Rok / Year: Svazek / Volume: Číslo / Number: 2010 12 3 Repeatery pro systém GSM Repeaters for GSM system Petr Kejík, Jiří Hermany, Stanislav Hanus xkejik00@stud.feec.vutbr.cz Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Abstrakt: Článek se zaměřuje na popis využití a popis základních vlastností dvou repeaterů, určených pro systém GSM. Repeatery jsou používány pro výuku v laboratoři rádiových a mobilních komunikací. Abstract: This contribution deals with two repeaters for GSM 900. Some basic parameters of the devices and measurement results are also presented.
Repeatery pro systém GSM Petr Kejík, Jiří Hermany, Stanislav Hanus Ústav Radioelektroniky,Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně, Purkyňova 118, 612 00 Brno, Česká republika Email: {xkejik00}@stud.feec.vutbr.cz Článek se zaměřuje na popis využití a popis základních vlastností dvou repeaterů, určených pro systém GSM. Repeatery jsou používány pro výuku v laboratoři rádiových a mobilních komunikací. 1 Úvod Mobilní systém GSM (Global System for Mobile communications) je dnes již zcela běžnou součástí každodenního života. Seznámení studentů s tímto standardem je nedílnou součástí výuky Rádiových a mobilních komunikací na Ústavu Radioelektroniky v Brně. Článek se zabývá repeatery (a jejich využitím v systému GSM), které jsou rovněž součástí výuky. Systém GSM používá tzv. buňkovou strukturu. Požadované území je rozděleno na větší množství malých oblastí, tzv. buněk. Obvykle uprostřed každé buňky je umístěna základnová rádiová stanice BTS (Base Transceiver Station), která zprostředkovává komunikaci mezi mobilními stanicemi MS (Mobile Station) v buňce a systémem. Základnová stanice zajišťuje většinou pokrytí celé buňky, včetně prostor uvnitř budov. V buňce však mohou existovat místa, která pokrytá signálem nejsou. V těchto případech lze použít repeatery (opakovače). Jejich účelem je umožnit komunikaci také v místech, kde signál ze základnové stanice není vůbec, případně je příliš slabý. Zařízení lze použít například pro pokrytí míst, jako jsou údolí nebo oblasti za překážkou (třeba za kopcem). Dále lze použít repeater pro zesílení signálu uvnitř budov, hal, stadiónů atd. K repeateru jsou připojeny dvě antény, obě slouží pro příjem i vysílání zároveň. Jedna z antén (např. vně budovy) zajišťuje komunikaci s BTS, druhá (např. uvnitř budovy) zajišťuje komunikaci s jednotlivými mobilními účastníky MS. Při použití opakovače musí být ale zajištěno, aby signál vysílaný opakovačem nerušil místa, která jsou pokrytá signálem z BTS. Např. při použití opakovače uvnitř budovy musí být zajištěno, aby signál (vysílaný repeaterem uvnitř budovy) nerušil uživatele vně budovy (nesmí být např. použit velký vysílací výkon). 2 Kmitočtová pásma Systém GSM využívá několik kmitočtových pásem, viz [1-2]. Primární systém GSM využívá kmitočtová pásma 890 915 MHz pro uplink (komunikace od MS k BTS) a 935 960 MHz pro downlink (komunikace od BTS k MS). Rozteč duplexního páru je 45 MHz. Uvnitř každého pásma je 124 rádiových kanálů, každý s šířkou pásma 200 khz. Kanál 125 je rozdělen na dva 100 khz úseky, které jsou použity na horních a dolních koncích pásem (pro uplink i downlink) jako ochranná pásma. V každém rádiovém kanále je pak metodou TDMA (Time Division Multiple Access) vytvořeno 8 časových intervalů TS (Time Slots). Kmitočty nosných pro uplink (n) a pro downlink f (n) lze určit ze vztahů: = 890,0 + 0. 