Mobiele communicatie : KIVI leergang, 6 en 7 april 1983,EindhovenCitation for published version (APA):Technische Hogeschool Eindhoven (THE). Afd. Elektrotechniek (1983). Mobiele communicatie : KIVI leergang, 6en 7 april 1983, Eindhoven. S.l.: Koninklijk Instituut van Ingenieurs.
Document status and date:Gepubliceerd: 01/01/1983
Document Version:Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record
Please check the document version of this publication:
• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can beimportant differences between the submitted version and the official published version of record. Peopleinterested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit theDOI to the publisher's website.• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and pagenumbers.Link to publication
General rightsCopyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright ownersand it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights.
• Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain • You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.
If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, pleasefollow below link for the End User Agreement:
www.tue.nl/taverne
Take down policyIf you believe that this document breaches copyright please contact us at:
providing details and we will investigate your claim.
Download date: 11. Feb. 2020
.,-!' --~ .. j .-... . -- . . . ~
K.lY.I. Leergang T.H.E
mobiele communicatiE
6-7 april 1983 Eindhoven
LEERGANG
BIBtlOTHEEK
8 401564 ~"-'--------I
~----.---------------
MOBIELE COMMUNICATIE
6 EN '1 APRIL 1983
georganiseerd door :
- Afdeling voor Electrotechniek van het Koninklijk Instituut van
Ingenieurs
- Afdeling der Elektrotechniek van
de Technische Hogeschool Eindhoven
- Sectie voor Telecommunicatietech
niek van het Koninklijk Instituut
van Ingenieurs
- 5 -
1.1. lnleiding
Prof.dr. J.C. Arnbak.
1.2. Gebruik van het mobiele radiokanaal
lr. S.H.L. Herman.
1.3. Efficiente kanaaltoewijzing in land-mobiele communicatiediensten voor besloten gebruik
lng. M. van Beveren.
2.1. Digital use of the mobile channel
P. Mabey.
2.2. Spraakcoderinp, voor het mobiele radiokanaal
R.J. Sluyter.
2.3. Nieuwe modulatievormen voor het mobiele radiokanaal
lr. D. Muilwijk.
3.1. Eisen voar mobiele communicatie in het treinverkeer. (Telerail)
lr. H.D. Baron van Heemstra.
3.2. Eisen voor radiocommunicatie op Schiphol
lng. J. Scheltus.
3.3. Eisen voor mobiele politieverbindingen
lr. M.C. Alberti.
4.1. Maritiem satellietverkeer
lr. F. Rusting.
INHOUD
7
16
27
43
52
61
79
87
100
109
4.2. The Nordic Mobile Telephone-system (NMT) 113
O. Billstrom.
-/-
4.3. Design and Lay-out of Mobile Station for NMT
Dipl.ing. F. Becker
4.4. Ret derde generatie-autotelefoonsysteem van PTTj een Europees systeem? Ir. L.R.A.M. Melis.
4.5. Market opportunities and challenges for public mobile telephone services in Europe
Malcolm H. Ross.
134
145
- 7 -
ONTWIKKELINGEN IN DE MOBIELE COMMUNICATIE
Prof.dr. J. Arnbak, Technische Hogeschool
Eindhoven
1.1
De auteur is voorzitter van de vakgroep Telecommunicat~e van de THE en
vertegenwoordigde deze ins telling in de voorbereidingscommissie van de
KlvI-leergang 1983.
I. DE ONGEBONDEN COMMUNICATIE
For all that moveth
doth in Change delight
The Fairie Queen (1596)
In ieder menselijk bestel staat het begrip communicatievrijheid centraal.
Beperkingen in de mogelijkheden om informatie vrijelijk uit te wisselen
dagen ons uit, ongeacht of er nu sprake is van bestuurlijk opgelegde
regelingen of van technische en econornische tekortkomingen. Ook het be
naderen -of zelfs mogelijk oVerschrijden- van fundamenteel geachte
limieten van signaaltransport, zoals de lichtsnelheid en Shannon's
grenzen, blijft een bron van voortdurend intellectueel genot en stoute
fantasieen.
- 8 -
Vanuit het oogpunt van communicatievrijheid kan de telecommunicatie,
of we 1 het op afstand verkrijgen of beschikbaar stellen van informatie
door elektromagnetische ~iddelen, ingedeeld worden in vier algemene
verkeerspatronen [1]. Deze zijn:
(i) conversatie, waarin eigen informatiebestanden uitgewisseld kunnen
worden door aIle in beginsel gelijkgestelde partijen; onderwerp
en tijdbestek kunnen vrijelijk door deze gekozen worden.
Voorbeelden: telefonie, teletex-briefwisselingen.
(ii) consuZtatie, waarin informatiebestanden berustend bij een autoriteit
geraadpleegd kunnen worden door individuele partijen op door hen
gekozen tijdstippen.
Voorbeelden: viewdata (Viditel), kiestelevisie.
(iii) registratie, waarin een autoriteit het onderwerp en (veelal) tijd
bestek bepaalt van het centraal afnemen van informatie van indivi
duele partijen.
Voorbeelden: telemetrie, electronische (opinie)peiling.
(iv) aZ~ocutie [1], waarin zowel het informatiebestand, alsook het
onderwerp en tijdsbestek van uitzending hieruit, door een centrale
autoriteit bepaald wordt.
Voorbeeld: omroep.
Opgemerkt kan worden, dat deze volgorde grofweg een toenemende tijd
discipline van de gebruikers aangeeft, en toenemende beperkingen in hun
zelfstandige keuze van communicatie-onderwerp.
Deze beperkingen in communicatievrijheid maken echter weI de betreffende
verkeerspatronen inherent zuiniger in het gebruik van communi cat ie
capaciteit en -faciliteiten. Zo kunnen veeleisende presentatievonnen
veel eerder sterk gebonden Callocutief) aangeboden worden dan in vrije
onderlinge conversatie: men vergelijke de huidige mogelijkheden van
TV-omroep met die van beeldtelefonie en videoconferencing! Anders gezegd
- een netwerk voor het breedbandige eenrichtingsverkeer in kabelomroep
is doorgaans veel goedkoper dan de smalbandige, maar flexibel geschakelde
infrastructuur voor telefoon- en dataverkeer.
Zoals genoegzaam bekend dagen deze en andere beperkingen thans de pro
vinciale en nationale politiek uit tot veel discussies over de regeling
- 9 -
en economie van de elektronische media. Internationaal is in het wereld
communicatiejaar 1983 de infrastructurele beperking in, en met name de
ongelijke verdeling van, communicatievrijheid aan de orde gesteld.
Ook het onderwerp van de KIvI-leergang 1983 is ten nauwste verbonden met
het streven naar meer cammunicatievrijheid. Immers, de mobiele aommuni
aatie wil de plaatsgeoondenheid van de gebruiker van de klassieke tele
communicatie-infrastructuren opheffen. Echter, net zoals het verzachten
van de tijddiscinline en de verruiming van de keuzemogelijkheden tussen
informatiebestanden heeft ook dit vrijheidsstreven een hoge prijs. Deze
wordt o.a. bepaald door de "etherschaarste", die soberheid in presentatie
vorm en efficiente regelingen van het (mede)gebruik van radiofrekwenties.
noodzakelijk maakt.
De huidige vrijheid om mobiele telecommunicatie te plegen is daarom
betrekkelijk. De meest exclusieve gebruikers komen in aanmerking voor
de minst zuinige verkeerspatronen, in eerate instantie ten behoeve van
de algemene maatschappelijke orde of nationale veiligheid. Deze gebruikers
zijn doorgaans verenigd in gesZoten netten (bijv. voor politie, verkeers
leiding te land, ter zee of in de lucht,< brandweer of defensie), waarin
min of meer voI1edige conversatiepatronen roogelijk zijn. Meestal kwamen
vergelijkbare patronen pas veel later beschikbaar voor de aigemene (d.i.
betalende!) gebruiker van openbare netten, of is aIleen een sobere
presentatievorm zoals semafonie beschikbaar voor het publiek.
2. VERANTWOORDING VOOR DE LEERGANG: NIEtrWE ONTWIKKELINGEN
Thans zijn ontwikkelingen gaande, die de mobiele communicatie in een
stroomversnelling hebben gebracht. Overeenkomstig ons renaissance-rootto
ontleend aan Edmund Spenser mag de mobiele gebruiker zich verheugen op
veranderingen; deze zullen ten goede komen aan zijn communicatievrijheid.
De voorspelbare veranderingen vloeien voornamelijk voort uit:
• nieuwe technologische mogelijkheden voor digitale signaalbehandeling
en voor meer efficiente radiotransmissie, ook via satelliet.
• een groeiend besef van de betekenis van (inter-}nationaie systeem
organisatie, netintegratie, en standardisatie op dit gebied.
• versoberde mobiele gebruikersbehoeften ontstaan door verschuivingen
- 10 -
van spraakcammunicatie (tussen personen) naar datacommunicatie (tuBsen
processoren en terminals}.
• zeer gunstige marktverwachtingen voor de betrokken telecommunicati~
leveranciers (PTT's en industrieen).
Het zijn zulke ontwikkelingen, die -binnen de erg ~auwe grenzen van een
leergang van twee dagen- aan de orde zullen komen. Daarbij kamt dat al
25 jaar lang op het vakgebied radiocommunicatie verreweg de meeste aan
daeht uitging naar de spectaeulaire vorderingen van de satellietcommuni
eatie, die inmiddels zulke rijpe wetensehappelijke en -helaas grotendeels
buiten Nederland geplukte- industriele vruchten heeft afgeworpen. In daze
omstandigheden leek het de organisatoren juist am nu te wijzen op een
ander gebied van de radiocommunicatie, waarop meer speur- en ontwikke
lingswerk, heehtere samenwerking tussen overheden en industrieen, en
het slagvaardiger inspelen door gebruikers, tot vergelijkbare vorderingen
in de communicatievrijheid kunnen leiden in de komende 25 jaren. Dat de
pers -op enkele uitzonderingen na [2]- nog nauwelijks aandaeht besteedt
aan de mobiele communicatie in vergelijking met de ruimtecommunicatie
(om nu maar eens niet de omroepjournalistiek aan te halen!), staat naar
ons oordeel niet in verhouding tot de toekomstige maatschappelijke en
commerciele belangen op beide gebieden.
3. KEUZE EN PLAATSING VAN LEZINGEN
3.1. Spektrumgebruik
Mobiele eommunieatie behelst altijd radiotransmissie; belangrijk is
daarom de ordening van het frekwentiegebruik ter voorkoming van onder
linge storing tussen gebruikers van mobiele diensten. en tussen deze
en andere radiodiensten (met name het politieke troetelkind TV-omroep
in naburige banden!). Deze ordening wordt toegelieht in Lezing 1.2
door de heer Herman (Radiocontroledienst, PTT). Duidelijk wordt dat
spectrumbenutting thans een sterk begrenzende factor voor.mobiele
diensten is.
Beter rendement van beperkte communicatiefaciliteiten werd reeds bij
de eeuwwisseling door A. Erlang in verb and gebracht met een geordende
systeemvergroting, die collectieve toewijzing van transmissiecapaci
teit aan individuele gebruikers koppelt met hun acceptatie van een
- II -
zekere kans op wachttijd of stagnatie. In laat de heer van
Beveren (Centrale Directie, PTT) de gunstige konsekwenties hiervan zien
voor de a1 eerder genoemde gesloten mobiele netten. De voordelen van
geautomatiseerde toewijzingstechnieken en integratie van uiteenlopende
besloten gebruikersgroepen in gemeenschappelijke infrastructuren, de
openbare mobiele netten inhegrepen, komen duidelijk naar voren. (Des
gewenst kan exclusiviteit verzekerd blijven door andere maatregelen te
nemen zoals versleuteling, hogere prioriteit in de toewijzingsprocedure,
enz.).
Een universele maat van de spectrumbenutting, die deze rendementsover
wegingen combineert met o.a. de gekozen rnodulatietechniek en de grootte
van het verzorgingsgebied, wordt voor landmobiele diensten aangedragen
in Lezing 2.3 (eerste deel) door de heer Muilwijk (Philips Telecommuni
catie Industrie). Ren schijnbaar paradoxaal voordeel van bandbreedte
vergroting [3] en van opsplitsing in kleine verzorgingscellen, bijv. in
honingraatstructuren zoals op het vignet van dit boek, wordt aangetoond.
Systeemoverwegingen inzake de juiste vorm en grootte van de cellen
zijn overigens ook aan de erda bij spoorwegverbindingen (Lezing 3.1).
3.2. Digitale technieken
Digitale technieken zijn dikwijls aantrekkelijk in de moderne telecom
municatie. vanwege de vaak gemakkeIijker digitale signaalbehandeling en
multiplexing, de VLSI-produktiemogelijkheden en het toenemende data
verkeer. Bij mobiele verbindingen ontstaan dan echter bijzondere pro
blemen op grond van de invloed van de eigenaardige propagatieverschijn
selen in het IDobiele radiokanaal. Deze invloeden worden in kaart ge
bracht in Lezing 2.1 (P. Mabey, Philips Research Laboratories, UK),
waarin ook voorbeelden van robuste kanaalcodering en dataformaten te
vinden zijn.
Lezing 2.2 door de heer Sluyter (Philips Natuurkundig Laboratorium)
behandelt een netelig probleem van broncodering t.b.v. het mobiele
(digitale) radiokanaal. Bevredigende subjectieve spraakbeleving staat
op gespannen voet met de objectieve maten van zuinige spectrumbenutring,
hoge bitfoutenkans en lage complexiteit, die meestal een mobiele ver
binding kenmerken. Een zorgvuldige afweging van presentatievorm Ieidt
tot een bybride codering met de standaardsnelbeid·9.6 kbit/s. Hiervoor
- 12 -
en voor 16 kbit/s deltamodulatie geschikte nieuwe digitale modulatie
vormen t. b. v. mobiele kanalen worden aan de orde gesteld in (hf't tweede
gedeelte van) Lezing 2.3 door de heer Muilwijk.
3.3. Systeemontwerp van mobiele diensten
Het systernatisch formuleren en analyseren van operationele gebruikers-
eisen lijken een verzuimd gebied in de communicatie- en autornatiseringswereld,
waar veelal (te) snel wordt gezocht naar functionele technische oplossingen
van (nog) niet heldere problemen en opdrachten. Een goede indruk
van de grote verscheidenheid van toepassingen van landmobiele radio
connuunicatie voor besloten gebruik bij de Nederlandse Spoorwegen, op de
Luchthaven Schiphol, en bij de Nederlandse politiecorpsen wordt ver-
kregen ui t de drie ______ =="-'--'--'-.....;;......;...--".:.;........;..-"- van resp. de heren van
Heemstra, Scheltus, en Alberti. Hun uiteenlopende eisen illustreren
nog eens duidelijk, dat standaardpakketten in de informatie- en communi
catietechniek lang niet altijd de oplossing kunnen bieden.
Des te indrukwekkender is de vol1edige integratie van het (civiele)
maritieme mobiele satellietverkeer in het internationale INMARSAT
systeem, beschreven door de heer Rusting (Directoraat Radiozaken, PTT)
in Lezing 4.1. De mobiele verbindingen worden van het grondstation door
verbonden in het openbare (vaste) telefoon- of telexuet. Hieruit blijken
opnieuw de voordelen van de inbedding van de unieke connectiviteit van
satellietsystemen in ruimere infrastructuren: Wellicht is dit een reden
van de onverwacht sterke verkeerstoename in het INMARSAT-systeem, waarin
als het ware ook iedere telefoon- of telexabonnee aan de wal een po
tentiele medegebruiker is.
Zeker is, dat automatische PTT-doorverbinding en de hechte samenwerking
tussen de vier Noordse PTT's en belangstellende industrieen hebben
geleid tot de overstelpende verkeersgroei in het geheel automatische,
openbare Nord ic Mobile Telephone (NlIT) systeem sinds de opening in 1981.
Dit landmobiele systeem, waarin de mobiele gebruikers zich vrijelijk in
aIle vier landen roogen bm<'egen en automatisch gevolgd en getarifeerd
worden van eel tot cel, wordt beschreven door de heer BillstrOm
(Ericsson Radio Systems, Stockholm) in Lezing_~. Een ergonomisch
ontwerp van de intelligente gebruikersterrninal voor dit systeem wordt
toegelicht door de heer Becker (Siemens, Munchen), die in ~~~L-~~
- 13 -
de grote industriele betekenis van duidelijke produktdefinitie benadrukt.
In het geval van de NMT-gebruikersterminal leidde dit tot een uitzonder
lijk kort ontwikkel- en ontwerpproces van twee jaar! Ret is evident,
dat het zo slagvsardig inspelen met een gebruikersvriendelijk produkt
op een zeer snel groeiende markt van grote bedrijfseconomische betekenis
is.
3.4. Verkenningvan toekomsti~ediensten'en'markten
Toekomstverkenningen van de openbare mobiele te1efonie zijn aan de erda
in de laatste twee lezingen. De heer Melis (Centrale Directie, PTT)
schetst in Lezing 4.4 de verdere ontwikkeling in Nederland op het gebied
van autotelefonie. Een binnenkort te introduceren, automatische dienst
in de 450-MHz band conform het NMT-systeem za1, ondanks zuiver binnen
lands gebruik, a1 ontoereikend zijn in de negentiger jaren. Dan zal een
900-MHz systeem noodzakelijk worden. Dit is wellicht de eerste (en ook
de laatste?) mogelijkheid om tot een gemeenschappelijk gestandardiseerd
(en geexploiteerd1) landmobiele dienst in Europees CEPT-verband te
komen. In Lezing 4.5 geeft de heer Ross (Arthur D. Little, Wiesbaden)
zijn visie op deze ontwikkelingen vanuit een marketing-benadering, die
mede stoelt op een recent onderzoek van de industriele mogelijkheden in
Europa op het veelbelovende gebied van de mobiele communicatie.
4. LACU~~S IN DE LEERGANG
Er zijn degenen die een bijeenkomst voornamelijk beoordelen op basis van
ontbrekende agendapunten. Deze leergang moet in het gebruikelijke tijds
bestek van twee dagen een indruk geven van de ontwikkeling en betekenis
van de mobiele communicatie. Wij zijn daaroID verantwoording schuldig
aan deelnemers met bijzondere belangstellingen, zoals
• de gesohiedenis van de mobiele communicatie: Juist in een renaissance
tijd, 20 stelt de historicus, moet je terug naar het rijke klassieke
gebeuren. Wij ontkennen dat niet, temeer omdat enkele lezingen
historische ontwikkelingen schetsen, en verwijzen overigens naar de
studeerkamer en de geschiedschrijving van de radiotelegrafie en
radiotelefonie 14) .
• de onthlikkeUngen in de V. S.: Om dez<, technologische kop loper kun j e
niet heen, 20 stelt de americophil. Indprdaad zijn daarginds de meest
- 14 -
indrukwekkende nieuwe techniek~n en ook tal van uireenlopende net
Werkel) beschikbaar voor "private mobile service,," I5J. Ook een gemeen
schappelijke organisatorische ordening als "small-cell" systemen werd
oorsprookelijk geanalyseerd en uitgeprobe"rd door Bell Laboratories
[6]. Eehter, zoals Bell (ATT) onlangs moent ervaren, staan groot
schalige organisatorische oplossingen op tamelijk ~espannen voer met
de in de V.S. heersende opvattingen van een zelfregulerende vrije
markt. Of de V.S. in staat zu11en zijn om een landelijk mobiel net
werk te realiseren zoals de NMT, a1 dan niet met bebulp van satel1 ieten
17], is voor hen meer een politick dan een tecbnisch probleem.
• de militaipe mobiele cOnmPAnicatie: Campagnes van de krijgsmacht zijn
ondenkbaar zonder flexibele mobiele communicatienetwerken, zo stelt
de defensiedeskundige, verwijzend naar bijv. de Falklandooriog. De
eerder genoemde verkeerspatronen "registratie" en "consultatie" zijn
in de militaire vakliteratuur ruimschoots behandeld onder de namen
"connnand, control, communications and intelligence" (C3I), ook voor
de mobiele gebruikers .
• versLeuteling: het "open" karakter van de radiotransmissie maakt de
mobiele communicatie veeI kwetsbaarder dan gewone (draadgebonden)
netwerken voor afluistering. Dit probleem is behandeld door de auteur
in een recent overzichtsartikel [8] .
• de hletensahappelijke aktiviteiten van de gastinsteZZing op dit maat
schaopelijk belangrijke gebied: De THE moet in deze tijden van
bezuiniging vootnamelijk afstudeerders en gastonderzoekers inzetten
op dit nieuwe gebied. Resultaten m.b.t. mobiele communicatie worden
weI gepubliceerd [9, 10, 11]. Ook bop en wij dat onze colleges -en
deze leergang- bijdragen zullen blijven leveren tot de inzichten in
nieuwe techniscbe mogelijkheden en systeemoplossingen op het gehele
vakgebied telecommunicatie, inclusief de veelbe10vende mobiele com
municatie.
- 15 -
5. REFERENTIES
1. J.L. Bordewijk en B. v. Kaam: "Allocutie", Bosch en Keuning, Baarn,
1982.
2. Financial Times, I Nov. 1982, (met speciale bijlage: "Mobile
Communications") •
3. J.P. Costas: "Poisson, Shannon and the Radio Amateur", Proc. IRE,
Vol. 41, pp. 205S-2068, Dec. 1959.
4. Diverse redacteuren: "100 jaar telefonie", Staatsbedrijf der PTT,
's-Gravenhage, 1981.
5. US Federal Communications Commission: Notice of Inquiry, adopted
Jan. 13, 1982. FCC, Washington DC.
6. W.C. Jakes (ed): "Microwave Mobile Communications", John Wiley &
Sons, New York, 1974.
7. G.B. Knouse (chairman): "The Emerging Need for a Land Mobile
Satellite Terrestrial System", Session 30 (6 papers), Proc. National
Telecommunications Conference (NrC '79), Vol. 2, Washington, DC,
Nov. 27-29, 1979.
8. J. Arnbalt: "Protection of Radio and Satellite Communications",
Tijdschrift van het Nederlands Elektronica- en Radiogenootschap,
deel 47, 1982, pp. 155-163.
9. A.T. Alper and J.C. Arnbak: "Capacity Allocation and Reservation in
Common-User Satellite Communications ·Systems with a Reconfigurable
Multiple-Beam Antenna and a Nonlinear Repeater", IEEE Trans. on
Communications, Vol; CaM-28 , pp. 1681-1692, Sept. 1980.
10. F. Kuperus and J. Arnbak: "Packet Radio in a Rayleigh Channel",
Electronics Letters, pp. 506-507, 10th June 1982.
11. J. Fronczak: "Data Communications in the Mobile Radio Channel",
EUT-Report (to be published), TH Eindhoven, 1983.
- 16 -
1.2
GEBRUIK VAN HE'r MOBIELE RADIOKANAAL
Ir. S.H.L. Herman Hoofd van de Radiocontro1edienst
De Radiocontroledienst 15 de instantie in Nederland belast met:
- de ordening van het frequentlegebruik;
- het treffen van maatregelen ter voorkomlng van radiofrequente sto-
ring;
- het bevorderen van immuniteit.
1.
Ret gebruik en de indeling van het frequentiespectrum is mondiaal
geregeld in de Radio Regulations van de I.T.U.
In deze Radio Regulations is o.a. oak de z.g. Frequentietabel op-
genomen.
Deze tabel geeft de indeling van het frequentiespectrum (9 kHz -
400 GHz) weer.
Deze indeling gaat uit van de diverse radiodiensten, waarvan de
mobiele radiodiensten deel uit maken.
De Mobiele Radio Service is onderverdeeld in drie specifieke dien
sten: de maritiem-mobiele radiodienst, de aeronautisch~mobiele
radiodienst en de land-mobiele radiodienst.[1]
De frequentiebanden voor de landmobiele radiodienst zijn hoofdza
kelijk ondergebracht in het VHF en UHF gebied.
Totaal is in dit gebied ongeveer 100 NHz beschikbaar, verdeeld
over de 40, 80, 150, 450 en 900 MHz-band.
Naarmate het landmobiele radioverkeer in de jaren na de tweede
RRS-60
Region J
75.2 - B7.S
FIXED
MOBILE except aeronautical mobil ..
'6S-~m 572 575 578
~ 17 ~
MHz 75.2 - 88
Allocation to Services.
