Способность радиолинии работать в условиях воздействия организованных помех называется помехозащищенностью.
Помехозащита разделяется на два класса:
1) пространственная помехозащита (за счет низкого уровня боковых лепестков приемной антенны, по которым действует помеха, формирование «нулей» диаграммы направленности приемной антенны в направлении на источник помех);
2) сигнальная помехозащита за счет широкополосных методов модуляции.
Принцип подавления основан на постановке узкополосной помехи приемному каналу GSM-устройства. На сегодняшний день подавителей GSM-устройств большое множество и основное их использование заглушать мобильные телефоны на совещаниях, конференциях, библиотеках, театрах и т.п. Однако это не мешает применять их и для негативных целей. Их применение не останется не замеченным для операторов мобильной связи.
Известны несколько типов устройств, применяемых для глушения спутниковых охранных систем:
1. Широкополосная глушилка. Постоянно излучает мощный шум на всех рабочих частотах GSM. Тем самым GSM-модулю перестает видеть как спутники GPS, передающие текущие координаты автомобиля, так и БС оператора GSM.
2. Перебирающая частоты –-этот тип глушилок работает также как первый тип, отличие в том, что шумоподобная помеха ставится последовательно по всем частотам канала GSM, не позволяя GSM-модулю передавать сигнал. Размером она достаточно компактная и питается от обычных батареек. Действует в радиусе 5-15 метров.
3. «Умная» –- это глушилка, которая выдает себя за базовую станцию оператора GSM. При ее включении, GSM-модуль будет работать без сбоев и считать, что все хорошо. Глушилка требует серьезного источника питания.
На сегодня существует два способа борьбы с глушением:
- определение факта глушения на стороне GSM-модуля. Если модуль видит, что в эфире на рабочих частотах появился сигнал (шум), он пытается успеть произвести оповещение. Но это маловероятно, ведь отправить SMS или голосовое сообщение вряд ли получится, т.к. передатчик уже заглушен.
- определение факта глушения извне. Для этого организуется постоянная проверка связи между GSM-модулем и специально выделенным сервером –контроль канала. Таким образом, на стороне сервера можно гарантированно определить пропажу связи с автомобилем. В случае пропажи GSM-сигнала, сервер оповещает владельца SMS-сообщением, по e-mail, или звонком.
Для снижения глушения сигнала нужно:
- иметь дублирующий канал для обмена важной информацией;
- использовать периодический тест с объекта;
- применение выносных антенн.
3.2. ИССЛЕДОВАНИЕ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ И ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ GSM КАНАЛА
Максимальная скорость передачи данных по одному голосовому каналу GSM (режим CSD) составляет 9600 Кбит/с, а многоканальный режим HSCSD обеспечивает передачу данных на скорости 19 200 Кбит/с и выше
Таблица 3. Перечень услуг и качество работы приложений на различных скоростях передачи
Таблица 4. Характеристики поколений GSM
К недостаткам использования голосового канала GSM можно отнести значительную стоимость пересылки килобайта информации и существенное негативное влияние (на экономические показатели системы) времени организации сеанса связи между модемами при передаче малых объемов данных. Например, время передачи 20 Кбит информации равно примерно 2 с, а время организации сеанса может варьироваться от 2 до 16 с, в зависимости от режима работы модемов.
Максимально возможная скорость обмена данными с помощью технологии GPRS теоретически может достигать 170 Кбит/с.
Рис. 6. Зависимоть пропускной способности от схемы кодирования.
В технологии GPRS была предложена новая структура пакета размером 456 бит (четыре информационных блока по 114 бит), которая обеспечивает общую скорость передачи по каналу 22,8 кбит/с
В целях повышения гибкости передачи и пропускной способности в системе GPRS могут использоваться четыре схемы кодирования данных: от CS1 до CS4. Для управления работой радиолинии в режиме пакетной передачи разработан специальный протокол RLC (Radio Link Control), который обеспечивает ее адаптивную настройку, программную перестройку частоты и управление мощностью. Адаптация радиолинии включает выбор той или иной схемы кодирования (CS1 — CS4) в зависимости от вида передаваемой информации, характеристик радиоканала и уровня помех.
