ДонНТУ   Портал магістрів

Петров Дмитро Олексійович

Факультет комп’ютерних інформаційних технологій та автоматики

Кафедра радіотехники та захисту інформації

Спеціальність Інформаційна безпека

Дослідження завадостійкості мобільної станції стандарту GSM-900

Науковий керівник: к.т.н., доцент Хачатурова Тетяна Олександрівна

Консультант: Фунтиков Максим Миколайович

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати
• 3. Короткий огляд стандарту мобільного зв'язку GSM-900
• 3.1 Організація мережі мобільного зв'язку стандарту GSM
• 3.2 Особливості перетворення мовних сигналів в стандарті GSM
• Висновки
• Перелік посилань

Вступ

У сучасному світі використання мобільної системи зв'язку необхідне людині для здійснення її діяльності, тому сьогодні віддалений обмін інформацією має найважливіше значення в житті людини.

Однією з основних проблем в передачі інформації на відстань є забезпечення достовірності цієї інформації. Це означає, що необхідно зменшувати фактори, що впливають на канал передачі інформації. До таких факторів належать:

• Завади від зовнішніх впливів (промислові шуми, шуми апаратури і т.д.);
• Завади, пов'язані з методом реалізації передачі інформації.

1. Актуальність теми

Сьогодні мобільні мережі є невід'ємною частиною життя сучасного суспільства. Технології розвиваються, і зростає потреба в захисті інформації, що передається по бездротовому каналу зв'язку. Дана потреба несе в собі захист від помилок, які можуть в подальшому спричинити шкоду.

Підвищення завадостійкості систем мобільного зв'язку дозволяє поліпшити параметри системи. Застосування подібних поліпшень дозволяє системам відповідати основним сучасним вимогам суспільства:

• Мобільність використання.
• Якість передачі.

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Основною метою роботи є дослідження завадостійкості мобільної станції стандарту GSM-900, пошук рішень та методів підвищення продуктивності системи.

План дослыджень:

1. Аналіз стандарту мобільного зв'язку GSM-900.
2. Аналіз і оцінку завадостійкості системи при передачі інформації за допомогою бездротової технології.
3. Проведення аналізу моделі з використанням програмного забезпечення LabView.

Об'єкт дослідження: стандарт мобільного зв'язку GSM-900.

Предмет дослідження: методи поліпшення:

• функціонування системи;
• точності при передачі інформації;
• характеристик системи при використанні методів захисту від завад.

В рамках магістерської дисертації планується отримання актуальних наукових результатів за наступними напрямками:

• Розробка поліпшень роботи мобільних мереж стандарту GSM-900.
• Визначення областей застосування різних варіантів основних етапів захисту від завад при передачі інформації.
• Моделювання процесів для підтвердження отриманих результатів досліджень.

3. Короткий огляд стандарту мобільного зв'язку GSM-900

GSM (Global System for Mobile communications – глобальна система мобільного зв'язку) – це відкрита цифрова стільникова технологія, яка використовується для передачі мовних повідомлень і даних [1].

Стандарт GSM став першим цифровим стандартом зв'язку. Він використовує частотний та часовий поділ каналів, тобто кожному абоненту відведена певна частотна смуга, на якій йде обмін даними між пристроєм абонента і базовою станцією. У той же час передача даних йде фіксоване за часом: передавач і приймач працюють не одночасно, але висока частота передачі даних не дає помічати абоненту цих переривань.

Системи мобільного зв'язку на основі стандарту GSM розраховані на їх застосування в комерційній сфері. Такі системи дають можливість користувачу отримати наступні послуги:

• Передача мовних повідомлень і даних, сигналів виклику і аварійних сигналів.
• Підключення до телефонних лініях загального користування.

Цифрові методи, які застосовуються в мобільному зв'язку стандарту GSM, дають наступні переваги:

• Цифрове кодування мови з більш низькими швидкостями. Низькошвидкісне кодування мови, сумісне з методами цифрової модуляції, дозволяє передавати кілька мовних каналів на одній несучої, збільшуючи тим самим ефективність використання спектру.
• У порівнянні з аналоговими методами, цифрова модуляція дозволяє підвищити ефективність використання частотного спектра.
• Ширина смуги частот є змінною [2].

У таблиці 1 [3, 5] подано основні характеристики стандарту GSM-900.

