автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование и разработка технических средств перспективных систем пейджинговой связи



а

Московский физико-технический институт ^ (Государственный университет)

На правах рукописи

Козин Владимир Владимирович

Исследование и разработка технических средств перспективных систем пейджинговой связи (систем персонального радиовызова)

05.12.13 - системы и устройства радиотехники и связи

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена на кафедре прикладной радиофизики Московского физико-технического института (Государственного университета).

Научный руководитель : д.т.н., профессор Митяшев Б.Н.

Официальные оппоненты:

д.т.н., нач. отдела Фарбвр В.Е. к.т.н., доцент Григорьев А А. .

Защита состоится

25 ноября 1998 г. в 14:00 в аудитории 204 НК

на заседании диссертационного Совета К 063.91.12 в Московском физико-техническом институте (МФТИ) по адресу:

г. Долгопрудный Московской обл., Институтский пер. 9

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке МФТИ.

Автореферат разослан "2/ * О^-Т^^РЯ 1998 г. Учек-^й секретарь диссертационного совета К 063.91.12

Ведущая организация:

НИИ Радио (НИИР)

Лимонов Е.В.

(подпись)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В последнее десятилетие во всем мире и в России широкое распространение получили системы сухопутной подвижной связи общего пользования, предназначенные для двухсторонней связи мобильных абонентов между собой. Одновременно происходит быстрый рост систем персонального радиовызова (СПРВ), предназначенных, в основном, для односторонней передачи сообщений.

По оценкам экспертов в условиях России и в странах СНГ коэффициент проникновения систем ПРВ на рынок средств и услуг связи составляет 0.5-0.7% в мегаполисах и крупных городах и 0.05-0.1% в регионах. В настоящее время до 0.15% населения РФ пользуется лейджинговой связью, при этом наблюдается и прогнозируется устойчивый рост спроса на услуги, предоставляемые системами ПРВ.

Принципы построения и функционирования, технические требования и порядок эксплуатации систем ПРВ в РФ определен целым рядом международных, государственных правовых и нормативных документов, а также рядом документов, носящих рекомендательный характер, в частности, ."Концепцией развития в России сетей персонального радиовызова общего пользования на федеральном и региональном уровне". Автор использовал эти документы в качестве базовых и нормативных документов при анализе концептуальных вопросов и принятии технических решений, рассмотренных в диссертационной работе.

Быстрый рост систем ПРВ обусловлен s первую очередь тем, что эти системы в достаточной степени отвечают потребностям широких слоев населения в услугах связи при достаточно высоком качестве предоставляемого сервиса и относительно небольшой, по сравнению с альтернативными технологиями, стоимостью этих услуг. Немаловажно, что системы ПРВ могут быть интегрированы в уже сложившуюся инфраструктуру средств связи и устойчиво развиваться при относительно небольших капитальных затратах со стороны компаний-провайдеров, предоставляющих сервис.

В настоящее время в условиях РФ и СНГ на рынке технических средств, предназначенных для построения систем ПРВ, доступно оборудование ведущих зарубежными производителей, в первую очередь, таких как Motorola, Glenayre, Zetron и др. Наряду с ними на рынке базового оборудования и программного обеспечения систем ПРВ успешно действуют отечественные компании -"Комплексные системы связи", "ПейджНет", "Экософт", "Пейдж-Линк Технология", "Информационная Индустрия", "Нькжом" и ряд других. Конкурентоспособность их продукции обусловлена тем, что она в большей мере отвечает потребностям отечественных компаний-провайдеров, так как учитывает специфику местного потребительского рынка. Технические решения отечественных производителей в наибольшей мере адаптированы к реально существующей инфраструктуре систем связи и принятым стандартам. В частности, отечественные разработки учитывают реальную ситуацию с имеющимися в распоряжении провайдеров вспомогательных (транспортных) каналов связи. Как правило, в качестве транспортных каналов для доставки сообщений на удаленные передатчики в распределенных системах используются выделенные некоммутируемые низкоскоростные каналы с нормированными АЧХ (физические пары или каналы ТЧ). При наличии у оператора лицензии на использование дополнительного радиоканала возможно управление по радиолинку. При небольшом числе абонентов в системе (не более 5 тыс. при использовании протокола POCSAG) наиболее эффективными представляются системы ПРВ на основе системы повторителей-репитеров. Такие системы

полностью автономны и не требует "дефицитных" в условиях РФ дополнительных каналов.

По оценкам, приводимых в специальных периодических изданиях, удельная стоимость инфраструктуры (стоимость базового оборудования и каналов связи, отнесенная к 1 км обслуживаемой территории) системы ПРВ, построенной на основе оборудования отечественных производителей, может быть значительно ниже по сравнению с аналогичной системой на базе импортного оборудования при фиксированном качестве предоставляемых услуг (рис.1). Такой экономический эффект достигается прежде всего, благодаря выбору оптимальных инженерных решений.

Таким образом, в условиях существующей рыночной ситуации задача разработки конкурентоспособных технических средств и поиск оптимальных инженерных решений для построения системы персонального радиовызова, представляются актуальными. С учетом прогнозов развития сетей ПРВ на ближайшие годы, наиболее перспективны разработки в области базового оборудования, которое включает устройства управления передатчиками, устройства формирования протоколов (пейджинговые терминалы), возбудители передатчиков и средства контроля

Стоимость инфраструктуры на 1 кв. км городской систоми

-Ф— А-- КОС

о о 8 о

С. гч

Кш1ИЧОС11Ю1»ин^«кЛ(ЛХМ I ОИСТСЫЫ

Рис. 1. Оценка удельной стоимости инфраструктур СПРВ. построонных с использованием оборудования различных производитеней

Большинство стандартов передачи данных в системах ПРВ ориентировано на использование хорошо отработанной техники с использованием узкопопосной частотной модуляции (ЧМ) в диапазоне УКВ. В то же время при практической реализации систем ПРВ даже в рамках существующих стандартов у разработчика остается шибкий выбор технических решений, влияющих на качество и конкурентоспособность системы в целом.

Теоретические вопросы, связанные с обработкой сигналов в узкополосных системах с ЧМ, в настоящее время хорошо изучены и проработаны. Результаты теоретических работ дают возможность оценить предельно достижммые на практике параметры систем, предложить и обосновать оптимальные методы обработки сигналов. В тоже время достаточно актуальной задачей представляете приложение этих результатов на практике для оценкм типовых технических решений з области СПРВ. В настоящее время практически отсутствуют теоретические работы, связанные с анализом функционирования таких систем. Отдельные теоретические и технические проблемы рассматриваются в системной документации крупнейших производителей пейджингэвого обе. /дс зния, но как правило, производители часто

ограничиваются качественным рассмотрением и дают рекомендации, в ряде случаев необоснованные и противоречивые. Из вышеизложенного следует, что инженерная задача проектирования технических средств систем передачи данных сопряжена с актуальной задачей теоретического анализа качества используемых технических решений.

Цель и основные задачи диссертационной работы. Данная работа рассматривалась автором в контексте глобальной цели - разработки конкурентноспособных решений в области систем персонального радиовызова, в полной мере отвечающим потребностям отечественного рынка. Для достижения этой цели необходимо также решить ряд проблем, которые помимо чисто теоретического исследования и задачи инженерного проектирования включают проведение маркетинга, организацию производства, осуществление продаж и дальнейшее сопровождение систо...

Основные цели настоящей работы - выбор оптимальных технических решений, их теоретическое обоснование, разработка аппаратных средств и встроенного программного обеспечения базового оборудования систем ПРВ и реализация их в виде законченных продуктов, полностью пригодных для продвижения на рынок. Автор выделяет в работе следующие фазы и основные задачи :

• Анализ существующей типовых архитектурных решений о области систем ПРВ.

Основная цель - выделить наиболее важные и перспективные стандарты различных уровней, используемых в системах ПРВ и проанализировать существующие архитектурные решения в рамках выделенных стандартов: На данном этапе формулируются базовые требования, которым должна отвечать перспективная (с точки зрения отечественного рынка) система ПРВ.

• Проведение теоретического анализа с целью определения предельно достижимых параметров систем ПРВ с учетом выбранных стандартов.

