиорелейную связь в пределах прямой видимости, необходимо поднять антенны над уровнем земли на башнях или мачтах. Высоты антенных опор в зависимости от длины и профиля каждого пролета между соседними станциями могут достигать от 100 до 140 м.

Длина пролета между соседними РРС обычно от 30 до 50 км. В диапазонах частот выше 8 ГГц это значение может уменьшаться с повышением частоты. В отдельных случаях длина может быть уменьшена до 20 или 30 км из-за необходимости размещения РРС в заданном пункте, а также когда на трассе РРЛ имеются препятствия.

Коэффициент усиления ретранслятора ПРС составляет 80 ... 160 дБ (при коэффициенте усиления каждой из двух антенн 30...46 дБ). Мощность передатчика РРС 0,3...10 Вт, коэффициент шума приемника 7 ...10 дБ (в варианте с малошумящим усилителем 3 ... 5 дБ).

Наибольшее распространение получили магистральные РРСП в диапазонах частот 4 и 6 ГГц и внутризоновые в диапазонах 2 и 8 ГГц. Магистральные РРСП - многовольтные, число дуплексных радиостволов, организуемых на участке РРЛ, в одном диапазоне частот достигает восьми.

С помощью РРСП обычно передают очень широкополосные сигналы, например телевизионные или большие группы телефонных сигналов. Качественная передача таких сигналов возможна только в диапазонах дециметровых и более коротких волн. Известно, что радиоволны этих диапазонов могут устойчиво распространяться лишь в пределах прямой видимости между пунктами передачи и приема.

Ограниченность расстояния прямой видимости не следует рассматривать как сугубо отрицательный фактор. Именно за счет невозможности свободного распространения радиоволн на большие расстояния устраняются взаимные помехи между РРСП внутри одной страны или разных стран.

Кроме того, следует подчеркнуть, что в указанных диапазонах практически отсутствуют атмосферные и промышленные помехи.

Разрабатываемая радиорелейная линия предназначена для управления работой магистрального газопровода. Для этого на РРЛ предусматривается организация телефонных каналов технологической связи, линейной телемеханики, диспетчерской и мобильной связи.

Разрабатываемая РРЛ состоит из 3 радиорелейных станций. Структурная схема расположения РРС представлена на рис. 1.1.

Рис.1.1 Структурная схема РРЛ

1.2 Обзор цифровых иерархий

В настоящее время в мире широко применяются несколько высокоскоростных систем передачи данных. Среди них -PDH, SDH, Frame Relay, ATM, ISDN. Так изучаемая система синхронной иерархии пришла на смену плезиохронной, то необходимо рассмотреть особенности заменяемой системы.

1.2.1 Системы плезиохронной цифровой иерархии

Три такие иерархии были разработаны в начале 80-х годов. В первой из них, принятой в США и Канаде, в качестве скорости сигнала первичного цифрового канала ПЦК (DS1) была выбрана скорость 1544 кбит/с (т.е. двадцать четыре цифровых телефонных канала 64 кбит/с). Во второй, принятой в Японии, использовалась та же скорость для DS1. В третьей, принятой в Европе и Южной Америке, в качестве первичной была выбрана скорость 2048 кбит/с (формально количество каналов - 32, но два канала используются для сигнализации и управления).

Первая иерархия, порожденная скоростью 1544 кбит/с, давала последовательность: DS1 -DS2 - DS3 - DS4 или последовательность вида: 1544 - 6312 - 44736 - 274176 кбит/с, что, с учетом скорости DS0, соответствует ряду коэффициентов мультиплексирования n=24, m=4, 1=7, k=6. Указанная иерархия позволяет передавать соответственно 24, 96, 672 и 4032 канала DS0. Вторая иерархия, порожденная скоростью 1544 кбит/с, давала последовательность DS1 - DS2 - DS3 - DS4 или последовательность 1544 - 6312 - 32064 - 97728 кбит/с, что, с учетом скорости DS0, соответствует ряду коэффициентов мультиплексирования n=24, m=4, l=5, k=3. Указанная иерархия позволяет передавать соответственно 24, 96, 480 и 1440 каналов DSO. Третья иерархия, порожденная скоростью 2048 кбит/с, давала последовательность Е1 - E2 -ЕЗ - Е4 - Е5 или последовательность 2048 - 8448 34368 - 139264 - 564992 - кбит/с, что соответствует ряду коэффициентов n=30 (32), m=4, l=4, k=4, i=4, (т.е. коэффициент мультиплексирования в этой иерархии выбирался постоянным и кратным 2). Указанная иерархия позволяет передавать соответственно 30, 120, 480, 1920 и 7680 каналов DS0, что отражается и в названии ИКМ систем: ИКМ-30, ИКМ-120, ИКМ-480 и т.д.. Указанные иерархии, известные под общим названием плезиохронная цифровая иерархия PDH, или ПЦИ, сведены в таблицу 1.1

