Усі навчальні матеріали дисципліни розміщені на сайті викладача за посиланням:
https://oleksa-site.blogspot.com/p/mobile-telecom.html
Мета кредитного модуля: формування базових знань щодо принципів побудови та
функціонування сучасних та перспективних систем мобільного зв'язку.
Завдання кредитного модуля.
Після засвоєння навчальної дисципліни мають продемонструвати такі результати навчання:
знання:
фізичні особливості радіоканалів мобільного зв’язку;
модуляційні формати передачі даних та методи багатостанційного доступу в мережах
СМЗ;
частотні діапазони, архітектура мереж, стеки протоколів другого, третього та
четвертого поколінь СМЗ;
технології завадостійкого кодування та організації передачі даних;
технології приймання сигналів в каналах СМЗ із часовим та допплерівським
розсіюванням.
уміння:
вибирати параметри трактів передачі сигналів мереж СМЗ;
проводити розрахунки параметрів ефективності мереж СМЗ для заданих умов
приймання радіосигналів;
володіти основами радіо планування мереж СМЗ
досвід:
використання сучасних програмних засобів планування та моделювання мереж СМЗ сучасних
поколінь.
2. Пререквізити та постреквізити дисципліни (місце в структурно-логічній схемі
навчання за відповідною освітньою програмою)
Кредитними модулями, які забезпечують вивчення СМЗ є: Методи теорії ймовірностей в
радіотехніці (3/с), Сигнали та процеси в радіотехніці (4/с), Основи теорії телекомунікацій та
радіотехніки (5,6/с). Дисципліна входить до завешального циклу професійної підготовки
спеціалістів рівня бакалаврів.
3. Зміст навчальної дисципліни
Лекційний матеріал.
Тема 1. Предмет дисципліни.
Телекомунікаційні мережі, їх класифікація та загальна структура. Поняття про
конвергенцію мереж. Еталона модель взаємодії відкритих систем ISO/OSI. Загальна
структура систем мобільного зв’язку та їх класифікація. Стільниковий принцип організації
мобільного зв’язку та частотного плану. Огляд змісту дисципліни.
Тема 2. Канали мобільного зв’язку.
Головні фізичні особливості середовища передачі, що впливають на характеристики сигналу:
діапазон частот, багатопроменеве поширення, часове та допплерівське розсіювання. Шуми та
завади в каналах СРЗ. Прогнозування рівнів радіосигналів мобільного зв’язку за методами
Окамура-Хата та COST231. Прогнозування за методом трасування радіо променів, врахування
дифракційних ефектів.
Завмирання сигналів (фединг). Часове розсіювання та допплерівське розширення спектру
сигналів у багатопроменевому радіоканалі мобільного зв'язку. Поняття про смугу та інтервал
когерентності радіоканалу.
Масштаби завмирань. Статистичний опис великомасштабних та дрібномасштабних завмирань.
Поняття про райсівський та релеєвський радіоканали. Типи дрібномасштабних завмирань
(гладкі та частотно-селективні, швидкі та повільні). Модель WSSUS. Моделювання
дрібномасштабних завмирань в радіоканалах за стандартом GSM 05.05.
Тема 3. Кодування мовних сигналів.
Фізичні особливості мовних сигналів. Модель голосового тракту людини. Мовні кодеки та їхня
класифікація. Кодування мовних сигналів за методом ІКМ (PCM). Кодування сигналів за
методом лінійного передбачення (ЛП). Кодери та декодери ДІКМ (DPCM). Кодування мовних
сигналів з короткотерміновим та довгостроковим передбачення (LPC та LTP-кодеки). Векторне
квантування та технології CELP. Статистичне ущільнення сигналів (технологія DTX).
Тема 4. Цифрова модуляція сигналів та багатостанційний доступ.
Загальні принципи цифрової модуляції. Міжсимвольна інтерференція (МСІ). Фільтри піднятого
косинусу. Характеристики методів модуляції: коефіцієнт помилок та спектральна
ефективність. Фільтри Найквіста та око-діаграми. Цифрова модуляція без пам’яті. Цифрова
модуляція з пам’яттю (CPFSK, MSK, GMSK, відносна (різницева) модуляція, офсетна модуляція).
Критерії вибору модуляційних форматів в СРЗ. Внутрішньо системні завади. Методи
підвищення спектральної ефективності. Модуляційні формати передачі в СМЗ другого,
третього та четвертого поколінь
Основні методи багато станційного доступу: FDMA, TDMA, CDMA. Дуплексна передача FDD та
TDD. Комбіновані методи багато станційного доступу Протоколи випадкового (довільного)
доступу.