В данной работе исследуется особенности приема цифровых сообщений применительно к случаю распределенной сети неидеально синхронизированных передатчиков и заданной модели распространения в виде радиоканала с релеееским затуханием при кзазиогттимальной обработке сигналов в приемнике. Дополнительно исследуется влияние вспомогательных (транспортных) каналов связи, предназначенных для доставки сообщений на удаленные пеоедаггчихи, на качество приема сообщений, которое оценивается как частота возникновении ошибок при приеме.

• Проведение математического мс Мелирования и получение экспериментальных данных с целью уточнения полученных теоретических результатов.

Ставиться задача разработки и верификации математической модели сквозного трапа, учитывающей особенности распространения сигналов и квазиоптимальные методы обработки сигналов, используемые при приеме сигналов в реальных приемниках (пэйджерах). Данная модель используется н качестве основного инструмента для оценки качества выбираемых в дальнейшей инженерных решений.

п

• Инженерное проектирование системы.

Включает разработку архитектуры системы, а также выбор элементной базы, выбор конструктивного исполнения, разработку принципиальных схем и топологии печатных плат. Значительные трудозатраты связаны с разработкой встроенного программного обеспечения. Разработке программного обеспечения предшествует выбор, обоснование и моделирование алгоритмов обработки сигналов и оптимальных методов формирования сообщений 8 соответствии с реализованными протоколами радиоканала.

Успешное продвижение продукции на рынок невозможно без предварительного всестороннего тестирования и сертификации разработанных продуктов. Данные задачи должны решаться с привлечением заинтересованных компаний-потребителей и государственных организаций. Реализация некоторых протоколов требует заключения лицензионных соглашений.

Автор считает, что своей работой он способствовал решению всего комплекса вышеперечисленных задач и в итоге - достижению поставленной глобальной цели.

Методы исследования и средства разработки. При теоретическом анализе использовались методы статистической радиотехники, в частности, теория оптимального приема. Были применены методы расчета динамических систем с фазовой автоподстройкой (ФАП). Радиоканал связи с релеевсхим затуханием построен на основе многолучевой модели распространения радиоволн. В работе использовались элементы теории оценивания и теории кодов, исправляющих ошибки. В работе также использовались методы теории конечных автоматов и теории массового обслуживания. Использовались прикладные методы проектирования операционных систем реального времени.

Теоретические выводы работы соотносились с результатами математического моделирования. В качестве инструментальных средств при моделировании использовались пакеты MATLAB и пакет MATHCAD совместно с интегрированной средой CONEX. Для решения сложных расчетных задач, требующих большого объема вычислений, использовались внешние программные модули, разработанные в интегрированной среде WATCOM-C++. Ряд экспериментальных данных был получен с использованием дополнительного радиоизмерительного оборудования (измерительного приемника и анализатора протокола). Обработка проводилась на персональном компьютере с помощью стандартных пакетов обработки сигналов (EDS, SPECTRALA8, HYPERSIGNAL, MATHCAD и MATLAB).

Разработка встроенного программного обеспечения, ориентированного на многозадачну"1 обработку, осуществлялась средствами пакета GNU-C на базе разработанной автором встроенной операционной системы реального времени. Разработка проводилась в среде UNIX, причем особое внимание уделялось переносимости разрабатываемого программного обеспечения. Выбор аппаратной платформы задавался как • опция компиляции. Такой подход позволил использовать богатый арсенал стандартных средств отладки и гарантировать высокую надежность разработанного программного обеспечения.

Разрэбо 'иные технические средства построены на базе единой аппаратной платформы на основе высокопроизводительного 32-разрядного RISC-микроконтроллера HITACH1-SH. Модули платформы ориентированы нз стандарт VME и имеют встроенные средства отладки, совместимые со средствами UNIX (отладчик GDB). Разработка схемотехники й топологии печатных плат

производилась с использованием САПР ORCAD и PCAD. Разработка схемотехники программируемых БИС - с помощью пакетов PAI.ASM и MAX-PLUS.

При выполнении работы автор придерживался методики управления проектами и управления качеством, рекомсндонакной мокдумлроднои Ассоциацией Управления Проектами (PMI), изложенной a Project Management Body of Knowledge (PMBOKш Guide). Использовался пакет MS-PROJECT.

Научная попична и практическая значимость рзбоп.» состоит п следующем:

• Получены теоретические и практические оценки качества прием сообщений о системах с режимом одновременного (синхронного) вещания.

Особенность длимого режима состоит в том, что на в/од приемника одновременно поступают ситалы от нескольких передатчихоо системы, причем все передатчики передают одинаковые сообщения, но несущие частоты передатчиков несколько различаются п пределах отведенного для :;ещзнм;! частотного канала Такой режим часто используется на практике для расширения зоны охвата крупных систем с большим количеством вбонипоз без снижения пропускной способности.

Показано, что п распределенной системе частота созннкиооснил ошибок при

приеме зависит от разноса частот отдельных передатчикоп и соотношения мощностей сигналов в точке приема, причем вероятность ошибок мо.хет быть уменьшена га счег оазимной оргогонализации сягнапов лоредатчикоп, яиЗо за счет применении дополнительной псевдошумовой фазопой модуляции.

Получены сценки зависимости частоты ошибок сип лесинхронности формирования сигналов модуляции в системе, что позволяет в полной мере учесть влияние вспомогательных (транспортных) каналоз, используемых для доставки сообщений на базовые станции.

Построена и оОсяювана математическая модель схемного тракта с у/чтим принятого закат распространения радиосигналов (рспоовсхиб радиоканал) и особенностей ре,-низании квазиоптитлы/ой поспвдстютюрнод сбрчЬонти сигнала в прчелчшко на основе схемы ШОУ (Широкая тпоса-Ограничинетг-Узкая полоса). ,

Эта модель позволяет числено рассчитать простронстсен!!ую картину распределения с-имйс." при приеме при заданных параметрах система (расположение лер-тдшшко», их выходных мощности и разгос несущих ч юго») и оценить влияние разюмиих факторов и технических решении на ф/нк|((«.,-.<роьаиие скстемм ПРО.

Пред/южен количсстссннии илтогряпыялй чритарчй дел оценки качесн;еа систсны пс-редзчи данных с учетом пространственны' картнни распределения (•'■¡нуатчостоп ошибок при ери а,.еа!:нг.а ко>!фи;:ур..ци»

передатчиков

»

Данный грик-рки ¡'urarj. -сшался на практике дня ',•.«:< ыее-а г.-счц.-и

за счет вьюорз раз нем:а «пствт и мощ: тосте й <лрипы1ш <лс

что в принципе эквивалентно снижению удельной стоимости базового оборудования, отнесенной к 1 км2 зоны обслуживания.

• Предложен и реализован оригинальный метод генерации временных диаграмм распространенных пейджинговых протопопов на основе динамической генерации промежуточного исполняемого кода. Предложена также архитектура виртуального процессора для интерпретации исполняемого кода.

Применение данного метода позволяет принципиально решить задачу синхронизации и роуминга в многозоновых системах ПРВ, а также строить гибкие аппаратно-независимые реализации для пейджингового терминала и контроллеров базовых станций.

• Разработаны и реализованы эффективные методы упаковки сообщений ■. пейджинговой системе на основе применения методов и моделей теории массового обслуживания.

Применение разработанных на практике методов пакетирования позволяет эффективно увеличить (выигрыш в отдельных случаях достигает 5-7%) пропускную способность радиоканала в рамках выбранного протокола(ов)

Реализация результатов работы. На основании полученных а диссертации теоретических результатов автором был разработан пакет программ для расчета и планирования систем ПРВ с режимом одновременного многозонового вещания. Пакет позволяет оценить пространственную картину распределения ошибок при приеме при заданном расположении передатчиков и выбрать оптимальные значения выходи ;х мощностей и разносов частот отдельных передатчиков в соответствии с предложенным автором интегральным параметром качества. Данный пакет использовался компанией ООО "Комплексные системы связи" для расчета и оптимизации нескольких крупных систем ПРВ, эксплуатируемых в г. Москве и о/зла^х, а также других городах РФ и ближнего зарубежья (Самара, Севастополь).

Большинство практических результатов были получены автором при разработке ряда серийных коммерческих продуктов.