Таблица 1.1 - Три схемы цифровых иерархий: американская (АС), японская (ЯС) и европейская (ЕС)

Уровень цифровой иерархии	Скорости передачи, соответствующие различным схемам цифровой иерархии
	АС: 1 544 кбит/с	ЯС: 1544 кбит/с	ЕС: 2048 кбит/с
0	64	64	64
1	1544	1544	2048
2	6312	6312	8448
3	44736	32064	34368
4	--	97728	139264

Параллельное развитие трех различных иерархий не могло способствовать развитию глобальных телекоммуникаций в мире в целом, поэтому комитетом по стандартизации ITU-T или МСЭ-Т были сделаны шаги по их унификации и возможному объединению. В результате был разработан стандарт, согласно которому были стандартизованы три первых уровня первой иерархии (DS1-DS2-DS3), четыре уровня второй иерархии (DS1-DS2-DSJ3-DSJ4) и четыре уровня третьей иерархии (Е1-Е2-ЕЗ-Е4) в качестве основных. Также были указаны схемы кросс-мультиплексирования иерархий, например, из третьей в первую и обратно. На рисунке 1.2 схематично представлен результат, полученный после стандартизации.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.2 Схема мультиплексирования и кросс-мультиплексирования в американской, японской и европейской цифровых иерархиях

Работы по стандартизации иерархий как в Европе, так и в Америке, имели два важных последствия:

- разработка схемы плезиохронной цифровой иерархии (PDH или ПЦИ);

- разработка схемы синхронной цифровой иерархии (SONET/SDH или СЦИ).

1.2.2 Особенности плезиохронной цифровой иерархии

Наличие стандартных скоростей передачи и фиксированных коэффициентов мультиплексирования позволило говорить о трех схемах мультиплексирования - американской, японской и европейской. При использовании жесткой синхронизации при приеме/передаче можно было бы применить метод мультиплексирования с чередованием октетов или байтов, как это делалось при формировании цифровых сигналов первого уровня, для того, чтобы иметь принципиальную возможность идентификации байтов или групп байтов каждого канала в общем потоке. Однако учитывая, что синхронизация входных последовательностей, подаваемых на мультиплексор от разных абонентов/пользователей, отсутствует, в схемах второго и более высокого уровней мультиплексирования был использован метод мультиплексирования с чередованием бит(а не байт). В этом методе мультиплексор, например, второго уровня формирует выходную цифровую последовательность скоростью 6 Мбит/с - АС, ЯС (или 8 Мбит/с - ЕС) путем чередования бит входных последовательностей от разных каналов (для АС и ЯС это каналы Т1, а для ЕС - каналы Е1).

Так как мультиплексор не формирует структуры, которая могла бы быть использована для определения позиции бита каждого канала, а входные скорости разных каналов могут не совпадать, то используется внутренняя побитовая синхронизация, при которой мультиплексор сам выравнивает скорости входных потоков путем добавления или удаления нужного числа выравнивающих бит в каналы с относительно меньшими скоростями передачи. Благодаря этому на выходе мультиплексора формируется синхронизированная цифровая последовательность. Информация о вставленных/изъятых битах передается по служебным каналам, формируемым отдельными битами в структуре фрейма. На последующих уровнях мультиплексирования эта схема повторяется, добавляя новые выравнивающие биты. Эти биты затем удаляются/добавляются при демультиплексировании на приемной стороне для восстановления исходной цифровой последовательности. Такой процесс передачи получил название плезиохронного (т.е. почти синхронного), а цифровые иерархии АС, ЯС и ЕС соответственно название плезиохронных цифровых иерархий - PDH.

