Система сотовой связи стандарта GSM и особенности построения абонентских устройств (стр. 1 )

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ        5

1 СИСТЕМА СОТОВОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM И ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ АБОНЕНТСКИХ УСТРОЙСТВ        7

1.1 Общая структура сети GSM        7

1.2 Построение абонентского аппарата и основные режимы его использования        11

1.3 Подсистема передачи данных мобильного аппарата и её применение в рабочем и тестовых режимах        15

1.4 Система команд модема мобильного аппарата и организация формирования управляющих воздействий        15

2 ФОРМИРОВАНИЕ ПОДСИСТЕМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АБОНЕНТСКОГО АППАРАТА И ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА НА ОСНОВЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА PROTEUS        18

2.1 Выбор микроконтроллера        18

2.2 Технические характеристики семейства Mega        19

2.2.1 Общие сведения  о микроконтроллерах AVR семейства Mega        19

2.2.2 Отличительные особенности        19

2.2.3 Характеристики процессора        20

2.2.4 Характеристики подсистемы ввода/вывода        21

2.2.5 Периферийные устройства        21

2.2.6 Архитектура ядра        22

2.2.7 Архитектура микроконтроллеров семейства Mega        23

2.2.7.1 Универсальный синхронно/асинхронный приемо-передатчик (USART)        24

2.2.7.2 Использование модулей USART        25

2.2.8 Цоколевка выводов        26

2.2.9 Прерывания        28

2.2.9.1 Общие сведения        28

2.2.9.2 Таблица векторов прерываний        28

2.2.9.3 Внешние прерывания        29

2.3 Построение формирователя сигналов взаимодействия на основе микроконтроллера в программной среде Proteus.        29

2.3.1 Инструментарий комплекса Proteus и последовательность реализации нового проекта        29

2.3.1.1 Описание программного комплекса Proteus        29

2.3.1.2 Пользовательский интерфейс Proteus и его библиотечная база        31

2.3.1.3 Применение отладочных режимов комплекса Proteus        36

2.3.2 Создание модели формирователя управляющих сигналов в среде Proteus на основе микроконтроллера        36

3 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ УПРАВЛЕНИЯ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА НА ОСНОВЕ ПРИБОРНООРИЕНТИРОВАННОГО АЛГОРИТМИЧЕСКОГО ЯЗЫКА BASCOM-AVR        50

3.1 Описание программы Bascom-AVR        50

3.2 Настройка проекта        52

3.3 Пояснения к программе        56

3.4 Компиляция программы и подготовка файла для программирования микроконтроллера        57

4 ПРОВЕДЕНИЕ НАТУРАЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ В СРЕДЕ PROTEUS        60

4.1  Настройка оборудования        60

4.2.  Проведение испытаний в Proteus        63

5 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ        71

5.1 Наличие опасных и вредных факторов        71

5.1.1 Общая характеристика опасности при работе с ЭВМ        71

5.1.2 Воздействие света на человека        72

5.1.3 Электробезопасность        74

5.1.4 Воздействие электромагнитных полей на человека        76

5.1.5 Воздействие микроклимата на человека        79

5.1.7 Пожарная безопасность        81

5.2 Меры по организации рабочего места        83

ЗАКЛЮЧЕНИЕ        88

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ        89

ПРИЛОЖЕНИЕ А        91

ПРИЛОЖЕНИЕ Б        93

ВВЕДЕНИЕ

Для контроля работоспособности и тестирования мобильных телефонов на сегодняшний день существует множество способов. Делать это на реальном оборудовании исключительно в лабораторных целях слишком дорого, поэтому большее распространение получил способ с использованием виртуальных программ-симуляторов. Наиболее удачным по соотношению функциональных возможностей и цены на сегодняшний день является программный комплекс Proteus с применением виртуального микроконтроллера.

Быстрое развитие микроэлектроники и широкое ее применение в сфере разработки и тестирования мобильных телефонов, является в настоящее время одним из основных приоритетов в телекоммуникациях.

       Использование микроэлектронных средств для работы с мобильными радиотелефонами приводит к повышению технико-экономических показателей изделий (снижению стоимости, повышению надежности, уменьшению потребляемой мощности, уменьшению габаритных размеров устройства) и позволяет многократно сократить сроки разработки изделий, но и придает им принципиально новые потребительские качества.

       В данной сфере бурное развитие получило направление, связанное с выпуском однокристальных микроконтроллеров, которые предназначены для управления мобильными телефонами. Эти устройства базируются на принципах работы, основанных на цифровых микросхемах.