Совместно с АО "Торус-Вингз" по лицензии компании Texas Instruments в 1996 году автором были разработаны аппаратные средства, алгоритмы обработки сигналов и встроенное программное обеспечение противоугонной системы АС-1. Система АС-1 использует принцип двухстороннего лейджинга и поддерживает информациог'ый канал для передачи данных об угоняемом автомобиле, а также канал управления для передачи команды блокировки двигательной системы. Идентификация пользователя осуществляется с использованием технологии T1RIS, разработанной Texas Instruments на базе безбагарейных индуктивных транспондеров. Система построена на базе 8-разрядного микроконтроллера, содержит набор модулей, объединенных локальной сетью. Объем исполняемого кода, разработанного на языке ассемблера, составляет около 8 Кбайт. Система АС-1 выпуске эсь серийно в 1995-1997 годах. Приицип построения системы защищен арторским свидетельством №96113163/3731. причем диссертант является одним из соавторов (совместно с сотрудниками АО Бреером В В. и Радецким Д Р.). Внедрение АС-1 в АО "Торус-Вингз" подтверждено документально.

Совместно с компанией ООО "Комплексные системы Связи" автор в 193&98 годах принимал учас ie г азработке базового оборудования для систем ПРВ, что

отражено в соответствующих актах о внедрении. Личный вклад автора выразился в разработке аппаратных средств, встроенного программного обеспечения, конструкторской и пользовательской документации. В частности, автором были разработаны :

* контроллер базовой станции ОР-66,

• мультисистемный пейджинговый терминал OP-FLEX.

Техническая документация на устройства доступна на Интернет-сервере www.mega.ru/~ccs. Контроллер базовой станции построен на базе 8-разрядного микроконтроллера и предназначен для управления передатчиками пейджинговой системы с поддержкой режима синхронного {одновременного) вещания и поддерживает голосовой (voice) протокол и протокол POCSAG. Конструктивно контроллер разработан в стандарте VME (полноразмерная плата 220x233 мм). Объем исходных текстов на языке ассемблера и С составляет около 7.5 тыс. строк.

В настоящее время десятки базовых станций ОР-66 находятся в коммерческой эксплуатации у различных компаний-оператсроа, включая крупнейших московских и региональных провайдеров. Ряд компаний подтвердили факт использования результатов диссертационной работы документально в виде актов о внедрении.

Мультисистемный пейджинговый терминал OpenPage-FLEX с поддержкой смешанного протокола ROCSAG-FLEX производиться с 1997 года ООО "Комплексные системы связи " по лицензионному соглашению с компанией Motorola. Автором были разработаны аппаратные средства терминала на базе высокопроизводительного 32-разрядного микроконтроллера Hitachi - SH в конструктиве VME (размер многослойной печатной платы 220x233 мм). Общий объем исходных текстов прикладного программного обеспечения и встроенной операционной системы реального времени, разработанных автором диссертации, составляет 17.5 тыс. при общем объеме 22.5 тыс. строк. Авторские права на разработанное совместно с Хапочкиным Ю.В. (сотрудником "КСС") программное обеспечение защищены свидетельством о официальной регистрации №980469 Российского агентства по правовой охране программ (РосАПО).

Устройства OpenPage-FLEX с 1997 г. успешно эксплуатируются рядом отечественных и зарубежных компаний-операторов, что также подтверждено документально.

Апробация работы. Основные теоретические результаты работы были представлены на ряде научных семинаров кафедры прикладной радиофизики и радиотехники МФТИ, научно-практических семинарах в НИИ "Купон", на Берговской конференции МФТИ (апрель 1996 г.), на XL Научной Конференции МФТИ (октябрь

1997 г.).

Автором подготовлен и прочитан раздел учебного курса по пейджинговым системам в рамках международной конференции "Мобильные системы-88" (март

1998 т.).

Разработки автора были представлены на международной выставке "Связь-Экспо" (в 1996-93 гт.) и на десятках других специализированных пыставок в РФ и ближнем зарубежье.

Публикации. Основные результаты диссертации изложены автором в 11 печатных работах и других изданиях, приравнянных к печатным работам, опубликованных в 1996-98 гг.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глоп. заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы -125 страниц. Список литературы содержит 92 наименования отечественной и зарубежной литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определяются осноени. направления исследований, формулируются цели работы, перечисляются основные задачи, решаемые в диссертации и приводится краткая характеристика работы.

Порвая глава посвящена обзору стандартов систем персонального радиовызова (ПРВ). Выделены наиболее распространенные « перспективные стандарты для использования на федеральном и региональной уровнях в условиях РФ с учетом существующих де-факто технических решений и в свете федеральных правовых и рекомендательных документов. Рассматриваются возможные пути миграции протоколов по мере развития систем ПРВ различного уровня. В качестве наиболее распространенных и перспективных протоколов радиоканала выделяются стандарты POCSAG (CC1R-1) и FLEX™ и, в меньшей степени, протоколы RDS и ERMES. Основные характеристики протоколов радиоинтерфейса систематизированы в приводимых в работе таблицах.

В главе рассмотрены статистические и демографические данные, описывающие распределение населения по территории РФ, с целью выработать базовые требования, предъявляемые к архитектуре систем ПРВ и оценить удельную стоимость системной инфраструктуры.

В данной главе рассмотрены типовые компоненты и архитектурные решения, используемые при построении систем ПРВ различного уровня (условно названых локальной, городской и региональной, рис2) Данный анализ проведен на основе иерархической модели системы. Для передачи сообщений в системах ПРВ используется набор протоколов различного уровня. В работе выделены следующие основные уровни и протоколы:

• протокол рздиоинтерфейса, в соответствии с которым сообщения кодируются для передачи по радиоканалу, принимаются и декодируются данный приемником абонента

• транспортный протокол, предназначенный для передачи данных на удаленный передатчик по выделенному вспомогательному каналу связи либо по основному радиоканалу

• управляющий протокол, поддерживаемый на уровне интерфейса пейджингоаый терминал - управляющий компьютер (Host).

Протокол радиоинтерфейса определяет основные характеристики системы, о частности, емкость системы (максимапьн j число абонетоэ), уровень энергопотребления приемника абонента (пейджера), скорость передачи данных, помехоустойчивость при приеме, тип модуляции, число частотных каналов. Протокол радиоинтерфейса также определяет возможность разделения частотного ресурса (канала) с системами других стандартов и возможность постепенного развертывания системы ПРВ. Перспективные протоколы имеют также встроенную функцию роуминга. В работе кратко рассмотрены форматы для передачи протоколов POCSAG. FLEX и ERMES

Транспортный протокол используется для передачи данных и управления удаленными передатчиками и определяет типы поддерживаемых вспомогательных каналов связи Так как для покрытия всей зоны действия пейджингоаой системы обычно недостаточно одного передатчика, выбор транспортного протокола и тип вспомогательных канала связи в значительной степени определяет доступные способы расширения зоны покрытия системы. В качестве физической среды для передачи наиболее ч.чето используются выделенные физические линии, либо неконмугирусмие телефонные каналы с нормированными в диапазоне 300-3000 Гц АФЧХ (каналы ТЧ). Испопьх/ются также вспомогательные радиоканалы, называемые рздиолипкэми 8 ряде систем для управления и г^оедачи данных на удаленны« базовый станции используется основной радиоканал.

Рис. 2. Типовая система ПРВ

Транспортный протокол определяет тип канальной модуляции. Обычно для передачи цифровых данных используются относительно простые таны модуляции (например, частотная манипуляция без обрыва фазы). На уровне транспортного протокола, как правило, решается проблема синхронизации (по огибающей) отдельных передатчиков системы. На уровне транспортного протокола реализуются функции управления удаленным передатчиком - например, включение и выключение передатчика, переключение частотного канала и т.п. Возможно использование транспортного протокола для контроля состояния удаленного передатчика - измерение выходной мощности. КСВ в антенно-фидерной системе, напряжения питания и других параметров.

Примерами транспортных протоколов могут служить C-Net и Tone Remote Control (TRC), поддерживаемые фирмой Motorola и другими производителями лейджингооого оборудования. Методы модуляции/демодуляции данных и декодирование команд протокола TRC детально рассмотрены в главе 3, посвященной вопросам практической реализации технических средств систем ПРВ. В главе 2 приведены теоретические оценки для помехоустойчивости при декодировании управляющих тонов и оценки для точности восстановления данных ("дрожания" фронтов) при наличии шума в вспомогательном (транспортном) канапе связи.