Region 2
7S.2 -75.4
FIXED
MOBILE
571 572
75.4 -1~
FIXED
MOBILE
76-83
BROADCASTING
Fixed
Mobile
576
Region J
I 75.4 - B7
FLXED
MOBILE
I I jon", m 579
,
Fig. 1 Fragment uit de Frequentietabel
wereldoorlog een sterkere groei ging vertonen, zagen de "Regu
lators" zion genoodzaakt !TIeer systematiek in het frequentie-toe
wijzingsbeleid te brengen, teneinde aan de toenemende vraag naar
communicatiekana1en het hoofd te kunnen bieden.
In internationaa1 verband is, !TIet name in het CCrR en de CE?T,
veel studie verricht op dit gebied met als resultaat een reeks
geharmoniseerde modellen welke als uitgangspunt kunnen dienen
voor een verdere, nationale, invulling.
Nederland wordt in het Westen en in het Noorden begreusd door
zee en in het Oosten en Zuiden door resp. Duitsland en 3elgie.
Deze situatie geeft direct a1 een aantal consequenties en re
stricties La.v. de toe te passen frequentieplanning. [2J
- 18 -
2. SITUATIE HEDEN
Nationale situatie
Het huidige machtigingen- en frequentie-uitgiftebeleid is geba
seerd op "Het frequentieplan civiele landmobiele diensten (1973)" waarvoor m.n. de navolgende uitgangspunten zijn gekozen:
2"1. Huidige modulatievormen
Voor de civiele mobiele communicatie zijn een beperkt aam;al
modulatiemethoden tot dusver gebruikelijk; AM, FM en SSB elk
met hun verschillende eigenschappen.
Europees wordt op dit moment de FM het meest toegepast met een
freq'~entiebeslag van 14 en 16 kHz. De zenders worden dan ge-
plaatst een ter van 20 respectievelijk 25 kHz.
Een minder opvallend verschil, vaortvloeiend uit de diverse modu
latiemethoden, maar niet minder belangrijk is de mate waarin een
ontvanger een gewenst signaal zander antaelaatbare storing kan
ontvangen in de aanwezigheid van een ongewenst signaal, met name
op de ontvangfrequentie.
Het onderscheid in amplitude, tussen een+ge~enst signaal en een
ongewenst signaal, dat een ontvanger nodig heeft om een accept
tabel gedetecteerd signaal te kunnen produoeren, :lient in de be
schouwing ts worden betrokken.
Deze protectieverhouding nu, is tevens afhankelijk van de toege
paste modulatiemethode.
Hieruit blij~t meteen dat de meest optimale modula:iemethode
niet zonder meer wordt gegeven door de methode met het gering
ste frequentiebeslag.
Het optimum moet gezocht worden een afweging tussen de hoeveel-
heid beschikbare !canal en en de ,Ii jze waarep de frequen ties her
haalbaar zijn.
2.2.
Deze is gebaseerd op de Brusse~overeenkomst 1963.
Een groot deel van het beschikbare spectrum is ilerdeeld in zgn.
frequentieblokken van ieder 37 kanalen. Voorts is middels e~n
theoretisch netwerk de geografis'~he distribu';ie van daze ka,1alen
vastgelegd.
Deze in genoemde overeen~oms neergelegde theoretische uitgangs-
- 19 -
punt en hebben door een geschikte cOc:1binatie van kanalen, waar
bij in beginsel met intermodulatieaspekten rekening is gehou
den, geleid tot het zgn. honingraatplan, waarmee r:let 37 kana1en
4 x j + 1 rest kanaal), 4 landelijke bedekkingen zijn te
realiseren.
Tevens zijn mede op baSis van de Brusselovereenkomst en CEPT
recommandaties normen vastgesteld t.a.v. de toe te passen zend
vermogens en antennehoogten.
Fig. 2 banden 156-1 en 460-470 Mgz (herhalingsafstar,d 60 km)
! .•..... _ ..... -;.
- 20 -
De propagatie-eigenschappen verschillen per band nogal:
de lag ere bandenhebben een grotere reikwijdte, doch daar staat
tegenover dat de invloed van man-made noise ook groter is dan
bij de hogere frequentiebanden.
Met de antennehoogte en het zendvermogen als parameters heeft
men echter de grootte van het werkingsgebied goed in de hand.
Hierdoor wordt "frequentieherhaling" mogelijk.
2.3. Technische eisen
Na de vascstelling van de frequentieplanning vloeien uit het
model een aantal eigenschappen voort die de apparatuur dient
te bezitten om in het gekozen model te kunnen functioneren en
om aan de overige radiogebruikers geen radiostoringen te ver
oorzaken.
Omdat in Europa het frequentiegebruik sterk is geharmoniseerd,
is het ook mogelijk geweest binnen de samenwerkende Europese
post- en telecommunicatieadministraties te komen tot een aanbe
veling voor de te stellen technische eisen en daarbij te hanteren
meetmethoden waarbij de inhoud van zo'n eisenblad mede bepaald
wordt door de positie die andere radiodiensten in het frequentie
spectrum innemen. De voordelen van een dergelijke Recommandatie
zijn tweedelig:
- omdat veel Europese administraties zich ernaar rich ten kan de
industrie zich richten op de Europese markt;
- er komen op deze manier in ieder land meer apparaten beschik
baar die overeenstemmen met de nationale specificaties, waar
door er een gratere keuzevrijheid ontstaat voor de gebruikers.
De Nederlandse administratie richt z1ch zo veel mogelijk naar
deze aanbeveling, een CEPT-Recammandatie die tot voor kort de
aanduiding T/R17 droeg, maar die sinds kart is omgedoopt in
T/RA-24-01. [3J
2.4. Verkeersafwikkeling
Uitgaande van het feit dat de communicatiebehaefte veel grater
is dan het beschikbare aantalfrequenties is gekazen voor het
sharingsmodel d.w.z. meerdere gebruikers in een zelfde geogra
fisch gebied maken gebruik van dezelfde frequentie. Teneinde
- 2l -
de kanaalbenutting ze optimaal mogelijk te laten plaatsvinden
is vergaande etherdisoipline vereist. Factoren welke hierop
invloed hebbe:l zijn : ge~;lidde~de berichtslengte'l van
berichtgeving, ligging van het drukke llur, gebruiksdoel en ':let
beschikbaarheidsnut.
Teneinde de etherdiscipline veel mogelijk te bevorderen
gekozen voor een comhinatie "va.n gebruik met ovareel1komsti!lft ken
marken t.a.v. bovengenoe::,de aspekten. Planmatig zijn frequentie
bestemd voor gebruikersgroe pen zoals Ac;,bulance, Brand\veer, NS,
Openbaar vervoer, Taxi, Handel en Ir~dustrie (cii verse gaslo ten net
ten) etc.
het frequentiedistributieplan gebaseerd is
op een theeretisch netwerk, waarvaneen lineaire verdeling van de
frequent ovar een bepaald geografisch gebied is uitgegaan,
moet geconstateerd worden dat het huidige frequentieplac onvol
doende aansluit bi,; de diversiteit in de behoefte per regia.
~liddels tal van detailplannen erc ad hoc :r.aatregelen moeten thans
frequenties w~den toegewezen in concen~ratiegebieden zoals Rijn
mond, 's-G:-aven'lage e.o., Schiphol, Amsterda:n etc
Een tweede knelpunt vormt het sharingsmodel.
Naarma te meer gebruiri: op een zelfde frequentie moet "lOrden a fge
wikkeld neemt de stagnatiekans voor de individuele gebruiker toe;
de etherdiscipline komt in gevaar. Een gevolg is dat het gebruiri:s-
afneemt. Ook dit aspekt doet zich het sterkst gevoelen in
de genoe~de concectratiegebieden.
Teneinde aan genoemde problemen enigermate tegemoet te komen, wor
den frequentietoe\1i~zingen gebaseerd op gegevens omtrent de fei
telijke verkeerslast middels het verrichten van verkeersmetingen.
meer fundamentele aanpak kan slechts worden verkregen door
het realiseren van il'"fras true turele voorzie~ingen waarin dyna
mische frequentiecoewijzing en/of frequentiebesparende modulatie
technieken w~rden gerealiseerd.
- 22 -
4" TOEKOMSTVISIE
4.1 •
• 1.1. Techniek
Verwacht wordt, dat landmobiele radioco:nmllnicatiesystemen zich
zullen ontwikkelen in de richting van:
a. Optimaliseren van de toegang tot het spectrum
b. Efficientere kanaalbenutting
Tot de eerste categorie horen methoden welke het mogelijk maken
dat meerdere gebruikers van dezelfde frequentleband gebruik ma
ken, zoals:
FDMA b.v. kanaalbundeling (TltrunkingTl), dynamische frequentie
toewijzing.
SDHA b.v. systeemopbouw, gebaseerd op kleine werkingsgebieden
("small cell systemsTl).
TDMA b.v. Ret op georganiseercle wijze toekennen van standaard
tijdsleuven aan gebruikers (b.v. "slotted ALOHA")
Tot de tweede categorie horen:
Broncodering d.w.z. het (veelal digitaal) cocleren van de over
radio te verzenden informatie, teneinde een reductie van de
redundantie daarin te bewerkstelligen.
B.v. statusmeldingen, uitwisseling ~an datatelegrammen welke
gecodeerde tekst bevatten en in de wat verdere toekomst
vocoder-signalen met lage bitsnelheden.
- Versmalling van een analoog gebruikt radiokanaal d.m.v. toe
passing van vormen van SSB b.v. ACSB, LINCOHPEX, etc.
- Versmalling van een voor transmissie van digitaal gemoduleerde
signalen gebruikt radiokanaal d.m.v. het invoeren van geavan
ceerde modulatiesoorten, zoals TFM, GMSK, 4L-FSK, vorme r, van
PSK, etc.
4.1.2. Gebruik
Nieuwe diensten in de sector mobiele radiocommunicatie komen
a.m. als gevolg van kantoorautomatisering in beeld.
- 23 -
Het gaat hier om verruiming van de mogelijkheden VOar het ver
zenden van veelal niet-analoge vormen va'l infor::;atie, b.v.
informatiauit databanken, electronic mail, digitaal gecodeerde
spraak. In tet algemeen kan deze verruiming worden gezien paral
lel aan een ISDN voor draadgeb~nden cocm~nicatie.
Niet aIleen het aantal dienste'l zal worden uitgebreid, ook een
heroverweging van de gewenste "grade of·service" zal aan de orde
komen:
~e ReD 2.al streven naar
groei.
tar spectrumgebruik i.v.m. de verwachte
Gabruikers zullen
of service.
het algemeen streven naar een batere grade
4.2.
~e eerder genoemde basisprincipes vaor regeling zijn apparatuur
eise~ en voorwaarden voor de wijze van gebruik,
Veelal maken ontwikkelingen in de techr.iek en in de maa~schappij
aanpassing 1Tan eisen en lToorwaarden noodzakelijk.
Daze Eullen volgen op signalen vauuit de gebruikerswereld en in
principe zo weinig mogelij gevolgen mogen hebben voor bestaand
gebruik.
Rekening dient gehouden te worden met:
- juridisch model voor de centrale beheerseenheden inclusief
deelnameverplichting.
compatibiliteit van nieuwe apparatuur met toekomstige systernen;
compatibiliteit vah systernen onderling.
- mogelijkheden tot gemeenschappelijk gebruik van radiokana~eti
("sharing") afhankeli.,ik van de te genererer. net to verkeers
last.
- stationsidentificatie
- iozich t het door de gebruiker naleven van de macntigings-
voor.."/aarden.
- stimuleren van innovat=,es op gebied van landmcbiele radioc;)mmuni
catie.
efficiinte coderings- en modulatiemethoden
- 24 -
~ vergelijking herhalingsafstanden van datanetten met die van
conventionele netten.
5. AFWEGINGEN VAN DE OVERHEID C.Q. DE REGULERENDE INSTANTIE
5.1. Communicatie met belanghebbenden
Gezien de onderlinge relatie en afhankelijkheid tussen ontwikke
lingen in de industrie en die binnen de regulerende instantie,
lijkt frequent over leg voor de hand liggend. Dat een dergelijk
overleg soms pas na de beginfase van een ontwikkelactivitelt
plaatsvindt, moet worden voorkomen.
Een bundeling van belangen vanuit gebruikers, handelaren en fa
brikanten zou het mogelijk maken om ten aanzien van dit probleem
een goed "communica"::ieprotocol" in te stellen, waardoor indu
striele ontwikkelingen en gebruikerswensen tijdig ingepast kun
nen worden in het overheidsbeleid ten aanzien van de mobiele
radiodienst. [4]
5.2. Frequentieverdeling in Nederland
Nationale, maar ook internationale afspraken hebben in het verle
den aanleiding gegeven tot het instellen van een nationale fre
quentieverdeling.
Een aantal politieke keuzes zijn indertijd gedaan, tia.v. de ver
deling van het radiospectrum tussen de verschillende diensten
(o.a. omroepmobiele dienst, amateurdienst etc.). Ret is de
vraag of, gezien de stand van zaken op dit moment, deze keuzes
niet moeten worden herbezien. Vraagtekens kunnen, qua intensiteit
van het spectrumgebruik, gezet worden bij de verdeling van radio
spectrum tussen omroep- en de landmobiele dienst. Eventuele her
verdeling is echter een politieke kwestie, waarbij de ReD argumen
ten kan leveren van technisch- ad~inistratieve sard, liefst ge
steund door belangengroepen uit de gebruikerswereld. [5] [6 ]
CCIR
CEPe'
, G'iz
VHF
UHF
SSB
ACSB
LINCOlC:PEX
4L-FSK
PSK
- 25 -
I~ternational TelecoMmunication Union
International des
om;r;urrica ti OTIS
Co~f~rence Europ~enne des Administra
des Postes et des T'l~communica-
tio~s
kiloherz, , gigaherz
Very High Frequencies
High Frequencies
Amplitude ModQlatie
Frequentie Mod~latie
Sing1e Side
Amplitude Companded Side Band
CO::lpressor Expandor
Tailed Freque ncy Moch' .,.a ti on
Gaussian filtered Minimu~
Four level Frequency Shift
Shift Keying
Integrated Service
Frequency sion "bltiple
Space Division tiple Ascess
Time Divisio~ Multiple Access
- 26 -
1. INTERNATIONAL TELECOl~M1JNICATION UNION
"Radio Regulations"
Geneve, 1982
2. PANNELL, W.M.
"Frequency Engineering in Mobile Radio Bands"
Granta Technical Editions in association with Pye Telecom
munications Ltd.
Cambridge, '979
3. RADIOCONTROLEDIENST
"Technische eisenbladen", diverse uitgaven.
4. HARVEY J. LEVIN
liThe Invisible Resource", Use and Regulation of the Radio
Spectrum.
The John Hopkins Press. Baltimore and London
5. WILEY, R.E.
"Competition and deregulation in telecommunlcations: the
American experience".
Uit: Kommunikation ohne ~Ionopole, blz. 31-50
Nomos Verlagsgesellschaft, Baden-Baden, 1980
6. Anon.
"Mobile Radio - The Case for Urgent Action"
An independent report commissioned by the Electronic
engineering Association.
Pa:;te.l. ,Pit 80mputers and Teleco:nmunications; Rochester
House, 33 Gre:fcoa t Stree t, London SW1P2Q,F
1.3
Eft'ICIBNTB ltANAAL'l'OElfIJZING IN DB LAI!IDI!I08IELE COMMONlCATIJIDIEIIS'I.'EN
VOOR BESLO'I'EN GEBRUIK.
Ing. M. van Beveren - Hoofddirectie Technische Zaken PTT -Beleidsadviesgroep- Lange Termijn Verkenning Technische Ontwikkeliogen.
1 • INLEIOING
Door de miniaturiserlng' van electronische apparatuur ontstaan tal van toepassingsrnogelijkheden voor mobiele radiocornrnunicatie. Deze ontwik
keling geldt zowel landelijk als internationaal, maar ook plaatselijk in gebieden met grote verkeersactiviteit. Verwacht wordt dan ook dat de voor een deel nog latente behoefte aan.rnobiele cornrnunicatie systemen zeer groot is. Met name in gebieden met grote activiteit kan dit leiden tot hoge gebruikersdichtheden. V~~r welk gedeelte de potentiele zakelijke markt in deze gebieden kan worden gerealiseerd, is afhankelijk van de voor deze toepassingen beschikbare frequentie ruimte, het efficient gebruik daarvan en de prijs - prestatie verhouding van de geboden diensten. In deze bijdrage worden na enige opmerkingen over verkeerssoorten de algemene structuur van dispatchnetten vooe besloten gebruik besproken, alsmede meervoudige toegangsmethoden tot de radioweg. Vervolgens woedt ingegaan op de noodzaak van geautomatiseerde kanaaltoewijzingstechnieken die een efficient gebruik van het radiofrequentiespectrum combineren met een hoge kwaliteit van de dienstverlening t.h.v. diverse gebruikersgroepen.
2. VERKRERSSOQRTEN
Afhankelijk van de toepassing ontstaan verschillende verkeerssoorten als gevolg van verschillen in gebruikerseisen. Zo wordt bijv. veor het besturen van een vloot taxi's de eis gesteld dat het systeem in zeer Korte toegangstijden voorziet (bijv. 0,5 s). De gemiddelde houdtijd van de verbinding is bij dergelijk gebruik doorgaans ook kort (bijv. 10 - 20 s).
- 28 -
Tal van toepassingen in gebieden met hoge activiteit, zoals havengebieden en luchthavens leiden tot soortgelijk verkeer dat gewoonlijk wordt aangeduid met dispatch verkeer. In principe is het bedekkingsgebied voor dit verkeer beperkt tot de actieradius van de activiteiten die door mobiele radiocommunicatie worden ondersteund. In fig. 1 zijn op de horizontale as enkele markante afstanden aangegeven die veo! specifieke toepassingen van belang kunnen zijn. Naast be-. sturing op afstand is er het veel bredere toepassingsgebied van spraak en data. Hoewel een verschuiving van spraak naar data onder invloed van de (kantoor)automatiseting van tal van operationele bedrijfsprocessen op handen is, blijft voor diverse toepassingen binnen zichtafstand, in die gevallen waarin de gelijktijdigheidsbeleving een rol speelt, de spraakverbinding een belangrijke communicatievorm.
GELIJKTlJDIGHEIDS-8ELEVING
I , ~I
, NATIONAAL EN INTERNATIONAAL
SPRAAK EN DATA DPENBARE LANDMDB. COMMUNINICATJE
SPRAAK ,VERSCHUIVING NAAR DATA II ,..--_______ .L-________ ---, NATIONAAL
i MENS MACHINE COMM: c.n. AUT. BESTURING
ARM- GEHODRBEREIK AFSTAND
ZICHTAFSTAND
FIG.l
- .. AFSTAND ACTIERADIUS APPLICATIEPROCESSEN
Naast de z.g. gesloten netten voor dispatchverkeer, het onderwerp van deze bijdrage, is er de openbare landmobiele communciatiedienst. Deze dienst voorziet in nationale c.q. internationale systemen voor spraak
en data die geschikt zijn voor verkeerssoorten vergelijkbaar met die van het openbare geschakelde telefoonnet. Deze landmobiele communicatiedienst kan als een verlangstuk van de openbare telefoondienst worden beschouwd. In hoofdstuk X.X wordt aandacht besteed aan de nationale en internationale ontwikkeling van deze dienst gezien vanuit de Nederlandse situatie.
- 29 -
3. DE ALGEMENE STRUCTUUR VAN EEN GESLOTEN NET VOOR DISPATCHVERKEER T.B.V. DIVERSE GEBRUIKERSGROEPEN
De algemene structuur van een gesloten net voor dispatchverkeer t.b.v. diverse gebruikersgroepen is in fig. 2 aangegeven. (1)
CP CP CP
INFRASTRUCTUUR
MS l MS
~~MS~ 1 BS ~ 3 MS ~ 2
T liS Ms--z.-~ I L 4 l--z......~ I Y MS
NB~ ~ Z
FIG.2
De infrastructuur omvat transmissie-, schakel- en processingfuncties waarmee een of meer (1 tim k) vaste posten (CP) via een of meer (1 tim n) basisstations (BS) selectief kunnen worden doorverbonden met individuele mobiele stations (MS). Elk basisstation beschikt over minimaal een radiokanaal. Oak kunnen twee mobiele stations via het basisstation onderling worden doorverbonden (relais-verkeer). In de rege1 wordt two-frequency simpleK toegepast. Het systeem kan oak processoren bevatten t.b.v. aller1ei faciliteiten zoals b.v. data ops1ag, a1smede de nodige interface apparatuur.
4. MEERVOUDIGE TOEGANG TOT DE RADIOWEG
veor het meervoudig toegankelijk maken van een gegeven frequentieband d.w.z. het opsplitsen in een aanta1 radiokanalen waarin zonder onderlinge storing verkesr kan worden afgewikkeld, kan men een drietal
basisprincipes onderscheiden, n1:
- 30 -
FDMA (Frequency Division Multiple Access) TDMA (Time Division Multiple Access) COMA (Code Division Multiple Access)
COMA en TDMA komen nagenoeg uitsluitend voor digitale signaaloverdracht in aanmerking. Bij CDMA wordt elk radiokanaal gekenmerkt door een bewerking van het digitale signaal met een codesignaal. Alleen een
ontvanger die dit specifieke codesignaal kent, kan het oorspronkelijke signaal terugwinnen. De signalen uit andere radiokanalen worden daarbij als ruis gelnterpreteerd. Men spreekt van orthogonale codering. Deze CDMA-systemen, die deel uitmaken van de z.g. 'Spread Spectrum
Systemen", hebben dlls als eigenschap dat de mogelijkheid tot geheimhouding inherent is aan de methode.
Deze methode wordt vnl. toegepast in militaire systemen en vereist vrij complexe apparatuur. Tot nu toe bekende experimentele systemen blijven uit een oogpunt van spectrumefficiency achter bij systemen ge
baseerd op FDMA of TDMA. Voor toepassing in civiele diensten bestaan
geen hoge verwachtingen.
TDMA, een methode waarbij per radiokanaal een bepaalde tijdsleuf wordt, toegewezen, is zeer geschikt vocr sate11ietcommunicatie in verband met
het vermogenbegrensde karakter van deze systemen. De relatief cornplexe randapparatuuf kan gerealiseerd worden door toepassing van rnicro-e1ektr0nische bouwstenen. De toepassing van TDMA v10eit vocrt uit de toenemende trend tot digitalisering op het gebied van schakelen en transmissie en biedt dan oak mogelijkheden voor de toepassing van diverse andere digitale technieken, zoals bijv. die voor bandbreedtereductie en geheimhouding. De verwachtingen voar de toepassing van deze methoden zijn gunstig te noernen. Bij landrnobiele communicatie is de netto bitsnelheid echter beperkt ter vermijding van een te hoge bitfoutenkans door meerwegeffecten. Voar dispatchsystemen wordt de methode uit kostenoverwegingen vooralsnog niet toegepast.
FDMA, de oudste methode, waarbij per radiokanaal een bepaalde bandbreedte wordt toegewezen, wardt tot op heden algemeen toegepast in de landrnobiele dienst, met FM als '1lOdulatiemethode. Toej:)assing van de minder bandbreedte vergende EZB-rnodulatie heeft evenals andere analoge rnodu1atiemethoden als nadeel dat deze rninder goed past in de trend tot
digitalisering.
Ook voar dispatchnetten is FDMA, mede utt kostenoverwegingen de aangewezen methode.
- 31 -
5. METHODEN VOOR DE TOEWIJZING VAN RADIOKANALEN
Naar.mate de toepassing van landmobiele radiocommunicatie groeide, ontstand er behoefte aan toewijzingsmethoden voor radiokanalen die beter aangepast zijn aan het gebruik. In fig. 3 is in de volgorde A tot en met D een beknopte aanduiding gegeven van de ontwikkeling van deze methoden. Bij de oorspronkelijke methode worden radiakanalen vast toegekend aan individuele of groepen gebruikers. (A) De toewijzing vindt plaats aan de hand van bepaalde in een machtigingsbeleid vastgelegde criteria die et op gericht zijn het gebruik te beperken tot het meest noodzakelijIte. Na het onstaan van schaarate ala gevolg van de grate vraag naar machtigingen is de zogenaamde methode van "sharing" van transmissiecapaciteit gevolgd (B), dat wil zeggen bepaalde radiokanalen worden toegewezen aan meer dan een machtiginghouder, waatbij zo mogelijk gebruik wordt gemaakt van geografische scheiding.
