Исследование излучения GSM-станции сотовой связи в целях его радиолокационного применения

2006

Доклады БГУИР

апрель-июнь

№ 2

УДК 621.396.96

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ 08М-СТАНЦИИ СОТОВОЙ СВЯЗИ В ЦЕЛЯХ ЕГО РАДИОЛОКАЦИОННОГО ПРИМЕНЕНИЯ

ХИШАМ М. АЛЬ-ХЕТКИ, А.А. ФИРСАКОВ, С.А. КУЧКО, С.А. КОВАЛЕВ

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь,

Научно-производственное республиканское унитарное предприятие "АЛЕВКУРП" П. Бровки, 6-331, Минск, 220013, Беларусь

Поступила в редакцию 10 января 2006

Изложена методика и представлены результаты экспериментального исследования характеристик излучения базовой станции сотовой связи стандарта GSM, существенных для его использования в интересах радиолокационного наблюдения: фазово-временная структура, корреляционная функция, функция неопределенности.

Ключевые слова: полуактивная радиолокация, сотовая связь GSM, сигнал подсвета, закон модуляции, корреляционная функция, функция неопределенности.

В последние годы развитие радиолокации связано с разработкой и созданием полуактивных радиолокаторов, осуществляющих радиолокационное наблюдение с использованием подсвета от действующих источников нерадиолокационного назначения [1-3], в том числе базовых станций сотовой связи (БССС) стандарта GSM [4]. В связи с этим практический интерес представляет экспериментальная оценка характеристик сигналов БССС наиболее распространенного стандарта GSM, так как в известных источниках [4, 5] наблюдается несовпадение отдельных данных, а ряд существенных характеристик не описан или не исследовался. К таким характеристикам относятся форма и эффективная ширина энергетического спектра, фазово-временная структура сигнала, а также функция неопределенности:

р(т, F) =

1 со

- J U(t)U*(t - т) exp(—2nFx)dt

где Т — интервал наблюдения; и (V) — комплексный закон модуляции; т, Е — рассогласование по времени т и частоте Е.

Анализ спектральных характеристик выполнялся с использованием спектроанализатора НР 54616С, входом подключенного к направленной логопериодической директорной антенне диапазона 750-1050 МГц с коэффициентом усиления G0 = 14 дБ, вертикальной поляризацией

и выходным сопротивлением 50 Ом.

Из действующих излучений БССС в районе исследований (рис. 1,а) выбрано излучение с рабочей частотой /0 = 946,25 МГц, спектральная плотность которого превосходила уровень фона на 40-45 дБ.

2

ИЛ U:4&54 МЯУ v, 2005

Kef -56.9 dBiri fil ten 0 dB Smpf Log 10

СЙ/

№r 946.18 KHz -5919 dBii

Avg lf

Hfl SE SC FT flfl

f

1 M jiN 1

II I ft J Щ 1 m M

•'("VW W'tf

ca U51:li9 HflV ¿7, ÏÎÎ5

Rer -5&0 cffii» Fltten 0 tffl

Snip! Log

10

dB/

Mb 9d$.I'l№ HH:-$«£5 dBm

H'/y 100 WB SB

:c fc ид

S v

/ / \ 100 к ц

/ \

Ref -58 Lev s: 0 г Îl \ \

/ 4 4 J

i.enler 'j-lfp.25 HHî «des BW 30 kHz

УВЧ ЗИ Wj

а

Span 3M? MHz -Wetp Ш0 flïEC

Г. enter 946250 MHz Res BU 10 I Нг

UEW 19 kHz

Span 1,000 МНг Sweep 30.0 msec

б

50Q

е>

х

fo -f„=35 МГц

ADC

W

F

fH =911,25 МГц

G

Рис. 1. Спектрограммы излучений БССС

Как видно, эффективная ширина спектра (рис. 1,б) соответствует A/0 =200 кГц

в отличие от данных [4, 5].

Функция неопределенности выбранного излучения GSM-станции исследована с использованием Mathcad. С этой целью разработан и создан аппаратно-программный комплекс по приему-преобразованию в цифровую форму — выполнению расчетов. Для преобразования исследуемого сигнала в цифровую форму использовался 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь (ADC) на промежуточной частоте 35 МГц, подключенный к выходу супергетеродинного приемника (рис. 2), в котором применена упомянутая антенна, а в качестве перестраиваемого гетеродина "G" использован синтезатор НМ 8133-2. Для эффективной частотной селекции выбранного сигнала и согласования с динамическим диапазоном ADC использован усилитель с полосовым фильтром при ширине полосы пропускания AfR =0,5-0,8 МГц.

При этом уровень ближайших по частоте сигналов не превышает спектральной плотности шума в полосе пропускания (рис. 3,а), а ширина спектра GSM-сигнала составляет A/0~ 200 кГц (рис. 3,б).