Широкосмугова модуляція (ШСМ). Частотний хоппінг (FH-SS) та пряме розширення спектру
(DS-SS). Порівнювальний аналіз методів БСД.
Багаточастотна модуляція та її переваги. Мультиплексування з ортогональним частотним
поділом каналів (OFDM). Циклічний префікс та алгоритм «заповнення водою».
Тема 5. Завадостійке кодування в каналах мобільного зв'язку.
Теорема про кодування в каналі та границі Шеннона. Завадостійкі коди та їхня класифікація.
Принципи блочного кодування та границі Хеммінга. Лінійні коди, їхня породжувальна та
перевірочна матриці. Циклічні коди, породжувальний та перевірочний поліноми циклічного
коду. Генерація систематичного циклічного коду, виявлення та виправлення помилок. Кодери
та декодери циклічного коду. Коди БЧХ та Ріда-Соломона.
Загальна структура згорткових кодерів та методи їхнього опису: діаграма станів,
деревоподібна та треліс-діаграми. Виправлення помилок при згортковому кодуванні.
Декодери Вітербі з “жорсткими” та “м’якими” рішеннями. Перемежування (interleaving)
символів як метод боротьби з пакетними помилками. Турбо кодування та LDPC-кодування.
Тема 6. Приймання сигналів у каналах мобільного зв’язку.
Загальна постановка задачі приймання сигналів зв’язку. Оптимальне приймання сигналів за
критеріями максимуму апостеріорної ймовірності та максимальної правдоподібності.
Когерентне приймання сигналів у каналі з АБҐШ. Приймання повідомлення «у цілому» та
поелементний прийом. Оптимальне когерентне приймання сигналів PSK та QAM. Загальна
схема приймання сигналів PSK та QAM.
Особливості приймання радіосигналів мобільного зв'язку. Адаптивне керування потужністю з
відкритою та замкненою петлею. Вирівнювання каналу мобільного зв'язку. Адаптивні лінійні
еквалайзери. «Сліпе» вирівнювання каналу. Еквалайзери зі зворотнім зв'язком за рішеннями
(еквалайзери DFE) та еквалайзер Вітербі.
Тема 7. Рознесене приймання сигналів у каналах мобільного зв’язку.
Загальні принципи рознесеного приймання. Рознесене приймання сигналів в каналах із
розсіюванням. Багатопроменеве RAKE-приймання та його застосування в мережах СМЗ
третього покоління.
Багатоантенні системи передавання та приймання сигналів (MIMO-системи), їх класифікація.
Матриця каналу передачі та її оцінювання. Залежність ефективності MIMO-систем від кількості
антен.
Просторово-часове блочне та згорткове кодування. Алгоритм Аламоуті та його переваги.
Просторове мультиплексування, області застосування та його переваги. Застосування MIMO-
технологій у СМЗ третього та четвертого поколінь.
Тема 8. Архітектура та системні аспекти стільникової телефонії GSM.
Основи архітектури GSM. Сота, зона, регіон обслуговування. Підсистеми MSC, HLR і VLR та які
їхні функції. Регістри AUC і EIR, модуль SIM. Ідентифікатори IMEI, IMSI, TMSI.
Параметри радіопередачі GSM: діапазони частот, швидкість передачі, параметри часових
слотів. Часова структура: фрейм, мультифрейм, суперфрейм, гіперфрейм.
Структура мультифреймів в downlink та uplink. Структура пакетів. Основні види логічних
каналів та їх відображення на фізичному рівні. Процедури з'єднання: початкова реєстрація та
активація MS після включення, процедури виклику. Естафетна передача з'єднання (хендовер)
та її різновиди. Конфіденційність та перевірка автентичності користувача. Шифрування
інформації користувачів.
Тема 9. Стандарт стільникової телефонії IS-95 та мережі 2G+.
Технологія DS-SS та її можливості. Псевдовипадкові послідовності (ПВП) та їх властивості.
Послідовність регістру зсуву максимальної довжини, послідовності Голда і Касамі.
Розширення спектру сигналів в стандарті IS-95 для прямого та зворотного каналу. Синхронна
та асинхронна CDMA. Архітектури прямого та зворотного каналів. Фізичні канали та їх
структура. Відображення логічних каналів на фізичний рівень. Еволюція стандартів 2G.
Технології HSCSD, GPRS, EDGE.
Тема 10. Загальна концепція та організація мереж 3G.