ASSIGNMENT
FIXED DEMAND
EXCL. A C
I SHARED B D
FIG.3
Van de gebruikers wordt daarbij een zekere discipline gevraagd bij het openen en aanhouden van een verbinding. Hoewel door "sharing" het efficient gebruik van de radiokanalen wordt vergroot, zal echter ten gevolge van het doorgaans ontbreken van enige vorm van beurtbemiddeling, de "grade of service" dalen (stagnatiekans en/of wachtkans nemen toe) naarmate de verkeersintensiteit toeneemt. Verder mist men door het ontbreken van een gebruikstadef de regulerende werking op het gebruik ten gevolge van een marktmechanisme.
- 32 -
Verwacht wordt dat bij de toenemende vraag naar radiocommunicatie ten behoeve van mobiele gebruikers deze werkwijze op lange termijn geen oplossing kan bieden vooe:
een efficient gebruik van het spectrum; kwalitatief hoogwaardige mobiele communicatie, vergelijkbaar met de kwaliteit van communicatie tussen vaste punten.
Een verschuiving naar de werkwijzen C c.g. D lijkt dan ook noodzakelijk. Bij methode C wordt voor de duur van het gesprek e.g. sessie een radiokanaal toegewezen (circuitswitching). Bij methode D wordt een kanaal slechta vooe de duur van aetieE gebruik toegewezen. Dit wordt weI met packet radio (4) of transmission switching aangeduid. Deze methoden openen de weg tot een dynamische toewijzing, dat wil zeggen in een geoptimaliseerde vorm zal elk vrij radiokanaal van een technisch systeem op elk gewenst tijdstip aan een willekeurige gebruiker kunnen worden toegewezen. Deze werkwijze laat zich slechts door een geavanceerde technische automatisering optimaliseren. De daarvoor benodigde infrastructuur kan aIIerlei faciliteiten bieden, zoals snelle bereikbaarheid van de gebruiker of groepen van gebruikers, automatische beurtbemiddeling, bescherming van de privacy, prioriteiten, etc ••
Oak behoort het belasten van het ethergebruik tot de mogelijkheden. Tenslotte kan door monitoring statistische informatie worden verkregen ter optimalisering van een efficient spectrumgebruik en van de kwaliteit van de dienst.
6. METHODEN VOOR DE VERHOGING VAN EEN DOELMATIG SPECTRUMGEBRUIK (3)
AEhankelijk van de intensiteit van het aangebodenverkeer is voor de afwikkeling daarvan een bepaaid aantal radiokanalen nOdig. Aangenomen wordt dat dit verkeer afkomstig is van een oneindig aantal verkeersbronnen met exponentieel verdeeide inter-arrival times (ta) en exponentieel verdeeldp houdtijden (th), (ate fig. 4).
I t
Eth~ · m
1 FIG.4
~ 33 ~
Het aantal radiokanalen nodig om dit verkeer te verwerken, meet voldoende groot zijn om in het zogenaamde drukke uur de kans dat aIle kanalen bezet zijn voldoende klein te houden. Met onderscheidt voor de afwikkeling twee mogelijkheden die schematisch in fig. 5 zijn aangegeven, namelijk: - verliesverkeer met een bepaalde stagnatiekans B - weehtverkeer met een bepaalde wachtkans P (> t) Bij de eerate methode wordt een binnenkomende oproep die niet kan worden doorverbonden omdat aIle radiokanalen bezet zijn (stagnatie) als verloren beschouwd (verliesverkeer). Er wordt aangenoemen dat in het achakelnetwerk geen interne blokkering optreedt, zodat de radiokanalen ala een volledige toegankelijke bundel kan worden beschouwd. Bij een gegeven aantal radiokanalen (N) en het aangeboden verkeer A (Erlang) voIgt dan de stagnatiekans a uit de Erlang a-formule (3).
KANAAl BUNDELING
AA VE A
NGEBODEN RKEER
RLiESVERKEER VE M KA (E
ET STAGNATlE-NS B%
RLANG BI
VERWER SCHAKEl VERKEER
KT
AU-B/100) NETWERK ( N RADIDKAN.'
==n ------- WACHTVERKEER ---- MET WACHTKANS P(>t) -- (ERLANG-C) ~ --
WACHTYELD (00- LANG I
FIG.5
aij de tweede methode wordt het niet onmiddelijk verwerkbare verkeer in een wachtveld geplaatst (wachtverkeer). Bij een oneindig lang wachtveld wordt aIle verkeer verwerkt bij een wachtkans P (;> t). Deze kans kan worden bepaald met behulp van de Erlang-C formule (3). In de praktijk beeft men ala gevolg van een beperkt wachtveld met &en mengvorm van wacht- en verliesverkeer te maken.
- 34 -
VERKEEB (EBLANG)
FIG.6
f 1
7
5
4
3
2
STAGIATlEIlAIS
8=18'
8 ~~ __ ~~~~ __ L-~ __ ~ __ L-~~
'It"
t 10
70
&0
50
48
30
28
10
o
8 2 3 4 5 I 7 • 9 "
AMTAL KAIAlEN-N
KAIAAl RENDE MElT
STA61ATlElAIS
8:1.'
FIG.1
ZOIDER BUIDELlIG
02345 I 7 19m
AANTAL KAIALEN - N
- 35 -
De vernoging van het 10elmatig gebruik van het radiofrequentiespectrum t.o.v. vaste exclusieve toewijzing door toepassing van de in het voorgsande besproken kanaalbundeling (trunking), waarbij ean radiokanaal op verzoek wordt toegewezen (demand assignment) is in fig. I; in beeld gebracht. Bet toelaatbare verkeersaanbod in Erlang is uitgezet als functie van het aantal kana len voor de gevallen met en zonder kanaalbundeling. Als voorbeeld wordt uitgegaan van een verliessysteem waarbij een stagnatiekans van 10% wordt toegestaan. Bij 10 kanalen is dan het toegestane verkeersaanbod met kanaalbundeling 7.5 ~rlang. Zonder kanaalbundeling, dua vaste excluaieve toewij~ing, blijft het aangeboden verkeer beperkt tot 1,1 Erlan'l. In fig. 7 is voor beide gevallen het kanaalrendement als functie van het aantal kanalen uitgezet. Bij 10 kanalen met bundeling wordt een kanaalrendement van ca. 67% bereikt. Zonder bundeling blijft het rendement onafhankelijk van het santal kanalen slechts gelijk aan 10%.
7. SYSTEF.MINTEGRATIE EN -BEHEER
In fig. 8 is een principescbets gegeven van een geautomatiseerd gesloten net waarop verschillende gebruikersgroepen kunnen worden aangesloten. De central control voocziet in een processor, een schakelrnatrix, data opslag faciliteiten en intereace apparatuur. Het systeem heeft de beschikking over N verkeerskanalen. Ten behoeve van de verbindingsopbouw wordt gebruik gemaakt van verkeerskanalen die op dat moment vrij zijn of van een of meer vcor dit doel gereserveerde organisatiekanalen. De wijze waarop gebruikersgroepen van verschillende bedrijven worden aangesloten op het systeem kan worden afgestemd op grootte en organisatieVOClQ lIan die bedrijven. Ben der aangesloten terminals dient als monitor voor het technisch functioneren van het systeem. Via een andere terminal heeft de systeembeheerder toegang tot het systeern en kunnen de nodige adrninistratieve gegevens worden ingevoerd.
'"
~~ j
ORGANISATIE-KANAAl ICONTROL-CH)
-36 -
I CENTRAL CONTROL
C
VASTE POSTEN 1 tim k GEBRUIKERSGROEPEN
FIG.8
~ /
MANAGER's TERMINAL
TECHNICAL TERMINAL
Of voor de verbindingsopbouw een apart organisatiekanaal worat gekozen hangt aE van het aantal verkeerskanalen N. Is dit Kleiner dan Cd, 7, (mini-trunking) dan wordt het uit een oogpunt van spectrumgebruik mindec gewenst een apart organisatiekandal te kiezen. De toegang kan dan op elk der verkeerskanalen plaats vinden (non-dedicated control channel).
Daar echter verwacht wor1t dat gelntegreerde systemen in de toekomst met enige tientallp.n radiokanalen zullen werken, zal in het volgende een apart organisatiekanaal worden verondersteld (dedicated control channel) •
Voor de top.gang tot net organisatiekanaal zijn in de loop dec jaren
verschillende procedures ontwikkeld. In fig. 9 is hiervan een globaal
overzicht gp.geven. De toegang (accees) tot het organisatiekanaal ~an fixed of random in de tijd plaats vinden.
- 37 ~
Het eerste geval kan slechts worden toegepast als relatief weinig gebruikers veel verkeer genereren en is dus voar dispatchverkeer niet geschikt. Voor een groat aantal mobiele stations die elk slechts weinig verkeer opleveren is random access (RA) de aangewezen werkwijze. Deze werkwijze is bekend ala ALQaA, een systeem vaor remote computer access via radio van de Oniversiteit van Hawaii (S}. Oe kans op botsende oproepen die kenmerkend zijn voor deze werkwijze, neemt toe naarmate de oproepfrequentie hoger wordt en/of de oproepduur langer. Bij non-controlled RA leidt deze werkwijze al snel tot instabiliteit als gevolg van een cumulatie van herhaalde op~oepen. Zo is bij pure RA, d.w.z. de oproepen kunnen op elk willekeurig tijdstip plaats vinden, het maximale kanaalrendement ca. 19%. Door toepassing van slotted RA kan het kanaalrendement worden verdubbeld, omdat de kans op botsingen wordt gehalveerd.
TOEGANG (ACCESS) TOT ORGANISATIEKANAAL
A RANDOM (R.A,) FIXED
NON-CONTROLLED R.A.
A PURE R.A. SLOnED R.A.
CONTROLLED R.A.
BINARY SEARCH PROCEDURE
FIG.9
DYNAMIC FRAMElENGTH CONTROL
- 38 -
Door de toepassing van controlled RA kan de kans op instabiliteit aanzienlijk worden verkleind. Specifieke methoden zijn de Binary search Procedure en Dynamic Framelength Control (1). In fig. 10 is een mogelijke verbindingsopbouwprocedure, behorende bij een door een mobiel station geinitieerde verbinding - voor het geval van pure RA - in beeld gebracht. De aanvragen 3 en 4 mislukken door botsing. In het geval dat het vaste station tijdsynchronisatie signalen zou uitzenden (links in fig. 101 t.b.v. de mobiele stations, zouden de~e aanvragen in opeenvolgende tijdsleuven ongestoord zijn ont'Tangen. nit is niet het geval voor oproepen die binnen eentijdsleuf worden gelnitieerd.
MOBIEL GEINITlEERD
CENTRALE ONTV. ZENDT SPRAAKKANALEN
BEGIN GESPREK
AANVRAAG 3 AANVRAAG 4
FIG.10
1 2
- -
-
3 4 5 6 7
- -
I
- 39 -
In een praktisch systeem zal beha1ve de statistische oproepveedeling ook de veldsterkte verdeling een rol spelen waardoor de gevolgen van een botsing tussen twee of meer oproepen niet altijd tot het verlies van aIle overlappende oproepen behoeft te leiden, e.e.a. afhankelijk van de gekozen modulatiemethode en de optredende signaal/stoor-verhou
ding (4). Hierdoor kan het kanaalrendement hoger uitvallen dan op grond van het
pure RA-model mag worden verwacht.
8. TOEKOMSTPERSPECTIEF
De snalle ontwikkeling van gesloten netten ter ondersteuning van a11er1e1 bedrijfsactiviteiten leidt bij vaste exclusieve toewijzing van radiokana1en in concentratiegebieden tot ernstige congestieproblemen. Het zijn deze problemen die de aanzet hebben gegeven tot de integratie van deze netten in geautomatiseerde systemen. Met deze automatisering
kan men verwachten dat niet aIleen het probleem van de schaarste aan
zienIijk kan worden verlegd, maar dat in toenemende mate vooe vele bedrijven c.q. instanties mobiele communicatie een wezenlijk deel kan gaan uitmaken van de operationele bedrijfsvoering. oit zal gepaard gaan met een verschuiving van telefonie naar data
communicatie. Hoe de integratie van de huidige gesloten netten in een toekomstige infrastructuur zal verlopen, is afhankelijk van de ontwikkeling van de specifieke gebruikerseisen en de verkeerssoorten die daaruit voortvloeien naar aard en omvang. Enerzijds is er het openbaar mobiele communicatienet dat eveneens data-faciliteiten biedt, anderzijds de in deze bijdrage behandelde netten vooe dispatchverkeer. Verwacht wordt dat een deel van het huidige besloten verkeer qua soort uitstekend past in het openbare net. Een ander deel, vnl. met een dispatch-achtig verkeersgedeag past echter bater in de beschreven geautomatiseerde systemen, waatop verschil1ende gebruikersgroepen kunnen worden aangesloten. Vootal in gebieden met hoge gebruikersdichtheden, zoals b.v. op luchthavens, havengebieden e.d. ligt de toepassing van deze systemen voor de hand. In grate steden kunnen op dergelijke systemen b.v. taxibedrijven wor
den aangesloten. Een belangrijke efficiency verhoging zowel qua spectrum als be1rijfsvoering is daarbij mogelijk door de opdrachten invoer, -planning en dispatching in een computer bestuurd systeem te integraren.
- 40 -
Naast betere werkomstandigheden voor bedienend personeel en chauffeurs kan dan oak een betere service aan /let publiek worJen geboden (6). Ook andere transportorganisaties en bedrijven of --ins tan ties die met verspreide medewerkers omvangrijke coordinerende taken in vaak korte tijd moeten verrichten (b.v. spootwegen, politie, brand.,eer, enz.) zouden met voordeel van een dergelijke infrastructuur - die in principe niet in geografisch opzicht beper1ct behoeft te zijn - gebruH: kunnen maken. Ben belangrijk aspect van de infrastructuur is dat deze in principe de mogelijkheid opent !let gebruik van het radiofrequentiespectrum te belasten.
Tenslotte mag niet onvermeld blijven het belang van statistische gegevens over het verkeersgedrag die aan de geautomatiseerde systemen kunnen worden ontleend, waarrnee het optimaal aanpassen van het systeem aan de wensen van de gehruiker, kan worden gecombineerd met een efficient spectruIOgebcl.Iik. Tevens ~ient in dit optimaliseringsproces aandacht te worden besteed aan de samenhang met ont\O/ikkelin;Jen in draadgebonden co.nmunicatienetten.
- 41 -
LITERATUUR
(1) Shared multi-channel systems employing automatic channel selection for use in private mobile radio. CCIR XVth Plenary Assembly, Geneva 1982 VOL VII! Mobile Services - Report 741-1, p. 76-87, 9 Referenties.
(2) Multiple acceSs and communication-channel assignment in the maritime mobile satellite service. CCIR XIVth Plenary Assembly, Kyoto 1978 VOL VIII Mobile Services - Report 596-1, p. 242-259, 4 Referenties.
(3) Tabellenbuch Fernsprechverkehrstheorie. Siemens Aktiengesellschaft, 1981, 16 Referenties.
(4) packet Radio in a Rayleigh Channel. Electronics Letters 10t h June 1982 Vol 18 No 12 p.p. 506-507, 8 Referenties.
(5) The ALOHA System - Another alternative for computer communications - Norman Abramson - Fall Joint Comp. Conf. Vol 37, 1970 p.p. 281-285, 13 Referenties.
(6) Computer controlled taxi data communications -Communications International, November 1981 p.p. 30-32.
- 42 -
LIJST VAN AFKORTINGEN
FDMA Frequency oivision Multiple Access
TDMA Time Division Multiple Access
COMA Code Division Multiple Access
DA Demand Assi9nment
RA Random Access
CP Control Post
BS Base Station
MS Mobile Station
- 43 -
2. 1
DIGITAL USE OF THE MOBILE CHANNEL
P.J. Mabey
P.J. Mabey graduated from London University in 1973 and joined the
Philips Research Laboratories where he has been working on mobile radio
data transmission techniques with a particular interest in coding.
Introduction
Digital transmission is an essential part of modern mobile communication
systems. It is used for high capacity radiopaging systel)ls [1], for
controlling.trunked radio channels [2]. and for public mobile telephony
[3]. The introduction of digital transmission is a result of an
increased demand for mobile radio and the need to use the radio spectrum
more efficiently.
Data communication will be superior to speech communication in
some applications, because data messages can be sent more quickly and
reliably and with less operator involvement. New facilities are
possible, such as vehicle printers and direct access to a central
computer, which can enable a vehicle fleet to operate more efficiently.
Unfortunately mobile radio has to operate under extremely
unfavourable conditions, suffering from the combined impairments of
ignition noise interference from nearby vehicles, signal fading caused
by multipath propagation and shadowing, and co-channel interference
which results from sharing the radio channel locally and re-using the
channel· in another part of the country.
This paper is a very brief review of some key features of mobile
data transmission.
- 44
The generally accepted model of mobile radio propagation [4J is based on
propagation surveys and involves three main aspects: path loss,
shadowing and fading.
The path loss concerns the dependence of received pOWer on
range, and is commonly taken to be inversely proportional to the range
to the power four.
The second aspect, shadowing of the radio signal by buildings and
hills, leads to gradual changes of the local mean received signal
level as the vehicle mOVes. This local mean level, averaged Over a
distance of about 50 m is found to vary with a lognormal distribution
about the area mean level, Figure 1. By lognormal it is meant that the
local mean expressed in dB is normally distributed. The standard
deviation ~ depends on the topography and is typically 6 dB.
20
Fig.I. Distribution of local
mean in London, 465 MHz.
Fig.2. Signal envelope distribution
in London, 465 MHz.
The third aspect, fading, is caused by multipath propagation and
wave interference, which causes the received signal level to fluctuate
rapidly as the vehicle moves along the street. The envelope of the
signal commonly has a Rayleigh probability density function when
normalised to the local mean level, as illustrated in Figure 2.
Bit Error Rates
Errors occur when the received signal level drops to the front end
noise level of the receiver. The bit error rates measured in a moving
vehicle are high, typically in the range 10':< to 10-"', Figure 3.
- 45 -
Signal level.(dIlpV pd)
Fig.3. Field measured bit error rates
for a moving vehicle, 462 MHz,
1200 bit/sec, PSK subcarrier.
It is possible to predict the bit error rate accurately from a bench
measurement of bit error rate with a steady signal level [5]. Figure
3, by using the Rayleigh and lognormal characteristics of the
propagation.
The number of errors caused by ignition noise depends on the
received signal level. the bit rate and the carrier frequency. At 1200
bit/sec 165 MHz, about the same number of errors are caused by fading
into the receiver front end noise as by ignition noise in heavy traffic
[5], although at UHF, ignition noise is not a significant source of
errors at 1200 bit/sec. Ignition noise becomes more detrimental as the
data rate is increased.
Bit Rates
The bit error rate experienced in a moving vehicle will depend, among
other things, on the signalling speed, Figure 4 [6}. At a very low
signalling speed the duration of a bit is much longer than the duration
of the fades so there are very few errors. The error rate rises steeply
as the speed is increased until the fades span many bits, in which cas~
the bit error rate depends mainly on the proportion of time for which
· · ... ... ~ · ~
'"
Bit rate,(bit!s)
Fig.4. Error rate dependence on
bit rate, moving vehicle.
• 46 ~
2 ~ ... g ~ ~
'"
Signal level.(dBIlV' pd}
Fig.5. Error rates without fading.
the signal is faded. Operation at a high bit rate, with sufficient
redundant coding to detect or correct the errors, enables the highest
throughput. A speed of 16 kbit/sec is possible in a 25 kHz channel
[7] •
In contrast, a low bit rate will give a greater sensitiVity by
using a lower bandWidth, Figure S, resulting in a slightly greater
maximum range. For example, increasing sensitivity ~: 2 dB increases
the range by 12 %, using an inverse fourth power law for the path loss.
Quasi-sync
Quasi-synchronous transmission [8) from multiple transmitters is used to
improve coverage where a single transmitter is inadequate. There are
several constraints which must be observed to ensure successful data
communication in the overlap regions, where a mobile receives roughly
equal signal levels from two or more transmitters.
Transmitter sites are commonly fed via land lines, and the delays
over the lines must be equalised to within acceptable limits. For
example, Figure 6 shows that with direct frequency modulation at 1200
bit/sec the differential delay must be less than about 0.3 of a bit
period, 250 microseconds. The delay equalisation is more more stringent
for subcarrier modulation schemes and for higher bit rates.
-A 10
o
I ---'"
I' I
I I I I I I I
I I
".. ....
Carriers offset 7Hz
0.5
Modulation timing difference
Fig.6. Error rate dependence
on differential delay.
- 47 -
Received s~gnQI
Error bursts
Fig.7. Signal envelope for
stationary receiver.
It is important that the modulating signal transmitted from each
site is the same. Any subcarrier frequency offset introduced by FDM on
the landlines must be removed before transmission.
A stationary mobile can experience a problem in the overlap region
at locations where it receives signals of a similar level. The
resultant signal beats at the difference frequency of the transmitters,
and can beat below the noise level of the receiver, causing errors,
Figure 7. The difference frequency must suit the signalling speed and
the coding used, so that there is a good chance of receiving a message
between beats, or so that the code can correct for an error burst
occurring during a beat. For example, with a 64-bit code transmitted
at 1200 bit/sec, a carrier offset of 10 Hz would produce a beat every
20 code words.
With such high error rates some form of error control coding is
essential to ensure that messages are received successfully and that
false messages are rejected. A code requires extra bits to be
transmitted which can be used to detect or correct errors. The code
must be chosen carefully to ensure a good compromise between success
rate, protection from false messages, and throughput [9]. A
- 48 -
retransmission procedure, in which messages are repeated but only when
necessary, improves reliability and can enable a higher throughput than
a scheme which attempts to avoid retransmission by heavily coding every
message for error correction flO}.
UK Standards
In order to ease and encourage the introduction of data
transmission in the UK the Electronic Engineering Association (EEA), an
association of manufacturers, and the Home Office radio regulatory
department, in consultation with mobile radio users, have recommended a
modulation scheme and a binary data format for mobile data communication
[11],[12]. The format has been considered by CeIR and is now included
in a eeIR Report [13].
Data
FFSK 1200/1800 Hz
o o o
Fig.8. Fast Frequency Shift Key modulation
The modulation scheme is Fast Frequency Shift Key (FFSK) at 1200
bit/sec in Which a binary '1' is represented by one cycle of 1200 Hz,
and a binary '0' is represented by one and a half cycles of 1800 Hz,
Figure 8. This data signal has a compact spectrum and-Will pass through
the existing speech radios.
The data format is for general purpose use in applications such as
selective calling and vehicle identification through to mobile printers
and computer terminals. It is suitable for use with other modulation
schemes, not solely FFSK. The format has been tailored to the
requirements of mobile radio and has been designed for high
reliability, high falsing immunity, and a high throughput.
The format is illustrated in Figures 9. A full definition is
given in the EEA report [11J. Transmissions begin with a preamble of
bit reversals 1010 •• 10 so that the receiver data demodulator can acqu1re
bit synchronisation. Every message begins with a 16-bit
synchronisation word to enable the decoder to establish code word
_ 49 •
Address
code word
a.16 bits 16bits 148 bits addre.$.Eles and data
16 errQr check; btu
~~--------------~yr----~--------~/ Minillum t ransmias1en
Optional 0;;--] code word.
Fig.9. Mobile radio data format
framing. Messages are transmitted in 64-bit code words comprising 48
information bits and 16 error check bits. These check bits are
determined by a powerful error detecting code. The first code word of
a message contains addressing information and some data, and is
sufficient for short message applications such as status reporting.
For longer messages with more data. such as text, additional data code
words are appended as required to accommodate the message.
___ 165 MHz
--457MH.
jo'
Meon slgno! level {dB rei 12dB SINAO kNel}
Fig.lO. Message success rates for data format.
Measurements have been made of the chance of receiving a message
successfully. Figure 10 shows the message success rate when short
messages without data code words were transmitted over conventional FM
mobile radio equipment with FFSK data modulation and a simple error
detecting decoder. The steady Signal curves were measured in the
- 50 -
laboratory and apply to a stationary vehicle. The moving vehicle curves
were measured during field tests under typical fading conditions. The
results have been used in computer simulation of communications
protocols [101 which has shown that the geographical range of mobile
data systems will be at least as good as the range for speech communication.