Кроме синхронизации, на уровне мультиплексора второго порядка также происходит формирование фреймов и мультифреймов, которые позволяют структурировать последовательность в целом. Формирование фреймов и мультифреймов и их выравнивание особенно важно для локализации на приемной стороне каждого фрейма, что позволяет в свою очередь получить информацию о сигнализации и кодовых группах контролирующих избыточных кодов CRC и информацию служебного канала данных.

Общая схема канала передачи с использованием технологии PDH даже в самом простом варианте топологии сети "точка - точка" на скорости 140 Мбит/с должна включать три уровня мультиплексирования на передающей стороне (для ЕС, например, 2>8, 8>34 и 34>140) и три уровня демультиплексирования на приемной стороне, что приводит к достаточно сложной аппаратурной реализации таких систем.

С использованием современных методов ИКМ (например дифференциальной ИКМ - ДИКМ) можно использовать скорость 32 кбит/с для передачи одного речевого канала, что приводит к схемам каналов Т1 или Е1, несущих 48 или 60 телефонных каналов [1]. Современная техника сжатия данных позволила последовательно увеличить эти показатели в 2 раза (16 кбит/с на речевой канал), затем в 4 раза (8 кбит/с на канал) и, наконец, благодаря использованию техники кодирования с линейным предсказанием по кодовой книге, в 5 раз (6.4 кбит/с на канал).

Также, важным результатом развития, стало то, что PDH системами стали пользоваться для передачи данных, и в первую очередь банковских транзакций, используя, главным образом, каналы 64 кбит/с с протоколом пакетной коммутации Х.25. Казалось, что от этого привлекательность новой технологии только выиграет за счет привлечения новой мощной группы пользователей. Однако этого не произошло. PDH технология продемонстрировала на этом этапе возросшего к ней интереса свою негибкость.

1.2.3 Недостатки плезиохронной цифровой иерархии

Суть основных недостатков PDH в том, что добавление выравнивающих бит делает невозможным идентификацию и вывод, например, потока 64 кбит/с или 2 Мбит/с, "зашитого" в поток 140 Мбит/с, без полного демультиплексирования или "расшивки" этого потока и удаления выравнивающих бит. Одно дело передавать поток междугородных или международных телефонных разговоров от одного телефонного узла к другому "сшивая" и "расшивая" их достаточно редко. Другое дело - связать несколько банков и/или их отделений с помощью PDH сети. В последнем случае часто приходится либо выводить поток 64 кбит/с или 2 Мбит/с из потока 140 Мбит/с, чтобы завести его, например, в отдел банка, либо наоборот выводить поток 64 кбит/с или 2 Мбит/с из банка для ввода его обратно в поток 140 Мбит/с. Осуществляя такой ввод/вывод, приходится проводить достаточно сложную операцию трехуровневого демультиплексирования PDH сигнала с удалением/добавлением выравнивающих (на всех трех уровнях) бит и его последующего трехуровневого мультиплексирования с добавлением новых выравнивающих бит.

При наличии многих пользователей, требующих ввода/вывода исходных (например, 2 Мбит/с) потоков, для аппаратурной реализации сети требуется чрезмерно большое количество мультиплексоров, в результате, эксплуатация сети становится экономически невыгодной.

Другое узкое место технологии PDH - слабые возможности в организации служебных каналов для целей контроля и управления потоком в сети и практически полное отсутствие средств маршрутизации низовых мультиплексированных потоков, что крайне важно для использования в сетях передачи данных. Рекомендация G703 вообще не предусматривает необходимые для нормальной маршрутизации заголовки. В связи с отсутствием специальных средств маршрутизации, при формировании PDH фреймов и мультифреймов увеличивается (при возрастании числа мультиплексирований и подключений потоков при маршрутизации) возможность ошибки в отслеживании "истории" текущих подключений, а значит увеличивается и возможность "потерять" сведения не только о текущем переключении, но и о его "истории" в целом, что приводит к нарушению схемы маршрутизации всего трафика.

1.3 Частотный диапазон и возможность эффективного использования всего отведенного участка диапазона.

Выбор диапазона определяется следующими требованиями:

- обеспечением необходимой дальности связи при заданном качестве связи;

- возможностью получения разрешения на строительство РРЛ на конкретную трассу.