Таким образом, в режиме GPRS каждому абоненту предоставляется от 1 до 8 канальных интервалов. Во время пакетной передачи ресурсы линий связи «вверх» и «вниз» могут выделяться независимо друг от друга, т.е. в системе допускается реализация асимметричного режима передачи. Сегодня при использовании схемы кодирования CS2 скорость передачи данных в GPRS-системе составляет 115,2 (8х14,4) кбит/с, однако теоретически она может быть увеличена до 171,2 (8х21,4) кбит/с — если применить схему кодирования CS4.
Проведенные в октябре 2008 года исследования скорости мобильного соединения показали, что реально средняя скорость составляет входящего соединения 130 Кбит/c, исходящего – 57 кбит/c . Ни один из операторов мобильного Интернета не показал максимально возможную для используемого им стандарта скорость (474 Кбит/c для EDGE у GSM).
Отдельно стоит упомянуть, что скорость передачи значительно возрастает при использовании технологии EDGE.
EDGE (англ. Enhanced Data rates for GSM Evolution) — цифровая технология для мобильной связи, которая функционирует как надстройка над 2G и 2.5G (GPRS)-сетями. Для поддержки EDGE в сети GSM требуются определённые модификации и усовершенствования. На основе EDGE могут работать: ECSD - ускоренный доступ в Интернет по каналу CSD, EHSCSD - по каналу HSCSD, и EGPRS - по каналу GPRS. EDGE был впервые представлен в 2003 году в Северной Америке.
Несмотря на то, что EDGE не требует аппаратных изменений в NSS-части сети GSM, модернизации должна быть подвергнута подсистема базовых станций (BSS). Необходимо установить трансиверы, поддерживающие EDGE (8PSK модуляцию) и обновить программное обеспечение. Также требуются телефоны, обеспечивающие аппаратную и программную поддержку модуляции и кодовых схем, используемых в EDGE.
В настоящее время около шестнадцати отечественных оператора используют технологию EDGE, в том числе и «большая тройка» – МТС, Билайн, Мегафон.
3.3. АНАЛИЗ МОДЕЛИ GSM КАНАЛА ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ТРЕБУЕМОЙ ЗОНЫ ПОКРЫТИЯ
На дальность радиосвязи влияют следующие факторы:
1. Местоположение BS и MS и рельеф местности.
2. Мощность и чувствительность MS.
3. Мощность и чувствительность BS.
4. Используемые на MS и BS антенны.
5. Воля Господа Бога (опытные связисты шутят, что это - главное).
Обычно базовые станции имеют мощность 20 - 30 Вт. Антенны применяются либо штыревые, либо направленные. Чувствительность базовых станций составляет -100 дБ - 115 дБ. Изменить или повлиять на все эти параметры пользователь, конечно, не может. Большинство операторов используют ограничение дальности работы мобильного телефона от базовой станции - 35 км(для GSM-900, для GSM-1800 – порядка 10), что обусловлено особенностями стандарта. Однако в GSM предусмотрена также нестандартная конфигурация соты, при которой дальность связи увеличивается на 70 - 100 км (конфигурация Extended Cell). К сожалению, при такой конфигурации количество разговорных каналов уменьшается до 2 - 3, что уменьшает емкость сети. Использовать такой режим в городе и около оператору не выгодно. Иногда этот режим используется на морском побережье для создания прибрежной зоны покрытия.
Железобетонные строения способны ослаблять сигналы, проходящие через них (при внутреннем покрытии), в 100-1000 раз (то есть на 20-30 дБ). К числу препятствий можно также отнести кузова автомобилей, кроны деревьев и т.д. Влияние могут оказать и атмосферные осадки.
При расчете зоны покрытия применяется модель Хата, так как она рекомендована Международным Консультативным Комитетом по Радиосвязи (МККР) и довольно проста в применении. Эта модель позволяет вычислить потери на радиотрассе для конкретной местности и параметров базовой станции.