Протоколи IMT-2000 та їхні основні характеристики. Труднощі на шляху практичного втілення
концепції IMT-2000. Базові вимоги до систем 3G та їхні принципові відмінності від систем 2G,
2,5G.
Архітектура мережі радіо доступу UMTS, її головні вузли та їх призначення. Стек протоколів
UMTS, рівні, підривні протоколів та їх призначення. Площини управління та користувачів у
стеку протоколів UMTS.
Основні характеристики радіоінтерфейсу UTRAN: смуги, швидкості передачі, чипова
швидкість, тривалості фреймів, часових слотів, тощо.
Логічні, транспортні та фізичні канали мережі 3G. Їх призначення та категорії. Канали
"dedicated" і "common" та їхнє використання.
Генерація фізичних каналів uplink та downlink. Розширюючи та скремблюючи псевдовипадкові
послідовності, метод модуляції. Часова структура каналів.
Особливості естафетної передачі в мережах 3G. Особливості та відмінності стандарту
cdma2000 від стандарту UMTS.
Тема 11. Загальна концепція та організація мереж 4G.
Еволюція стандартів 3G. Концепція IMT Advanced та її головні риси.
Архітектура мережі LTE та її головні вузли. Стеки протоколів стандарту LTE, їх склад та
основні функції.
Побудова мережевих інтерфейсів стандарту LTE. Їх склад та основні функції. Логічні,
транспортні та фізичні канали стандарту LTE. Їх склад та основні функції. Відображення
логічних каналів на транспортний рівень та відображення транспортних каналів на фізичний
рівень.
Частотний план мереж LTE. Технології OFDM та SC-FDMA. Часова структура сигналів LTE та їх
частотно-часова організація. Розміщення фізичних каналів. Передача даних uplink та downlink.
Технології MIMO в мережах LTE. Гетерогенні мережі. Стандарт LTE Advanced та його головні
особливості.
Тема 12. Концепція перспективних мереж мобільного доступу 5G.
Концепція та програма робот зі створення мереж 5G. Базові вимоги та головні завдання
проекту IMT2020. Частотний ресурс, архітектура та радіо інтерфейс мереж IMT 2020. Методи
багаточастотної модуляції з не ортогональною розстановкою каналів: N-OFDM, FBMC, F-OFDM,
UFMC, GFDM, BFDM,тощо. Технології широкомасштабної (massive) MIMO та організація зон
обслуговування.
https://oleksa-site.blogspot.com/p/mobile-telecom.html
Мета кредитного модуля: формування базових знань щодо принципів побудови та
функціонування сучасних та перспективних систем мобільного зв'язку.
Завдання кредитного модуля.
Після засвоєння навчальної дисципліни мають продемонструвати такі результати навчання:
знання:
фізичні особливості радіоканалів мобільного зв’язку;
модуляційні формати передачі даних та методи багатостанційного доступу в мережах
СМЗ;
частотні діапазони, архітектура мереж, стеки протоколів другого, третього та
четвертого поколінь СМЗ;
технології завадостійкого кодування та організації передачі даних;
технології приймання сигналів в каналах СМЗ із часовим та допплерівським
розсіюванням.
уміння:
вибирати параметри трактів передачі сигналів мереж СМЗ;
проводити розрахунки параметрів ефективності мереж СМЗ для заданих умов
приймання радіосигналів;
володіти основами радіо планування мереж СМЗ
досвід:
використання сучасних програмних засобів планування та моделювання мереж СМЗ сучасних
поколінь.
2. Пререквізити та постреквізити дисципліни (місце в структурно-логічній схемі
навчання за відповідною освітньою програмою)
Кредитними модулями, які забезпечують вивчення СМЗ є: Методи теорії ймовірностей в
радіотехніці (3/с), Сигнали та процеси в радіотехніці (4/с), Основи теорії телекомунікацій та
радіотехніки (5,6/с). Дисципліна входить до завешального циклу професійної підготовки
спеціалістів рівня бакалаврів.
3. Зміст навчальної дисципліни
Лекційний матеріал.
Тема 1. Предмет дисципліни.
Телекомунікаційні мережі, їх класифікація та загальна структура. Поняття про
конвергенцію мереж. Еталона модель взаємодії відкритих систем ISO/OSI. Загальна
структура систем мобільного зв’язку та їх класифікація. Стільниковий принцип організації
мобільного зв’язку та частотного плану. Огляд змісту дисципліни.
Тема 2. Канали мобільного зв’язку.