  Однокристальные микроконтроллеры представляют собой приборы, конструктивно выполненные в виде больших интегральных схем (БИС) и включающие в себя все составные части микро-ЭВМ: микропроцессор, память программ и память данных, а также программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой. Использование микроконтроллеров в системах управления и диагностики телефонов обеспечивает достижение высоких показателей эффективности при столь низкой их стоимости. Это и то, что микроконтроллерам пока нет разумной альтернативной элементной базы для построения управляющих и регулирующих систем, в будущем даст микроконтроллерам все большее применение в телекоммуникациях.

В случае построения виртуального устройства на основе микроконтроллера в Proteus, которое будет подавать управляющие сигналы на модем телефона, могут быть получены псевдослучайные последовательности  практически любой структуры и с любыми наперед заданными статистическими свойствами, которые могут еще и меняться в ходе проведения измерений и испытаний по заданной их программе.

Вопросы генерирования и формирования самых разнообразных по форме и структуре сигналов всегда будут в поле зрения связистов. В данном дипломном проекте требуется разработать программно-аппаратную поддержку для реализации режимов работы мобильного телефона стандарта GSM. В данном случае испытуемым телефоном будет Siemens C45, так как эта модель проста, надежна и имеет интуитивно понятный пользовательский интерфейс. В качестве имитационной модели реального устройства предполагается использовать вполне подходящий поставленной задаче микроконтроллер серии AVR семейства Mega фирмы Atmel – ATmega88. Ради интереса эксперимента и для экономии средств, и времени, будет использован виртуальный микроконтроллер, а его работа будет виртуально смоделирована в среде Proteus в форме реальных электрических сигналов взаимодействия сотового телефона и компьютера через последовательный порт последнего.

1 СИСТЕМА СОТОВОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM И ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ АБОНЕНТСКИХ УСТРОЙСТВ

1.1 Общая структура сети GSM

GSM (Groupe Spйcial Mobile) – глобальный цифровой стандарт для мобильной сотовой связи, с разделением частотного канала по принципу TDMA. GSM относится к сетям второго поколения (2 Generation).

Функциональная схемы и интерфейсы, принятые в стандарте GSM, показаны на рисунке 1.1.

Сеть GSM состоит из трёх основных подсистем:

подсистема базовых станций (BSS — Base Station Subsystem), подсистема коммутации (NSS — Network Switching Subsystem), центр технического обслуживания (OMC — Operation and Maintenance Centre).

Рисунок 1.1 – структурная схема и состав оборудования системы GSM

В отдельный подкласс оборудования GSM выделены терминальные устройства — подвижные станции (MS — Mobile Station), также известные как сотовые (мобильные) телефоны. Мобильники стандарта GSM выпускаются для 4 диапазонов частот: 850 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц.

Подсистема базовых станций BSS состоит из базовых станций (BTS — Base Transceiver Station) и их контроллеров (BSC — Base Station Controller). Сигнал от каждой базовой станции распространяется, и покрывает площадь вокруг себя в виде круга, но при пересечении с соседними станциями получаются правильные шестиугольники. Область, которую покрывает сеть GSM, разбита на так называемые «соты» шестиугольной формы. Каждая база имеет именно шесть соседних баз, потому, что в задачи планирования размещения станций входит минимизация зон перекрывания сигнала от каждой из станций. Рассматривая границы покрытия сигнала от каждой из станций уже в зоне перекрытия, как раз получаем — шестиугольники. Диаметр каждой такой шестиугольной ячейки может быть различным — от 400 м до 50 км. Максимально возможный теоретический радиус ячейки составляет около 120 км, что объясняется ограничением возможности системы синхронизации к компенсации времени задержки сигнала. Каждый сот покрывается одной BTS, при этом они частично перекрывают друг друга в определённой области. Благодаря этому сохраняется возможность продолжения обслуживания мобильного телефона при его перемещении из одного сота в другой без разрыва коммутации [1].

Базовая станция (BTS) обеспечивает приёмо-передачу сигнала между телефоном и контроллерами базовых станций. BTS является автономной и строится по модульному принципу. Направленные антенны BTS могут располагаться на любой возвышенности [2, c.233].

Контроллер базовых станций (BSC) управляет соединениями между BTS и подсистемой коммутации. В его полномочиях также заключается управление очерёдностью соединений, скоростью передаваемых данных, распределение выбора радиоканалов, контроль различных радиоизмерений, сбор статистических данных, управление и назначение процедуры Handover.