Управляющие протоколы определены на уровне интерфейса лейджинговый терминал - хост-компьютер. Протоколы определяют форматы данных, в соответствии с которыми поддерживаемые в системе сообщения (текст, введенный оператором и т.п.) передаются в пейдо:мнговый терминал вместе с дополнительной информацией (адрес абонента, скорость передачи, протокол и т.п.). Протоколы определяют методы квитирования обмена, возможные задержки (тайм-ауты) и предусматривают контроль целостности передаваемых данных.

Примерами управляющих протоколов могут служить протоколы Telocator Alphanumeric Protocol (ТАР) и Telecator Network Paging Protocol (TNPP), Telocator Rata Paging (TDP). Эти протоколы поддерживаются комитетами ТАР и TNPP, ассоциацией Personal Communication Industry Association (PCIA) соответственно, а также многочисленными производителями пейджингового оборудования. В главе 1 рассмотрены основные форматы кадров широкораспространенного протокола TNPP. Вопросы программной реализации данного протокола отнесены к глазе 3 .

В заключении главы 1 формируется набор технических требований, которым должна отвечать перспективная, с точки зрения отечественного рынка, система персонального радиовызова общего пользования.

Вторая глава посвящсна теоретическому анализу технических решений, используемых при построении систем ПРВ. В этой же глзяе рассматриваются математические модели, отражающие различные аспекты функционирования пейджингоеых систем.

Э

Основная задача, рассмотренная в главе 2, связана с анализом приема сообщений в многозоновой системе с режимом одновременного (simulcast) вещания. Особенностью данного режима является то, что несколько ередзтчиков системы передают одно и то же д искре гное сообщений. Как правило, для передачи сообщений используется узкополосиая частотная модуляция (типично - класс излучения 16K0F1D). Несущие частоты отдельных передатчиков несколько отличаются (на сотни герц) в пределах отведенного чэстот^юго канала (обычно 25 кГц).

Большинство протоколов радиоканала используют для передачи частотно-маиигтулированные сигналы (ЧМн-ситалы) В качестве модели сигналов в работе используется более общее представление :

5,(/) = Re Л (/)е {1)

(

где I - номер передатчика,

А(1) • в общем случае комплексная амплитуда сигнала,

-известная несущая частота, 0(t) - закон изменения фазы в соответствии с используемой модуляцией, <р0 - известная начальная фаза

Например, в частном случае двухуровневой ЧМн на временном интервале (0, TJ. соответствующем передаче символа , сигналы могут быть записаны в виде.

st(t)= (2)

где приняты следующие обозначения.

£i, - номинальное значение девиации ¡-го передатчика.

знак "+* перед О соответствует передаче символа *Г, а знак "-* - передаче "0*.

Далее предполагается, что начальные фазы отдельных сигналов

независимы и равномерно распределены на интервале (0,2л) Удобно также использовать эквивалентные представление сигналов в виде (для двухуровневой ЧМн);

.i,(O=0i/1(l + 6(/-r,))sin(((U0 +П,Х'-г,)+¥>,)40^Д1-Ь((-г,))$'т((й'и1-0,Х' - г,) + ¥>,)

(3)

где функция ОД соответствует передаваемому двоичному сообщению:

i+1 symbol "1" sent

№

-1 symbol "0" sent v

а через г, обозначено задержка формирования сигнала модуляции ¡то передатчика (с учетом задержки распространения, отнесенной к точке приема)

Сигналы отдельных передатчиков линейно и когерентно суммируются в антенном тракте приемника (пейджера). Предполагается также, что на вход приемника поступает адоптивная помеха п(!) в виде белого шума с нулевым средним значением и известной односторонней спектральной плотностью N»

= <0 (5)

По сигналу s(t) приемник должен вынести решение о переданном символе или. что эквивалентно, построить оценку сообщения Ь'(0 В качестве объективного «ритерия качества приема используется апостериорная вероятность ошибочного решения Ри.

На практике с достаточной степенью точности сигналы (2) отдельных передатчиков, соответсвующие передаче разрешенных символов, можно считать ортогональными, поэтому для оценки потенциальной помехоустойчивости в случае одного передатчика и канала с аддитивным шумом используются известные соотношение для некогерентного приема для случая многоуровневой модуляции:

Г. = ~е"'"'¿С-!){"' У"*' (6)

где

£ - энергия сигнала в пересчете на передаваемый символ

Л/о - одностороння спектральная плотность шума

М - число используемых сишалов

Выражение (6) для вероятности ошибки получено в предположении, что приемник осуществляет • о/ттимальную (некогерентную) обработку принимаемых сигналов, реализация которой на практике встречает чисто технические трудности. Поэтому для адекватного описания ситуации необходимо ввести в рассмотрение модель приемного тракта. Анализ схемотехники пейджингоеых призмников различных производителей показывает, что в большинстве случаев достаточно адекватной является модель приемного тракта в виде известной схемы ШОУ (Широкая полоса - Ограничитель - Узкая полоса) с последующей квазиоптимальной последетекторной обработкой. Используемая в работе модель приемника показана на рис. 3

sjt)

s2d) I n(t)

ПФ-1 ОГРАНИЧИТЕЛЬ ПО 2 ~У(0

Z(t)

ЧД ОБНАРУЖИТЕЛЬ -iT«D

В2<< В,

ЛГ1

ТхС b-(t)

Рис. 3. Блок-схема приемника на основе схемы ШОУ

Модель учитывает, что сигналы отдельных передатчиков и шум линейно и когерентно суммируются в антенном тракте и результирующий сигнал х(1) поступает на вход преселектора, который представлен на блок-схеме в виде относительно широкополосного полосового фильтра с полосой пропускания В,. Сигнап усиливается и ограничивается в тракте ПЧ (или НЧ в случае приемника прямого преобразования. Цепи преобразования частоты на блок-схеме опущены, так как они не влияют на дальнейшее рассмотрение). Операция узкополосной фильтрации (основная селекция) ограниченного по амплитуде сигнала у(1) осуществляется с помощью относительно узкополосного фильтра с полосой пропускания В2<<В,. Отфильтрованный сигнал обозначен как 2(1).

Для демодуляции частотно-манипулированното сигнала на выходе приемного тракта г(() используется частотный детектор (ЧД). Для анализа работы ЧД удобно перейти х квадратурному представлению узкополосного колебания :

z(() = rc(/)COS<D„r-ZJ(f)sin (O0l

(7)

В предположении, что ЧД реализует операцию оценивания мгновенной частоты -производной фазы узкополосного стационарного случайного процесса z(t) , сигнап и(1) на выходе ЧД можно представить в виде :

W dt

<a>

где

0(1) - фаза узкополосного колебания, 0(t) = arctg-^- (9)

Окончательная операция оценивания принимаемого сообщения Ь (1) производится с помощью квазиоптимальной фильтрации смодулированного сигнала u(tj В случае сообщения с прямоугольной огибающей (ЧМн-сигналы) согласованный с сигналом фильтр представляет просто интегратор со сбросом. Восстановление тактовых импульсов и посимвольная синхронизация осуществляется с помощью схемы фазовой аатоподстройки (САП), причем предполагается, что отношение сигнал-помеха достаточно велико для того, чтобы можно было пренебречь погрешностями работы системы ФАП. Как показали впоследствии результаты проведенного математического моделирования, это условие действительно выполняется в большинстве случаев, представляющих практический интерес.

Далее рассматривается прием сообщений в условиях многозоновой системы ПРВ с режимом одновременного вещания. Без существенного ограничения общности анализируется работа приемника в двухсигнапьном случае - рассматривается ситуация, когда приемник принимает одновременно сигналы от двух передатчиков системы Для дальнейшего упрощения анализа рассматривается стационарный случай, соответсвующий на практике передаче длинных последовательностей одинаковых символов. Коночная цель - определить условия (разнос несущих частот передатчиков при фиксированном отношении амплитуд), при которых ошибка при приеме в двухсигнальном случае минимизируется.

На входе приемника действует биггрмонический сигнал и аддитивный шум (задержку в (3) пока полагаем равной нулю ):

i(/)=ï,(/) + .V2(/) + n(0 (10)

где

£Д I) — Л С - сигнал 1-го передатчика (/ = !.2).

<ош - номинальное значение несущей ч тготы /-го передатчика, С2, - номинальное значение девиации ¿-то передатчика, <р - начальное значение фазы несущей Яго передатчика.