Головні фізичні особливості середовища передачі, що впливають на характеристики сигналу:
діапазон частот, багатопроменеве поширення, часове та допплерівське розсіювання. Шуми та
завади в каналах СРЗ. Прогнозування рівнів радіосигналів мобільного зв’язку за методами
Окамура-Хата та COST231. Прогнозування за методом трасування радіо променів, врахування
дифракційних ефектів.
Завмирання сигналів (фединг). Часове розсіювання та допплерівське розширення спектру
сигналів у багатопроменевому радіоканалі мобільного зв'язку. Поняття про смугу та інтервал
когерентності радіоканалу.
Масштаби завмирань. Статистичний опис великомасштабних та дрібномасштабних завмирань.
Поняття про райсівський та релеєвський радіоканали. Типи дрібномасштабних завмирань
(гладкі та частотно-селективні, швидкі та повільні). Модель WSSUS. Моделювання
дрібномасштабних завмирань в радіоканалах за стандартом GSM 05.05.
Тема 3. Кодування мовних сигналів.
Фізичні особливості мовних сигналів. Модель голосового тракту людини. Мовні кодеки та їхня
класифікація. Кодування мовних сигналів за методом ІКМ (PCM). Кодування сигналів за
методом лінійного передбачення (ЛП). Кодери та декодери ДІКМ (DPCM). Кодування мовних
сигналів з короткотерміновим та довгостроковим передбачення (LPC та LTP-кодеки). Векторне
квантування та технології CELP. Статистичне ущільнення сигналів (технологія DTX).
Тема 4. Цифрова модуляція сигналів та багатостанційний доступ.
Загальні принципи цифрової модуляції. Міжсимвольна інтерференція (МСІ). Фільтри піднятого
косинусу. Характеристики методів модуляції: коефіцієнт помилок та спектральна
ефективність. Фільтри Найквіста та око-діаграми. Цифрова модуляція без пам’яті. Цифрова
модуляція з пам’яттю (CPFSK, MSK, GMSK, відносна (різницева) модуляція, офсетна модуляція).
Критерії вибору модуляційних форматів в СРЗ. Внутрішньо системні завади. Методи
підвищення спектральної ефективності. Модуляційні формати передачі в СМЗ другого,
третього та четвертого поколінь
Основні методи багато станційного доступу: FDMA, TDMA, CDMA. Дуплексна передача FDD та
TDD. Комбіновані методи багато станційного доступу Протоколи випадкового (довільного)
доступу.
Широкосмугова модуляція (ШСМ). Частотний хоппінг (FH-SS) та пряме розширення спектру
(DS-SS). Порівнювальний аналіз методів БСД.
Багаточастотна модуляція та її переваги. Мультиплексування з ортогональним частотним
поділом каналів (OFDM). Циклічний префікс та алгоритм «заповнення водою».
Тема 5. Завадостійке кодування в каналах мобільного зв'язку.
Теорема про кодування в каналі та границі Шеннона. Завадостійкі коди та їхня класифікація.
Принципи блочного кодування та границі Хеммінга. Лінійні коди, їхня породжувальна та
перевірочна матриці. Циклічні коди, породжувальний та перевірочний поліноми циклічного
коду. Генерація систематичного циклічного коду, виявлення та виправлення помилок. Кодери
та декодери циклічного коду. Коди БЧХ та Ріда-Соломона.
Загальна структура згорткових кодерів та методи їхнього опису: діаграма станів,
деревоподібна та треліс-діаграми. Виправлення помилок при згортковому кодуванні.
Декодери Вітербі з “жорсткими” та “м’якими” рішеннями. Перемежування (interleaving)
символів як метод боротьби з пакетними помилками. Турбо кодування та LDPC-кодування.
Тема 6. Приймання сигналів у каналах мобільного зв’язку.
Загальна постановка задачі приймання сигналів зв’язку. Оптимальне приймання сигналів за
критеріями максимуму апостеріорної ймовірності та максимальної правдоподібності.
Когерентне приймання сигналів у каналі з АБҐШ. Приймання повідомлення «у цілому» та
поелементний прийом. Оптимальне когерентне приймання сигналів PSK та QAM. Загальна
схема приймання сигналів PSK та QAM.
Особливості приймання радіосигналів мобільного зв'язку. Адаптивне керування потужністю з
відкритою та замкненою петлею. Вирівнювання каналу мобільного зв'язку. Адаптивні лінійні
еквалайзери. «Сліпе» вирівнювання каналу. Еквалайзери зі зворотнім зв'язком за рішеннями
(еквалайзери DFE) та еквалайзер Вітербі.
Тема 7. Рознесене приймання сигналів у каналах мобільного зв’язку.