2 n [MHz], (1) f = ful( n) + 45 [MHz], (2) kde pro n (číslo rádiového kanálu) platí 1 n 124. Rozšířený systém GSM (Extended GSM) používá pásma 880 915 MHz pro uplink a 925 960 MHz pro downlink. Rozteč duplexního páru je 45 MHz. Oproti primárnímu GSM je rozšířen o 10 MHz úseky na spodních okrajích obou pásem. Kapacita systému se tím zvýšila o 50 duplexních rádiových kanálů. Opět jsou využity 100 khz ochranné úseky. Kmitočty nosných pro uplink a pro downlink lze určit ze vztahů: = 890,0 + 0. 2 n [MHz], (3) kde pro n platí 1 n 124, = 890,0 + 0.2 ( n 1024) [MHz], (4) kde pro n platí 975 n 1023. Pro kmitočet nosné pro downlink platí vztah (2). Systém GSM 1800 využívá kmitočtová pásma 1710 1785 MHz pro uplink a 1805 1880 MHz pro downlink. V pásmech je umístěno 374 rádiových kanálů každý s šířkou pásma 200 khz. Rozteč duplexního páru je 95 MHz. Na okrajích pásma jsou opět ochranné 100 khz úseky. Kmitočty nosných pro uplink a pro downlink lze určit ze vztahů: = 1710,0 + 0.2 ( n 511) [MHz], (5) f = ful( n) + 95 [MHz], (6) kde pro n platí 512 n 885. V USA se využívá i systém GSM 1900 s pásmy 1850 1910 MHz pro uplink a 1930 1990 MHz pro downlink. Pásma jsou rozdělena na 299 rádiových kanálů, každý s šířkou pásma 200 khz. Oproti GSM 1800 se liší zejména v používaných výkonových úrovních. Kmitočty nosných pro uplink a pro downlink lze určit ze vztahů: = 1850,0 + 0.2 ( n 512) [MHz], (7) 38 1
f = ful + 80 [MHz], (8) kde pro n platí 512 n 810. Měřené repeatery (viz následující kapitola) pracují pouze s kmitočty primárního GSM. Kmitočty nosných lze stanovit ze vztahů (1 2). 3 Repeatery pro GSM 900 V článku jsou popsány a srovnány dva typy repeaterů. První zařízení, dále označované jako REP_1, je jednoduché komerční zařízení bez možnosti nastavení parametrů. Druhý repeater, dále označovaný jako REP_ALLGON, umožňuje nastavit velké množství parametrů, např. velikost zesílení. 3.1 Jednoduchý repeater (REP_1) Pro bližší seznámení studentů s použitím repeaterů v systému GSM byl, z prostředků poskytnutých FRVŠ, zakoupen repeater s označením GSM-REPEATER 1.1, viz [3]. Zařízení je duplexní širokopásmový zesilovač pracující v GSM pásmu 900 MHz. Zjednodušené blokové schéma repeateru je zobrazeno na obr. 1, samotný repeater je zobrazen na obr. 2. Přijatý signál prochází v každém směru přes duplexer a dále přes kaskádu zesilovačů AMP, atenuátor ATT a filtr BPF. Repeater má nastaveno fixní zesílení 40 db pro uplink a 50 db pro downlink, výkonová úroveň v obou směrech je 15 dbm. Zpoždění signálu je do 1 µs, pokrytí 100 až 1000 m 2 (dle místních podmínek). Zařízení má minimální rozměry: 157 x 147 x 36 mm (V x Š x H), hmotnost repeateru je pouze 800 g. 3.2 Profesionální repeater (REP_ALLGON) Druhým měřeným zařízením je repeaterem firmy ALLGON. Toto zařízení je součástí vybavení laboratoře Rádiových a mobilních komunikací na Ústavu