Conclusions
The mobile radio channel is very poor and presents many problems to
digital transmission. As a result of extensive field measurements and
research, the problems are now well understood and techniques have been
developed to ensure reliable data communication. Digital transmission
will make an important contribution to spectrum efficiency, and its use
will increase as the demand for mobile radio increases and as users
come to expect more sophisticated facilities.
References
[lJ R.H. Tridgell, 'The CCIR radio-paging code No.1: A new world
standard', IEEE Veh. Tech. Conf., pp.403-406, May 1982.
[21 C.K. Davis et aI, 'A ~gh efficiency mobile radio trunking system
performance evaluation', lEE Conf. on Communications Equipment and
Systems- Communications '82 " Birmingham, pp.l~!-137, April 1982.
[3] Bell System Technical Journal special issue on the Advanced Mobile
Phone Service, Vol. 58, No. I, Jan. 1979.
[4} W.C. Jakes, Ed.~ Microwave Mobile Communications, New York: Wiley,
1974.
[5] R.C. French, 'Error rate predictions and measurements in the
mobile radio data channel', IEEE Trans. Veh. Tech., Vol. VT-27,
pp.l10-116, Aug. 1978.
[6] R.C. French, 'The mobile radiO data channel', Proc. 1980 Int.
Zurich Seminar Digital Communications, pp.Dl.1-Dl.9, 1980.
[7J D. Mul1wijk, 'Tamed Frequency Modulation- a bandwidth-saving
digital modulation method, suited for mobile radio', Philips
Telecommunication Review, Vol. 37, No. I, March 1979.
[8] R.C. French, 'Common channel multi-transmitter data systems', Radio
and Electronic Engineer, Vol. 50, No.9, pp.439-446, Sept. 1980.
(9) P.J. Mabey, 'Mobile radio data transmission- cQding for error
- 51 -
control', IEEE Trans. Veh. Tech., Vol. VT-27, pp.99-109. Aug. 1978.
[10J P.J. Mabey, 'Predicting the range and throughput of mobile data
systems', IEEE Veh. Tech. Conf., pp.370-374, May 1982.
[11] 'EEA preferred data transmission system for land mobile radio using
a binary data format', Electronic Engineering Association, London,
June 1982.
[12) 'Transmission of digital information over land mobile radio
systems', Code of Practice MPT1317, Home Office Radio Regulatory
Department, HMSO.
{13} 'Digital transmission in the land mobile service', CCIR Report
AH/S.
- 52 -
2.2
SPRAAKCODERING VOOR HET MOBIELE RADIOKANAAL
R.J. 51 uyter
De auteur is werkzaam op Philips' Natuurkundig Laboratorium te Eindhoven in de groep "Digitale Transmissie en Spraakcodering" op het gebfed van spraakcoderfng en digitale signaalbehandeling.
Inleidfng
Bfj spraakcodering v~~r een mobiel radiokanaal spelen o.a. de volgende aspecten een belangrfjke rol: de efffcientie van het radiospectrum, de spraakkwaliteft en de complexiteit. De efficientie van het radio spectrum wordt bepaald door de bit rate en de toegepaste modulatiemethode. Hoe hoger de bit rate, des te breder het radio spectrum zal zijn bij een bepaalde modulatiemethode. Met een eenvoudige modulatfemethode zoals bijvoorbeeld Frequency Shift Keying (FSK) kan men bij een afstand van 25 kHz tussen de radiokanalen en een nabuurkanaal storingsooderdrukking van tenmioste 60 dB, een bit rate van 8 kbft/s hal en. Met een meer geavanceerde modulatiemethode zoals Tamed FM (TFM) bereikt men onder dezelfde voorwaarden de dubbele bit rate [1,2J. Omdat het nfet economisch is om de kanaalafstand groter dan 25 kHz te kiezen, is de maximale bit rate die de spraakcoder ter beschikking staat 16 kbit/s. De bereikbare spraakkwaliteit is in het algemeen hoger naarmate de bit rate hoger is, vooropgesteld dat voor een bepaalde bft rate het optimale coderingssysteem wordt toegepast. Het vol staat echter om een kwaliteit te bewerkstelligen zoals men die van een normale telefoonverbinding mag verwachten. Het blijkt mogelijk am deze kwalfteit te benaderen met een zorgvuldig gekozen uitvoerfngsvorm van Residual Excited LPC [3], op een bit rate van 9.6 kbit/s. In combinatie met TFM geeft deze bit rate aanlefding tot een kanaalafstand van 15 kHz. De complexiteit van de spraakcoder moet zodanig beperkt blijven dat de fysische uitvoering nog met recht mobiel genoemd kan worden. Het blijkt dat Residual Excited LPC gerealiseerd kan worden met een klein aantal huidige signaalprocessoren.
- 53 -
Systeemkeuze
Spraakcoderingssystemen kunnen ruwweg worden onderverdeeld in drie categorieen: golfvormcoders, hybride coders en vocoders (broncoders). Zie fig. 1. Een goed overzicht vinrlt men in [4]. Een eenvoudige golfvormcoder is Puls Code Modulatie (PCM), waarbij het spraaksignaal bemonsterd wordt en elk monster gekwantiseerd en gecodeerd~ordt. Om telefoonkwaliteit te bereiken zijn 12 bits per monster nodig bij een bemonsterfrequentie van 8 kHz. Door dynamiekcompressie toe te passen, hetzij instantane (Logarithmische PCM) , hetzij geregelde (Adaptieve PCM), zijn 8 bits per monster voldoende. Vanwege de relatief hoge bit rate bieden deze eenvoudige golfvormcoders echter geen soelaas voor het mobiele radiokanaal. Betere resultaten worden verkregen met differentiele coders waarin bovendien dynamiekcompressie wordt toegepast, zoals Adaptieve Differentiele PCM (ADPCM), Adaptieve Delta Modulatie (ADM) en Digitally Controlled Delta Modulatie (OCOM). De reden hiervan is dat de spraakkwaliteit niet alleen wordt bepaald door objectieve maatstaven zoals de signaal-kwantiseringsruis verhouding, die geoptimaliseerd wordt door de dynamiekcompressie, maar ook door subjectieve maatstaven zoals ruismaskering. Juist bij differentiele codering wordt het kwantiseringsruis spectrum, zij het slechts in eerste orde benadering, zodanig gekleurd dat ruismaskering optreedt. Alhoewel geavanceerde varianten van deze systemen nog te gebruiken zijn bij 16 kbit/s, moet men de kwaliteit toch als marginaal beschouwen. Bij nog lagere bit rates is de kwaliteit beslist onvoldoende. Bij bit rates lager dan ca. 5 kbit/s is men gedwongen om vocoders toe te passen. Vocoders zijn gebaseerd op een spraakproduktie model, zie fig. 2. Hierin wordt het spraaksignaal gegenereerd door een LPC synthesizer, die wordt geexciteerd door periodieke impulsen met de juiste pitch voor stemhebbende spraa~klanken, of door witte ruis v~~r stemloze spraakklanken. Natuurlijk past elk ander tyP€ synthesizer ook in dit model.(5J. Ondanks het feit dat we tegenwGvrdig over zeer geraffineerde technieken beschikken voor pitch detectie en stemhebbend-stemloos detectie [5,6], moeten we dit model toch beschouwen als een grove simplificatie van het menselijk spraakorgaan, vooral wat betreft het excitatie gedeelte. Het rigoreuze onderscheid tussen stemhebbend en stemloos is niet in overeenstemming met de werkelijkheid. Vaak Komen in spraak gemengde vormen voor. Ook is vaak meer dan een excitatiemoment in een pitchperiode te herkennen. Bovendien komen er stemhebbende passages voor die verre van periodiek zijn, zelfs wanneer men slechts korte tijdsintervallen beschouwt. Deze redenen zijn er o.a. de oorzaak van dat de kwaliteit van vocoders tot heden bescheiden is, en beslist niet vergelijkbaar met telefoonkwaliteit. In het tussenliggende bit rate gebied van ca. 5 ~bit/s tot 16 kbit/s wordt de beste spraakkwaliteit verkregen met hybride coders die zowel gebruik maken van golfvormcoderingstechnieken als van vocodertechnieken. Het blijkt mogelijk om daarmee bij 9.6 kbit/s telefoonkwaliteit te bewerkstelligen. Tussen de verschillende types hybride coders, zoals o.a. Subband Coding [7], Adaptive Transform Coding [7], Adaptive Predictive Coding [8], Residual Excited LPC [3], en Multi-pulse Excited LPC (9], zijn significante verschillen in spraakkwaliteit en complexiteit. Een relatief eenvoudig systeem, dat gerealiseerd KJn worden met enkele huidige signaalprocessoren en met een kwal1teit die grenst aan telefoonkwaliteit, is Residual Excited LPC. Multi-pulse Excited LPC blijkt echter ~walitatief nog beter te zijn, maar ook
- 54 -
complexer. Realisatie van dit systeem zal pas aantrekkelijk worden met tweede generatie signaalprocessoren.
Residual Excited LPC
De meest eenvoudlge vorm van Residual Excited LPC is weergegeven in fig. 3. Het spraaksignaal wordt door een transversaal filter met coefficienten a(i}, i=1,2, ••• M gestuurd. De overdrachtsfunktie A(z) wordt gegeven door
A(Z)=l-t a(i)£~ i"l
De coefficienten worden zodanig bepaald dat het gefilterde signaal (het residusignaal) zo goed mogelijk een vlakke spectrale omhul1ende verkrijgt. Daarom spreekt men hier oak wel van een invers filter. De coefficienten wordenbijvoorbeeld bepaald met de autocorrelatie methode [5]. De orde M ligt in de praktijk tussen 8 en 20. Het aldus verkregen residusignaal wordt nu gebruikt als excitatiesignaal voor het synthesefilter met dezelfde coefficienten als het inverse filter, en dus met overdrachtsfunktie l/A(z). Voor het stationaire geval zijn beide filters exact elkaars inversen zodat het originele signaal weer aan . de uitgang verkregen wordt. In de praktijk, waarin bovendien de filtercoefficienten periodiek ververst worden, is er ook geen verschil waar te nemen tussen in- en uitgangssignaal. De benodigde bit rate om het residusignaal en de coefficienten te coderen is echter niet significant lager dan bij een golfvormcoder met dezelfde kwaliteit, omdat het residusignaal nog dezelfde bandbreedte he eft als het spraaksignaal zelf. Het residusignaal leent zich echter uitstekend voor verdere datareduktie. De manier waarop dit gebeurt is maatgevend voor de uiteindelijke kwaliteit. De belangrijkste eigenschap van het residusignaal waar we gebruik van zullen maken is dat het spectraal vlak is. Naast dit feft op zich, zal hetsynthesefilter kwantiseringsruis in het residusignaal nagenoeg optimaal maskeren [8]. De meest voor de hand liggende manier om datareduktie op het residusignaal te bewerkstel1igen is om het signaal in bandbreedte te bep~rken en de bemonsterfrequentie te decimeren met een bepaalde factor (2-8). Om een zlnvol excitatiesignaal voor het synthesefilter te verkrijgen moet dan het ontbrekende deel in het spectrum teruggewonnen worden uit het beschikbare signaal (de basisbandl, en de bemonsterfrequentie verhoogd worden naar de oorspronkelijke waarde door middel van interpolatie. Twee manieren om het ontbrekende spectrale deel zo goed mogelijk uit het basisbandsignaal terug te winnen zijn o.a. niet-lineaire vervorming en spectrale vouwing (3]. Bij spectrale vouwing bestaan de frequenties boven de basisband uit vouwprodukten van de basisband rond veelvouden van de gedecimeerde bemonsterfrequentie. Zie fig. 4. Een voordeel hierbij is dat het excitatiesignaal gegarandeerd een vlak spectrum heeft. Dit komt direct tot uiting in de goede kwaliteft die men op deze manier verkrijgt. Het rasperige karakter, dat kenmerkend is voor regeneratie met niet-lineaire vervorming. is verdwenen. Er is echter iets anders voor in de plaats gekomen n.l. een zwak blikkerig achtergrondgeluid dat in de literatuur bekend staat als "tonal noise". Oit effect wordt veroorzaakt door de niet-harmonische relatie tussen de vouwbanden en wordt sterker naarmate de decimatiefactor groter is en naarmate de pitch van de spraak hoger is. Onze ervaring is dat dft effect meer en maer
- 55
gemaskeerd wordt naarmate de orde van de LPC hoger is (zie ook [3J). Uitgaande van een bemonsterfrequentie van 8 kHz is bij een decimatiefactor 4 en 16-e orde LPC alleen nog "tonal noise" waar te nemen bij relatief hoge pitch, zoals bij vrouwestemmen.
Een 9.6 kbit/s coder met spectrale vouwing
In de 9.6 kbit/s uitvoering, zoals die in fig. 5 is weergegeven, vinden we in het signaalpad achtereenvolgens een 1 aagdoorlaatfilter (LDF), invers filter (INVFIL), decimatie (OCM). kwantisering en codering van het residusignaal (Q&COD), decodering van het residusignaal (DECOD), interpolatie (INT) en een synthesefilter (SYNFIL). rNVFIL en SYNFIL zijn 16-e orde filters. rNVFIL en LDF zijn van plaats verwisseld om een speciale reden. Vol gens de eerder gegeven beschrijving wordt het residusignaa1 in bandbreedte beperkt door het LDF. In di t geval zou men een vertragingscompensatie aan moe ten brengen in het coefficientenpad die overeenkomt met de vertraging van het LDF, om niet-lineaire effekten t.g.v. het periodiek verversen van de coefficienten (k1iks in het uitgangssignaal) te minimaliseren. Door nu het LDF voor INVFIL te plaatsen kan deze vertragingscompensatie in zijn geheel vervallen. De decimatie bestaat slechts uit het verlagen van de bemonsterfrequentie met een factor 4, n.1. van 8 kHz naar 2 kHz. Het gedecimeerde residusignaal wordt bloksgewijs gecodeerd. Van elke 40 monsters (20 msec) wordt de maximale amplitude A bepaald. Tussen A en -A worden dan 7 kwantiseringsnivo's uniform verdeeld. Het gekwantiseerde signaal wordt gecodeerd in 3 bits per monster en ~ wordt logarithmisch gecodeerd met 6 bits. In de ontvanger wordt na decodering van het residusignaal door de interpolator de bemonsterfrequentie teruggebracht naar 8 kHz door tussen elke twee monsters drie monsters tussen te voegen met amplitude nul. De LPC coefficienten worden bepaald volgens de autoc~rrelatiemethode. Hiertoe wordt het spraaksignaal eerst opgesplitst in over1appende segmenten (SGM). De segmenten zijn 240 monsters lang (30 msec). Elke 20 msec wordt zo'n segment afgesplitst waaruit dan 16 reflectiecoefficienten worden berekend. Hiertoe wordt eerst een Hamming-window (HW) over het segment aangebracht en vervolgens worden de eerste 17 autocorrelatiecoefficienten berekend (~COR). Met behulp van de z.g. Levinson-recursion (LREC) [5] worden dan de ref1ectiecoefficienten bepaald. Als bijproduKt levert LREC ook de a-coefficienten af, maar deze worden niet gebruikt voor transmissie omdat deze zeer gevoelig zijn voor kwantisering. De reflectiecoefficienten zijn dat in mindere mate. Een nog robuustere set van coefficienten zijn de Log-~rea-Ratio's (L~R's) die op eenvoudige wijze te verkrijgen zijn uit de ref1ectiecoefficienten [5J. Daarom worden de reflectiecoefficienten omgezet in L~R's en dan pas gekwantiseerd (CODR&Q). De uiteindelijke bitallocatie is gegeven in Tabel 1. Zowel in de zender als in de ontvanger worden de lAR's op fdentieke wijze gedecodeerd (DECODR) en omgezet in a-coefficienten met behulp van de z.g. "step up" reclJrsie (STPUP) [10J ,zodat INVFIL en SYNFIL exact elkaars inversen blijven. De 9.6 kbit/s .seriele bitstroom wordt verkregen door multiplex van de verschillende signalen en geschikte formatting onder toevoeging van 2 bits per frame voor frame-synchronisatie van de ontvanger (MUX & FRM).
- 56 -
Hardware implementatie
De spraakcoder wordt geimplementeerd in een parallelprocessing configuratie zoals geschetst in fig. 6. De configuratie bestaat uit een aantal paral1elle signaalprocessoren P (NEe uPD7720) die met elkaar kunnen communiceren over een 8 bits brede databus, en die via een seriele interface (SI,SO) kunnen communiceren met de buitenwereld, zoals bijv. A/D en D/A converters en modems. Aan elke processor is een I/O controller toegevoegd die het busverkeer regelt. Bij deze I/O controller behoren een aantal (microprogramma) routines, zoals o.a. een zendroutine en een ontvangroutine, die als subroutines aanroepbaar zijn in het microprogramma. Op deze wijze wordt de communicatie tussen de processoren volledig software-matig geregeld. Oe timing is gemeenschappelijk yoor alle processoren en onafkankelijk van het aantal processoren dat aan de bus geschakeld wordt en onafhankelijk van de geprogrammeerde algorithmes. Voor de implementatie van de beschreven spraakcoder zijn vier processoren nodig voor de zender en twee voor de ontvanger. Om een goede indruk te verschaffen van de complexiteit zij vermeld dat de uPD7720 verpakt is in een 28-pins huis en ca. 1 Watt consumeert. Een 1/0 controller omvat slechts enkele tientallen logische poorten.
Robuusthe1d
Een spraakcoderingssysteem staat in de praktijk bloot aan verschillende ongewenste invloeden van buitenaf. We bedoelen o.a. achtergrondgeluid dat tesamen met het spraaksignaal~het systeem binnenkornt, bandbreedtebegrenzing van het ingangssignaal bijv. door het gebruik van een koolmicrofoon en het optreden van bitfouten t.g.v. storingen in het transmissiekanaal. Afgezien van het gebruik van ruisonderdrukkingstechnieken, verdient het de voorkeur als de spraakcoder achtergrondgeluiden zo natuurgetrouw mogelijk overdraagt. Het is duidelijk dat golfvormcoders dit het beste kunnen omdat hierbij de golfvorm zo goed als mogelijk wordt overgedragen. Vocoders zijn het meest gevoelig in dit opzicht. Zij kunnen uitsluitend spraakachtige klanken synthetiseren. Bovendien kunnen de pitchmeting en de stemhebbend-stemloos beslissing verstoord worden waardoor totaal verkeerde klanken worden gesynthetiseerd. Bij nybride coders hangt deze gevoelighefd af van de configuratie van de coder. De Residual Excited coder presteert goed 1n dit opzicht vanwege de hoge mate van transparantie. Bandbreedtebegrenzing van het signaal bij golfvormcodering heeft nagenoeg geen invloed op de werking van de coder. Bij vocoders is deze het gevaarlijkst als ze plaats vindt in het laagfrequente deel van het ingangssignaal. Sommige pitch extractors gaan hierdoor grote fouten maken. Bij hybride coders hangt de invloed weer af van de configuratie. Bij de Residual Excited coder met spectrale vouwing heeft bandbreedtebegrenzing aan de onderzijde van het spectrum tot gevolg dat er gaten vallen in het spectrum van het excitatiesignaal. Alhoewel dit objectief gezien een ernstig nadeel lijkt, valt het subjectieve kwaliteitsverlies echter wel mee. De invloed van bitfouten kunnen we in kort bestek als Yolgt karakterisereno In het algemeen zal de verstaanbaarheid van een spraakcoder gradueel afnemen met een toenemend percentage bitfouten, tot een bepaald kantelpunt waarboven de verstaanbaarheid snel zal afnemen. De orde van grootte van dit kantelpunt ligt bij golfvormcoders op 3%, bij
- 57 -
hybride coders op 1% en bij vocoders op O.3t. Door het toepassen van foutprotectietechn1eken kan men deze cijfers verbeteren ten koste van een relatief Kleine verhoging van de bit rate.
Samenvatting
Spraakcoderingssystem~n kunnen ruwweg worden onderverdeeld in drie categorieen: golfvormcoders, hybride coders en vocoders. Golfvormcoders zijn relatief eenvoudig en ~unnen worden toegepast voor bit rates hoger dan 16 kbit/s. Bij lagere bit rates is de spraakkwaliteit onvoldoende. Vocoders zijn veel complexer en worden toegepast op bit rates lager dan 5 kbit/s. De spraakkwaliteit is bescheiden. In het tussenlfggende bit-rate gebied wordt de beste spraakkwaliteit verkregen met hybride coders die zowel gebruik maken van golfvormcoderingstecnnieken als van vocodertechnieken. Voor mobiele radiocommunicatietoepassingen staat de spraakcoder bij een afstand van 25 kHz tussen de radiokanalen maximaal 16 kbit/s ter beschikking, zodat hiervoor de hybride coders de meeste perspectieven bieden. Tussen de verschillende types hybride coders zijn significante verschillen wat betreft spraakkwaliteit en complexiteit. Alhoewel Multi-pulse Excited LPC telefoonkwaliteit op 9.6 kbit/s kan bewerkstelligen. is in de huidige technologie dit systeem vooralsnog te complex voor mobiele realisatie. Een relatief eenvoudig en robuust systeem is Residual Excited LPC, dat gerealiseerd kan worden in een klein aantal huidige signaalprocessoran. Hat blfjkt mogelijk om met een zorgvuldig gekozen uitvoeringsvorm van Residual Excited LPC telefoonkwalfteit te benaderen op een bit rate van eveneens 9.6 kbit/s. Deze bit rate geeft aanleiding tot 15 kHz kanaalafstand.
- 58 -
literatuur
I.K.S. Chung and l.E. Zegers Generalized Tamed Frequency Modulation Philips Journal of Research Vol.37 No.4 lq82
2.0. Muilwijk Nieuwe Modulatievormen voor het Mobiele Radiokanaal Deze Uitgave
3.V.R. Viswanathan, A.L. Higgins Design of a Robust lPC Coder for Speech Transmission over 9.6 kbit/s Noisy Channels IEEE Trans. on Com. Vol.Com-30 No.4 April 1982
4.J.l. Flanagan et al. Speech Coding IEEE Trans. on Com. Vol.Com-27 No.4 April 1979
5.R.W. Schafer and J.D. Markel Speech Analysis IEEE Press New York 1978
6.H. Duifhuis, l.F. Willems and R.J. Sluyter Measurement of Pitch in Speech: An Implementation of Goldstein's Theory of Pitch Perception J. Acoust. Soc. Am. 71(6) June lq82
7.R.E. Crochiere, R.V. Cox and J.D. Johnston Real-Time Speech Coding IEEE Trans. on Com. Vol.Com-30 NO.4 April 1982
8.B.S. Atal Predictive Coding of Speech at low Bit Rates IEEE Trans. on Com. Vol.Com-30 No.4 April 1982
9.B.S. Atal A New Model of LPC Excitation for Producing Natural-Sounding Speech at Low Bit Rates Proc. IEEE Int. Conf. on ASSP Paris May 1982
IO.J.D. Markel and A.H. Gray Linear Prediction of Speech Springer-Verlag New York 1976
- 59 -
Basisband: f=2kHz, 3 bits/monster 6.0 kbit/s
LPC: LAR(l:2) LAR(3:4) LAR(5: 10) LAR(ll: 16)
2*6 bits 2*5 bits 6*4 bits 6*3 bits
Totaal 64 bits/20msec 3.2 kbit/s
AmplJtude 6 bits/20msec 0.3 kbit/s
Synchronisatie 2 bits/20msec 0.1 kbit/s
Totaal 9.6 kbH/s
Tabel 1. Bit allocatie
SPRAAKCODERING
7~ 2.!B!'£R~O!!l!N~OD~'fI.l~~I'-!1N!'!<G l.?;O~~!.E~IIil~~C:l.!OlLE!<.l!w1o.l:!.!<. ,
kbit/s ,10 kbit/s, 100 kbit/s I I IHYBRIDE I ICODERING ,
BIT RATE}-. KWALITElT
Fig. 1 Drie categorieen spraakcoders
PITCH PERroDE ,.........-.
t t t t
AI 4"" .. dp,y) . .. 4 .. ¥ 1¥
WITTE RUIS COEFFICIENTEN
Fig. 2 Spraakproduktiemodel
SYNTHETISCHE SPRAAK
- 60 -
RE5IDU EXCITATIE SPRAAK SIGNAAL SIGNAAL -,.-r------~l-)_ .... - - - - -
COEFFlCIENTEN
Fig. 3 Residual Excited LPC
{a}
t
SYNTHETISCHE 5PRAAK
a) RESIDU -B1DECIMATIEr- --1NULLEN INTERPOLATIEj-+ EXCITATIE
o fJ4 BA\ISBtND
BEMONSTER FREQUENTIE (f)
~ a} Basisbandtransmissie en spectrale vouwing b) Schematische weergave van het gevouwen spectrum
Fig. 5 Blokschema van de 9.6 kbit/s coder
TIMINGk===flTok===:fil7Ol== - - _. -"--"-=-t
51 so
DATABUS
Fig. 6 Parallel proceSSing configuratie
- 61 -
NIEUWE MODULATIEVO~~N VOOR HET
MOBIELE-RADIOKANAAL
ir. D. Muilwijk
2.3
De auteur is werkza~~ bij de afdeling Voorontwikkeling
Radio van PhilipsJ Telecommunicatie Industrie te Huizen.