Задача о прохождении бигармон^еского сигнала и аддитивного шума через нелинейный тракт с ограничением была рассмотрена рядом авторов. Наиболее общие результаты были получены Дж. Джоунсом еще в 60-х годах. В частности, было показано, что автокорреляционная функция сигнала у(1) на выходе ограничителя может быть записана в виде:

я, ( Г ) = £ £ £ Л, ' ( г ) cos m to, С os п ta, г {U)

А = 0»>»0л«0

здесь пр. няты следующие обозначения : £и = 'И£» = 2 - числа Неймана,

АГДг) = jVp(r) cos (У„г - автокорреляционная функция узкополосного uiyva, выраженная через огибающую нормированной автокорреляционной функции /X г). N - мощность шума в эффективной полосе пропускания фильтра ПЧ (НЧ). а), = а>„± О, и тг - to0 ± fl j - мгновенные значения частоты сигналов с учетом передаваемых с-чволов, а коэффициенты h^ могут быть записаны в виде:

и {кodd (12)

"iff- I

[ 0, (к + т + н)- even

Здесь через ./„ обозначена модифицированная функция Бесселя m-ro рода. Автокорреляционная функция случайного процесса z(!) на выходе полосопого фильтра тракта ПЧ может быть записана в виде:

^ о ^ S S S 2 vxí^jT^^ír )c«s[í'W0 -■»■ 'k'i+«w. -«Ог i (13)

2 Л 2 )

причем коэффициенты связаны с коэффициентами Л^, зависимостью:

/Гь.. = I - - I ■ О4)

Анализ выражения (13) показывает, что спектр процесса на оыходе фильтра содержит как дискре' 'ые составляющие, обусловленные периодическими членами П,(1), для которых к—0, так и составляющие со сплошным спектром (к / 0). Автокорреляционная функция также может быть записана в обозначениях Давенпорта :

С этом обозначении все периодические составляющие спектра представлены слагаемым Я,,,.^. а которое входят как составляющие с частотами лц и ы, , так и продукты взаимной модуляции с частотами \л«\ - гпщ,]. где л - т -- 11 . Интенсивности отдельных спектральных составляющих могут быть оценены с помощью выражения (14), при этом удобно воспользоваться представлением интеграла (12) о виде функционального ряда :

2 Í .-(' VY Л,' V (- 1)'(Д')',-,• *+m + /i ... . . , Л/.

2.V J [2Х -/!(/+/*)! 2 .»,

(16)

при (к*т*л) - нечетном. Здесь зГ,(а.Ь;с:х) - ./пергеометрическая функция. Г() - гаммэ-фумкция.

Последнее выражение лозвс::яет рассчитать численными методами интенсивности гармонических составляющих и шума на входе частотного дете' "ора и связать иу с интенсивностяыи сигнала и ^ма на входе приемного трг^'та.

Проведенный в работе анализ результатов численных расчетов показывает, что в зоне совместного действия передатчиков (условно принято, что на границе зоны (А2/А1)'=-6 дБм) при достаточно Большом отношении сигнал/шум (более +12 дКм) ; тя анализа работы лоследет торного обнаружителя вполне допустимо рассматривать реакцию частотного детектора только на наиболее интенсивные компоненты процесса г(1), соогветствущих исходным сигналам с частотами ,ц и м, и наиболее интенсивному продукту взаимной модуляции с частотой („ц - т.). Исходя из модели ЧД, выполняющег операцию оценивания мгновенной чаыоты (8), можно получить следующее выражение для сигнала на выходе ЧД для случая бигэрмс чческого сигнала на его входе (соотвегсаующеиу исходным компонентам с частотами сц и <а})~.

, , П+а3(а+Д«Л аг(2П + А^)сох(Алх + Лу))

«(Г) - -----:-— (17)

I + 2а со5(Лл* (-Л<р)+а

и сигнал на выходе согласованного фильтра:

(18)

здесь приняты следующие обозначения:

а = Л, / А - отношение амплитуд сигналов (на входе ЧД) Аы = «и, - «;( - разнос частот,

£ = А О) / О - отношение разноса частот к девиации.

г:

!

О 50 100 150 200 250

..... SignaH (Cosine Component) Sample*

- Signal-2 {Cosine Component)

FM Demodulator Output Transmitted Sinaiy Data Comparator Output Matched Fitter Output ' Thieshold

Recovered Data (before PLL)

Рис. 4. Типичные результаты моделирования работы частотного демодулятора и обнаружитипя

Теоретическое рассмотрение позволяет сделать предположение о том, что вероятность ошибок при посимвольном приеме можйт быть минимизирована за счет взаимной ортогонализации сигналов отдельных передатчиков системы, что на практике может быть достигнуто, например за счет выбора разноса частот, кратного скорости передачи символов.

Для дальнейшего анализа используете процедура численного моделирования методом комплексной огиоающей. Выбирается рроизвопьная реализации передаваемых символов b(t), задается соотношение амплитуд (А2/А1) о точке приема и разнос частот tua. Строятся квадратуры сигналов с учетом наличия предиодулйционнош фильтра в передатчике, добавляется аддитивный шум. Учитывается ограничение в тракте, фильтр П4-> 2 (рис. 3) моделируется в виде пары сопряженных КИХ- фильтров. Рассчитывается выходной сигнал на выходе ЧД и сигнал на выходе согласованного фильтра. Затем строится оценка принятого сигнала Ь"(1) и оценивается вероя гноен, возникновений ошибок РЛ с учетом корректирующей способности используемою кода БЧХ(31, 21) При моделировании производится усреднение по реализациям b¡!) и случайному сдвигу фаз Ai,>. Модель позволяет также исследовать влияние относительной задержки формирования сигналов г (3) на вероятность ошибки.

-arctg

На рис. 4 приведены типичные результаты численного моделирования, иллюстрирующие работу ЧД, согласованного фильтра и обнаружителя в зоне перекрытия

Для учета особенностей приема в условиях города используется общепринятая модель на основе канала с релеевскими затуханиями. Данная модель учитывает многолучевой характер распространения радиовоьн в городских условиях и тот факт, что прием осуществляется мобильными (движущимися) абонентами. Квадратуры сигнала с релеевскими замираниями строятся с соответствии с алгоритмом, блок-схема которого приведена на рис 5. Валидностъ такого алгоритма обосновывается в работе. ||рийм осуществляется на приемник, Слок-схема которого приведена на рис.3.

*,(') = 2^СО5/?.сокй>. *-12акаакыя1, *,(/)-+ ^¡2ь!Псс<ъгоя1, (19з) • | »1 а = 0, р.=т!(Ы +1) (196)

Рис. 5. Формирование сигнапа с рспосескиии затуханиями

С использованием построенной юдели схвозиого тракта передачи данных можно числено рассчитать пространственную картину распределения вероятности ошибок при приеме сообщений стандартной длины при заданных . раметрах системы (расположении передатчиков, их выходной мощности, несинхронное™ формир вания сигналов модуляций и выбранном разносе частот отдельных передатчиков). Типичные результаты моделирования приведены нг рис. 6.

15

О

I4n.l1

/

1 ' \ : / \

\

<

0.4 0.6 0.Л ОЛ

О

20

40

1КК

Рис. 6. Пространен,венная картина распределения вероятностей ошибок при приеме

Если априорно задана двухмерная плотность распределения мобильных абонентов в системе (в фиксированный момент времени) , то можно предложить интегральный параметр, характеризующий качество системы :

здесь Л(х,у) - поверхность, описывающая распределение вероятности успешного приема сообщений стандартной длины, />(х,.у) - плотность распределения абонентов системы в данный момент времени (размеренность - абонентов/мг), а отпасть интегрирования в охватывает заданную зону охвата системы, границы кс ~>рой могут быть определены, например, по заданному минимальному отношению ситал-шум.

Обычно известна оценкар(х,у) ■ Например, в условиях г. Москвы можно воспользоваться результатами исследований, проведенными компаниями-провайдерами сотовой телефонной связи. Согласно накоторым данным, в дневное время плотность абонентов в пределах Садового кольца приближенно имеет нормальное распределение, а в вечернее время эта плотность описывается как суперпозиция нормальных распределений с центрами, соответствующим крупным жилым районам. В том случае, если нет никаких априорных данных. />(х,_у) можно положить разной константе.