Рис. 2. Блок-схема экспериментального приемника

С01 16:16:10 JUN 10. 2005

Ref 8.0 dBm fit ten 20 dB

Srapl

Log 10

dB/

Mkr 31.988 MHz -1.23 dBm

ftvg 10

rnsB SC FC flfl

<

/ \ 500 к ц

>

1

,. 1 1/ J 4 \

f V V 4

4

Ija 16:18:41 JUN 10. 2005

Ref Щ tnU fltten 10 dB Siilpl Ld

ffrr 35.0000 MH; 1Т22Ъ «U

flvg 50

Wfi SB SC FC Hfl

Center 35.000 MHz  Res BH k'Hz

УВИ 10 kH:

а

I MHz

7

50 кГц

uew 10 kHz

Sweep 50.0 T5ec ,Res gJJ 30 кНг

Рис. 3. Спектр преобразованного по частоте GSM-сигнала

Span 500.0 kHz Sweep 10.0 msec

б

На рис. 4 показана реализация закона фазовой модуляции (ФМ) GSM-сигнала arg F(tn) и рассчитанный ее энергетический спектр при длительности реализации 65,5 мс. Закон ФМ соответствует GMSK-модуляции с длительностю дискрета Тд = 3,69 мкс [6], а эффективная ширина спектра, полученного путем дискретного преобразования Фурье, также подтверждает оценку Д/о«200 кГц.

arg F

3.1+

-1.57

-3.14

0.5

1

щ Iii

1 LlHIlll .....

О 30 60 90 120 1Î0 180 210 2+0 270 I, МКС

а

0.2 0.4

0.6 0.8 1 f МГц б

Рис. 4. Закон ФМ реализации GSM-сигнала

Оценка корреляционной функции выполнена с использованием известного соотношения для ее дискретного аналога на основе быстрого преобразования Фурье "FFT":

N-1 _

/ - I /

1 N-1 _

-(кАт) = N^ Р(тП) exp(jmQkAx) = FFT¡0(тЩ

m=1

N-1

где G(mOi) = £ F(пД) exp(-jmQMx) = FFT[F(tn)] — дискретное преобразование Фурье

n=0

от F(tn)=F(nДt) — от отчетов исследуемого GSM-сигнала; Д — интервал дискретизации по времени; Q.=2п/NДt — по частоте; FFT — обратное дискретное преобразование Фурье.

Корреляционная функция вычисляется при Д^0,5 мкс и Д^1 мкс на малом и большом интервале анализа. Рассчитанные реализации корреляционной функции показаны на рис. 5.

\

\ К

\\ \\

R

TS 10 12 J T^s 0 288.5 5ÎÎ

а б

Рис. 5. Корреляционная функция GSM-сигнала

865.5 T,/is

Как видно из диаграмм, время корреляции закона модуляции составляет (рис. 5,а) т0 ^5 мкс, что согласуется с оценкой ширины спектра Д/0«200 кГц и позволяет обеспечить разрешающую способность по дальности Дг > 750м, с учетом известного соотношения

Дг =

Д/оОС8

где Р — бистатический угол "08М-станция-Цель - РЛС". 08М-сигнал характеризуется некоторой периодически повторяющейся составляющей (рис. 5,6), обусловливающей возможность неоднозначного определения дальности, что вызвано наличием защитного периода (8,25x3,69 мкс) и настроечной кодовой последовательности (26x3,69 мкс) в пределах изучаемого "слота" длительностью 577 мкс.

Функция неопределенности 08М-сигнала рассчитана с использованием Mathcad на основе представления р(т, ДГ) в дискретной форме:

N-1

р(кДт, тДГ) =

^ Г

& )Г *{1п - кДт)]2

где ДГ=0/2л — интервал дискретизации по частоте, и в целях сокращения потребного времени расчетов и объема памяти представлена на рис. 6.

Рис. 6. Функция неопределенности в8М-сигнала

с

2

п=1

"Кнопочная" конфигурация функции неопределенности свидетельствует о возможности одновременной селекции полезного сигнала по дальности и скорости.

Как следует из представленных результатов, излучения 08М-станций сотовой связи вполне пригодны для использования в интересах построения полуактивных РЛС как сигналы подсвета зоны радиолокационного наблюдения. Достижимая при этом разрешающая способность по дальности будет составлять Дг > 750 м с учетом соотношения (3), а по скорости ДУц ~ 2,5 м/с при времени радиолокационного контакта Та0=Т«65 мс. Интервал однозначного определения дальности Дгодн > 86,5 км существенно превышает прогнозируемую дальность действия.

ANALYSIS OF GSM BASE STATION SIGNAL FOR ITS RADAR APPLICATION PURPOSE

HISHAM M. ELHETKI, A.A. FIRSAKOV, SA. KOVALJOV, SA. KUCHKO

Abstract

A method and results of experimental research on GSM base station illumination characteristics (phase-time structure, correlation function and the ambiguity function) are presented. This research was aimed to estimate the possibility of using this radiation as the illumination signal of bistatic semi-active radar.

Литература

1. GriffithsH.D. // Proc. IEEE 2003 Int. Radar conference. Adelaide, Australia, September 2003. P. 1-7.

2. Полуактивная радиолокационная станция. Пат. РБ 6635 от 15.07.2004 по заявке а20010184, приоритет от 27.02.2001.

3. SlezakL., KvasnickaM., PelantM. etal. // Proc. of Int. Workshop on MRRS 2005 Int. Conference, NAU. Kiev, Ukraine, Sept, 2005. P. 283-290.

4. Sun H., Tan D., Lu Y., Liu W. Accepted by Int. Conference of Radar Systems. Toulouse, France, October 2004, 6P-RCMT-141.

5. Griffiths H.D, Baker C.J., Ghaleb H, et al. // Electronics Letters. 2003. Vol. 39, No.13, P. 1005-1007.

6. Ратынский М.В. Основы сотовой связи. М., 2000. 248 с.