Средний уровень потерь на радиотрассе, следуя эмпирической модели Хата, определяется следующим образом:
(дБ).
Где
частота, (МГц);
высота базовой станции, (м);
расстояние между базовой станцией и абонентской станцией, (км);
высота абонентской станции, (м);
коэффициент, учитывающий высоту антенны абонентской станции ( для небольшого или среднего города, для большого города),
коэффициент, учитывающий характер местности ( для сельской местности, для пригорода, для города),
коэффициент, отражающий влияние плотности застройки, (%) – плотность застройки;
коэффициент, учитывающий сферичность Земли (вводится, если 0,2R0 < r ≤ 0,8R0, где R0 – расстояние прямой видимости).
Пример расчета:
Необходимо рассчитать зону покрытия БС стандарта GSM-900 в большом городе с плотностью застройки 35%, исходя из требования обеспечения надлежащего качества сигнала.
МГц;
м;
м.
Решение
для города ().
Средний уровень потерь на радиотрассе:
(дБ);
(дБ).
Теперь, исходя из выходной мощности передатчика P(дБ), запаса по замираниям S(дБ) и требуемого уровня сигнала на входе приемника Q(дБ) (), запишем уравнение для нахождения R – максимального расстояния от БС, на котором достигается требуемое качество связи:
Задавая соответствующие параметры P(дБ), S(дБ) (обычно берется равным 20 дБ), Q(дБ) (для МС берется -110 дБ), можно вычислить расстояние уверенной связи R; на основании этих данных строится зона покрытия БС с точки зрения качества сигнала (без учета нагрузки на соту и возможностей БС по пропускной способности).
Рис. 7. Зависимость уровня сигнала от расстояния между БС и абонентом.
На рисунке выше показан характерный вид функции уровня сигнала в зависимости от расстояния между БС и абонентом. Пересечение этой функции с прямой Q дает значение максимального значения радиуса зоны обслуживания, при котором еще предоставляются услуги требуемого качество. Для стандарта GSM-900 R~3-10 км (в отдельных случаях до 30 км).
Потому и приходится сужать зону покрытия и увеличивать количество БС, исходя из прогнозов абонентской нагрузки на соту.
При расчете абонентской нагрузки и, следовательно, емкости соты часто пользуются моделью Эрланга для систем с отказом (модель Эрланга В). В этом случае вероятность отказа в обслуживании (вероятность поступления вызова в момент занятости всех каналов) вычисляется как:
где А=λT – нагрузка(в данной формуле), n – общее число каналов.
Рассчитаем нагрузку на БС, обслуживающую поселок на 50 коттеджей, оборудованных охранной системой, использующих Voice-канал передачи сообщений.
Рис.8. Вероятность отказа в обслуживании от числа каналов
Нагрузка на БС складывается из системных звонков (раз в 5 минут продолжительность – 5 секунд, т.к. первые 5 секунд бесплатны)и звонков, осуществляемых гражданскими абонентами. Приблизительно такая нагрузка будет равна A=1. Вероятность отказа в обслуживании (вероятность поступления вызова в момент занятости всех каналов) вычисляется как:
Тогда зависимость вероятности отказа от количества каналов будет представлена на рис.8.
3.4. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО УЛУЧШЕНИЮ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМ БЕЗОПАСНОСТИ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ GSM КАНАЛЫ
Охранные системы на основе GSM можно использовать, как для личных целей, так и в комплексных централизованных системах охраны и мониторинга. Очень выгодно, а иногда единственно приемлемо, использование GSM сигнализации на объектах, где затруднена прокладка кабельных и телефонных сетей.
GSM-сигнализация повышает защищенность объекта собственности благодаря следующим факторам:
- факт наличия сигнализации вынудит не опытных преступников отказаться от своих преступных намерений;
- оперативная передача тревожного сообщения на телефон собственника или на ПЦН, а так же срабатывание сирены, приведут, в конечном счете, к прибытию на место группы быстрого реагирования или наряда милиции, что в свою очередь приведет к задержанию преступников.