С использованием предложенного критерия качества (20) можно проводить планирование и динамическую оптимизацию систем ПРВ. На практике автором была проведена статическая оптимизация двух с'стем, эксплуатируемых в г. Москве. При оптимизации максимизировалось значение параметра Q за счет варьирования выходной мощности отдельных передатчиков и выбора разноса несущих.

Таким образом, в главе 2 проведен теоретический анализ задачи приема сообщений в системе с режимом одновременного (синхронного) ве щания, когда на вход приемника поступают идентичные сообщения от нескольких передатчиков системы, причем несущие частоты передзгпчиюв в силу чисто технических причин несколько различаются между собой в пределах отведенного частотного канала. При теоретическом анализе учтено, '.тао в реальных приемниках как правило, используется ськиа ШОУ и квазиоптимальная посладетентсрная обработка. Показано, что в зоне совместного действия передатчиков частота возникновения сшибок при посимвольном

(20)

приеме (Bit Error Rate) может быть минимизировзна за счет взаимной орпюгонапизации сигналов отдельных передатчиков, что на практике, может быть достигнуто, например, за счет выбора разноса несущих частот на величину (ь Г(урцах), кратную скорости передачи символов (о бодах).

Для получения количественных оценок в паоо 2 построена модель сквозного тракта, учитывающая основные особенности функционирований систем ПРВ в реальных условиях. Данная модель учитывает многолучевой характер распространения радиоволн ( используется модель реиесеского канала с затухани.ми). Моделируется нелинейная кеазиоптииалытя обработка сигналов а приемника. Модель также позволяет исследовать влиянии вспомогательного (транспортного) капана связи, вносящего <рпуктуирующую задержку при доставке сообщений ни удаленные передатчики системы. С использованием построенной иодсни сквозного тракта пе^юдачи данных можно частно рассчитать пространственную картину распределения вероятности ошибок и оптимизировать систему ПРО в спопюетстши с предложенный инпг -оальным параметром качества.

В третьей г лап« детально рассмотрены вопросы практической реализации различных технических средств систем ПРВ на примере двух разработанных автором серийных устройств:

» контроллера базовой станции ОР-66 и • мультисистемого пейджингооого терминала OP-FLEX'".

Упрощенная блок-схема контроллера базовой станции OP-CG приведена на рис. 7. Контроллер предназначь ■ для управления передатчиками распределенной системы с поддержкой протоколов РОС SAG (скорости 512 и 1200 бод) и FLEX (однофазный канал 1600 бод). Для передачи сообщений на удаленные станции используется выделенный канал связи (прооодмой канал или радиолинк) и модифицированный транспортный протокол TRC, в том числе и для транспорта двоичного потока протокола FI.EX. Контроллер поддержинает синхронный режим вешания в системе, при этом используется принцип компенсации задержек распространения и модупяцяи/дем \упяция е транспортом канапе связи.

Рис. 7. Блок-схема контроллера баз^зой станции OP-6S

Контроллер базовой стянции поддерживает также режим передачи голосовых (voice) сообщений. Сигнальная обработка с целью обнаружения и режекции низкоуровневого защитного тона (ILGT 2175 Гц. -30 дБм) осуществляется аппаратно, с помощью программируемых цифровых фильтров на переключаемых конденсаторах, пиковых детекторов и встроенного в микроконтроллер АЦП. Контроллер имеет ряд аналоговых входов, предназначенных для контроля состояния передатчика (напряжения питания, выходной мощности, КСВ и т.п.) Контроллер поддерживает обратный телеметрический канал с использованием протокола V.23

При разработке контроллера принят ряд специальных мер, повышающих его надежность и удобство эксплуатации. 8 частности, надежность работы встроенного гоограммного ■ обеспечения достигается за счет использования двух независимых аппаратных сторожевых таймеров, причем один из них используется для управления включением передатчика на передачу. Встроенное программное обеспечение храниться в энерго-незачисимой памяти, построенной на основе флеш-гехнологии, причем программный код задублирован в двух банках памяти. При "холодном" старте производиться подсчет контрольных сумм и переключение, в случае необходимости, банка памяти. Параметры, определяющие режим работы контроллера, хранятся в энергонезависимой памяти с последовательным доступом, причем используется схема коррекции ошибок на основе троичной мажоритарной логики.

Сохранение работоспособности базовой станции при отключении основного сетевого питания достигается за счет использования внешнего источника бесперебойного питания (ИБП). Сообщения в системе при отключении сети не теряются, так как контроллер продолжает передавать информацию о своем состоянии упрааляющему пейджиигоеому терминалу по обратному телеметрическому каналу.

Встроенное программное обеспечение имеет специальные режимы установки параметров (функция detup) и набор диагностических тестов, что значительно облегчает настройку базовой станции при вводе в эксплуатацию.

Разработанный автором мультисистемный пейджин.говый терминал OP-FLEX предназначен для формирования протоколов POCSAG и FLEX™ и выпускается серийно с 1997 г. российской компанией "Комплексные системы связи" в соответствии с лицензионным соглашением с компанией Motorola. Терминал поддерживает смешанный режим работы, когда один частотный канал разделяется между траффиком различных протсчольа. Данный режим работы был введен с учетом - чпросов отечественный компгний-провайдеров, ряд которых осуществляет лостеп. ную миграцию or протокола POCSAG к протоколу FLEX. Аппаратные средства разработанного устройства также полностью поддерживают формирование протокола европейского стандарта ERMES.

Терминал совместно с контроллером базовой станции реализует функции управления локальными и удаленными передатчиками гкогозоновой пейджингоаой системы и имеет специальный режим работы с системе« эхо репитеров с поддержкой как POCSíaG-, так и FLEX-протоколов. Для формирования сигналов модуляции радиоинтерфейса используется внутренний высокостабильный термостатированный опорный генератор (5*10"7...10'а в диапазоне внешних температур -30..+60 С), с возможностью подстройки с помощью t. еимих эталонов (приемнихоа) систем GPS и/или ГЯОНАСС.

Аппаратные средства терминала построены на базе 32-разрядною RISC-микроконтроллера HITACHI SupsrH. Выбор ди. inoro микроконтроллера был обусловлен следующими его основными архитектурными особенностями :

• 32-разрядная архитектура позволяет эффективно реализовать алгоритмы генерации 32-битных данных. (Реализованные стандарты используют БЧХ(31,21)+1 данные).

• Высокая производительность (20 MIPS) и малое время реакции системы прорываний на енишние события (типично, 200 не) позволяет реализовать многозадачную обработку с поддержкой "жесткого" реального времени (Hard Rea! lime), что является существенным для реализации синхронных протоколов с привязкой к единому эталону ссекирного времени,

• Микроконтроллер имеет встроенные высокоинтефирозанныо периферийные средства ->iü5í>p ToiivopoG--счетчикоо и i.-.одули аппаратной генерации сигналов, обеспечивающие

прецизионное формирование двоичных потоков радиоинтерфейсов без использования внешних аппаратных средств,

• Микроконтроппер архитектурно поддерживает большой объем памяти (банки по А Мбайт). Большой объем адресуемой памяти позволяет эффек'ивно строить алгоритмы упаковки сообщений с целью оптимизации траффика радиоканала.

• В системе команд контроллера поддерживается иа(хэ команд, типичных для процессоров цифровой обработки сигналов (DSP). С учетом значительного запаса по производительности стала возможной программная реализация специапизирокн inoro высокоскоростного модема, предназначенного для доставки сообщений на удаленные базовые станции с использованием основного радиоканала.

Блок-схема пейджингового терминала OP-FLEXпредставлена на рис. 8. Подсистема памяти имеет объем ОЗУ 1 Мбайт и обьем флеш-памяти программ 512 кбайт Параметры, определяющие режим роботы устройстоа, хранятся. в энергонезависимой п. миги с последовательным доступом объемом 1 кбайт Подсистема аналогового ввода-вывода использует встроенный в микроконтроллер Hitachi SH 8-канальный Юрзэрядный АЦП и чнешний 4-канапьный 10-разрядный ЦАП с режимом синхронной загрузки.

Подсистема аналогового ииода-вывода используется для реализации специализированного высокоскоростного модема для переда'чи данных на удаленные базовые станции, а также для формирования сигналов транспортного протокола TRC. При локальном подключении подсистема используется для контроля состояния локального передатчика.

