Афонін С. В. Ліпатов А. А. Федорова Т. М. Науковий центр зв’язку та інформатизації НД Україна вул. Московська 45/1, Київ, 01015, Україна тел.: (8044) 2912336;

Коломицев М. А.

Інститут телекомунікаційних систем НТУУ “КПІ” просп. Перемоги 37, Київ, 03056 тел.: (8044) 2416897


Анотація Розкривається сутність режиму “повільних стрибків по частоті” систем GSM, до цих пір невикористаного в Україну і в країнах СНД. Наведено орієнтовна оцінка ефективності цього режиму та особливості його реалізації.

I. Вступ

Серед інших систем рухомого радіозв’язку Україні стільникові мережі GSM-900 та GSM-1800 (далі Системи) займають перше місце за охопленням території, кількості абонентів та технічній досконалості. Для підвищення ємності і якості передачі в Системах використовуються [1]: вузькосмуговий множинний доступ з тимчасовим поділом каналів; блокове і сверточное кодування з перемежением; еквалайзери, вирівнюючі імпульсні сигнали з середньоквадратичним відхиленням часу затримки до 16 мкс.; компенсація часу затримки сигналів до 233 мкс.; переривчаста передача мови; управління потужністю випромінювання; модуляція GMSK; речепреобразующего кодеки; шифрування повідомлень з відкритим ключем і ін

В Системах передбачена також можливість використання специфічного режиму повільного перемикання (стрибків) робочих частот. У країнах СНД цей режим, наскільки нам відомо, не використовується і розгляд його сутності, а також оцінка ефективності, в широко доступних джерелах, відсутні. У доповіді наводяться узагальнені нами відомості по даному режиму.

II. Основна частина

Призначення і сутність режиму роботи з повільними стрибками по частоті. Підвищення ефективності Систем досягається застосуванням, поряд з іншими вищезгаданими технічними заходами, повільних стрибків частоти (SFH) різновиди псевдослучайной перебудови робочої частоти (ППРЧ), циклічної або псевдослучайной. Мета введення цього режиму зниження впливу інтерференційних перешкод, рівень яких з збільшенням ємності системи неминуче зростає і може перевершити допустимий, погіршуючи якість передачі.

Сутність режиму SFH полягає [1] в перемиканні робочої частоти з певною швидкістю по псевдослучайному закону під час передачі повідомлення (рис.1). Завдяки повільним стрибків по частоті, а також кодування з перемежением протягом сеансу зв’язку, знижується вплив інтерференційних перешкод.

Термін “повільні” в даному випадку означає, що частота стрибків fh менше частоти проходження інформаційних біт fb, внаслідок чого на одній частотній позиції можуть передаватися кілька (до тисячі, в деяких системах) біт повідомлення. Перемикання частот вважається миттєвим, а час заняття однієї частотної позиції Tf пов’язано з тривалістю біта Ть співвідношенням:

Tf = K Ть, Де к = 1,2,3 …, тобто Tf [С] = 1/217> Ть

Рис. 1. Послідовність зміни частот при SFH Fig. 1. The sequence of frequency changes in the SFH

Якщо на частоті f1 виникає інтерференційна перешкода, яка впливає на зв’язок базової станції з мобільного, то без SFH зв’язок в каналі на частоті f1 буде відсутній. При використанні п стрибків по частоті, передача на частоті f1 (підлягає впливу інтерференційної перешкоди) буде здійснюватися протягом часу Т / n, де Т тривалість сеансу зв’язку, апколічество частот, що використовуються для зв’язку. Якщо інтерференція спостерігається тільки на одній з усіх виділених для роботи частоті fl, то (п-1) / п% всіх біт буде прийнято вірно, а 1 / п їх частина з великими імовірностями помилок внаслідок інтерференційних завмирань на частоті f1. Оскільки при передачі здійснюється перемеженіє, а на прийомі зворотна процедура, то всі помилкові біти, прийняті на частоті fl, будуть рівномірно розосереджені між вірно прийнятими битами, прийнятими на інших частотах. З такого роду помилками успішно справляється застосовуваний в GSM сверточних код. Залежність виграшу у відношенні З / П від кількості перемикаються [1] частот наведена на рис. 2.

Відзначимо, що в Системах передбачена можливість застосування двох видів SFH: base band hopping (ВВН) і synthesizer hopping (SH). При BBH скачки частоти реалізуються в межах будь-якого сектора конкретної базової станції, кількість передавачів відповідає числу частотних позицій послідовності.