Решением ГКРЧ РФ от апреля 1996 г. для новых РРЛ определены следующие диапазоны 7 ГГц (7,257,55); 8 ГГц (7,98,4); 11 ГГц (10,711,7); 13 ГГц (12,7513,25); 15 ГГц (14,415,35); 18 ГГц (17,719.7); 23 ГГц (21,223,6); 38 ГГц (3640,5).

Чем ниже диапазон, тем большую дальность связи можно обеспечить при тех же энергетических характеристиках оборудования, но сложнее получить разрешение Главсвязьнадзора РФ на конкретную трассу, так как более низкие диапазоны наиболее освоены.

Эффективность использования частотного ресурса диапазона определяется следующими факторами:

· Требуемой шириной полосы приемопередатчика, которая, как отмечалось выше, определяется скоростью передачи информации, выбранным методом модуляции (см ниже) и уровнем стабилизации частоты передатчика;

· Параметрами электромагнитной совместимости (ослабление чувствительности по побочным каналам приема в приемнике, уровень подавления внеполосных и побочных излучений);

· Возможностями полного использования всего отведенного участка диапазона, которые обеспечиваются использованием в составе станции синтезатора частоты.

1.4 Радиорелейные линии

Одним из основных видов современных средств связи являются радиорелейные линии (РРЛ). Конечным этапом при производстве РРЛ являются установка и ввод в эксплуатацию линии связи. Перед установкой РРЛ требуется решить технические, организационные и экономические вопросы. Каждая трасса РРЛ - индивидуальна, она зависит от различного географического положения. В зависимости от географического положения РРЛ, связь приходиться осуществлять в разных климатических условиях. Известно, что среда распространения радиоволн и климатические условия влияют на характер распространения радиоволн и, следовательно, на качество связи. Соответственно при установке РРЛ возникает потребность в расчете качественных показателей, таких как расчет высоты подвеса антенн, устойчивости связи, необходимого запаса на замирание, ожидаемой мощности шумов и соотношения сигнал/шум в канале.

Задачей работы является ознакомление с методами расчетов и расчет качественных показателей при проектировании трассы цифровой радиорелейной линии.

2. Аппаратура цифровых систем передачи для транспортных и корпоративных сетей

2.1 Аппаратура цифровых систем передачи ПЦИ/PDH

2.1.1 Виды аппаратуры и ее характеристики

В состав цифровой первичной сети обычно входят несколько видов типовых устройств аппаратуры ПЦИ/PDH - сетевых элементов (СЭ), образующих неспециализированные цифровые каналы нижнего уровня, а также специализированные каналы технологических сетей.

К типовым устройствам ЦСП ПЦИ/PDH относятся линейные мультиплексоры (ЛМ), терминальные мультиплексоры (ТМ). мультиплексоры ввода/вывода (МВВ) - так называемые гибкие мультиплексоры, цифровые системы кросс-коммутации (СКК).

Линейные мультиплексоры ЛМ обеспечивают мультиплексирование нескольких потоков нагрузки самого низкого уровня иерархии (ОЦК, каналов ТЧ, каналов передачи данных, включая каналы связи для телемеханики (ТМ) и телеуправления (ТУ), систем релейной защиты и автоматики (РЗА) и др.) в цифровые потоки более высокого уровня. Они являются промежуточными СЭ в магистралях сети ПЦИ/PDH или входят в состав МВВ.

Терминальные мультиплексоры ТМ обеспечивают мультиплексирование нескольких потоков нагрузки: низкого уровня иерархии в цифровые потоки более высокого уровня и обычно являются конечными СЭ в сети или входят в состав МВВ.

Мультиплексоры ввода/вывода (МВВ), так называемые гибкие мультиплексоры являются сетевыми элементами в сети ПЦИ/PDH которые обеспечивают ввод и вывод потоков нагрузки самого низкого уровня иерархии (обычно, на уровне каналов ЕО) в каждом СЭ - МВВ.

Системы кросс-коммутации (СКК) - это программно управляемая аппаратура оперативного переключения DCC (Digital Cross-Connect);, которая обеспечивает переключение и полную не блокируемую коммутацию цифровых каналов 64 кбит/с и Nx64 кбит/с между входными интерфейсами канала Е1 или Е2, Обычно системы кросс-коммутации DCC I/O (E1/EO) имеют модульное построение от 4x4 до 32х32Е1 и выше (максимально до 128х128Е1) и используются для оперативного переключении и реконфигурации сети ПЦИ/PDH, а также для оперативного управления ее ресурсами.