Первое, и очень важное условие: сигнализация должна быть вандалоустойчивой, т. е. находиться в металлическом боксе, где установлены все элементы, в т. ч. — GSM-терминал, колодки подключения шлейфов, блок питания. Это необходимо для выполнения главных ее функций — передачи тревожного сообщения и включения других устройств.
Второе — прибор должен иметь не менее 4 разъемов для подключения различных датчиков. Желательно, чтобы эти зоны были программируемыми — например, к первому разъему — цепочку датчиков движения, ко второму — цепочку дымных датчиков, к третьему — геркон на входной двери, к четвертому — цепочка датчиков удара. Также не помешает 2 выхода на исполнительные устройства (например, световую и звуковую сигнализацию).
Третье — особое внимание необходимо уделить наличию и качеству встроенного источника питания. Источник бесперебойного питания и батарея должны обеспечивать надежную работу централи и подключенных к ней датчиков при отключении питания в течение как минимум суток. Блок питания должен защищать аккумуляторную батарею от глубокого разряда и выдерживать короткое замыкание выходов питания 12 В.
Четвертое — желательно, чтобы имелась выносная светодиодная индикация, которая позволяет визуально контролировать состояние прибора. Это важно при использовании электронных ключей типа Touch Memory, радиобрелоков и карт для дистанционной постановки и снятия прибора с охраны.
Пятое — хорошо, чтобы система могла в одном сообщении полностью описывать состояние всей системы: тревоги с указанием зоны, состояния системы, описывать, какие реле включены, сколько осталось заряда в батарее, каково состояние телефонной линии (если она есть). Имеются и опциональные параметры — к примеру, в зависимости от своего «интеллекта», системы GSM-охраны могут не только сообщать владельцу о проблемах, но и самостоятельно реагировать на такие раздражители. Злоумышленники могут и блокировать сотовую сеть в округе с помощью банальной сотовой «глушилки», поэтому важно, чтобы в ответ, скажем, на вторжение система не тупо перебирала номера для сообщения столь «радостной» новости, а сразу открывала клетки с собаками-телохранителями, зажигала свет, включала сирену или пускала слезоточивый газ.
Шестое — очень важно, чтобы сигнализация умела контролировать наличие или отсутствие сигнала базовой станции. Практически для всех моделей GSM-сигнализаций применение злоумышленником устройств подавления сигнала или создания помех является неразрешимой проблемой. Система должна подавать сигнал предварительной тревоги владельцу здания при ухудшении качества сигнала от базовой станции. Важно если GSM панель передает сообщения одновременно нескольким пользователями и пультам централизованного наблюдения. Сообщения для ПЦН должны передаваться в шифрованном виде (это повышает надежность охранного комплекса). Сообщения для пользователя должны легко читаться и быть максимально информативными. Хорошо когда в одном сообщении полностью описывается состояние всей системы. Тревога с указанием зоны, состояние централи, какие реле включены, есть ли сеть 220, заряд АКБ, состояние телефонной линии (если она есть).
С точки зрения поддержания стабильной радиосвязи необходимо использование таких элементов как выносные антенны. Существуют три ситуации, в которых стационарные направленные пассивные антенны могут помочь:
- неустойчивая связь на границе зоны покрытия из предельной удаленности от ближайшей базовой станции (БС)
- работа внутри зоны покрытия, но в местах радиотени (складки рельефа, экранировка крупными естественными и искусственными сооружениями)
- связь внутри помещения с высокой степенью ослабления сигнала (подвалы и полуподвалы, металлические сооружения, здания, обшитые металлом и т.д.).
Реальное расширение зоны покрытия за счет применения выносной антенны может быть осуществлено, но весьма в скромных пределах. Причем это увеличение сильно зависит от используемого стандарта.
Достаточно сильный эффект дает использование GSM-репитеров, но из-за высокой стоимости применять их рационально на крупных объектах.
Серьезную проблему составляет перегруженность линий связи в крупные праздники. Решением проблемы является установка объектового прибора с sim-картами двух различных сотовых операторов связи.