1. INLEIDING
De stijgende vraag naar mobiele communicatie ver
oorzaakt een steeds grotere druk op het voor mobiele
radio beschikbare deel van het radiospectrum. Een ba
sisfactor in dit probleem van toenemende vraag en
schijnbaar beperkt aanbod is het geografisch herge
brui~ van radiokanalen. De effectiviteit van dit her
gebruik wordt in belangrijke mate bepaald door de toe
gepaste modulatiemethode .. In het eerste deel van deze
bijdrage zal dit aan de hand van een model voor mobiele
radiocommunicatie nader worden toegelicht. Uit deze
beschouwing voIgt op welke wijze en in welke mate de
modulatiemethode en enkele andere systeemgrootheden
de spectrUffibenutting bepalen.
Uitgaande van de beschouwingen over het wodel en
enkele toegevoegde overwegingen zullen dan enige eisen
worden opgesteid die aan een modulatiemethode voor
mobiele radio zijn te stellen.
- 62 -
Het tweede deel van deze bijdrage behandelt een vrij
nieuwe ~lasse van digitale modulatiemethoden, de zg.
correlatieve fasemodulatie (CPM). Er zal worden aange
toond dat enkele vertegenwoordigers uit de behandelde
klasse een goed antwoord geven op de gestelde eisen.
Tevens hlijkt dat deze klasse van modulatiemethoden de
mogelijkheid biedt de spectruwbenutting (en dus de ca
paciteit van netwerken) te vergroten tegen de prijs van
grotere complexiteit in zender en ontvanger. Deze grote
re complexiteit komt door de toenemende prestaties van
gelntegreerde circuits (VLSI) steeds meer binnen de mo
gelijkheden te liggen.
Het tweede deel van deze bijdrage is niet een strikt
logisch vervolg op het eerste deel in die zin dat hier
aangetoond zou worden dat een digitale modulatiemethode
uit de behandelde klasse het beste antwoord is op de ge
stelde eisen - met name de voor- en nadelen van digitale
versus analoge modulatie zijn geen ondenlerp van deze
voordracht. Met betrekking tot deze keuze zij in deze
inleiding slechts opgemerkt dat een digitale overdracht
van de spraak voor toekomstige wobiele radiosystemen
steeds aantrekkelijker wordt, gezien de a't.gemene trend
naar digitale communicatie in het telefoonnet, het steeds
stijgende aandeel van digitaal verkeer in mobiele commu
nicatie (zowel signalerings- en besturingsverkeer t.h.v.
het systeem, als ook dataverkeer van gebruikers) en de
toenemende prestaties bij het digitaal coderen van
spraak.
2. DE SPECTRUMBENUTTING IN MOBIELE RADIOCOMMUNICATIE
2.1 Een model vocr mobiele radiocomFunicatie
Het model veronderstelt radiocommunicatie tussen
mobiele posten IMP) en vaste posten (VP); het verkeer
wordt via de vaste posten in het draadgebonden net ge
leid, zie fig. 1. Zoals verder zal blijken zijn deze
vaste posten met hun verbinding naar het draadnet van
wezenlijk belang voor het spectrurn.gebruik.
- 63 -
Het antwoord op de vraag, hoe de VP's over het opper
vlak verdeeld moe ten worden om volledige bedekking,door
verzorgingsgebieden te krijgen en toch de overlappinqsge
bieden zo klein mogelijk te houden,blijkt te worden ge
vonden door een verde ling van het oppervlak in zeshoekige
cellen (Ref. 1), zie fig. 2. Door de verzwakking van het
eleetromaqnetische veld op grotere afstand kan een bepaal
de frequentie op enige afstand opnieuw worden gebruikt.
,/ --, I ~~\
I tJ "\ \x. J
x... / --
Xu MP
Fig. 1 Schewat1sering van mobiele radiocommunicatie
I
£3
Fig. 2 Netopbouw wet zeshoekige verzorgingsgebieden
l
Dit biedt de mogelijkheid een bepaald patroon van frequen
tiegebruik waarin juist alle frequenties genmaal gebruikt
worden, tot in het oneindige te herhalen. ledere verbin
ding zal nu in hoofdzaak door zes andere verbindingen op
dezelfde frequentie gestoord worden. De invloed van deze
storing bepaalt hoe dichtbij ~etzelfde kanaal weer herhaald mag worden.
Een eel, met de zes storende zenders, is weergegeven in f1g. 3.
De belangrijke parameters van het model zijn
Celstraal (- verzorgingswijdte
van een VP) de Afstand VP tot storende VP's' ds Geografisehe dichtheid MP'sD
£3
- 64 -
Verkeer per ~,p
Stagnatiekans voor een
verbinding
Informatie per verbinding
Modulatie bandbreedte
Zendvermogen
Antennediagram
a Erlang (drukke uur)
Ws bronsignaal met basisband-
breedte Eo' moet overgedragen
worden met minimale signaal/
storingverhouding Po min
B
p 2;
rondstraler in horizontaal vlak
De grootheden "verkeer" en "stagnatiekans" zijn idem
tiek met de overeenkomstige begrippen uit de telefoon
wereld. (Het antennediagram kan de spectruwbenutting sterk
beinvloeden; ter vereenvoudiging is echter een rondstraler
verondel:steld. )
Het bronsignaal met bandbreedte O-Bo wordt getransfor
meerd in een transmissiesignaal met bandbreedte B, vaak is
B # Bo. Deze modulatie heeft consequenties voor de sig
naal/storingsverhouding en het benodigde spectrum;
I I
/" --,
..... --,; ds
Fig. 3 eel omringd door storende cellen
VP
.. '" ., -
~r 40 ;,'" ,.
~~o
30
20
10
30 --Signaal/storing in transm.band B:p(dB)
Fig. 4 Het verband ~usse:1 Po .en pals
functie van B voor Ft1 o
- 65 -
het verband tussen de signaal/storing verhouding p op
de tra~smissieweg (bandbreedte B) en de hieruit in de
ontvanger na detectie ontstane signaal/storing verhou
ding p (bandbreedte B ) is een functie van de band-o B 0
breedteverhouding a-' o
Van dit verband is in fig. 4 een voorbeeld gegeven.
Verdere voorbeelden zijn te vinden in Refs. 2 en 3.
Uit de figuur blijkt, dat een grotere: bij gelijk-o
blijvende signaal/storing verhouding p in de transmis-
sieband een betere Po in de basisband oplevert.
2.2 Bepaling van de benodigde bandbreedte uit het model
We berekenen de storing die wordt ondervonden in
de verbinding van vaste naar mobiele post (zie fig. 3).
Het ontvangen gewenste vermagen Po bedraagt :
P = (~) o d P z (1)
waarin d een referentieafstand is. Gerekend is met r
12 dB afval van de veldsterkte bij afstandsverdubbe-
ling. In de praktijk blijkt nog dat Po een stochas
tische variable is, maar we laten hier de fluctuaties
buiten beschouwing. Van de zes storende zenders wordt
een stoorvermogen N ontvangen
(2)
waarbij is gerekend met de minimale afstand tot een
stoorzender, n is een factor < 6. Wanneer nu het zend
vermogen zo groot is, dat we aIleen met onderlinge
storing te rekenen hebben, dan vinden we in de trans
missieband Been signaal/storing verhouding p, volgend
uit deling van (1) en (2), ter grootte :
- 66 -
p (3)
Veer de grens van de eel, ep ~fstand de van de VP, wordt
dit de roiniroaal te leveren Proin
(d -d )" _ s e
nd .. e
Hieruit voIgt voor de grensreikwijdte de
d .. e
(d -d )4 S e
(4)
(5)
Nu is ds de afstand waarep in een VP dezelfde kanaalfre
quentie weer herhaald wordt, de MP's van deze storende VP
bevinden zieh minimaal op afstand (ds-de ) van de beseheuw
de VP. Over het oppervlak n(d -d )2 kunnen aIle kanalen s e 2 a 3 maal uitgegeven worden, de vermenigvuldigingsfaetor
(stel v) bedraagt
nemende :s tot 3, e
benodigde kana len
ea. 2 veor kleine en stijgt met toe-
zie ook Ref. 1.~Voor het totaal aantal
M voIgt dan :
vM (6)
m is hierin het kanaalrendement, dat is het aantal Erlang/
kanaal dat een stagnatiekans Ws oplevert. Stellen we de
totaal benodigde bandbreedte F, dan is :
F ME (7)
Combinatie van (5), (6) en (7) levert nu met een bepaalde
hergroepering van de faetoren :
ji d s I.h.a. is -- geen continue variabele de
(8)
- 67 -
We zullen nu de verschillende factoren uit (8) nader
analyseren : ~ en In zijn nagenoeg constante factoren en v
verder weinig interessant, weI dient nog vermeid dat n af-
hangt van het stralingsdiagram van de antennes.
Het benodigde spectrum is evenredig met m- 1 , het
kanaal- of bundelrendement. Uit de telefoontechniek is be
kend dat om een goed bundelre~dament te krijgen hat aantal
kana len per VP tameIijk groat moet zijn. De middelen om
via het bundelrendement het spectrumgebruik te verminderen
zijn : ordening en schaalvergroting.
De volgende factor in F is d 2 : het spectrumgebruik c
is evenredig met het celopperviak. Vandaar dat in de plan-
nen voor nieuwe systemen zo vaak het begrip celverklein
ing (small-cell) voorkomt.
Zeer interessant is de factor in F gevormd door de
combinatie B/Pmin , Zoals we zagen is Pmin een functie van
Po min (basisband) en de verhOUding: (oak weI bandbreed-o
teexpansiefactor geheten)" Het verband is zodanig, dat als
B groter wordt, volstaan kan worden met een kieinere Pmin am te voldoen aan de vereiste Po min" Dit houdt in, dat er
mogelijkheid tot optimalisatie is. De ligging van het op
timum hangt af van de modulatiemethode en de vereiste
Po min' We zullen hier niet voor verschillende modulatiemethoden dit optimum analytisch bepalen. maar ons beperken
tot een numeriek voorbeeld voor FM. Stel, de vereiste sig-
naal/storing verhouding Po min in het basisbandsignaal be
draagt 34 dB. Maken we: = 5, d.w.z. een kanaalbreedte o
van 15 kHz voor spraak, dan is
Pmin in de
15.10 3 /160
transmissieband 22
19.10". Maken we
veel groter, b.v. 60 kHz met
volgens fig, 4 de vereiste
dB. B/Pmin bedraagt dan
de transmissiebandbreedte
20, dan is de vereiste
0min veel kleiner n.l. ongeveer 9 dB, hierbij bedraagt
B/Pmin 60.10 3 /8 = 17.10', dat is dus iets minder dan bij
15 kHz : het benodigde spectrum is dus ook minder, ondanks
de veel grotere kanaalbreedte ! Het optimum. voor B blijkt
- 68 -
tussen de gekozen waarden in te liggen, n.l. bij
: ~ 10, dat is 30 kHz bandbreedte. Dan is juist o
Pmin = 10 nodig en we vinden a/Pmin 30.10 1• 110
9,5.10'. Een analytische bepaling van het optimum is
te vinden in Ref. 2. Een duidelijke conclusie is, dat
een kleinere kanaalbreedte kan leiden tot grotere be
nodigde bandbreedte, bij nadere beschouwing voIgt ook
dat meer bandbreedte nodig is bij hogere kwaliteit van
de verbinding.
Optimalisatieberekeningen kunnen worden verricht
voor verschillende soorten modulatie, hiervoor zij ver
wezen naar Ref. 3. Vermeldenswaard is echter dat
uit de beschouwingen in Ref. 3 voIgt dat bij een rede
lijke kwaliteit de spectrumbenuttingen voor analoge FM
met 25 kHz kanaalbreedte (een gebruikelijke waarde in
mobiele radio) en voor digitale overdracht via delta
modulatie vergelijkbaar zijn, mits voor digitale
transmissie volstaan kan worden met een bandbreedte
die ongeveer gelijk is aan de bitsnelheid.
Het benodigde spectrum blijkt voorts evenredig te
zijn met aD. Daar D een (geografische) gcorulkers
dichtheid is, is aD een soort gespreksdichtheid, uit
te drukken in Erlang/m2 ; het benodigde spectrum is
dus evenredig met deze gespreksdichtheid.
2.3 Een maat voor de spactrumbenutting
Ean goede maat voor de spectrumbenuttlng is te
geven door te stellan dat de benutting beter is naar
mate per bandbreedtaeenheid een grotere gespreksdicht
heid kan worden verwerkt.
De maat wordt dan :
Spectrumbenutting = Erlang/Hz m2•
3. EISEN VOOR DE MODULATIEMETHODE
Uit de beschouwingen over de spectrumhenutting in
het voorgaande voIgt, dat een efficiente modulatie-
- 69 -
methode sen zo 1aag mogelijke waarde van het product
B/p moet toelaten ! een kleine bandbreedte moet bij
voorkeur samengaan met een lage waarde voor de toelaat
bare signaal/storing verhouding. Storing mag hierbij,
globaal genomen, ook als witte ruis worden gedacht.
Onder bandbreedte is hier te verstaan het voer over
dracht essentials deel van het spectrum, dat zo'n 95 a 99% van het vermogen bevat. Buiten deze band moet bo
vendien de spectrale dichtheid zeer snel dalen am aan
de hoge eisen van nevenkanaalemissie te kunnen voldoen,
die bij mObiele radio gesteld worden; de bandbreedte
waarbij het vermogensspectrum tot 60 a 80 dB is gedaald
is daarom eveneens een belangrijk criterium.
Een belangrijke eis voIgt voorts uit de overweging
dat de zender van een mobiel radio-apparaat een hoog
rendement moet hebben, d.w.z. de eindtrap is ver uitge
stuurd en werkt in het niet-lineaire gebied. In de prak
tijk betekent dit dat het gemoduleerde signaal bij voor
keur een constante amplitude moet hebben, daar anders
de niet-lineaire sindtrap hst spectrum te zeer zou ver
breden, waardoor de nevenkanaalemissle te hoag zou war
worden (een filter op de eindfrequentie is i.h.a. niet
mogelijk).
Vooral voor toekomstige netwerken voar mabiele com
municatie is het van groat voordee1 als de toegepaste
madulatiemethode zich goed laat combineren met dataver
keer en met versleuteling van de spraakinformatie; dit
wijst naar een digitale methode, mits een spraakcode
ring met voldoende lage bitrate beschikbaar is (zie
bijdrage 2.2 van deze leergang).
4. CORRELATIEVE FASEMODULATIE
4.1 Inleiding
De basisvormen van digitale modulatie met con
stante omhullende zijn Phase Shift Keying (PSK) en
Frequency Shift Keying (FSK). De informatiedragende
variabele in deze signalen is de fase.
- 70
In fig. 5 a en b zijn de fasen van PSK en FSK ge
schets.t. Bij PSK is de fase evenredig met de waarde
van het digitale ingangssignaal. Bij FSK is de momen
tele frequentie evenredig met het ingangssignaal; de
fase is dan evenredig met de integraal van het in-
TS J:... Ts
a) PSK b) FSK
c) CPFSK
t -- d) MSK
Fig~ 5 Digitale modulatiemethoden met constante amplitude
gangssignaal. Het is nuttig
de fase van FSK continue te
maken. z.g. Continuous
Phase FSK (CPFSK), zie fig.
Sc. Dit heeft twee voorde
len : een smaller spectrum
t.o.v. PSK en discontinue
FSK wegens de verdwenen
discontinulteiten in de
fase en in principe een
betere bestandheid tegen
storing, daar de continue
fase een zeker geheugen in
troduceert. Bij CPFSK kan
nl. de kans op correcte de
tectie van het faseverloop
in een bepaald symboolinterval worden vergroot door
de fase veer en na dit interval in het detectiepro
ces te betrekken (Ref. 4). Het eerste praktische ge
bruik van dit principe stamt uit ! 1970; de betref
fende modulatiemethode is bekend onder de naam Minimum
Shift Keying (MSK, Ref. 5). Het faseverloop van MSK
is geschetst in fig. 5d.
4.2 Het principe van CPM
In het bestek van deze bijdrage is het niet moge
lijk alle aspecten verbonden aan het principe, de ge
neratie en de detectie van CPM signalen - zelfs in lei
dend - tot hun recht te laten komen. Slechts de ba
sisideeen kUnnen worden beschreven. Voar uitgebreider
informatie wordt verwezen naar de aangegeven litera
tuur.
- 71 -
In ~orrelatieve Fasemodulatie, naar het engels afgekort met ~PM, zijn twee princlpes die we bij CPFSK al
enigszins vorm zien krijgen, nag verder doorgevoerd : het
"geleidelijk:." maken, of afvlakken, van het faseverloop
(mathematisch uitgedrukt : maak zoveel mogelijk:. hogere af
geleiden continu) en het aanbrengen van geheugen in het
faseverloop. Bij CPM wordt dit bereikt door de faseverandering die wordt veroorzaakt door een bepaald ingangssym
bool uit te smeren over meer dan een symboolinterval.
Door dit uitsmeren zijn de resulterende faseveranderingen
per ~nterval niet langer onafhankelijk, maar gecorreleerd.
De amplitude van de faseverandering per symbool (de modu
latieindex), de mate van afvlakking en de mate van corre
latie kunnen xo worden gedimensioneerd dat aan bepaalde eisen voor bandbreedte en/of bestandheid tegen storing kan
worden voldaan. Om dit nader te kunnen preciseren zander
gebruik:. van mathematische formulering is het nuttig het
basisprincipe van een CPM modulator te beschouwen. Dit
principe is weergegeven in fig. 6. Het premodulatie
fig. 6 Basisprincipe CPM modulator
netwerk in fig. 6 zet de
digitaie M-waardige in
gangsimpulsen om in im
pulsen g{t) die i.h.a.
langer zijn dan een symboolinterval. In het aldus ge
vormde premodulatiesignaal zijn de signaalamplitudes in
opeenvolgende intervallen gecorreleerd. V~~r het premodulatienetwerk kunnen technieken worden toegepast die bekend
zijn uit de basisbandtransmissie, zoals correlatieve
codering en z.g. ·partial response" technieken. Het premo
dulatiesignaal wordt toegevoerd aan een frequentiemodula
tor; de gevoeligheid van deze modulator bepaalt de modula
tie-index. Tar lllustratie van de mogelijkheden van CPM
zljn in fig. 7 enkele voorbeelden gegeven van g(t) en het
daaruit volgende faseverloop bij een binair ingangssignaal en modulatie-index h=O,S. De modulatie-index is hier gede
finieerd als de totale faseverandering in eenheden rr ver
oorzaakt door een symbool met de laagste positieve ampli
tude; bij h=0,5 dus rr/2.
a) MSK
g~
!J T
b) Duobinary CPM :
- 72 -
c) Tamed F-requency Mod_ (TFM)
T~~ 1 1 0
/ T
dl Raised Cosine over 4T (4RAC) :
,~.·l~:~ 2T T
Fig. '] Vc,orbecLden van binalre CPM me~ l!l:dexO.S
In fig. 7a is als referentie de reeds vermelde methode MSK
gegeven. In fig. 7b is duobinaire CPM weergegeven, een
voorbeeld van uitsluitend een correlatieve codering als
premodulatiebehandeling (zie Ref. 6), waarbij het ingangs
symbool over twee interval len wordt uitgesmeerd en de
pulsvorm rechthoekig blijft. Uit het faseverloop van duo
binaire CPM is af te leiden dat er correlatie tussen opeen
volgende interval len is : een stijgende fase kan bijv.
nooit onmiddellijk door een dalende fase worden gevolgd.
Ook is duidelijk te zien dat voor dezelfde ingangsreeks de
fase van duobinaire CPM veel geleidelijker verloopt dan
bij MSK, terwijl het globale verloop van de fase gelijk
is. Een volgende stap in het afvlakken van het faseverloop
is de keuze van een g(t) die niet meer rechthoekig is. Een
van de mogelijkheden is het uitgangssignaal van een corre
latieve-codeerinrichting door een laagdoorlaatfilter te
sturen. Een voorbeeld hiervan is gegeven in fig. 7c, z.g.
Tamed Frequency Modulation (TFM) zie Ref. 7. TFM ontstaat
door een correlatieve codering, die het ingangssymbool
over drie interval len uitsmeert (zie de stippellijn in
get) van fig. 7c - in het middeninterval is de amplitude
2x zo groot ala in de randintervallen) gevolgd door een
filter met Nyquist-III karakteristiek. Na een Nyquist-III
- 73-
filter is de integraal van de responsie over een interval
onafhankelijk van de naastliggende responsies, hierdoor
wordt bereikt dat rta de frequentiemodulator de fas~waarden
aan het einde van de symboolintervallen op vaste punten
Itggen: bij TFM zijn dit veelvouden van n/4. TFM kan
worden gerekend tot een klasse van CPM methoden die alle
gekenmerkt zijn door een correlatieve codering (ook niet
lineaire), gevolgd door een Nyquist-III filter: z.g.
Correlative Phase Shift Keying (CORPSK, Ref. 8). Bij
CORPSK signalen ligt aan het einde van ieder symboolinter
val de fase precies op een waarde k.2n/n (k en n geheel):
dit vergemakkelijkt de regeneratie van de draaggolf in het
geval van coherente detectie (zie paragraaf 4.5). Het
laatste in fig. 7 gegeven voorbeeld is een z.g. "raised
cosine" impulsvorm, die zich hier uitstrekt over 4. sym
boolintervallen: we zullen dit aangeven met 4-RAC. Ook
hier verloopt de vorm van get) zeer geleidelijk. In tegenstelling tot TFM gaat bij RAC impulsen de fase aan het
einde van de interval len niet door vaste punten. CPM met
RAC impulsen is uitgebreid behandeld in Ref. 9.
In fig. 8 is te zien hoe voor de behandelde voorbeel
den de pulsvorm get) invloed heeft op het spectrum. Het
is duidelijk, dat
-20
PDF (dB)
I -'0
-60
o
, ., ~ " . ,
\ ' . , \. \, .... , .)'ISK \.,\ . ".../
0.5
" \ I' \ ~ ......... \ .
I , --OUOBIN. CI'M
I • • , TFM
" ~
1 -(f-fbit ) Ifbit
Fig. 8 Spectra van CPM signalen
naarmate de pulsvorm
geleidelijker verloopt
he.t spectrum smaller
wordt en - ~at voor
mobiele radio zeer be
lanqrijk is - sneller afvalt. Ret spectrum
voor de 4-RAC puIs is in fig. 8 niet gete
kend, maar is nagenoeg
gelijk aan dat van TFM.
Ret is verder belangrijk te weten
welke invloed de vorm
- 74 -
van g(t) op de bestandheid tegen storing heeft. Nemen
we MSK als referentie (hiervoor is de foutenkans 10-4
bij een signaal/ruisverhouding van ongeveer 8,5 dB)
dan blijkt dat, bij kleine foutenkans, duobinaire CPM
0,6 dB meer signaal vereist, TFM 1 dB en 4-RAC 1,2 dB.
De winst in spectrum heeft dus hier een kleine achter
uitgang in de bestandheid tegen storing geeist.