Radiolelektroniky v Brně. Jedná se o zařízení se selektivní volbou kanálů, umožňující komunikaci na 2 duplexních párech. Zisk pro uplink byl nastaven na 50 db (minimální nastavitelná hodnota je 45 db, nelze tedy nastavit stejnou hodnotu jaká je u REP_1). Zjednodušené blokové schéma repeateru je na obr. 3, samotný repeater je zobrazen na obr. 4. Signál z antény prochází přes duplexer, nízkošumový zesilovač LNA a následně je rozdělen do několika (v případě na obr. 3 do dvou) větví. V každé větvi je signál pomocí směšovače frekvenčně transponován na mezifrekvenci, zesílen, zpětně frekvenčně transponován na požadovanou nosnou a opět zesílen. Signály z jednotlivých větví jsou sloučeny a přes duplexer přivedeny do antény. LNA CPU LNA UL AMP AMP BPF AMP ATT Obrázek 3: Blokové schéma repeateru REP_ALLGON AMP BPF AMP AMP ATT Obrázek 1: Blokové schéma repeateru REP_1 Obrázek. 4: Repeater firmy ALLGON (REP_ALLGON) Obrázek 2: Repeater pro GSM (REP_1) 38 2
4 Měření vlastností repeaterů Při měření byly oba repeatery buzeny ze signálního generátoru signálem s úrovní 70 dbm. Útlum použitých kabelů byl pro měřené pásmo konstantní a není dále uvažován. Na obr. 5 je znázorněný signál na výstupu repeateru REP_1 pro směr uplink. Signál je na 63. kanále, tzn. (63) = 902,6 MHz s úrovní (výstup signálního generátoru) - 70 dbm. Pro průchodu repeatrem má výstupní signál úroveň - 29 dbm, což odpovídá zesílení přibližně 40 db. Na obr. 7 je znázorněný signál na výstupu repeateru REP_1 pro směr downlink. Signál je na 63. kanále, tzn. f (63) = 947,6 MHz s úrovní (na výstupu generátoru) -70 dbm. Pro průchodu repeatrem má výstupní signál úroveň -23,9 dbm, což odpovídá zesílení přibližně 50 db. Na obr. 6 jsou (v okolí měřeného signálu) patrné ještě dva další signály na kmitočtech 940,6 MHz (28. kanál) a 946,4 MHz (57. kanál). Na těchto kmitočtech vysílá v downlinku BTS, která je umístěná přímo v laboratoři. Oba signály jsou (parazitními vazbami a nedokonalým stíněním) repeaterem také zesíleny. Obr.ázek 5: Zesílení signálu na 63. kanále pro uplink (REP_1) Na obr. 6 je znázorněný signál na výstupu repeateru REP_ALLGON pro směr uplink. Signál je na 63. kanále, tzn. (63) = 902,6 MHz s úrovní (výstup signálního generátoru) - 70 dbm. Pro průchodu repeatrem má výstupní signál úroveň - 22.9 dbm, což odpovídá zesílení přibližně 50 db. Obrázek 7: Zesílení signálu na 63. kanále pro downlink (REP_1) Na obr. 8 je znázorněný signál na výstupu repeateru REP_ALLGON pro směr downlink. Signál je na 63. kanále, tzn. f (63) = 947,6 MHz s úrovní (na výstupu generátoru) -70 dbm. Pro průchodu repeatrem má výstupní signál úroveň -24,3 dbm, což odpovídá zesílení přibližně 50 db. U tohoto repeateru nedochází k zesilování signálů na kmitočtech 940,6 MHz (28. kanál) a 946,4 MHz (57. kanál). Signály nejsou zesíleny, protože REP_ALLGON používá selektivní volbu kanálů, viz obr. 3 (zesílen je tedy jen vybraný 63. kanál). Obrázek 6: Zesílení signálu na 63. kanále pro uplink (REP_ALLGON) 38 3