Оптимальным для GSМ-сигнализаций является комбинирование различных функций (SMS, Voice). Также эффективно использование GSM как дублирующий или дополнительный канал проводным и иным радиоканальным системам передачи извещения.
С точки зрения пропускной способности канала оправдано использование технологии EDGE. Правда, эта технология (как и 3G) не получила еще повсеместного распространения.
4. ВОПРОСЫ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ СИСТЕМ БЕЗОПАСНОСТИ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ GSM КАНАЛЫ
Базовые станции в городах, как правило, устанавливаются на административных зданиях, гораздо реже — на жилых. Используются производственные и технические сооружения (трубы заводов или ТЭЦ). Здание должно быть достаточно высоким, чтобы обеспечить максимально широкую зону радиопокрытия. Для обеспечения требуемой высоты установки Операторы часто используют специальные мачты, чтобы обеспечить требуемую высоту установки.
В России действует СанПиН 2.2.4.1191—03 Электромагнитные поля в производственных условиях, на рабочих местах. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы, а также гигиенические нормативы ГДР (ПДУ) 5803-91 (ДНАОП 0.03-3.22-91) Предельно допустимые уровни (ПДУ) воздействия электромагнитных полей (ЭМП) диапазона частот 10—60 кГц Промышленное электроснабжение 50 Гц.
Уровень поверхностной плотности потока мощности в диапазоне частот, в котором работает оборудование сотовых операторов, проверяется специальной аппаратурой: и во многих случаях излучение от БС не фиксируется приборами вообще, так как оно ниже принятых во всем мире стандартов (10 микроватт на кв.см — такова допустимая норма электромагнитного излучения). Следят за этим органы государственного санитарного надзора — именно они выдают соответствующие разрешения.
Даже в самой «опасной» зоне —при нахождении с базовой станцией примерно на одном уровне горизонтально — опасная зона составляет не более 30 метров. Излучение имеет свойство угасать пропорционально квадрату расстояния (если расстояние от источника излучения увеличилось в 2 раза, излучение ослабилось в 4 раза и т.д.). Таким образом, несколько десятков метров удаления от базовой станции — это практически 100-процентная гарантия отсутствия какого-либо излучения, способного влиять на здоровье.
В современных аппаратах мощность излучения может автоматически варьироваться в зависимости от удаленности от передающей станции и прочих условий приема в пределах от 0,2 Ватта до 2 Ватт, т.е. в десять раз. Поскольку организм человека управляется электрическими импульсами слабой мощности, то источник электромагнитного излучения мощностью до 2 Ватт не может не оказывать патогенного воздействия, на нервную систему человека. Мощность однократного воздействия не столь опасна, как его продолжительность, что является еще одной причиной использования выносных антенн.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе я рассмотрел тенденции развития GSM-систем охраны, основные технические характеристики сотовых сетей применительно к системам охраны. Мною били сделаны технически обоснованные выводы о том, что GSM-системы в настоящее время являются наиболее оптимальными среди других радиоканальных систем для использования. С развитием систем передачи информации по сотовым сетям преимуществ станет больше, и охранные GSM-комплексы выйдут на новый уровень качества, надежности и доступности для пользователей. Я сделал вывод, что крайне эффективным является использование GSM-канала в сочетании с другими каналами передачи извещений (что на данный момент реализуется повсеместно). GSM-системы имеют ряд неоспоримых преимуществ:
- возможность использования сервисов оператора сотовой связи для предоставления услуг охраны;
- простоту и удобство применения;
- доступность сотовой связи подавляющему большинству граждан;
- отсутствие необходимости приобретать ретрансляторы для работы системы.
Уже сейчас использование сетей третьего поколения открывает множество дополнительных возможностей, значительно повышая функциональность GSM-систем охраны.
Мною был проведен анализ основных функций GSM-сетей, их использование в системах охраны. Было проведено исследование скорости передачи данных и пропускной способности GSM канала.