4.3 De belangrijke parameters in CPM
AIle CPM signalen hebben een constante amhullende.
en continue fase. Naast deze vaste gegevens zijn er
variabelen die grate invloed hebben op spectrum en be
standheid tegen storing. Er is in de eerste plaats de
modulatieindex h : hoe grater h, hoe grater de band
breedte en - tot bepaalde hoogte - hoe beter de be
standheid tegen storing. Boven bepaalde waarden van h
gaat de verbetering niet meer op, daar fasewaarden met
verschil 2~ niet van elkaar zijn te onderscheiden. In
de tweede plaats zijn belangrijke grootheden de vorm
en lengte van g(t) : bij langere en geleidelijker
verlopende g(t) wordt (voor dezelfae h) het spectrum
smaller en neemt de bestandheid tegen storing iets af,
zoals we ook in de voorbeelden zagen. Deze afname is
echter zo gering, dat Lh.a. bij vergroting van h tot
zodanige waarde dat de bandbreedte weer toeneemt tot
de oorspronkelijke waarde, dit een winst aan bestand
heid tegen storing oplevert. Voorbeelden hiervan zijn
te vinden o.a. in Ref. 9. Deze winst neemt nog toe in
dien bovendien het aantal ingangsniveau's groter
wordt gekozen, dus bijv. van binair via quaternair
naar octaal. oat deze winst ons niet voor niets in de
schoot valt zal duideIijk worden als oak de antvanger
voor CPM signalen nader wordt bezien.
4.4 De ontvanger voor CPM
Een ontvanger, resp. detector, levert de maxima Ie
presta tie als alles wat a priori over het signaal be
kend is volledig wordt uitgebuit. V~~r een CPM sig-
- 75 -
naal kan zo'n optimale ontvanger bestaan uit een correlatorbank ~aarin het binnenkomend signaal wordt gecorre
leerd met alle mogelijke signaalrealisaties (de z.g. replica) over een nog nader te definieren aantal symboolin
tervallen. Hiertoe is nodig dat al deze signaalrealisa
ties synchroon met het ingangssignaal in de ontvanger
worden gegenereerd. Dit is mogelijk als uit het ontvangen
signaal eerst draaggolf en klokfase worden teruggewonnen.
Het basisschema van een CPM ontvanger is gegeven in fig.
9. Een ontvanqer volgens het basisprincipe kan vaak aan
zienlijk worden vereenvoudigd door toepassinq van het
Viterbi Algorithme (Ref. 10).
(reg .=reqenerator}
Fit). 'it Bas1sschema coherente CPM ontvanger
Een goedemaat voor de complexiteit van een CPM ont
vanger is het aantal correlatoren dat nodig is om het signaal optimaal te detecteren volgens het basisprincipe.
Het zal duidelijk zijn dat dit aantal correlatoren snel
stijgt als de lengte van de premodulatieimpuls g(tl toe
neemt, daar het correlatieproces zich minstens moet uitstrekken over het aantal symboolintervallen van g(t) en
het aantal mogelijke signaalrealisaties exponentieel
met de lengte toeneemt.
Ter illustratie zijn in Tabel 1 een aantal CPM metho
den gegeven met hun presta ties op het gebied van bandbreedte en bestandheid tegen storing (Pl, en de comple
xiteit uitgedrukt in het aantal correlatoren in de opti
male ontvanger.
Uit de tabel blijkt dUidelijk dat voor hogere pres
taties betaald moet worden met grotere complexiteit.
Gelukkig is het niet nodig voor alle typen CPM zo'n
ingewikkelde correlatieontvanger te gebruiken. Het blijkt
dat de eenvoudige typen binaire CPM, zoals MSK, TFM,
~ 76 ~
Mod. B(-60dB) P Complex-Type index (:fbit) ref.=MSK iteit eenzijdig
MSK 0,5 'I. 9 0 dB 4
duobinair 0,5 6 -0,6 dB 8 TFM 0,5 1 -1 dB 16
binaire 4-RAC 0,5 1,1 -1,2 dB 32
binaire 6-RAC 0,8 1 +1,1 dB 128
quaternaire CORPSK 0,5 1 +2,4 dB 128
quaternaire 3-RAC 0,5 1 +2,2 dB 128
octale 3-RAC 0,5 1 +4 dB 1024
Tabel 1, Prestatie en complexiteit van enkele
CPM methoden (P=bestandheid tegen storing)
3-RAC of 4-RAC met een eenvoud1ge ontvanger te detec
teren z1jn (zie ref. 7 voor TFM). Deze ontvanger be
staat uit een coherente demodulator gevolgd door een
l.d. filter en een bemonsterschakeling - z~e fig. 10.
VoOr TFM zijn de prestaties van deze ontvanger bij een
juiste d1mensionering van bet filter niet van de opti
male ontvanger te onderscheiden (Ref. 8)
(reg. ""regenerator)
F.1g ~ 10 Eenvoudiqe ontvanger voor TFM
5. PERSPECTIEVEN
Ook niet-cohe
rente detectie van
CPM signalen is mo
gelijki dit onder
werp zal hier niet
verder worden be-
handeld.
Uit praktische proeven is gebleken dat TFM, gecom
bineerd met 16 kb/s deltamodulatie, voor mobiele radio
een kanaalafstand van 25 kHz mogelijk maakt en qua
prestatie nagenoeg op hetzelfde niveau ligt als analoge
- 77 -
FM met.dezelfde kanaalafstand. Weliswaar is bij grote sig
naal/storing verhouding de kwaliteit van FM wat hoger
wegens het ontbreken van kwantiseringsruis, maar bij nog
juist acceptabele storing is TFM/DM licht in het voordeel.
Gezien de faciliteiten die door digitale overdracht ont
staan, kan dit als een belangrijke vooruitgang t.o.v.
analoge FM worden aangemerkt.
Door keuze van een CPM methode die op een hoger pres
tatieniveau ligt en/of een spraakcodering die minder dan 16 kb/s vraagt bij de vereiste kwaliteit, kan de spectrum
benutting van een svsteem voor mobiele communicatie (en
daarmee de capaciteit van het systeem) nog worden ver
hoogd. Beide maatregelen zijn slechts te realiseren met
complexer apparatuur dan tot nog toe gebruikelijk. Door de vorderingen op het gebied van geintegreerde circuits
komen deze mogelijkheden in de nabije toekomst binnen bereik.
- 78 -
Referenties.
1. H.H. Freytag en R. Haas, "Ueber ein Verfahren zur
Bestimmung der minimalen Kanalzahl in flachenhaften
Netzen des nicht offentlichen beweglichen Landfunks,",
NTZ, Vol. 18, nr. 10, 1965.
2. D. Muilwijk, "Comparison and Optimization of Multi
plexing and Modulation Methods for a group of Radio
Networks", Philips Research Reports I Vol. 28, pp.
347-376, 1973.
3. D. Muilwijk, "Spectrum efficiency in mobile radio
communication", Philips Telecommunication Review,
Vol. 36, No.1, April 1978.
4. W.P. Osborne en M.B. Luntz, "Coherent and Noncoherent
Detection of CPFSK", IEEE Trans on Comm., Vol. COM-24,
juni 1976.
5. R. de Buda, "Coherent Demodulation of Frequency Shift
Keying with Low Deviation Ratio", IEEE Trans. on
Comm., Vol. COM-20, juni 1972.
6. A. Lender, "Correlative Digital Communication
Techniques", IEEE Trans. on Comm., december 1964.
7. F. de Jager en C.B. Dekker, "Tamed Frequ>lcy Modula
tion, A Novel Method to Achieve Spectrum Economy in
Digital Transmission", IEEE Trans. on Camm.,
Vol. COM-26, mei 1978.
8. D. Mullwijk, "Correlative Phase Shift Keying - A Class
of Constant Envelope Modulation Techniques", IEEE
Trans. on Comm., Vol. COM-29, maart 1981.
9. T. Aulin en C-E Sundberg, "Continuous Phase Modula
tion, Part II : Partial Response Signalling",
IEEE Trans. on Comm., Vol. COM-29, maart 1981.
10. G.D. Forney Jr., "The Viterbi Algorithm-, Proceedings
of the IEEE, Vol. 61, No.3, maart 1973.
- 79 -
3. 1
TELERAIL
Mobiele communicatie in het treinverkeer.
Ir. H.D. van Heemstra (medeVlerker bij de ontwikkelingsgroep Telecommunicatie
van de N.V. Nederlandse Spoorwegen)
Het begin. TelephoRische verbinding van stations met treinen in beweging.
Het probleem om telefoonverbinding te onderhouden met rijdende treinen heeft ingenieurs al lang geleden geinspireerd tot experimenteren.
Ook in Nederland zijn al in de 50-er jaren experimen ten uitgevoerd en voorstellen gedaan
\"(ll~ens "Iron)) is met gord l!P,'olit 01' den SJllftl~p(}ftrw€'~ fa",-Pa,~:Lawton (Mithignn) !;'>ene Pl"O~~fHf'<mi~g ~~:l;ln met ~ne t"lephot,mhJIl ten doel hcbhemle c('n~' CNllfl.Ul!lCatle te "t)nUen tU'!1'5cht!11 t'PIl tn-II
in he\".t'~:n(1" en de statilln$ 111 Wf·j nndcr(> trein,'n, }~!k.e tel~jhll!,npa.J! dtTh1ilt :UiO ::\.1. lx}'\'en d ... I,d':-- ,~)ll h,'!'ilt11l{:I.!(·I;
arm, Waal'~lp d~ dn_ad nlt'!t ~is.lle{'rd,p s"tt*unpulltetl t'U:-'l. B'I\'PH ~t:standpla<'lts ,'uu den IHaChilli'3t is (Ill dl~ I{.f.lnu,tif·f t"N,~ IUt~taten bHll'l: l!Ppl,mtst, wa~H"'nu ht't hO\'(lIIP-il.:i .. hi 't l.dfde nivf';\U li!!t hu"t d,:n dra.1.d, en waam:m t\\'~t~ q\ijte lIit"l.~. "\If,~ ,h~t"h:n I'arallel aiUl !h~ l~aatl vel'tl('!ndcll iijll. l!e bui.s ,l' /I~I.·ltcn Jd-31' iWl! df'k~,'I, dat n'cht ... >~> fihb.~ kitn drmricil Nl nan dnt tlel\M!] 1\1: uwt, N'nt" p:)eJin,c: 't."'iH' l:tn,:" IF~'f .. .n shIHf ,-er}.I\')nden, Wxu'\'au 't node-toe ejnu~ r\l~t 01' d~'n dr,t.ld~ ~II "'.3!\1.'van het Ilcwieht \)I)()l' eN} "~r 1I\\11t.m4! w,)\"(h [l}lf!elll"i(>H 301 .. n.)t".hg tS om st('Cht~ e"en het clI!ltact met den t)l"a:u1 te ''''l'I{,I'l'ffU. I~ l$tnn( i~ '"{'ruN' hlf't d., bH\'eu;!t~no(l'mdf' ult:ot.:t,t'odf' dooh-n '"e"·
hrtnden do;)r twee jl"f'li,ik p'e~r:lonpn \"f>.Cn-n. dit" hmw in ('Pn ":1!'\Od Ml'mar\t op den drll.nd buunen. en stant \U vcrf,ulding' nH'~ ~fl ~"w{Jni': nru-1.t\1e-phoonl ~f>plam .•. t in dl' nabtjheid ,an (bon tn'mchef: het l>ll.\:':r;tf't van het ,·ocrtu.l;:r "ormt 01' ,"erhindinj! met den grund.~· (tndt'r\I!l(lm~ heeft g'1ileerd. dat de :);; die Wijlf~ t"t stand ~ebrachte w·rlJindin~. ni.,;t· tegenstnnude gN)t)te treiaf'nellH"ld. ~l,'heel Tt!tdoet.
(L< Glmu Cir:il.l885, n'. 8.}
voor een landelijk treinradiosysteem.
Steens vaker wordt de vraag gehoord, waarom N.S. geen radioverbinding heeft met treinen terwijl bij bus en tram, bij politie, taxi's, brandweer, enz. dit instrument niet meer is weg te denken.
In 't kort is te stellen dat de spoorVlegen lange tijd genoeg hadden aan het seinstelsel, de dienstregeling en alle daarbij behorende voorschriften om het bedrijf redelijk goed uit te voeren op eigen baan, terwijl eerdergenoemde instanties veel meer moeten bijsturen in een ongewisse omgeving.
- 80 -
Maar 00k aan de spoorwegen dringen zich externe invloeden op , waardoor meer informatie en bijsturing nodig is dan met starre en seinbeelden kan worden gegeven. Sinds 1970 - het aar van de reactive ring van N.S. met frequentievergroting, sneller rijden en korter stoppen van treinen - is de roep om betere informatie voor het verkeersproces toegenomen.
VooI'Naarden.
Sprekend over verkeersproces, is in eerste instantie te denken aan de communicatie tussen de machinist en de treindienstleid.~ dit is degene die vanuit een seinhuis de route voor elke trein vastlegt. Echter, als er eenmaal een kostbaar communicatienetwerk tot stand komt tussen treinen en vaste posten, is het van belang om na te gaan of ook andere werkers op de baan en in regelcentra met dit systeem gebaat zouden zijn.
Het beela dat men z1ch daarvan vormen moet is een complex netwerk van communicatielijnen naar verschillende locaties over uiteenlopende en soms samenhangende onderwerpen met elk specifieke eisen omtrent prioriteit, beschikbaarheid. veiligheid tegen externe beInvloeding, select~viteit of open verkeer, enz.
op de baan
Machinist
Meettreinen
Haltetoezicht Baanschouw
Conducteur
Ongeval
Treindefect
reindienstleider
Spoorwegpolitie
Stationsdiensten
Steunpunt materieel
Onderhoud/herste Steunpunt weg-aan de baan onderhoud
beveiliging, b:)venleiding, bruggen
Centrale schakelpost
Gespreksonderwerp:
Treinbeweging/veiligheid In/buitendienststellen baan i.v.m. werkzaamh.
Reiziger·'.informatie Regel!L" aansluitingen Personeelinzet Materieelomloop
hulp ongevallen
Publiek gedrag
O.a. betr. kaartverkoop
Storing aan materi.eel
Werkzaamheden a.d. baan
Afhandeling storingen elektrotechniek
Schakelingen bovenleiding
Om te beginnen werd de problematiek aangepakt met het fecomeen cen naam te geven: TELERAIL kWam als winnaar uit de bus van een prijsvraag onder het personeel.
Tijdens de j discussie over het al of niet invoeren van telerail is deze naam een ingeburgerd begrip geworden.
81
Internationaal.
Het is niet te verwonderen dat ook bij buitenlandse spoorwegen behoeften groeiden aan betere informatie tussen trein en vaste wal. Dank zij het bestaan van een goed functionerende "Union International, des Chemins de fer" (UIC, gevestigd in Parijal is door de spoorwegen van aanvang af gestreefd naar eensluidende specificaties voor dit informatiesysteem.
Zo werd bepaald dat de verbinding met de trein langs radio-weg zal zijn naar vaste posten (radio-basisstations), die danlangs lijnroutes worden aangesloten op centrales met spreekpunten.in de verkeersregelcentra. In deze lezing wordt veornamelijk aandacht besteed aan de radioverbindingen.
Technische specificaties. Vanwege verschillen in bedrijfsvoering lopen de functionele eisen, die de Europese spoorwegmaatschappijen stellen aan dit communicatiesysteem, sterk uiteen. Overtuigd van het belang om in het grensoverschrijdend verkeer met dezelfde apparatuur in de trein te kunnen werken, kwam na veel over leg toch een eiaenpakket tot stand voor een internationaal compatibel trein-radiosysteem.
Elke maatschappij kan daaraan tuncties toevoegen die voor eigen land interessant zijn, zeals doorverbinding in de trein naar de reizigersomroep, automatismen voor positiebepaling van de trein of veor direct ingrijpen in traetiestuurorganen, duplex- of semiduplex-radioverkeer al of niet met adressering en identificatie van de trein bij oproepen, met of zonder faciliteiten voor onderling verkeer tussen mobiele posten, enz. Wat eenduidig is vastgelegd zijn de voorwaarden om tijdens de rit doorlopend bereikbaar te zijn.
Dit beduidt dat er overeenstemming is over de te gebruiken frequenties en over automatismen in de treinradio-apparatuur om soepel over te gaan in de verbinding van een basisstation naar een volgend. In concreto is er thans een voorschrift, waarin zijn opgenomen een frequentieplan, de minimaal vereiste veldsterkte voor het ontvangen van de basis stations langs de baan, het minimale vermogen van de treinradio-uitzending en de schakeltonen in het systeem am op te roepen, c.q. om een oproep te blokkeren vlanneer een verbinding tot stand is gekomen.
In het UIe-principe wordt het railnet opgedeeld in trajecten, waarlangs basis stations staan, in verbinding met een centrale met de mogelijkheid am per centrale een gesprek gelijktijdig te voeren. Per centrale is er dan een frequentiekanaal; door de onderscheiden frequentiekanalen kunnen gesprekken met verschillende centrales onafhankelijk van elkaar plaatsvinden.
- 82 -
De basisstations zenden continu, teneinde storingen in de treinontvangers te onderdrukken en om de treinradio automatisch af te laten stemmen op een goed te ontvangen basisstation (op grond van internationaal overeengekomen minima Ie veldsterktewaarde).
Men kan de basisstations op een traject dezelfde zendfrequentie geven maar moet dan weI de uitzendingen zorgvuldig synchroniseren om in overgangsgebieden interferentiestoringen bij de ontvanger te voorkomen (het zgn. co-channelsysteem). In geografisch moeilijke gebieden, zoals in de bergen, zal dit systeem niet aItijd goed werken.
Daarom is er eeri tweede systeem ontwikkeld waarbij de basiszenders op verschillende frequenties (maximaal 3) werken. De treinradioontvanger - eenmaal ingeschakeld op het juiste frequentiekanaal - schakelt automatisch op de frequentie waarvan de veldsterkte op voldoende niveau is.
Nederland.
Bij N.S. is de primaire behoefte aan een spreekkanaal voor de treindienstleider; dientengevolge willen wij de opdeling van het spoorwegnet in trajecten in principe gelijk maken aan de indeling van de treindienstleider-beheersgebieden.
Volgens de UIC-voorwaarden zal de verbinding binnen een treindienstleidergebied in stand blijven. Maar bij de overgang naar een volgend qebied moet de treinradio omschakelen naar een ander frequentiekanaal.
In Nederland zijn de treindienstleidergebieden niet groot; bovendien liggen de grenzen vaak II onderweg" tUBsen de spoorwegknooppunten. Dat zou ertoe leiden dat de machinist vaak moet schakelen tijdens zijn rit op voor hem weinig karakteristieke plaatsen. Doet hij dit niet, dan is hij na Korte tijd onbereikbaar.
We willen dit voorkomen door de toegevoegde eis, dat onze treinradio niet aIleen automatisch zoekt naar frequenties binnen een UIC-kanaal maar ook naar frequenties van andere kanalen.
- 83 -
Het automatisch zoeken tussen meerdere kanalen mag er niet toe leiden dat geschakeld wordt op een instralende frequentie van een basisstation in een treindienstleidergebied van een neventraject. Bijvoorbeeld mag een trein van Leiden naar Schiphol niet opschakelen in het kanaal van de treindienstleider in Haarlem.
Afhankelijk van de totaal af te leggen route zul1en in de trein dus ook frequenties gezocht mogen worden!
Deze specifiek Nederlandse voorwaarden leiden tot extra complicaties:
1. In de treinradioset moet een voorkeuzeschakelaar komen, met een (beperkt) aantal standen, waaruit de machinist kiest in afhankelijkheid van de route die hij gaat rijden.
2. In de projectering moet voor elke voorkeuzestand worden bepaald welke frequenties dan weI en welke niet afgetast worden door de treinontvanger.
3. Dit moet worden met de frequentie-toewijzing aan de en weer in relatie tot de structuur van de treindienstleiderbeheersgebieden.
4. De voorkeuze staat ook in verband met het dienstregelingspatroon van ons spoorwegnet.
• ?-oo
.750
·{ioo
-81.5
.87S
'9 2S'
-1s0 '<S(i1 _.,,,0
- 84 -
,or, I---------.-----~ ~~-- .. -
Het UIC-frequentieplan.
] kanaalnummer met de erbovengenoemde 3 frequenties in de basis stations
en de ernaast genoernde frequentie in de treinradio.
5. Het frequentieplan moet ook rekening houden met buitenlandse treinradio's. De machinist van die trein zal vaker moeten sChakelen, maar bij het uitsluiten van frequenties op voonvaarde 2 moet erop worden gelet dat deze treinradio's binnen een UIC-kanaal ,lle 3 frequenties automatisch afzoeken.
6. In de frequentieopzet rekening worden gehouden met reeds bestaande radionetten in de buurlanden.
7. De projectering is gebonden aan stelt.
(locatie en die de radiopropagatie
8. Het gehele plan moet voJ.doende soepel ZlJn om eventuele wijzigingen, op grond van propagatiemetingen, verandering van grenzen van beheersgebieden of wijzigingen in de dienstregeling,op te kunnen vangen.
Wij hopen dat U zult geloven oat oit probleem oplosbaar is.
x x x
Duplex mode met selectieve oproep en identificatie.
Men verwacht oat telerail voornamelijk zal di~nen als hulpmiddel voor bijsturing onregelmatigheden. Dit betekent dat, als alles gaat, dit systeem weinig wordt gebruikt. Het toes tel de trein is als uw telefoon thuis; het moet sir;]pel altijd beschikbaar en wordt wellicht sporadisch
- 85 -
De machinist krijgt aIleen enige oproeptoetsen voor de meest voorkomende bestemmingen: treindienstieider, verkeersieider en bemiddelaar voor doorverbinding naar anderen in het N.S.-telefoonnet. Voorts alarmoproep met inbreekmogelijkheid in een bezet kanaal en toets voor onderling verkeer (
Hiervoor werd beschreven hoe permanente bereikbaarheid (zonder manipuleren) :noet worden gerealiseerd, nu wordt geeist dat gesprOkGL :11'::02:: ::u?:mer, wo:;:,den zoals met de telefoon, dus duplex-radioverkeer.
Deze uitvoering verbetert ook de soliditeit van de verbinding; de trein blijft uitzenden tijdens het gesprek waardoor tussentijdse instraling door andere zenders wordt vermeden. B':)Vendien geeft duplex-verkeer de zekerheid dat de treinradio blij£l ontvangen; de machinist kan niet onbe'I'ust een deel van het bericht rdssen door drukken van zijn zendtoets, zoals bij semi-duplex het geval is.
AIle gesprekken '":orden centraal om eventueel het verloop van een kunnen reconstrueren. Door c1e duplex mode staaL het vast, dat hetgeen op de bane staat ook bij de machinist hoorbaal' was.
De machinist zal bij van de reis zijn treinnummer ritnummer) op de intoetsen. Hierdoor is hij
onder dit nummer oproepbaar en wordt zijn nummer automatisch op het tableau waar zijn binnenkomt.
verhoogt de zekerheid dat we juiste trein te doen hebben. ~en belangrijke eis is tegemwordig de inbraak-bestendigheid. Telerail zendt uit in Klare taal en is dus in principe af te luisteren. Maar de complexiteit van het met tooncod~s en de versleuteling van het practisch onmogelijk am ongemerkt binnen te dringen.
Semi-duplex mode met open verkeer.
de schakelingen treinnummer maken in het systeem
Voor de primaire functie van telerail voor veiligheidscommunicatie is vorengenoemae duplex mode geeist.
Daarnaast kan in dit telerailnet semi-duplex verkeer plaatsvinden met portofoons en mobilo[oons, zowel in directe verbinding met de vaste post als in relay via het basisstation met de trein.
Di t verkeer heefteen lagere In i 0ri tei t en kan niet plaatsvinden wanneer het kanaal is belegd door een duplex-verbinding. Maar elk moment dat de rnobiele set in luisterstatus is kan de treinradi0 ertussen komen en de verbinding opeisen voor een bericht van hogere prioriteit.
Ook direct onderling verkeer tussen treinen is mogelijk zonder tussenkomst van de vaste door relay van het basisstation. De machinist kan treinen ,in zijn nabijheid waarschuwen voor acuut gevaar.
- 86 -
De projectering.
De directie van N.S. heeft ervoor gekozen am de realisering van het landelijke telerailnet op te dragen aan de P.T.T. N.S. zal de dienst van de communicatie huren van de P.T.T., zoals U thuis uw telefoonaansluiting huurt.
P.T.T. is verantwoordelijk voor de kwaliteit en de beschikbaarheid van de verbindingen. nit houdt o.a. in, dat veelal gebruik zal worden gemaakt van telefoonhuurlijnen tussen de basisstations en de centrale posten.
Daardoor wordt ook risico gespreidi zijn bijv. de stationaire communicatiesystemen (seinlichten, baantelefoons) gestoord door kabeldefect in de baan, dan zijn er nag de telerailverbindingen buiten N.S.-grond. Ook de plaatsing van de basisstations behoeft niet op N.S.-terrein te zijn. Grote antennes zijn kwetsbaar (ook i.v.m. bovenleiding); plaatsingsvergunningen, funderingen, buitenkasten voor de apparatuur, werken in de open lucht, enz. zijn nadelige punten voor een dergelijke opzet.