Подсистема цифр вого ввода-вывода обеспечивает прецизионное формирование сигналов радиоинтерфейса. Система построена с использованием встроенных в микроконтроллер периферийных модупей аппаратного фоомирооания цифровых сигналов и обеспечивает разрешение интервалов времени 50 не. Длимая система также используется для подстройки внутреннего эталона времени. Для повышения надежности устройства сигналы физического интерфейса гальванически развязаны с помощью еысоскоростных арсенид-галиевых (Go/Is) оптроноа.

Конструктивно терминал выполнен в металлическом корн/се, предназначенном для установки в стандартную 19"-стойку (типоразмер ЗН). На передней пане"и устройства имеется многострочный ЖКИ-дисплей с подсветкой и сиегодиоды для индикации состояния.

Встроенное прикладное программное <обеспечсние (ПО) pear зовано, в основнгч, на языке высокого уровня С++ с использованием с' ";ды разработки GNU Software . Foundation, Прикладное программное обеспечение работает в разработанной аитором операционной среде реального времени (Real-Tim..- Executives). Операционная среда осуществляет статическое распараллеливание (используется схема Preemptive Multitasking) и син онизацию процессов, обработку прерываний, а ть**е поперживает встроенную файловую систему. Ядро операционной среды для повышения эффективности реализовано на языке ассемблера. На уровне операционной среды поддерживается ¿строенные средства отпадки - интеоф^йс распространеннбго отладчика GOB. Г частности, реализованы функции дист„,тционной загрузки прикладного ПО, отладка на уровне исходного текста программы на языке С. уста' "чзки трассировочных точек и т.п. Наличие встроенных средств отладки позволило во-перьых, сократить время разработки, а во-вторых, повысить качество и надежность встроенного ПО. Общий объем исходных текстов составляет около 22.5 тыс. строк, из них 17.5 тс написаны и отлежаны автором;

Автором был предлох н и реализован оригинапьный метод генерации сигналов распространенных пейджинговых протокола. Метод решает актуальную проблему "привязки" формируемого двоичного потока к внеи эму згапону времени. Испопьзованне этого подхода позволяет о принципе решить задачу синхронизации распределенной се базовых станций, строить системы с поддержкой смешанных в одном радиочастотном канале синхронных протоколов и т ч

В соответствии с предложенным методом строиться виртуальный процессор для формирования временных диаграмм и с ределяется его система команд. Примером простейших команд могут ел, :ить следующие :

Имя команды 7Х WORD 32

ТХ DLOC4 Л

Параметры

<data32> - 32-р^ряднь»е данные

<cnt>, (<data32> )'

<cnt> - o-fcrvnx 32-раэр спои, - блок данных

Оаис.чниа

Сформировать дооичный поток, соот^емсеующии 32-разрядным

ДЛИНЫ_М ПЛр.1 МОТру *OV.(M/]rJ

Сформирова ib двоично.1Й по f оч, соонизтсвующий Опону 32 рсир«дмым данных, размер Ьиоал дойные передаются в начес nie парам строй____________

Для приоязки формируемых сигналов к отсчетам системного времени («¿к это предусмотрено синхронными прокопами - например, протоколом FLEX) бы пи поедены специальные команды синхронизации. Например, дпя того, чтобы "приия.члгь" момент передачи первого слова FLEX-кадра к обсчету реального времени, используется следующая последовательность команд :

■VAIT FRAME

7Х WORD 32

<frame_.numl>er> - номер кадра

<data_32> - 32-разрядные данные

Ожидать момент вр^мйки. соошетслуюе^м началу к<;,п;.а с

ук^ за иным номером_______

Сформировать д»ои'ь»г4и поток, соогвотсьуК>щий 32 разрядным дзмн_ым параметру команды_ _

Д«>я формирования сигиапоо проюхопов »¡собходимы и дру.ие команды для переключения скорости передачи, полярности передаваемых донных, генерации преамбулы и т.п. Для реализации протоколов TRC, POCSAG и FLEX оказалось достаточно 21 команды, при этом ^я представления команд и данных используется единый формат, показанный ниже :

31 M 29 П 19 1fi

кокгрольная C/> (,:.! код команды

ПСН (31,21} „ .. ..J Зрит)

А..

данные - БЧХ(31,21) слова с 6л<о»< ччмлт;»* д-SNHbio -_F>4X (31,21) cftot.o с^fcr.rо« чртяоети

____________2 1 О

необязательный (иряадегр

_______________

)акое представление позволяет передавать команды и даянии пи K.-:>«uiy с (ши.:ками на удаленный контроллер багшин станции и единые,

оп(к'7',1/пенные стандартами, механизмы коррекции оиМхж (ха< пр;-»оило, >о,\>л ЬЧХ с tinoть!м перемзжемием). Использование пром&кугоЧ'Юго иикмикшмото кода i-o.íüojiikt

^KIKDDO СЖИМАТЬ биТСГ.Ые ПОТОКИ 33 СЧОI длинных

Г!0>.1|одацателиюстсй (например, преамбул POCSAG)

Генерация "сырых" данных (raw d.4t.j) осуществила гс.я в соошитствии со с.ь.пдаэюм передни данных на стадии разбора )>»С1ут«кнцих сообщений. Сформированные двоичные потеки лли.щаюгся в файпсьую ошму в ОЗУ терминала. Очс.и'|Пге/1ьн/|0 компоновку отдельных сообщений ь кадр и |ч>(Л|юйку тчнищмх чопчИ : n.ví.p, сектсроа протокола FLfJX) осущо^тшлег сгк:ич п. ■■r.-.i ¡й

Диспстчор осуществляет динамический upaa/ov таблиц ;;«:криторев ' проводит т.аазиоптимальную уп:.-оь\у ОООЬщОН'/л С ó i

t , ..окон и генерацию команд. !i.i уровне по;'!,^

Ci :.¡t.M.! í:.;.4'pnrt'(GíJ ПОЛНОСТЬЮ KaCTpOC'hlítüí И (bvimd) •.rii'ji.rr.'^K;:.-^ код

i _ i íj о ерь/ч. на испопиеиисз.

Mí[:■ <!л:;гниьг,ых алгор^тг/.оа /и--;¡.-п h.'.iíjííí, ¡оьапись шнистп^с

( 1 IL it í 1 Г jZCOBürO L í'.;-:: i у -.'ЛГ/ГЛ ДУГА И I I I .■■<:ÍÍ"1>'. В

1 , t I i t b HflFC"HC>:n-ÍOC'lH И t ¡ i: p tí.t

, í i po7CxíOitCB » размеры fcpcw.:HiiUX имя» ídí,i;II¡J'6Í.I.I& С U-ÍH-JO

OU.paf. »л! TГи/ ■■ ■ ■■

Интерпретация настроенного кода и генерация сигналов на физическом уровне осуществляется с помощью простой машины состояния, которая можт быть реализована различными способами : чисто алпаратно (на программируемой БИС) или профаммно-алпаратно (на базе микроконтроллера с подсистемой генерац! i двоичных сигналов) В случае терминала машина состояний построена в виде отдельного процесса-обработчика прерываний. В общем случае исполняемый код уже не привятан к конкретной аппаратной платформе и может быть передан для исполнения на удаленный контроллер базовой станции по основному или вспомогательному каналу связи. Привязку к системному времени в этом случае осуществляется уже средствами базовой станции. Рис. 9 попеняет принцип организации прикладного программного обеспечения терминала.

На аппаратном и программном уровнях принят ряд мер. направленных на повышение надежности устройства. Аппаратные решения аналогичны использованным в контроллере базовой станции ( шьванические развязки, независимые сторожевые таймеры, дублирование программного исполняемого кода, мажоритарная логика для памяти параметров' Отличительной особенностью терминала является то. что поддерживается автоматическая генерация телеметрических сообщений При наступлении ряда критических событий : сбоя ^новного сетевого питания, "зависания" управляющего (Host) - компьютера и других событий, определяемых пользователем при настройке.

HOST RS-232

OSER Г< 0-222

THC UNE

Рис. 8 Блок-скеиа лейджингового терминала OP-FLEX Обозначения:

HOST RS-232 - последовательный порт дня связи с управляющим компьютером,

USER RS-232 - вспоиоготел: *ыи (пользовательский) последовательный порт,

EXT CLK REF - внешний эталон опорной частоты,

ТХ CTRL - интерфейс для управления локалья' >м передатчиком,

GPS RCV - интерфейс дл:1 приемника системы глобального позиционирования GPS

TRC LINE - интерфейс для подключения к каналу управи шя TFtC,

LCD - ЖКИ-дисилей, '

КВО - клавиатура.