	Таблиця 1
Характеристики стандарту GSM-900	Показник
Частоти передачі повідомлень з мобільного пристрою зв'язку на базову станцію, МГц	890 – 915
Частоти передачі повідомлень з базової станції на мобільний пристрій зв'язку, МГц	935 – 960
Двобічний рознос частот прийому і передачі, МГц	45
Кількість частотних каналів зв'язку з шириною 1 каналу зв'язку в 200 кГц	124
Ширина смуги каналу зв'язку, кГц	200

3.1 Організація мережі мобільного зв'язку стандарту GSM

До основних елементів стільникового системи відносяться: мережа базових станцій, що покривають територію обслуговування; обладнання абонентів (мобільні телефони).

Базова станція – це багатоканальний приймально-передавальний пристрій. Він відповідає за обслуговування всіх абонентів в межах своєї стільники. Кожна з базових станцій з'єднується з центром комутації по засобах провідний або радіорелейного зв'язку.

Управління мережею здійснюється в центрі комутації. У його пам'яті зберігаються дані всіх абонентів, що обслуговується мережею. Також він відповідає за перевірку прав доступу абонентів і підтвердження їх достовірності – аутентифікацію. Основні обов'язки центру комутації:

• стеження за сигналами мобільних телефонів, їх естафетна передача при переміщенні телефону з однієї стільники в іншу;
• комутація каналів в стільниках при появі завад або несправностей;
• встановлення з'єднання абонента мережі з іншим абонентом відповідно з номером, який був набираний, або вихід в міську, міжміську і т.д. телефонну мережу.

Дані функції не обов'язково відносяться тільки до центру комутації. У деяких варіантах побудови мережі вони можуть розділяться між центром комутації та контролерами базових станцій.

Порядок роботи елементів мережі в спрощеному вигляді

Всі мобільні телефони прослуховують сигнали на керуючому каналі базової станції в очікуванні виклику. У момент, коли абонент здійснює виклик, починається автоматичний пошук вільного каналу. Після знаходження каналу, мобільний телефон передає набраний номер і свої параметри на комутатор мережі через базову станцію. Далі цей абонент проходить перевірку. При успішному її проходженні, центр комутації здійснює подальше з'єднання: комутатор шукає в своїй базі даних наявність набраного номера і починає пошук мобільного телефону абонента в кожній з стільників. Після того, як телефон абонента знайдений, він приймає виклик по керуючому каналу, тобто дає підтвердження виклику, визначаючи таким чином своє місцезнаходження в мережі. Завершальний етап полягає в перемиканні з'єднання до вільного каналу у даному стільнику.

Організоване з'єднання безперервно супроводжується комутатором для стеження за сигналами мобільних телефонів в процесі зв'язку. У разі виникнення будь-яких проблем (наприклад, несправність обладнання або завада) комутатор перемкне з'єднання на інший вільний канал. Якщо ж абонент віддалиться від базової станції настільки, що рівень сигналу знизиться до граничного значення, комутатор перемкне цього абонента на іншу базову станцію, яка буде найближчою в даний момент часу.

На малюнку 1 представлена спрощена схема роботи мережі.

Малюнок 1 – Спрощена схема роботи мережі
(Даний рисунок є анімацією. Обсяг файлу: 28 Кбайт; розмір: 786 x 397 пікселів; кількість кадрів: 6; кількість циклів повторення: 10).

3.2 Особливості перетворення мовних сигналів в стандарті GSM

У стандарті GSM використовується технологія TDMA (часовий поділ каналів). Кожен радіоканал використовується для організації восьми цифрових каналів з даною технологією. Також застосовується блочне і згорткове кодування з перемежіваніем для захисту від помилок в радіоканалах.

До основних характеристик мовних сигналів і особливостей їх аналого-цифрового перетворення відносяться:

• діапазон частот мовного сигналу: 0,3 – 3,4 кГц;
• середнє значення тривалості звуків мовного сигналу становить 130 мс;
• середнє значення тривалості для приголосних звуків становить 92 мс, для голосних – 210 мс;
• спектр потужності мовного сигналу максимальний близько частоти 400 Гц при підвищенні частоти зменшується зі швидкістю 9 дБ на октаву;
• під час телефонної розмови відбувається зміна рівня мовного сигналу в межах 35 – 40 дБ;
• в аналого-цифровому перетворенні і цифровій обробці сигналу мовлення обмежуються частотним інтервалом звичайного аналогового телефону 300 – 3 400 Гц, при цьому при кодуванні мовного сигналу враховують квазістаціонарний гауссовский процес, у якого спектрально-кореляційні характеристики постійні на інтервалі 20 – 30 мс [4].