Загальні принципи рознесеного приймання. Рознесене приймання сигналів в каналах із
розсіюванням. Багатопроменеве RAKE-приймання та його застосування в мережах СМЗ
третього покоління.
Багатоантенні системи передавання та приймання сигналів (MIMO-системи), їх класифікація.
Матриця каналу передачі та її оцінювання. Залежність ефективності MIMO-систем від кількості
антен.
Просторово-часове блочне та згорткове кодування. Алгоритм Аламоуті та його переваги.
Просторове мультиплексування, області застосування та його переваги. Застосування MIMO-
технологій у СМЗ третього та четвертого поколінь.
Тема 8. Архітектура та системні аспекти стільникової телефонії GSM.
Основи архітектури GSM. Сота, зона, регіон обслуговування. Підсистеми MSC, HLR і VLR та які
їхні функції. Регістри AUC і EIR, модуль SIM. Ідентифікатори IMEI, IMSI, TMSI.
Параметри радіопередачі GSM: діапазони частот, швидкість передачі, параметри часових
слотів. Часова структура: фрейм, мультифрейм, суперфрейм, гіперфрейм.
Структура мультифреймів в downlink та uplink. Структура пакетів. Основні види логічних
каналів та їх відображення на фізичному рівні. Процедури з'єднання: початкова реєстрація та
активація MS після включення, процедури виклику. Естафетна передача з'єднання (хендовер)
та її різновиди. Конфіденційність та перевірка автентичності користувача. Шифрування
інформації користувачів.
Тема 9. Стандарт стільникової телефонії IS-95 та мережі 2G+.
Технологія DS-SS та її можливості. Псевдовипадкові послідовності (ПВП) та їх властивості.
Послідовність регістру зсуву максимальної довжини, послідовності Голда і Касамі.
Розширення спектру сигналів в стандарті IS-95 для прямого та зворотного каналу. Синхронна
та асинхронна CDMA. Архітектури прямого та зворотного каналів. Фізичні канали та їх
структура. Відображення логічних каналів на фізичний рівень. Еволюція стандартів 2G.
Технології HSCSD, GPRS, EDGE.
Тема 10. Загальна концепція та організація мереж 3G.
Протоколи IMT-2000 та їхні основні характеристики. Труднощі на шляху практичного втілення
концепції IMT-2000. Базові вимоги до систем 3G та їхні принципові відмінності від систем 2G,
2,5G.
Архітектура мережі радіо доступу UMTS, її головні вузли та їх призначення. Стек протоколів
UMTS, рівні, підривні протоколів та їх призначення. Площини управління та користувачів у
стеку протоколів UMTS.
Основні характеристики радіоінтерфейсу UTRAN: смуги, швидкості передачі, чипова
швидкість, тривалості фреймів, часових слотів, тощо.
Логічні, транспортні та фізичні канали мережі 3G. Їх призначення та категорії. Канали
"dedicated" і "common" та їхнє використання.
Генерація фізичних каналів uplink та downlink. Розширюючи та скремблюючи псевдовипадкові
послідовності, метод модуляції. Часова структура каналів.
Особливості естафетної передачі в мережах 3G. Особливості та відмінності стандарту
cdma2000 від стандарту UMTS.
Тема 11. Загальна концепція та організація мереж 4G.
Еволюція стандартів 3G. Концепція IMT Advanced та її головні риси.
Архітектура мережі LTE та її головні вузли. Стеки протоколів стандарту LTE, їх склад та
основні функції.
Побудова мережевих інтерфейсів стандарту LTE. Їх склад та основні функції. Логічні,
транспортні та фізичні канали стандарту LTE. Їх склад та основні функції. Відображення
логічних каналів на транспортний рівень та відображення транспортних каналів на фізичний
рівень.
Частотний план мереж LTE. Технології OFDM та SC-FDMA. Часова структура сигналів LTE та їх
частотно-часова організація. Розміщення фізичних каналів. Передача даних uplink та downlink.
Технології MIMO в мережах LTE. Гетерогенні мережі. Стандарт LTE Advanced та його головні
особливості.
Тема 12. Концепція перспективних мереж мобільного доступу 5G.
Концепція та програма робот зі створення мереж 5G. Базові вимоги та головні завдання
проекту IMT2020. Частотний ресурс, архітектура та радіо інтерфейс мереж IMT 2020. Методи
багаточастотної модуляції з не ортогональною розстановкою каналів: N-OFDM, FBMC, F-OFDM,
UFMC, GFDM, BFDM,тощо. Технології широкомасштабної (massive) MIMO та організація зон
обслуговування.
- Викладач: Калюжний Олександр Якович