Si S/N - интегральное устройство. )ентификации (серийный номер).

21 )

c*s tMt^&iHMVsran«

1 I«vmni4.r< IMJMüSftCS

MDUÜTäUATKfaiUSng I i t * »rt NWSl felUMlC l.HK MUHUUllWi

5ER1.4- ICmto

analog плтл

(UP (o UWOO bwl

Рис. 9. Организация встроенного программного обеспечения пейджингоеого

терминала

В заключении перечислены основные положения диссертационной работы. Дополнительно отмечено, что практическим итогом работы стали разработка ряда коммерческих продуктов. Разработанные технические средства успешно л[юшли сертификационные испытания, Быпускаются серийно и пользуются спросом на внутреннем ринке несмотря на значительную конкуренцию со стороны крупных зарубежных лролзеодителей. График на рис. 1 преде* шяет сраокительную оценку удельной стоимости 1 шг систем ¿1 ПРО. построенной с использованием предложенных и разработанных автором технических средств по отношению к ближайшим зарубежным аналогам. Десятки устройсть успешно эксплуатируются рядом отечественных и зарубежных компаний-провайдеров. Ряд компаний подтвердили фзеты внедрения результатов работы документально Все это позволяет сделать вывод о том, что поставленная цэль - разработка конкурентоспособных перспективных технических срсдг.тв для систем персонального радиовызова - была достигнута.

В заключении также намочена программа дальнейших научных исследований а« юра, связанная с задачами практической реализации многозоновых систем, использующих один общий радиоканал для вещания и транспорта сообщений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате выполненной работы были получены следующие основные научно-

практические результаты:

1. Рассмотрены перспективные протоколы и ccf чрмупированы базовые требования, которым должны отвечать перспективные системы персонального радиовызова (СПРВ).

2. Получены теоретические и практические оценки качества приема сообщений в многозоновых СЛРВ с режимом одновременного (simulcast) вещания. Показано, что используемые де-факто схемы обработки сигналов в абонентском оборудовании И" являются оптимальными в условиях режима одновременного вещании, но частота возникновении ошибок при посимвольном лр вме может быть минимизирсмапа за счет иазарчой ортогонализации сигналов отдельных передатчиков системы.

3 Построена математическая, чодспь сквозного тракта, учитывающая основные особенности функционировани ■ системы ПРВ, в том числе и стандартные модели распространения (радиоканал с рслевскими затуханиями). Модель позволяет рассчитать пространственную картину распределения ошибок при приеме в многозоновой системе с режимом одновременного вещания.

4. Предложен интегральный параметр для оценки качества многозоносой системы ПРВ, основанный на пространственной картине распределения ошибок при приеме и априорной плотности распределения мобильных абонентов системы. Совместно с разработанной математической моделью сквозного тракта данный критерий использовался на практике для планирования и оптимизации реальных коммерческих систем ПРВ.

5. Разработаны конкурентноспособные технические средства для систем ПРВ, которые, в частности, включают контроллер базовой пейджинговой станции и мупьтисистемный пейджинговый терминал с поддержкой смешанных протоколов POCSAG и FLEX. Разработанное оборудование производиться серийно российской компанией "Комплексные системы связи" в соответствии с лицензионным соглашением с компанией K.otorola на использование протокола FLEXш. Десятки разработанных устройств а течении ряда пет успешно эксппуатируютс. а составе коммерческих сиспюм в Российской Федерации и ближнем зарубежье, что подтверждено документапьн актами о внедрении.

6. Разработаны основные модули встроенного программного обеспечение для базового оборудования систем ПРВ. Автором были предложен и реализован ряд квазиоптимальных алгоритмов ьля обработки сигналов в различных трактах передачи данных Предложен и реализованы эффективные методы упаковки соо'зщсний протоколов POCSAG и FLFX. Авторские права разработчиков ('Козина В В. и Хапочкина Ю.В.) на разработанное программное обеспечение защищены Актом Российского агентства по правовой охране программ (РосАПО).

7. Предложен и реализован оригинальный метод генерации протоколов радиоинтерфейса на основе динамической компиляции промежуточного исполняемого кода. Использование данного метода позволило принципиально решить задачу синхронизации контроллеров базоеь.. станций о системах многозонового вещания относительно простыми средствами.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Козин В.В Теория и практика построения пейджинговых систем с режимом синхронного вещами:. I тезисы доклада и материалы учебного курса М-1 / Международный форум "Мобильные системы - 98", Москва, ЦМТ, 23-2! марта 1998

2. Козин В.В. Прием -дискретных сигналов в системах синхронного вещанияЛГезисы доклада на XL научной конференции МФТИ, 1997

3. Козин В.В. Результаты математического моделирования сквозного тракта пейджинговой системы (системы персонального радиовызова) Яезисы доклада на XLI научной конференции МФТИ, 1998

Л. Козин В.В Пейджинговые системы с поддержкой смешанного протокола FLEX/POCSAG. Тезисы доклада на форуме "Пейджинговые Системы", 8-я Международная выставка "Связь-Ехросот-97", Москва, май 1997

5. Козин В.В. Система синхронного вещания / НИР, МФТИ 1997

6. Козин В.В. Оптимальный обнаружитель двоичных сигналов для системы КОРЗ/ тезисы доклада на Берговской конференции МФТИ, апрель 1996

7. Контроплер системы синхронного вещания / Руководство Пользователя, КСС, 1996

8. Контроллер удаленного передатчика ОР-66/ Руководство Пользователя, КСС, 1997

9. Пейджинговый терминал OpenPage- FLEX I Руководство Пользователя, КСС, 1998

Ю.Козин В.В. в ре ер О. В., Радецкий ДР., A.C. 3731/96113163 Полезная модель

противоугонного устройства для транспортного средства. Комитет РФ по патентам и товарным знакам, 16 марта 1997 г.

11. Козин В.В., Хапочкин Ю.В. Встроенное программное обеспечение мультисистемного пейджингового терминала OpenPage-FLEX / свидетельство о официальной регистрации №980496 от 7 августа 1998 г. / Российское агентство по правовой охране программ для ЭВМ, баз данных и топологий интегральных микросхем (РосАПО).

АКТЫ О ВНЕДРЕНИИ

1. Акт о внедрении результатов работы в АОЗТ ТОРУС-ВИПЗ" (объединение ЛОГОВАЗ). Разработана и подготовлена в 1996 г. к серийному производству противоугонная система на основе двухстороннего пейджинга. совместимая с широкораспространенным отечественным стандартом КОРЗ. Принцип работа системы защии'чн A.C. 3731/96113163.

2. Акт о внедрении результатов работы в АО ТЕЛЕНИКОС" (крупный сервис-провайдер, г.Москва)

Разработаны и эксплуатируются с 1996 г. в составе коммерческой системы контроллеры базовой станции с поддержкой POCSA G/Voice-пртокола.

3. Акт о внедрении результатов работы в АОЗТ "MultiPAGE" (крупнейший сервис-провайдер в г. Москве и Московской области)

Разработаны и эксплуатируются с 1997 г. в составе коммерческой системы контроллеры базовой станции для системы синхронного тщания с поддержкой протокола POCSAG.

4. Акт о внедрении в ОАО "Радиохоммуникации" (региональный провайдер, г. Самара)

Эксплуатируются с 1997 г. пейджинговые -терминалы с поддержкой смешанного POCSAG/FLEX протокола в составе региональной сети ПРВ (Самарская и Ульяновская области).

5 Акт о внедрении в ООО "Комплексные Системы Связи" (производитель, г.Москва) Разработаны и выпускаются серийно с 1996 г. технические средства для построения систем ПРВ (контроллеры базовых станции и иупыпчсиствмный пейджингоаый терминал с поддержкой смешанного протокола POCSAG/FLEXm, последнее устройство - в соответствии с лицензионным соглашением на использование протокола FLEX с компанией Motorola) Разработанное автором совместно с Ю.В. Хапочкиным (сотрудником ООО "КСС) встроенное программное обеспечение зарегистрировано е РосАПО, свидетельство о официальной регистрации №980496.

N97И ЗЯКАЬ fiGh ThP :!OjKb ^