В состав сети ПЦИ/PDH, как правило, входит система управления сетевыми элементами ЕМ (Element Manager) и сетью NM (Network Manager).

В настоящее время аппаратуру ЦСП ПЦИ/PDH выпускают в основном в виде мультиплексоров типа ЛМ, ТМ и МВВ. В зависимости от их комплектации они могут быть использованы в качестве СЭ для следующих основных применений в сети: соединение точка-точка, ввод-вывод в линию, ввод-вывод в кольцевую транспортную магистраль, а также в качестве СКК Елочное исполнение и характеристики мультиплексоров МВВ зависят от назначения мультиплексора.

К основным характеристикам мультиплексоров ПЦИ/PDН можно отнести следующие:

тип (оптический/электрический) и скорость передачи линейных интерфейсов;

дальность передачи (энергетический потенциал интерфейсов приема-
передачи оптического (электрического) сигнала);

число и типы пользовательских интерфейсов или портов нагрузки;

емкость матрицы коммутации (для МВВ);

возможность резервирования трактов или каналов и отдельных блоков;

разнообразие пользовательских интерфейсов:

типы интерфейсов к системам и сети управления;

габаритные размеры и требования к внешней среде:

наличие дополнительных интерфейсов для станционной сигнализации.

- подключения датчиков пожарной и другой сигнализаций и т.п.
Рассмотрим указанные выше характеристики мультиплексоров ПЦИ/PDH.

2.1.2 Скорость передачи линейных интерфейсов

В настоящее время мултиплексоры ПЦИ/PDH выпускаются с линейными интерфейсами передачи соответствующими цифровым каналам Е1 (2,048 Мбит/с), Е2 (8 Мбит/с), ЕЗ (34 Мбит/с), Е4 (140 Мбит/с). Однако для планирования сетей на основе мультиплексоров ПЦИ/РDН интересно значение не скорости передачи, а емкости полезной нагрузки. Оно составляет соответственно 30, 120, 480 и 1920 ОЦК ЕО (напомним, что один канал Е1 обычно содержит 30 ОЦК со скоростью передачи 64 кбит/с).

2.1.3 Дальность передачи аппаратуры

ПЦИ/РDН или максимальное расстояние (длина ОК или медной КЛС) между ближайшими мультиплексорами в сети определяется типом и характеристиками оптических (электрических) интерфейсов приема/передачи мультиплексоров ПЦИ/PDH

Для типичных характеристик оптических интерфейсов приема/передачи мультиплексоров ПЦИ/PDН дальность передачи по оптическим кабелям ВОЛС может достигать 40... 120 км, а для ЦСП с электрическими интерфейсами приема/передачи Е1 до 2 км по КЛС. При использовании технологии HDXL дальность передачи по КЛС для цифровых каналов Е1 может достигать в среднем 5... 10 км (в зависимости от значения диаметра жилы медного кабеля).

2.1.4 Возможность резервирования

Способы резервирования трактов и каналов отличаются у различных производителей и зависит от типа аппаратуры ПЦИ/PDH Степень аппаратного резервирования отдельных блоков обычно варьируется от производителя к производителю и от одного модельного ряда к другому, а также может зависеть от комплектации, выбранной заказчиком.

2.1.5 Разнообразие пользовательских интерфейсов

Существенно определяется назначением мультиплексора.

2.1.6 Интерфейсы управления к системам и сетям

Как правило, интерфейсы передачи данных для управления сетью к мультиплексорам МВВ (СЭ) и системам управления представлены разъемами Ethernet Base2 или BaseT (Q-интерфейс) и RS-232 (F-интерфейс). Некоторые производители комплектуют мультиплексоры МВВ разъемом DB-9 для подключения к сетям передачи данных X 25.

Системы управления оборудования ПЦИ/PDH по функциональности обычно удовлетворяют рекомендациях ITU-T, однако, не всегда совместимы с системами управления сетями СЦИ/SDH. Некоторые крупные производители аппаратуры СЦИ/SDH например, компании Nortel Networks или Lucent Technologies, предоставляют модульные системы управления, которые обеспечивают поддержку аппаратуры ПЦИ/PDH и других производителей.