До процесу перетворення аналогового мовного сигналу в цифровий відноситься такі перетворення як дискретизація і квантування.

При дискретизації сигналу на два входи діскретізатора подаються аналоговий сигнал (мова) U₁(t) і сигнал від генератора тактових імпульсів U_d(t).

Теорема дискретизації Котельникова-Шеннона свідчить, що для будь-якої функції U₁(t), що складається з частот від 0 до f_в, можна безперервно передавати з будь-якою точністю за допомогою чисел, що слідують один за одним через 1/2f_в секунд [7].

Це означає, що при дискретизації сигналу з частотою 2f_в миттєві відліки будуть містити в собі практично всю інформацію вихідного сигналу. Тому для телефонії частоту дискретизації обирають рівною f_d = 8000 Гц, тому що тут максимальна частота обмежена і дорівнює f_max = 3400 гц. В цьому випадку, період діскрітізаціі становить T_d = 1/f_d = 125 мс.

На виході діскретізатора буде діяти сигнал U₂(t) = U₁(t) * U_d(t).

Після дискретизації сигнал U₂(t) піддається квантуванню. У телефонії число рівнів квантування обирається рівним 256 = 2⁸ або більше.

На один квантовий відлік стандарт GSM використовує вісім біт цифрової інформації. Частота тактового генератора становить 8 * 8 = 64 кГц, а період T_k = (1/64) * 10³ = 15,625 мкс, тобто зберігається стандартна швидкість передачі інформації – 64 кбіт/с по одному телефонному каналу.

У системах мобільного стільникового зв'язку стандарту GSM використовується 16-бітові сигма-дельта аналого-цифровий перетворювач (АЦП), при цьому швидкість вихідного потоку становить 128 кбіт / с.

Перетворення цифрового потоку, що несе інформацію про мовні сигналах і надходить з декодера мови, реалізується цифро-аналоговими перетворювачами (ЦАП). Сучасні АЦП і ЦАП в мобільних станціях виконуються у вигляді інтегральних мікросхем. Широке застосування знаходять 16-бітові АЦП і ЦАП, виконані на одній інтегральної мікросхемі. Більш докладно особливості схемного рішення і принципи роботи АЦП і ЦАП в системах мобільного зв'язку можна знайти в спеціальній літературі [8].

Висновки

У проведеному аналізі стандарту мобільного зв'язку GSM-900 показані основні принципи його роботи та особливості перетворення мовних сигналів. Актуальним питанням сьогодні є зменшення впливу електромагнітного шуму на якість бездротового зв'язку. Дослідження в даному напрямку дозволять поглибити знання в області завадостійкості станцій, і дадуть можливість розробляти нові методи захисту від завад і використовувати їх в подальших патентних дослідження.

В даний момент робота знаходиться на стадії розробки, тому викладений матеріал може незначно відрізняться від тексту, викладеного в пояснювальній записці. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після травня 2018 року.

Перелік посилань

1. Ассоциация GSMA (The GSM Association) [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.gsma.com/
2. Попов, В.И. Основы сотовой связи стандарта GSM / В.И. Попов. – М.: Эко-Трендз, 2005. – 296 с.: илл.
3. GSM / Википедия [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/GSM
4. Ахмад Х. М. Введение в цифровую обработку речевых сигналов: учеб. пособие / Х. М. Ахмад, В. Ф. Жирков. – Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та, 2007. – 192 с.
5. Громаков Ю. А. Сотовые системы подвижной радиосвязи. Технологии электронных коммуникаций / Ю. А. Громаков. – М.: Эко-Трендз, 1994. – 302 с.
6. Gaurang K.P. The effect of noise on the spectrum of speech: thesis. – Texas Un-ty, 2002.
7. Котельников В. А. О пропускной способности эфира и проволоки в электросвязи – Всесоюзный энергетический комитет. // Материалы к I Всесоюзному съезду по вопросам технической реконструкции дела связи и развития слаботочной промышленности, 1933.
8. Венцов А. В. Современные модели восприятия речи: критический обзор / А. В. Венцов, В. Б. Касевич. – СПб: Изд-во Санкт-Петербург.ун-та, 1994. – 316 с.