При SH за певним частотному плану здійснюється синхронне зміна частот у всіх сотах системи, в кожній соте для всіх таймслотів в даний момент часу задіяний тільки один передавач. Цей вид SFH вважається більш ефективним і гнучким.

На ефективність SFH впливають такі фактори.

Тип кластера

1/3-4С

1/3-6С

2/6-4С

4/12 (за Hopping)

Число сот в кластері

1

1

2

4

Число секторів в кластері

3

3

6

12

Число частотних позицій SFH

4

6

3

немає

Кількість обривів зв’язку,%

2,6

2,36

2,4

2,5

Число «Hand-overs»

4000

3900

3800

3400

Ймовірність прийому з різною якістю

ідеальне

50%

23%

11%

45%

гарне

30%

55%

20%

32%

удолетво-

рітельное

15%

11,5%

17%

2%

погане

5%

10,5%

52%

11%

Рис. 2. Виграш від SFH Fig. 2. Advantages of SFH

Число частот (частотних позицій) послідовності. Зі збільшенням числа позицій ефективність SFH зростає (рис.2). Однак, використання більше 8 частот в послідовності нераціонально в зв’язку зменшенням зростання виграшу за рахунок SFH при подальшому збільшенні кількості частот.

Рознесення стрибаючих частот. Чим більше рознос частотних позицій, тим більше ефективність SFH, так як кореляція між сигналами на цих частотах зменшується.

Навантаження (трафік) системи. Навантаження системи істотно впливає на результати застосування SFH, так як при її зменшенні знижується ймовірність інтерференції на кожній частоті і, отже, зростає виграш від застосування розглянутого режиму.

Частотний план. При включенні SFH частотний план, складений для звичайного режиму і передбачає повторне використання частот, стає малоефективним. Режиму SFH повинен відповідати новий частотний план з більш щільним перевикористання частот в сотах, що дозволяє збільшити ємність системи.

Оцінка використання SFH. У вітчизняних джерелах результати експериментальної оцінки використання SFH відсутні. У таблиці 1 узагальнено результати, опубліковані в [2].

Використання режиму SFH сприяє:

– Зменшення числа обривів з’єднання;

– Збільшення середнього рівня сигналу;

– Застосування частотних планів з більш щільним перевикористання частот. При цьому рекомендується застосовувати не менше 3-4 частотних позицій в послідовності, розносити частоти послідовності один від одного як можна далі, використовувати для каналів управління і каналів трафіку різні частотні плани. Подальшу оцінку наведемо у вигляді відповідей на актуальні питання.

Чи підвищується ємність обслуговується мережі при роботі з SFH?

Якщо ми працюємо в повністю завантаженої мережі із заданою структурою, то використання стрибків частоти не збільшить її ємність. Однак, якщо врахувати енергетичний виграш за рахунок зазначених стрибків, то реконфігуріруя мережу можна організувати соти меншого розміру, вводячи додаткові базові станції. Це дозволить збільшити їх кількість і, отже, призведе до збільшення числа абонентів, що обслуговуються, тобто ємності мережі.

При незмінних розмірах не повністю завантажених сот використання стрибків по частоті і відповідне зниження потужностей передавачів БС дозволяють переіспользовать частоти частіше, тобто зменшити загальну кількість робочих частот мережі, зберігаючи її ємність.

Чи підвищує SFH криптозахист? Власна криптозащита в стандарті GSM досить надійна. Якщо зловмисник може зламати криптозахист GSM без стрибків по частоті, то введення цих стрибків незначно ускладнить злом, тому що, знаючи зазначену захист, визначити закон SFH не складно. Більш небезпечна витік незакритих інформації на комутаційних центрах.

Оцінка економічної ефективності використання режиму SFH. Її методику і результати проілюструємо на наступному гіпотетичному прикладі. Нехай необхідно збільшити ємність мережі, що містить 100 БС, на 25%. Для цього буде потрібно додатково 25 БС і, відповідно, «6 нових додаткових частот. Покажемо, що застосування SFH дозволить істотно знизити витрати. При цьому прийняті вартісні показники умовні і дещо відрізняються від реальних.