Meer en meer vragen wij voor anze radiostatians onderdak in de hoogbouw van ziekenhuizen, verzorgingscentra, e.d. Geen ontsierende zendmasten, apparatuur in geconditioneerde omgeving, naodvoeding aanwezig, permanente toegankelijkheid via de portier, zijn de voordelendie aan deze opzet zijn verbonden. In pricipe zal in elke machinistencabine een treinradioset komen. Bij de N.S. zullen er dus vrijwel altijd minstens twee sets in een trein zijn. Bij een defect (bijv. frontale botsing) is er dan nog een goede kans om via een andere set te kunnen spreken. Bovendien zijn deze sets beschikbaar voor de conducteurs.
Voornoemde maatregelen dragen bij tot een grote mate 'van bedrijfszekerheid; oak wordt van de apparatuur een hoge mate van beschikbaarheid geeist. Voar de radio-propagatie wordt. volgens UIC-voorsd' ::-ift. een beschikbaarheid verlangd van 95% van de plaats en van de tijd.
I. Inleiding
- 87 -
RADIOVERKEER OP DE LUCHTHAVEN SCHIPHOL
Ing. J. Scheltus
N.V. Luchthaven Schiphol
3.2
Het gebruik van radio in de meest ruime zin van het woord is een
onmisbaar hulpmiddel in de moderne luchtvaart.
Indien we het radioverkeer op en rond een luchthaven be schouwen dan
kunnen we een globale indeling in een 3-tal hoofdcategorieen maken
t.w.: 1. Navigatie hulpmiddelen
2. Air-to-ground communicatie
3. Landmobiele communicatie.
Onder de eerste categorie vinden we zaken als Instrument Landing
Systems (I.L.S.) met bijbehorende markeringsbakens, zoals deze zijn
geinstalleerd op de 4 hoofdbanen op Schiphol.
Verder kunnen onder deze categorie worden gerangschikt de VOR als
mede de diverse typen radarinstallaties.
Zoals de naam al impliceert zijn dit hulpmiddelen t.b.v.navigatie
en naderingen via instrumenten; derhalve vindt over deze radiofre
quenties, afgezien van een eventueel identificatiesignaal, geen
verbale communicatie plaats en is de transmissie simplex.
- 88 -
De tweede categorie is die van de communicatie tussen het grondsta
tion en het vliegtuig. Voornaamste doel van deze communicatie is
verkeersleiding op en in de direkte omgeving van de luchthaven.
Deze - verbale - communicatie wordt voornamelijk gevoerd op een
aantal kanalen in de z.g. luchtvaartband, die globaal is ingedeeld
tussen 108 en 140 MHz; de verbinding kan worden gekarakteriseerd
als "two way simplex". Belangrijk aspect is dat hier met aanzien
lijke vermogens wordt gewerkt n.1. tot max. 100 W.
Om deze en nog een aantal andere redenen zijn de zenders hiervoor
enige kilometers buiten het 1uchthaventerrein geplaatst.
Temidden van deze twee categorieen vindt de derde groep, die van de
1andmobiele communicatie, een p1aats.
Qua gebruik van aantal kanalen is deze groep tevens het grootst.
Deze vorm van communicatie wordt voornamelijk gebruikt door typisch
"luchthavengebonden" bedrijven en diensten zoa1s luchtvaartmaat
schappijen, afhande1ingsmaatschappijen voor zowel vracht als pas
sagiers alsmede een aantal diensten van de NVLS in de rol van
luchthavenbeheerder.
Tevens zijn er nog enkele gebruikers van 1andmobiele communicatie
die deel uitmaken van een regionaa1 of landelijk net zoals politie
verbindingsdiensten.
In het hiernavolgende zullen we ons beperken tot deze derde cate
gorie, die van de landmobiele communicatie.
2. Landmobiele communicatie op de luchthaven Schiphol
Zoals in de inleiding al is vermeld is verreweg het merendeel van
de gebruikers van deze vorm van radiocommunicatie te vinden onder
bedrijven die direkt luchthaven gebonden activiteiten uitoefenen.
Als beheerder van de luchthaven is de N.V. Luchthaven Schiphol
verantwoordelijk voor de gehele operationele gang van zaken en de
orde en veiligheid op het gehele luchthaventerrein dat een totale
oppervlakte beslaat van ea. 1800 ha. V~~r de operationele diensten
is een radionet gebouwd dat in de volgende hoofdstukken nader wordt
toegelicht.
De overige gebruikers hebben hun eigen radiovoorzieningen in de
vorm van eigen netten of huurnetten, aangelegd voorzover hier spec-
.-< III ... iii III
- 89 -
trumruimte beschikbaar was.
Ret belang van mobiele communicatie wordt nog eens duidelijk onder
streept wanneer we grafisch de groei van het aantal mobiele units
en vaste posten over de afgelopen 10 jaar weergeven.
SOO
700 mobilofoons
600 - ----------p-o-rt:-ofoons
500
400
300
200
100 -______________________ ~v~a~ste poste~_ ----~--r---,---,_--_r--_r---r--~---,----r_--r---r_--~--T tijd
1973 1975 1977 1979 19S1 1983 1985
Voor mobiele communicatie zijn ca. 80 kanalen beschikbaar in het
frequentiegebied 150-180 MHz. Ret is niet moeilijk voor te stellen
dat deze sterke groei van het aantal in gebruik zijnde spparaten
op een naar verhouding zeer klein oppervlak tevens voor een hoe
veelheid problemen heeft gezorgd waarop later nog nader wardt in
gegaan.
3. Ret NVLS-radionet
3. I. QL~!!~!:!
Binnen de N.V. Luchthaven Schiphol zijn een aantal diensten,
welke direkt betrokken zijn bij het operationele proces.
Als voornaamste kunnen worden genoemd:
- de platformverkeersdienst
- de Haven- en Stationsdienst
- de dienst Onderhoud Terreinen
- de Luchthavenpolitie
de Luchthavenbrandweer
- de Technische Diensten.
- 90 -
De primaire eisen die aan het radionet worden gesteld zijn:
een goede radiodekking van het gehele terrein; gerekend van
uit het centrum een straal van ca. 5 km. Met het oog op vei
ligheid ligt een sterk accent op het landingsterrein.
- open net structuur. In het bijzonder voertuigen in het lan
dingsterrein dienen aIle communicatie permanent uit te luis
teren.
- een zo goed mogelijke radiodekking in het stationsgebouw en
de pieren;
zend- en ontvangstmogelijkheid op een werkkanaal in het on
dergronds gelegen spoorwegperron;
een algemeen werkkanaal voor het landings terre in; verder
dient elke dienst de beschikking te hebben over een eigen
werkkanaal;
bedieningsmogelijkheid voor aIle kanalen vanuit ca. 40 vaste
post lokaties;
onbeperkte uitluistermogelijkheid;
relayeringsmogelijkheden met andere diensten.
Voor de realisering van bovengenoemde eisen beschikt de NVLS
over 10 exclusief toegewezen radiofrequenties. Daar het in
principe mogelijk maet zijn om met een mobiele unit op elk ge
wenst kanaal te kunnen werken, dienen de 10 frequenties binnen
de schakelbandbreedte van de mobiele apparatuur te liggen; bij
de meeste gangbare typen is dit in het algemeen beperkt tot
max. 4 MHz. In ons geval is de afstand tussen laagste en hoog
ste frequentie 0,58 MHz, hetgeen hier dus ruimschoots binnen
valt.
Van deze 10 kanalen is een kanaal exclusief voor aIle verkeer
in het landingsterrein; in verband met veiligheid dient een
ieder die zich in het landingsterrein bevindt permanent dit
kanaal uit te luisteren. De communicatie is tevens onderwor
pen aan stringente, in de luchtvaart gebruikelijke procedures
- 91 -
van bevestiging d.m.v. teruglezing.
De overige 9 kana len zijn toebedeeld aan de diverse diensten
waarbij iedere dienst zijn eigen werkkanaal heeft.
Deze opzet maakt het noo.dzakelijk zenders en ontvangers ge
scheiden op te stellen en voor het koppel en van de ca. 40 be
dienposten een centrale sturing in te richten.
In figuur 1 is e.e.a. schematisch weergegeven; de diverse sy
steemdelen zullen hierna afzonderlijk worden toegelicht.
3.2.1. De centrale -----------De centrale vormt het hart van het systeem en bestaat uit een
hoofdcentrale en enkele subcentrales.
De taak van de hoofdcentrale in de ontvangstrichting is de
L.F. signalen, alsmede de hierbij behorende squelch contacten
van aIle aangesloten ontvangers door te koppelen naar de sub
centrales. Maximaal kunnen aan een hoofdcentrale 10 subcentra
les worden aangesloten; het ontvangstdeel bestaat dan ook een
voudig uit een 1 naar 10 distributie versterker voor alle ont
vangstlijnen.
In de zendrichting vindt het omgekeerde proces plaats. Vanuit
elke subcentrale komt per kanaal een L.F. modulatiesignaal en
een zendcontact; dit wordt in de hoofdcentrale gecombineerd
tot een L.F. modulatielijn en een zendcontact naar de betref
fende zender.
Vanuit de hoofdcentrale zijn zowel de in- en uitgangen vanl
naar ontvangers en zenders evenals de lijnen naar de subcen
trales door middel van een lijntransformator als een symme
trische 600 ohm lijn uitgevoerd en alle in en uitgangsniveaus
liggen op -6 dB. Hierdoor wordt het mogelijk om de verbindingen
tussen Hoofdcentrale en de subcentrales, zendstations ont
vangststation via standaard telefoonkabel te laten lopeno
Qua capaciteit kunnen aan deze hoofdcentrale 20 zenders, 20
ontvangers en 10 subcentrales gekoppeld worden; in de huidige
opzet is dit beperkt tot 12 zenders/ontvangers en 3 subcentra
les.
De subcentrales vormen de schakel tussen de bedienposten en de
hoofdcentrale en moet worden gezien als een concentrator voor
- 92 -
de aangesloten bedienposten.
In de subcentrale bevindt zich een matrix waarmee voor elke
aangesloten post kan worden geprogrammeerd, welke zenders en
ontvangers worden bediend; het aantal kanalen per post is be
perkt tot maximaal 12.
De bedieningsposten zijn zodanig ingericht dar maximasl 12
zenders/ontvangers kunnen worden bediend. De post is modulair
opgebouwd en bestaat uit:
- ontvangstmodules 2 x 6 posities
- zenderselektiemodule
- mierofoonmodule met S/L schakelaar
De L.Y. ontvangstsignalen worden direkt doorgegeven; de open
net structuur maakt het dan ook mogelijk om meerdere kanalen
gelijktijdig uit te luisteren. Eveneens heeft men de mogelijk
heid om, indien gewenst, op meerdere kanalen gelijktijdig te
zenden eenvoudig door op het zenderselektiemodule die kanalen te
kiezen, waarop men wil werken. In fig. 2 is e.e.a. sehematisch
weergegeven.
3.2.3. ~~_~~~~!!~!!~~!
In totaal zijn voor de 10 werkkanalen 12 zenders opgesteld;
van 2 kanalen zijn dubbele zenders geplaatst.
De 10 zendfrequenties liggen rond de 165 MHz binnen een af
stand van ca. 600 kHz.
De opstellingsplaats van zenders dient zorgvuldig te worden
overwogen. Wensen en mogelijkheden zijn vaak tegenstrijdig.
Eisen die aan de zenderopstelplaats gesteld kunnen worden zijn:
- een plaats in het centrum van het werkingsgebied
- voldoende antennehoogte met rondom vrij zieht
- intermodulatievrije opstelling.
In de praktijk houdt dit in dat toch een aantal eompromissen
gesloten moeten worden, voornamelijk veroorzaakt door het feit
dat het in totaal gaat om de opstelling van ca. 80 frequenties
in het gebied 150 - 175 MHz.
De intermodulatievrije opstelling is een primaire eis om in
- 93 -
een congestiegebied storingen tot een minimum te beperken.
De opstelling van zender(s) in een zenderpark meet zorgvuldig
worden bekeken t.o.v. elkaar.
Daarbij dient er naar te worden gestreefd het verschil tussen
de beide frequenties zo groot mogelijk te maken omdat daarmee
het intermodulatie vermogen lager wordt.
Voor een zenderpark met n zenders kunnen de intermodulatie
produkten worden bepaald: fi = 2 x fa fb. Voor fa en fb die
nen alle n frequenties te worden ingevuld en de kans op kwa
lijke stoorprodukten is geringer als Ii geen werkfrequentie
voor hetzelfde gebied is.
In totaal zijn een 3-tal hoofdlokaties ingericht waar zenders
zijn geconcentreerd alsmede een aantal nevenlokaties.
Op bijgaand kaartje (fig. 3) zijn deze plaatsen aangegeven
waaruit tevens blijkt dat aan de overige eisen slechts ten
dele tegemoet kan worden gekomen.
De opstelling van ontvangers levert minder problemen op als
het gaat om het bij elkaar plaatsen van een aantal frequenties;
wederzijdse beinvioeding is hier niet of nauwelijks aan de or
de. Het bij elkaar plaatsen van ontvangers kan zelfs voordelen
opleveren op plaatsen waar het niet mogelijk is meerdere anten
nes te plaatsen. Door het toepassen van "actieve antennesplit
ters" kunnen op een antenne meerdere ontvangers worden aange
sloten.
Aan een ontvangststation worden eisen gesteld als:
- cen zo hoog mogclijke antenne
ceutraal in het werkingsgebied met rondom een vrij zicht
d.w.z. geen obstakels in de direkte omgeving
- zo ver mogelijk-~erwijderd van RF storingsbronnen zoals ver
keer, machinerieen en zenders.
Aan deze eiscn is vrij goed tc voldoen door het primaire ont
vangststaion in Post Rijk te plaatsen (01). Hier zijn 10 ont
vangers via splitters op 2 antenncs aangesloten.
Niettegenstaande de vrij gunstige ligging van de centrale
ontvangers zijn er toch enige zwakke plaatsen n.l,:
- 94 -
de ontvangst vanuit de gebouwen
- de "schaduwwerking" van enkele massieve geboUW'en.
Met name manifesteert zich dit bij de ontvangst van portofoons
vanuit deze plaatsen, mede veroorzaakt door de geringe zend-
vermogens meestal 1 2 W ERP - waarmee portofoons werken.
Om hierin verbetering aan te brengen is in het stationsgebouw
voor enkele kanalen een tweede ontvangststation geinstalleerd
dat met het primaire station in een z.g. diversity schakeling
is opgenomen. Als antenne wordt gebruik gemaakt van een met
passieve elementen gekoppelde combinatie van 4 antennes op
verschillende niveaus in het gebouw. Het diversity systeem
kiest daarbij het beste L.P. signaal en schakelt dit door naar
de hoofdcentrale.
Ten behoeve van een van de diensten is een goede communicatie
mogelijkheid vereist vanuit het ondergronds gelegen perron van
het N.S.-station; dit kan beperkt worden tot een werkkanaal.
Vanuit het perron is portofoon vaste post verkeer normaal
gesproken niet mogelijk vanwege de perfekte afscherming die
wordt gevormd door tunnelconstructie.
Om toch communicatie mogelijk te maken is op het perron een
zend/ontvanger geplaatst. Het ontvangerdeel is met de hoofd
ontvangposten opgenomen in het diversity systeem. De zender
welke een vermogen heeft van ca. JOO mW wordt parallel aan de
hoofdzender opgeschakeld en wordt met hetzelfde L.F. signaal
gemoduleerd. Het geringe vermogen is ruim voldoende am het ge
hele perron te bestrijken terwijl de als een "kooi van Faraday"
werkende tunnel voor een perfekte afscherming zorgt tussen
hoofd- en hulpzender.
4. Blokkering en Internmodulatie
In gebieden met een intensief radioverkeer is het van zeer groot
be lang bijzondere aandacht te schenken aan EMC. De luchthaven
Schiphol is een gebied waar in totaal ca. 200 radiofrequenties
werkzaam zijn.
- 95 -
Voor het landmobiele radioverkeer zijn hiervoor ca. 80 frequenties
beschikbaar rond 151, ISS, 160, 165, 168 en 173 MHz, terwijl er
tevens nog enkele 460 MHz frequenties in gebruik zijn.
Retgeen zich communicatietechnisch afspeelt op de Iuchthaven
Schiphol kan echter niet los worden gezien van de omgeving en om
gekeerd. In feite is de gehele Randstand een concentratiegebied
met het havengebied van Amsterdam en Ymond ais direkte buren.
Dit vereist een zorgvuldige planning van de gebruikte frequenties.
Beperken we ons tot Schiphol dan dienen een aantal maatregelen
getroffen te worden om tot werkbare situaties te komen.
Rieronder valt teiloemen:
- een maximaal toe te staan vermogen van 10 W per vaste post
- beperking van de antennehoogte en het toepassen van rondstralen-
de antennes
zoveel mogelijk scheiden van zenders en ontvangers
- zorgvuldige keuze van bij elkaar te plaatsen zenders teneinde
zender intermodulatie te voorkomen.
Ten aanzien van de punten 3 en 4 moeten duidelijk compromissen
worden gesloten. Veel van de activiteiten waarbij radiocommunica
tie een belangrijk hulpmiddel is, vinden plaats rond het stations
gebouw in de vrachtplatformen. De druk is dan ook groot om zo
dicht mogelijk bij deze plaatsen de zend/ontvangers te plaatsen.
Mede doordat gezien de aard van het terrein het aantal opstel
plaatsen beperkt is, heeft dit geresulteerd in plaatsing van zend/
ontvanger combinaties temidden van zenders op naburige frequenties.
Resultaat is dan ook dat de ontvanger wordt geblokkeerd wanneer
een of meerdere zenders inkomen. Commerciele ontvangers zijn vaak
ook niet goed bestand tegen dit soort verschijnselen, evenmin te
gen derde orde 1M produkten.
5. Slotopmerkingen
Ret mobiele radioverkeer op de luchthaven Schiphol wordt gekenmerkt
door een grote concentratie van kanalen en apparatuur op een be
trekkelijk kleine geografische oppervlakte.
Bovendien zijn dagelijks een aantal piekuren aan te wijzen.
Ondanks dit alies is de totale verkeersintensiteit in Eriarg uit-
6.
- 96 -
gedrukt betrekkelijk laag, o.a. veroorzaakt omdat medegebruik van
een frequentie niet altijd mogelijk is en omdat het kanaal gedu
rende korte periode intensief wordt ~ebruikt.
Om de toekomstige groei van het radioverkeer nag mogelijk te maken
zullen technieken moeten worden ingevoerd om de beschikbare fre
quenties efficienter te gebruiken.
Een bijzonder aspect voor de nabije toekomst is de lnvoering van
dataverkeer over het radiokanaal. Enerzijds bledt dit de mogelijk
heid informatie sneller ter plaatse te hebben, anderzijds kunnen
een aantal standaard communicatie berichten worden vervangen door
databerichten met het bijkomende voordeel dat het bericht ook kan
worden verstuurd als de ontvanger niet in de gelegenheid is onmid
delijk te antwoorden. Deze techniek zal dan oak leiden tot een
verhoging van de intensiteit maar tevens tot een verdere verhoging
van de efficiency.
Deze gedachten om te zetten in de praktijk zal dan ook de belang
rijkste taak voor de komende jareu zijn.
A handbook on Mobile Communications - W.G. Duff, D.Sc.E.E.
PubL: Don White Consultants Inc.
- 98 -
00] O~ OlliJ O~ o ill] O~ O~ 00 O~ O~ O@] OD
I Ontvangstkeuze.
OJ §) 0 [!!J [Y!l
[!ill lliJ ~ 0 IS/ll 0 lliJ @] D
I zenderkeuze·1 Microfoon I S/L toets.
Indeling Bedieningspost.
fig. 2.
- 100 -
3.3
~ FORMULEREN VAN GEBRUIKERSEISEN VOOR BET
MOBIELE POLITIEVERKEER
ir. M.C. ALBERTI
DE AUTEUR IS WERKZAAM BIJ DE POLITIEVERBINDINGSDIENST ALS HOOFD VAN DE SEKTOR TECHNISCHE ZAKEN. DE POLITIEVERBINDINGSDIENST IS DE TECHNISCH VERANTWOORDELIJKE INSTANTIE VOOR ALLLE COMMUNICATIEMIDDELEN DIE BIJ RIJKSEN GEMEENTEPOLITIE EN DE KONINKLIJKE MARECHAUSSEE WORDEN GEBRUIKT.
101 -
I.INLEIOING.
Wij technici denken vaak weI te weten hoe de spullen die na lang zoe ken en proberen ontwikkeld worden, gebruikt zullen worden. De oplossingen die vaak als vanzelf in een logisch proces ontstaan zijn naar onze mening al gauw de beste. Oat ook de gebruiker van al dit fraais zelf een waardevolle inbreng kan hebben wordt weI onderkend, maar het kost veel moeite en tijd om de gebruiker zijn wensen te laten formuleren, zo dat uberhaupt al mogelijk is. Toch is het vaak nuttig om de gebruikers van datgene wat de industrie ontwikkelt in een vroeg stadium te laten meedenken. Dit is vaak een moeizaam proCes, waarin de nodige begeleiding en sturing op taktvolle wijze gegeven moet worden, en dat desondanks niet altijd snel tot de gewenste resultaten leidt.
2. OVERLEGSTRUKTUREN.
Waarschijnlijk is bij geen enkele gebruikersgroepering van mobilofoondiensten een zo degelijk gestruktureerde over leg- en inspraakmogelijkheid als juist bij politiegebruikers. Een aantal redenen voor goede overlegvormen is snel te vinden:
- flDe Politie" bestaat niet. W~l zijn er ongeveer 150 verschillende gemeentelijke korpsen en een korps rijkspolitie, onderverdeeld in o.a. 17 landdistrikten, Algemene Verkeersdienst, Dienst luchtvaart en rijkspolitie te water. Zoals op zovele terreinen, geldt zeker op het gebied van Politieverbindingen, zoveel hoofden, zoveel zinnen, en dat zijn er aIleen al vanuit operationele optiek heel veel. Voeg daarbij de complicatie dat de gemeentelijke politiekorpsen vallen onder de verantwoordelijkheid van het ministerie van Binnenlandse zaken, terwijl de rijkspolitie met het ministerie van justitie gelieerd is. Twee ministeries die niet aIleen de belangen van de korpsen voor ogen hebben, maar die ook eigen doelstellingen nastreven in het uitoefenen van hun invloed op het totstandkomen van politieverbindingen. U zult begrijpen dat er niet veel nodig is om een chaos in de politieverbindingen te veroorzaken, wanneer niet een zekere mate van over leg en coordinatie wordt
- 102 -
nagestreefd.
Zeker de laatste jaren is een gezamelijk optreden van verschillende politiekorpsen eerder regelmaat dan uitzondering geworden : b.v. ME-bijstand bij ontruiming van kraakpanden, grote betogingen, Dodewaard of andere grootschalige evenementen ( EG ministersconferentie in Maastricht) of het stichten van regionale samenwerkingsverbanden tussen korpsen op specialistische terreinen waarbij gebruik van elkaars communicatiefaciliteiten gewenst of noodzakelijk is. Hierdoor zal het steeds noodzakelijker worden om, ondanks verschillende communicatieoplossingen, zonder ingrijpende technische wijzigingen in apparatuur, bij elkaar "in te pluggen".
Frequentieschaarste, weliswaar geen gebruikerseis, legt een fysieke begrenzing op aan het aantal onafhankelijk te gebruiken mobilofoon-frequenties dat toegestaan kan worden in een bepaald regionaal gebied. Technische oplossingen die in een dergelijk regionaal gebied meer gesprekswegen bieden bij hetzeIfde aantal frequenties, b.v. trunking systemen, hebben aIleen een kans van siagen wanneer aIle gebruikers (verschillende autonome politiekorpsen) in zo'n gebied deze oplossing als zinvol ervaren en dan is de vraag - wie zal dat betalen? - een niet onbelangrijke faktor bij het al of niet doorgaan van zo'n oplossing.