60 50 40 A [db] 30 20 10 0 925 930 935 940 945 950 955 960 965 970 f [MHz] Obrázek 10: Zisk repeateru v závislosti na kmitočtu pro downlink (REP_1) Obrázek 8: Zesílení signálu na 63. kanále pro downlink (REP_ALLGON) Na obr. 9 je znázorněn zisk repeateru REP_1 (velikost signálu na výstupu vztažená k -70 dbm) v závislosti na kmitočtu signálu pro uplink. Měření bylo uskutečněno převážně (v pásmu GSM) na kmitočtech vyhovujících (1). V obrázku je červeně ohraničeno kmitočtové pásmo GSM. Z měřeného průběhu je patrné, že zesílení repeateru pro různé rádiové kanály není stejné, liší se zhruba až o 3 db. Z obrázku je patrné, že repeater zesiluje také signály částečně i mimo GSM pásmo. A [db] 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 880 885 890 895 900 905 910 915 920 925 f [MHz] Obrázek 9: Zisk repeateru v závislosti na kmitočtu pro uplink (REP_1) Na obr. 10 je znázorněn zisk repeateru REP_1 (velikost signálu na výstupu vztažená k -70 dbm) v závislosti na kmitočtu signálu pro downlink. Měření bylo opět uskutečněno převážně (v pásmu GSM) na kmitočtech vyhovujících (2). Výsledky jsou podobné jako pro uplink na obr. 9. Na obr. 11 jsou znázorněny křivky selektivity pro 63. kanál pro uplink. Červený průběh odpovídá repeateru REP_1 (zesílení v uplinku je fixně nastaveno na hodnotu 40 db, viz kap. 3). Modrý průběh odpovídá repeateru REP_ALLGON (zesílení v uplinku je nastaveno na hodnotu 50 db). A [db] 48 47 46 45 44 43 42 41 40 902,4 902,45 902,5 902,55 902,6 902,65 902,7 902,75 902,8 f [MHz] REP_1 REP_ALLGON Obrázek 11: Porovnání křivek selektivity (zisků) repeaterů pro 63. kanál pro uplink 5 Závěr V článku byly velmi stručně popsány některé základní vlastnosti systému GSM a dále základní vlastnosti a použití dvou rozdílných typů repeaterů právě pro systém GSM. Z provedených měření je patrné, že repeater firmy ALLGON (REP_ALLGON) se selektivní volbou kanálů dosahuje lepší selektivity pro jednotlivé kanály. Zařízení umožňuje zvolit konkrétní kanály, které mají být zesíleny. Umožňuje však komunikaci pouze na 4 (v případě laboratorního zařízení na 2) duplexních kanálech a vyžaduje určité nastavení uživatelem. Komerčně dostupný typ repeateru zesiluje celé pásmo GSM, počet duplexních párů jím tedy není omezen. Zesílení je však téměř konstantní přes celé pásmo, nemění se ani v rámci jednoho rádiového kanálu. Nevýhodou je zesilování nežádoucích signálů (kanálů). Výhodou repeateru je naopak snadné použití bez nastavování jakýchkoliv parametrů. 38 4
Poděkování Tento příspěvek vznikl v rámci řešení projektu Fondu rozvoje vysokých škol (FRVŠ) č. 71/09/G1, grantového projektu GA ČR č. 102/07/1295, výzkumného záměru MŠMT č. MSM 0021630513 a doktorského projektu GA ČR č. 102/08/H027. Uvedené výsledky byly také prezentovány na Semináři kateder a ústavů radioelektronického zaměření elektrotechnických fakult České republiky a Slovenské republiky pořádaném v Radějově ve dnech 5. až 7. května 2009. Literatura [1] HANUS, Stanislav. Bezdrátové a mobilní komunikace. I. vyd. Brno : VUT, 2003. ISBN 80-214-1833-8. [2] HANUS, Stanislav, FENCL, Josef, ŠTENCEL, Vít. Bezdrátové a mobilní komunikace II. I. vyd. Brno: VUT, 2005. ISBN 80-214-2817-1. [3] Dokumentace k repeateru [online]. 2009 [cit. 2009-08- 05]. Dostupné na WWW:<http://www.seapraha.cz/>. 38 5