2.1.7 Габаритные размеры

Большинство производителей аппаратуры ЦСП ПЦИ/PDH выпускают мультиплексоры в нескольких вариантах конструктивного исполнения (дюймовом и метрическом), допускающих их установку в стойку шириной 19" или стойку СКУ.

2.1.8 Дополнительные интерфейсы для станционной сигнализации, датчиков пожарной и другой сигнализации

Ряд производителей аппаратуры ЦCП ПЦИ/PDH предусматривают дополнительные интерфейсы для подключения станционной сигнализации, датчиков пожарной и другой специальной сигнализации, включая виды сигнализации по требованию заказчика.

2.2 Выбор аппаратуры ПЦИ/PDH

2.2.1 Критерии выбора

Критерии выбора ЦСП ПЦИ/PDH основаны на общих требованиях но должны учитывать специфику конкретной первичной или корпоративной сети связи. Говоря о конкретных технических требованиях, предъявляемых к аппаратуре ЦСП ПЦИ/PDH необходимо определить стратегию построения ведомственных и корпоративных сетей связи и выделить приоритеты Так, для железнодорожного транспорта важнейшим является обеспечение безопасности движения, которое включает диспетчеризацию всех процессов по грузоперевозкам. Для энергосистем Минтопэнерго, наряду с обеспечением системы постоянного мониторинга всего энергетического комплекса, необходимо иметь диспетчерские каналы для управления технологическими процессами и организации регулирования энергетических потоков,, как в отдельных энергосистемах, так и в рамках Единой энергосистемы России. Убытки, которые несут ежегодно энергосистемы от недостаточно эффективного использования своих ресурсов из-за отсутствия оперативной и точной информации по учету энергоресурсов, выработки и передачи электроэнергии, составляют огромные суммы, которые сравнимы со стоимостью инфотелекоммуникационных сетей связи, необходимых для решения подобных задач.

Аппаратура ЦСП предназначена для применения на первичных, ведомственных к корпоративных сетях связи, должна удовлетворять следующим характеристикам:

универсальность - возможность выполнения большого комплекса услуг, заданного требованиями служб эксплуатации, без значительных, дополнительных затрат;

- унификация - возможность изменения функциональной нагрузки аппаратуры с использованием составных элементов, отвечающих стандартным требованиям по интерфейсам, шинам технического обслуживания и конструкции;

- гибкость - возможность гибкого и легкого переконфигурирования: оборудования при необходимости изменения функционального назначения и
перечня сигналов или архитектуры сети связи;

- контроль и управляемость - способность системы непрерывно контролировать заданные параметры и изменять функции под воздействием оператора сети;

надежность и безотказность - выполнение функций без сбоев в течение длительного времени с заданными параметрами;

стойкость и живучесть - штатное функционирование при всех внешних воздействующих факторах и возможность быстрого восстановления всей системы при выходе из строя ее отдельных элементов.

При этом определяющими требованиями, предъявляемыми к современным средствам связи, являются высокая надёжность, гибкость конфигурирования, удобство управления и контроля.

Основные критерии выбора аппаратуры ЦСП ПЦИ/PDH должны опираться на общую стратегию построения и развития цифровой первичной сети, которая обычно формулируется в концепции ее развития с учетом назначения. Например, крупные операторы связи и большие корпорации, создающие крупные корпоративные сети, обычно планируют применение аппаратуры ЦСП ПЦИ/PDH 2-х или 3-х производителей, Такой подход оправдан как по техническим, так и стратегическим причинам; его применяют Ростелеком, МГТС, АО «Мосэнерго» при создании ЦПС для единой информационной сети связи [6]. Поэтому одним из основных критериев выбора становится совместимость систем управления оборудованием и сетью ПЦИ/PDH с системами управления ЦСП СЦИ/'SDH других производителей.

Перечислим основные критерии выбора, аппаратуры ЦСП ПЦИ/PDH

-требуемая скорость передачи в транспортных магистралях сети;

необходимость резервирования в сети, включая выбор схем резервирования;

функциональная полнота семейства аппаратуры;

наличие необходимых интерфейсов и аппаратуры доступа;

возможность интеграции различных видов трафика;

стоимость аппаратуры

Общие требования к аппаратуре связи у большинства ведомственных операторов и крупных корпораций примерно одинаковы, различия в основном проявляются только в потребной канальной емкости линий связи и типах пользовательских интерфейсов.