Рішення завдання без використання SFH

• Вартість додаткових передавачів (БС): 25 * (8 … Ю тис $) = $ 250.000

• Смуга частот 200кГц * 6 = 1,2 МГц

• Вартість 1,2 МГц становить приблизно 1 млн. грн. = $ 200.000

• Щорічні платежі 320.000 грн / МГц * 1,2 МГц = $ 80.000. За п’ять років щорічні платежі складуть $ 80.000 * 5 = $ 400.000

• Сумарні витрати складуть 250.000 +400.000 + 200.000 = $ 850.000

Вартість розширення мережі з SFH При використанні SFH оплата за додаткові частоти може відпасти. Залишається тільки вартість обладнання $ 250.000.

Висновок ‘, застосування режиму SFH може сприяти суттєвому збільшенню ємності мережі та зменшення витрат на її розширення

III. Висновок

З вищевикладеного випливає, що режим SFH може покращити деякі характеристики Систем. Причинами затримки в його застосуванні є:

• система оплати частотних ресурсів в Україну, при якій оплата проводиться не за всю зону покриття системи, а за частоти використовуються кожної БС окремо;

• наявність іншої, закладеної в Системі і поки не вичерпаною можливістю збільшення її ємності, зниження потужності БС і нахил діаграм спрямованості антен, перехід до менших стільників з введенням додаткових БС. Цим шляхом в теперішній час стільникові компанії підвищують ємність Систем в центрі Києва (де знаходиться Адміністрація Президента, Верховна Рада, Кабінет Міністрів, …), а також його локальних бізнес-районів;

• різнорідність відомостей про підвищення показників якості Системи; відсутня їх перевірка на вітчизняних Системах.

Для остаточної оцінки ефективності SFH необхідно: проведення теоретичних та експериментальних досліджень на базі вітчизняних Систем.

I. Список літератури

[1] Гоомаков Ю. А. Стандарти і системи рухомого радіозв’язку. М.: Еко-Трендз. 225 с.

[2] Cayetano Carbajo, Ricardo Baudin, Eduardo Alonso. Telefonica Moviles. C/Orduna, 3-3°. 28034 Madrid (S).

ESTIMATES OF SLOW FREQUENCY HOPPING EFFICIENCY IN GSM

Afonin S. V., Lipatov A. A., Fedorova Т. M Scientific Centre for Communications and Informatization of the Armed Forces of Ukraine 45/1 Moskovskaya St., Kyiv, Ukraine, 01015 phone +380 (44) 2912336, 2904173 Kolomytzev M. A.

Research Institute of Telecommunications, National Technical University of Ukraine ‘Kyiv Polytechnical Institute’

37 Prospekt Peremogy, Kyiv, Ukraine, 03056 phone +380(44) 2416897

Abstract The concept behind the ‘slow frequency hopping’ technique (which has not found any application so far in Ukraine and the ex-USSR countries) used in GSM systems is presented. Estimates of its efficiency and features of its implementation are given.

I.  Introduction

In terms of coverage, number of subscribers and technical perfection, the GSM-900 and GSM-1800 cellular systems occupy leading positions in Ukraine. These systems allow for a specific technique to be implemented, i. e. operating frequency hopping. This technique is yet to see its application in the exUSSR countries; as far as is known, discussions of its underlying concept and efficiency estimates have not been widely available. The present report summarizes the information related to this technique.

II.  Main part

The concept and application of the slow frequency hopping technique. The efficiency of communications systems may be boosted by using the slow frequency hopping (SFH) technique, which is a variety of a pseudo-random tuning of a cyclical or pseudo-random operating frequency. This technique is intended to reduce the effect of beat interference whose level inevitably increases with the growing capacity of the system and may even exceed the permissible levels compromising the transmission.

The idea behind the SFH technique is that of switching operational frequencies at specified speeds according to the pseudo-random law during the message transmission [1]. Due to slow frequency hopping and interleaved coding, the influence of beat interference on the communications is reduced.

The efficiency of the SFH is determined by the following factors: number of frequency positions in a sequence, hopping frequencies separation, system traffic, frequency schedule.

The SFH application estimates. Ukrainian sources contain no information on the experimental estimates of the SFH. According to [2], the implementation of the SFH technique offers the following:

reduced communication breakdowns; increased average levels of incoming signals; frequency schedules with a denser reuse of frequencies.

At least 3-4 frequency positions for a sequence, the widest possible frequency spacing, and different frequency schedules for control and traffic channels are recommended.

III.  Conclusion

Implementing the SFH technique may considerably improve the system performance.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.