Я рассчитал среднюю зону покрытия базовой станции GSM-900 и рассчитал нагрузку на соту, на основании чего сделал вывод о достаточно высокой надежности для охраны дачного поселка.
В своей работе я рассмотрел механизм построения GSM-канала, его основные технические характеристики. До сих пор одним из основных недостатков GSM-канала является его слабая помехозащищенность (вместе с доступностью устройств для глушения сигнала), что делает неэффективным его одиночное применение.
На основании дипломной работы я сформулировал ряд рекомендаций по улучшению технических характеристик систем безопасности, использующих GSM-каналы. На их основании я пришел к логическим выводам о возможных путях развития беспроводных систем охраны.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей: учебник для вузов / В.В. Крухмалёв, Н.В. Гордиенко, А.Д. Моченов и др.; под. ред. В.Н. Гордиенко и В.В. Крухмалёва.— М.: Горячая линия — Телеком, 2004.— 510 с.: ил.
2. Анин, Б.Ю. Защита компьютерной информации / Б.Ю. Анин.— СПб.: BHV — Санкт-Петербург, 2000.
3. Карташевский, В.Г. Сети подвижной связи / В.Г. Карташевский, С.Н. Семенов, Т.В. Фирстова.— М.: Эко-Трендз, 2001.
4. Системы мобильной связи: учебное пособие для вузов / В.П. Ипатов, В.К. Орлов, И.М. Самойлов, В.Н. Смирнов; под ред. В.П. Ипатова.— М.: Горячая линия — Телеком, 2003.— 272 с., ил.
5. Кирилов, В.И. Многоканальные системы передачи: учебник / В.И. Кирилов.— 2-е изд.— М.: Новое знание, 2003.— 751 с.: ил.
6. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн: учебник для вузов / Г.А. Ерохин, О.В. Чернышов, Н.Д. Козырев, В.Г. Кочержевский; под. ред. Г.А. Ерохина.— 2-е изд., испр.— М.: Горячая линия — Телеком, 2004.— 491 с.: ил.
7. Ксенофонтов, С.Н. Направляющие системы электросвязи: учебное пособие для вузов / С.Н. Ксенофонтов, Э.Л. Портнов.— М.: Горячая линия — Телеком, 2004, — 268 с.: ил.
8. Тепляков, И.М. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей: учебное пособие / И.М. Тепляков.— М.: Радио и связь, 2004.— 328 с.: ил.
9. Адрианов, В.И. Сотовые, пейджинговые и спутниковые средства связи / В.И. Адрианов, А.В. Соколов.— СПб.: BHV — Санкт-Петербург; Арлит, 2001.
10. Громаков, Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи / Ю.А. Громаков.— М.: Эко-Трендз, 1998.
11. Урядников Ф.Ю. Сверхширокополосная связь. Теория и применение / Ф.Ю. Урядников, С.С. Аджемов.— М.: СОЛОН-Пресс, 2005.— 368 с.— (Серия «Библиотека студента»)
12. Адрианов, В.И. Средства мобильной связи / В.И. Адрианов, А.В. Соколов.— СПб.: BHV — Санкт-Петербург, 1998.
13. Ратынский, М.В. Основы сотовой связи / М.В. Ратынский.— М.: Радио и связь, 1998.
14. Федеральный закон Российской Федерации от 7.07.2003 г. "О связи".
15. Билинкис В.Д. Методы оценки технического уровня и конкурентоспособности продукции: Учебное пособие – Воронеж: ВГТУ, - 2002. – 118 с.
16. . Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики: Учеб. пособие Волков Л.Н., Немировский М.С., Шинаков Ю.С. (2009 г.)
17. Красс М.С. Математика для экономических специальностей: Учебник. – 4 – е изд., испр. – М.: Дело, 2003. – 704 с.
18. Системы и сети передачи информации: Учеб. пособие для вузов / М.В. Гаранин, В.И. Журавлев, С.В. Кунегин. – М.: Радио и связь, 2001. – 336 с.
19. #"#">#"#">#"#">#"#">#"#">#"#">#"#">#"#">http://www.edgemodem.ru/