Is uit het voorgaande gebleken dat overleg tussen gebruikers noodzakelijk is om tot werkbare samenwerkingsvormen te komen, de manier waarop het over leg gestruktureerd is om uiteindelijk een uitvoerende instantie (de PVD) aan het werk te zetten mag voor een buitenstaander nogal bizar lijken (zie fig.l). Laat ik in eerste instantie even stil blijven staan bij de partijen die een rol spelen in de overlegstruktuur:
1. Set mag niet beleefd lijken om met jezelf te beginnen maar voor het gernak en beter begrip is hier een overzicht van wat de POlitieverbindingsdienst doet:
- Is als uitvoerende instantie verantwoordelijk voor oplevering en tecnnisch verantwoorde uitvoering van aIle haar door de korpsen opgedragen projekten binnen het beleidskader oat wordt aangegeven door de beide ministeries (Justitie en Binnenlandse Zaken) en de comrnissie voor de Politieverbindingsdienst.
- Heeft een adviserende taak naar de politiekorpsen toe met betrekking tot wat technisch al of niet haalbaar is binnen wat door de beleidsbepalende instanties aan uitgangspunten geformeerd is als geldend voor "de Politie" in Nederland.
- Heeft voornamelijk technische inbreng in de diverse
<')
o ....
Ministers van Justitia en Binnanlandse zaken.~-------------------------~
Commissie voor de PVD ,
OVERLEG STRUCTUREN VOOR VASTLEGGING VAN GEBRUIKERSEISEN AAN MOBIELE VERBINDINGEN
Contact-CrE voor de~ ________________________ -.
politieverbindingen
•
reaVE Landelijk overlegl ! verbindingen.
I .. IW~~kCJr~ lprov .. ve~bi~dings-I
Cjroepen (7).
- 104 -
overlegorganen, waardoor in een vroeg stadium de technische haalbaarheid van operationele eisen kan worden geevalueerd.
- Krijgt richtlijnen aangereikt voor de politieverbindingen van de beide ministeries en de commissie voor de PVD.
- Is frequentiebeheerder voor de aan de politie toegewezen frequentiebanden en heeft daardoor (gelukkig) voldoende invloed op gebruik en etherordening in deze banden.
- Heeft een eigen verantwoordelijkheid ten aanzien van kwaliteit en onderhoudbaarheid van bij de politie in gebruik zijnde communicatieapparatuur en hanteert daarbij een eigen typekeuring. AIleen door de PVD goedgekeurde apparatuur wordt door de politiekorpsen gebruikt.
2. De commissie voor de Politieverbindingsdienst. Daze commissie is ingesteld door de ministers van Justitie en Binnenlandse Zaken als beleidsinstrument van deze ministers op het gebied van Politieverbindingen. Zij bevordert dat de PVD zijn taak vervult overeenkomstig het in deze commissie opgedragen aan de PVD, hetzij, indien de PVD zelf aktiviteiten aandraagt, getoetst aan de beleidsuitgangspunten. AIle informatie van of over operationele gebruikers en gebruikerseisen worden via formele overlegstrukturen ingebracht in deze CPVD, alvorens formeel aan de PVD te worden overgebracht voor verdere technische evaluatie. Deze commissie bestaat voornamelijk uit ambtenaren van beide ministeries en de Directeur van de Politieverbindingsdienst.
3. De contactcommissie voor de politieverbindingen. In de contactcommissie voor de politieverbindingen die ook door beide ministers is ingesteld am dezen te adviseren voer het gehele gebied van politieverbindingen komen we eindelijk personen tegen die als gebruiker aan te merken zijn. De commissie bestaat uit vertegenwoordigers van rijks- en gemeente- politie, PTT, PVD en, uiteraard, ambtenaren van de beide ministeries. De commissie vervult een coordinerende, adviserende en gebruikersbelangen behartigende rol, zowel in haar adviezen aan de ministers (CPVD) alsook naar de andere gebruikersgroeperingen. De eigenlijke operationele eisen worden door deze commissie geformuleerd waartoe, onder de hoede van de CCPV, een aantal werkgroepen zijn gesticht die het eigenlijke werk verrichten. Deze werkgroepen, op uiteenlopend gebied zijn zij aktief, zijn nu eindelijk instanties waarin de operationele eisen worden opgesteld door mensen uit het veld met praktijk kennis van operationele behoeften op verbindingengebied, specifiek gericht op . politieoptredens onder normale zowel als buitengewone omstandigheden.
- 105 -
4. Het Landelijk Oveeleg Veebindingen. De hiervoor genoemde werk-groepen zijn, om de gebruikersbelangen beter te bundelen, weer verenigd in een orgaan dat de fraaie naam LOVE heeft meegekragen - Landelijk Overleg Verbindingen -. Uiteraard maken van dit orgaan oak de voofzitter en secretaris van de CCPV deel uit, terwijl juist hier iedere technische inbreng door de PVD of Ilh van de vertegenwoordigers wordt buitengesloten am te vermijden dat in het stadium waarin deze groep eisen formuleert al teveel in technische oplossingen wordt gedacht. Het LOVE beengt zijn gebruikerseisen over aan de contactcommissie in de vorm van rapporten, die uiteindelijk via de CPVD bij ons terecht komen.
Ik bab in het voorgaande aen aantal van de formele belanghebbenden bij het formuleeen van gebeuikerseisen de revue laten passeren. Wanneer dit de enige weg zou zijn waarlangs, om in communicatieteemen te speeken, de informatie van de bran naar de bestemming wordt getransporteerd, zou het er droevig uitzien voor de gebruiker. Immers de informatie wordt vele malen ge- en demoduleerd, de kanalen zijn niet ruisvrij, informatie wordt toegevoegd en weggelaten, harmonische en' intermodulatie produkten gaan een rol spelen op een zodanige wijze dat je van geluk mag spreken als in het signaal dat de bestemming (PVD) bereikt bet oorspronkelijke signaal dat aan de bron gegenereerd werd (door de politiegebruiker), nog te herkennen is. ' Gelukkig beschikken wij daarom ook over direktere kanalen naar de gebruikers toe waarmee tenminste delen van het oorspronkelijke signaal te achterhalen zijn. Dat deze kanalen ook gebruikt worden om eigen gewenste signalen bij de bron te injekteren, waardoor soms aardige rondzing effekten optreden, ligt voor de hand. Om hiervan enige beschrijving te geven, moet ik de PVD-adviseur bij u introduceren. Geen lid van al deze mooie commissies, maar gewoon een hardwerkende man die een aantal politiekorpsen, voor wat betreft de verbindingen, onder zijn hoede heeft en bij aIle wensen op verbindingsgebied rechtstreeks ingeschakeld wordt, en die uiteindelijk een dikke vinger heeft in de realisatie van de wensen van een korps. Deze man heeft enerzijds een sturende functie - wat kan de PVD realiseren en toe hoever gaat de PVD in het realiseren van gebruikerswensen, binnen het beleidskader dat door de CPVD is aangegeven-. Anderzijds worden door hem de signalen en behoeften aan nieuwe communicatie mogelijkheden sneller opgepakt, waardoor in een vroeg stadium geanticipeerd kan worden op wens en en eisen, voordat die uiteindelijk via'de formele weg tot ons komen. Formeel beperkt de taak van de adviseu! zich natuurlijk uitsluitend tot de direkte oplossing van alledaagse communicatieproblemen.
- 106 -
3. VOORBEELD VAN TOTSTANDKOMEN VAN GEBRUIKERSEISEN GEBRUIKERSEISEN PORTOFOONNETTEN.
Mede door het in zwang komen van portofoongebruik in het politiewezen en het al suel ontdekken van een aantal fysische bezwaren (beperkte rijkweidte, beperkte batterijcapaciteit, kwetsbaarheid etc. ) is vroegtijdig onderkend dat algemene eisen te stellen aan portofoons en specifiek op portofoongebruik gerichte netwerken, noodzakelijk waren. Onder de hoede van de CCPV is in 1979 een LOVE werkgroep ingesteld met ais opdracht:"Het opstellen van gebruikerseisen voor portofoonnetten, uitgaande van het operationele gebruik". Omdat de werkgroep besefte dat een deel van de eisen die je stelt aan een netwerk zijn weerslag zal hebben op de aan dat net aan te sluiten randapparatuur, is zij begonnen met haar mandaat uit te breiden en eisen gaan stellen aan de portofoonapparatuur. Deze uitbreiding van het mandaat heeft tot gevolg gehad dat het uiteindelijke rapport veel meer aandacht besteedde aan het ( gemakkelijker te overzien ) randgebeuren portofoons, dan aan portofoonnetten. Het rapport, voor zover het betrekking had op portofoonnetten hield zich vooral bezig met de volgende onderwerpen ( waarvan ter illustratie enkele belangwekkende passages uit het rapport zijn bijgevoegd I.
1. Bet al of niet totaal dekkend zijn voor een bepaald geografisch gebied, en hoe dit moet worden gerealiseerd.
" PORTOFOONNET TOTAAL DEKKEND?
De werkgroep is gestart met een globale ve+kenning van het te onderzoeken terrein. Bierbij bleek dat de vraag of een portofoonnet totaal dekkend voor het hele bewakingsgebied moet zijn, erg principieel is. Tijdens verschillende bijeenkomsten moest meerdere keren hierop teruggekomen worden. De leden van de werkgroep zijn echter van mening dat in principe gekozen moet worden voor portofoonnetten die het hele bewakingsgebied dekken, zonodig door middel van een diversity-systeem, daar de in gebruik zijnde systemen •••••••••• •••• niet gebruikersvriendelijk zijn. De leden van de werkgroep blijven gereserveerd met betrekking tot een dergelijk systeem. Een dekkend net blij£t de voorkeur verdienen in verband met de veiligheid van burger en politieman. Vaak doen zich situaties
- 107 -
voor waarin aIleen van portofoon gebruik kan worden gemaakt. In een aantal van deze gevallen zal het niet mogelijk zijn om een auto met koppelfunctie onopvallend te stationeren zodat men uitsluitend aangewezen blijft op portofoonverbin-dingen •••.•••••••• •••• De leden van de werkgroep pleiten derhalve voor dekkende portofoonnetten in het algemeen, doch kunnen zich situaties voorstellen die hier niet voor in aanmerking kunnen komen.
2. Het gebruik van tone-squelch ter vermindering van storingen en hinder van ongewenste zenders. ( Ten onrechte in het rapport pilot-tone of private-line genoemd)
PILOT-TONE c.q. PRIVATE-LINE SYSTEMEN.
In verband met veelvuldig voorkomende storingen meent de werkgroep het gebruik van zogenaamde pilot tone systemen te moe ten adviseren. Een net moet absoluut stil zijn wanneer er binnen het eigen korps of onder verantwoordelijkheid van dat korps geen gebruik van wordt gemaaakt ••••• ...• Een zender die op dezelfde frequentie werkt doch niet identificeerbaar is voor de ontvanger van het net moet niet de mogelijkheid krijgen om in het net te treden .••..•• ..•.• De werkgroep is van mening dat aIle te realiseren portofoonnetten voorzien moeten worden van bovenstaand omschreven systeem en tevens, indien praktisch mogelijk, van dezelfde tooncode. Dit in verband met toekomstige ontwikkelingen op het gebied van meerkanaals potofoons,en de wenselijkheid om in elkaars netten te blijven treden. ..
3. Signaleringen voor de gebruikers van wat er in het net gaande is.
SIGNALERINGEN OF HET BEDIENTABLEAU.
Aangezien de rnees~e personeelsleden, werkzaam in de meldkamet, niet of nauwelijks op de hoogte zijn van datgene wat zich direkt achtet het bedientableau afspeelt, lijkt bet raadzaam om, in verband met eventueel optredende storingen, een aantal, naar de mening van de werkgroep belangrijke signaleringen in het bedientableau aan te btengen. Tevens zullen een aantal funktietoetsen de mogelijkheid moeten creeeren om direkt ingtijpen bij bepaalde
- 108 -
ongemakken mogelijk te maken.
1) te zien moet zijn welke ontvangers door een zender worden aangesproken, en welke wordt doorgeschakeld naar het bedientableau.
2) te zien c.q. te horen moet zijn dat bepaalde storingen optreden~
a. overgaan op noodstroom. b. uitvallen van telefoonlijn bij afstandbediende zenders of ontvangers. c. uitschakelbaar maken van afzonderlijke ontvangers vanaf het bedientableau. d. uitschakelbaar maken van tone-squelch per on tv anger vanaf het bedientableau. "
4. Versluiering in portofoonnetten.
n
De werkgroep heeft zich oppervlakkig met deze materie bezig gehouden •••••••• ••••• doet de werkgroep de aanbeveling om te streven naar versluieringsmogelijkheden binnen portofoonnetten.De werkgroep is van mening dat gezocht moet worden naar portofoons met ingebouwde versluierings apparatuur teneinde de huidige compactheid van de portofoons, waardoor het gebruik sterk gestegen is, te behouden. M
Uit deze, veelal in algemene bewoordingen gestelde, eisen aan netten voor portofoongebruik kan men destilleren dat de gebruikers die hier eisen aan het opstellen geweest zijn daarbij toch al van het bestaan van bepaalde systemen zijn uitgegaan en dua min of meer in techniache oplossingen gedacht hebben. Tevens dient men te bedenken dat dit slechts een gedeelte uit het rapport is en de rest van hetzelfde rapport veel gedetailleerder de eisen behandelt die aan de portofoon zelf gesteld worden. De opsomming van die eisen zal ik hier verder achterwege laten.
- L09 -
MARITIEM SATELLIETVERKEER
IR. F. RUSTING
PTT, DIRECTORAAT RADIOZAKEN 4. 1
Het systeem INHARSAT ("International Maritime Satellite Organizati<[m"J
maakt gebruik van satellieten am verbindingen tot stand te brengen tus
sen schepen en kust-grondstations en tussen schepen onder ling .
Gebruik wordt gemaakt van de in ITU-verband voor maritiem-mobiele satel
lietdiensten aangewezen frequentiebanden.
Zoals dat het geval is voor de meeste communicatiesatellieter., bevinden
oak in dit geval de satellieten zich in de geostationaire baan
(36 000 km boven de evenaar).
Vanuit iedere positie op die baan kan ongeveer een derde deel van het
aardoppervlak "bediend" worden en daarom is er sprake vandrie regio's.
de Atlantische Oceaan Regio (AOR), de Indische Oceaan Regio (lOR) en
de "Pacific" Oceaan Regio (POR).
In deze regio s werken technisch onafhankelijke systemen, welke bestaan
uit:
een Netwerk Coordinatie Station (NCS)
satell iet
terminals aan boord van schepen
kust-grondstations.
Het MCS, dat zich bevindt in een der kust-grondstations van iedere
regia en dat gebruik maakt van een deel van de apparatuur van dat
station (antenne b.v.), heeft onder meer de volgende functies:
frequentietoewijzing t.b.v. het tot stand brengen van een verbinding
controle van de jUiste werking van het systeem (monitoring)
uitvoering geven aan plannen voor het opvangen van noadsituaties
zoals een defecte satelliet e.d.
De satellieten hebben tot taak de door schepen en kust-grondstations
uitgezonden signalen te ontvangen, te versterken en Weer uit te zenden.
Bovendien moet frequentie-verschuiving plaatsvinden: van een verbin
ding van wal naar schip wordt voor het dee I wal-satelliet gebruik
gemaakt Van de 6 GHz band; tussen satelliet en schip wordt de verbin
ding opgebouwd in de 1,5 GHz band. In de omgekeerde Y'ichting: schip
naar wal, wordt Voor hot eerste decl de 1,6 GHz, voor het tweede deel
de 4 GHz band gebruikt.
110 -
Of weI: kust-grondstations zenden en ontvangen in resp. de 6 en 4 GHz
banden; voor schepen is dit reap. 1,6 en 1,5 GHz.
Er zijn drie typen aatellieten in gebruik:
MARECS (MARitieme Europese Communicatie Satelliet).
INTELSAT V
MARISAT
Gehuurd van en beheerd door ESA. Capaciteit % 40
spraakcircuits.
Een maritiem pakket aan boord van een aantal INTELSAT
satellieten.
Gehuurd van en beheerd door INTELSAT. Capaciteit % 30
spraakcircuits.
(MARItime SATellite).
Gehuurd van en beheerd door COMSAT.
Capaciteit % 12 spraakcircuits.
De terminals aan boord van schepen ontvangen signal en van de satel
liet in de band 1535,0 - 1543,5 MHz en zenden naar de satelliet tussen
1636,5 en 1645,0 MHz.
Er zijn drie soorten terminals (telefonie. telex, telefonie + telex)
die aIle of een deel van de volgende functies kunnen uitvoeren:
automatisch opbouwen van uitgaande verbindingen t.b.v. telefonie
idem telex
automatisch opbouwen van inkomende verbindingen t.b.v. telefonie
idem t.D.V. telex
ontvangen van groepsoproepen
interface verzorgen met facsimile-en data-apparatuur e.d.
Ieder terminal heeft zijn eigen unieke (21 bit) identificatienummer.
Kust-grondstations ontvangen door de satelliet uitgezonden signalen
in een gedeelte van de band 4180,0 - 4200,0 MHz en zendcn naar de
satelliet in een gedeelte van de band 6410,0 6425,0 MHz.
Een kust-grondstation zal in de praktijk aIle functies moeten beheersen
welke oak scheepsterminals moeten kunnen uitvoeren.
In tegenstelling tot het schip is het kust-grondstation echter gewoon-·
lijk geen eindgebruiker. Het is dan ook verbonden met een telefoon-
en een telexcentrale.
Telexverbindingen worden gewoonlijk geheel automatisch verwerkt.
- III -
Voor telefonie is dit ook mogelljk; in sommlge landen wordt dit echter
niet gedaan.
Ieder kust-grond~tation heeft een, voor de betreffende regio unieke.
2-cijferlge identificatiecode.
De in de verschillende transmissierichtingen (wal naar schip, schip
naar wall voor iedere verkeerssoort toegepaste modulatiemethode, meer
voudige toegangs- (tot de satelliet) methode ("multiple access") en
frequentietoewijzingsmethode zijn hieronder weer~egeven.
Telefonie
Telex
56 kbit/s
data
Wal - Schip Schip ~ Wal
Modulatie Companded FM Companded FM
Multiple SCPC/FDMA SCPC/FDMA
access
Frequent ie-
toewijzin~ Demand assignment Demand assignment
Modulatie 2 fase PSK 2 fase PSK
Multiple
access TMD/FDMA TDMA en F'DMA
Frequentie- pre-assigned pre-assigned
i!;oewijzing
Modulatie
Multiple
access
frequent ie
toewijzing
met; \"DMA
FM
PSK
SCPC
TMD
TDMA
Ij fase PSK
SCPC/FDMA
demand assignment
Frequency Dtvision
Multiple Access
Frequency Modulation
Phase Shift Keying
Single Channel Per Carrier
Time Division Multiplex
Time Division
Multiple Access
• 112 •
Communicatie van soh!p naar schlp is in aIle gevalien een serieschake
ling van een sohip naar wal- en een wai naar schipverbinding (fltweehops"
vel" binding l.
Gewoonlijk vindt de serieschakeling plaats (door het gebruik van de
juiste signaleringscode) in een met het kust-grondstation verbonden
centrale.
De verbindingsopbouw loopt altijd via het NCS. Ten behoeve van de bij
de opbouw (en afbraak) van verbindingen benodlgde signalering is er
een vaste frequentie waarop een scheepsontvanger in rust altijd is
afgestemd. Op dit kanaal worden schepen opgeroepen, frequentles toege
wezen e.d.
Via een andere frequentle kUnnen schepen (onge.coordlneerd, maar kleine
kans 01' mislukking door "overlap") verbindingsaanvragen doen.
Oak nu worden frequenties door het NCS toegewezen.
De berichtenstroom wordt ontvangen door aIle kust-grondstations die,
ingeval zij betrokken zijn bij een gewenste verbinding, er de nodige
conclusies ult kunnen trekken.
Verbindingsaanvragen vanult een kust-grondstatlon lopen altijd via het
NCS, via daarvoor bestemde vaste kanalen.
Literatuur:
ESA Bulletin d.d. 28 november 1981 (vijf artikelen betreffende mari
tleme satelliet-telecommunicatie).
Het PTT-bedrijf, april 1982
(drie artikelen betreffende maritieme satelliet-telecommunicatie)
- 113 -
THE NORDIC MOBILE TELEPHONE SYSTEM
Olof Billstrom System engineer, Mobile Telephone Systems Ericsson Radio Systems AB
Introduction
'.2
In October 1981 one of the most advanced mobile telephone system of to-day was taken into service in Sweden. The system, the Nordic Mobile Telephone System (NMT), covers to-day large parts of the four Nordic countries (Norway, Denmark, Sweden and Finland) and has met an enormous popularity with customers. In. December 1982 about 30 000 Nordic subscribers·are served by the system. Besides, the system has so far also been selected by Spain and Saudi Arabia, in which countries systems have also been in service for about a year, and more recently by the Netherlands and Austria. The interest for the NMT system is steadily growing.
Design objectives
The NMT system was commonly planned by the four Nordic Teleadministratlons. This planning, which was made with cooperation of the industry, started already some ten years back and included detailed field tests before the system was finally decided upon. This gives some indications of the time and man efforts involved in putting a modern, high-capacity system into service.
The main design objectives when specifying the system, were:
Call set up and charging of calls to and from the mobile station should. be automatic.
It should be possible to set up calls between the mobile stations and any fixed telephone subscriber or any other mobile telephone subscriber within the system, regardless of country.
- 114.-
The costs should be charged to the calling subscriber, regardless of wether it is located In the mobile system or in the fixed telephone network. The charge should be based upon the dialed numbers, and the duration of the call.
The system should provide for automatic roaming capabJI lty for the mobile subscribers within the Nordic countries.
To the subscribers, the system should appear as similar as possible to the fixed telephone network. This appl ies both to the use of the mobile station, the rei lability of signal] ing, charging, and secrecy, and to the service offered.
The introduction of the system should not necessitate any significant changes in the fixed telephone networks.
The radio system should meet CEPT-recommendations.
The system should be able to work with a small-cell configuration to allow for high capacity, specially in large citites.
It can now be said that these objectives have been well obtained. Especially, it should be stated, that one reason for the rapid success of the system is that it needs no significant changes in the fixed network.
The basic elements of the system
The three basic elements of the mobile system, fig I, consists of:
Mobile subscriber equipments (mobile stations), which are small radio stations mounted in vehicles. They are equipped with push-button sets so that the drivers can easily establ Ish speech connections through the pub I i c netwo,k.
Base radio stations. as, which handle the radio communication with the mobile subscribers in their own area. They transmit all signals between the radio network and the telephone exchange equipment.
The telephone exchange equipment. which consists of a subsystem, MTS, in the telphone exchangessystem AXE 10. The subsystem makes it possible to connect the base radio stations to AXE 10 via ordinary telephone I ines. Thanks to the functional modularity of AXE 10 it is possible to use these AXE 10 exchanges either jointly for mobile and ordinary telephone traffic, or to use them only fo, mobile traffic. The part that is used solely for mobile telephone traffic is designated MTX.
Network structu,e and freguency plan
A network is built up of base radio stations. BS, the number and place of which are dependent on the size and topography of the country. and on the number of subscribers who are to be served. The radio stations
- J 15 -
that are conected to one and the same telephone exchange form one or serveral traffic areas. Within a traffic area a cal I to a mobile subscriber is transmitted in paralles from all base radio stations in the area.
Adjacent base radio stations transmit at different frequencies, fig 2. One channel in each base station is used as the calling channel, the others are traffic channels. The type of channel is indicated by a code in the signalling format. This arrangement Is so flexible that a calling channel can be used as a traffic channel and vice versa. This is particularly useful in areas with little traffic and only a few channels per base station. Moreover the system can change channel by altering the channel marking, for example in the case of a fault on the calling channel. The range of a base station is dependent' on the height of the aerial and the topography, and it is usually 15-25 km.
Each radio connection uses two Channels, one for sending and one for receiving. Together the two channels form a duplex channel. The spacing between the sending and receiving frequency, the duplex spacing, is 10 MHz. The maximum number of duplex channels In the mobile station is 180 with a spacing of 25 KHz between adjacent channels. The total bandwith requil"ed is 2x4,5 MHz, ;'e.4.5 MHz in each direction. With 20 KHz channel spacing, 225 channels can be used.
Since the same frequencies can be used in different geographical areas, fig 2, the total number of channels in a country can be considerably higher than 180, with a proportional increase In the traffic capacity. For example, in Sweden it is calculated tha.t about 250 base stations with a total of I 000 speech channels wil I provide sufficient traffic capacity for approximately 40-50 000 mobile subscribers in a fully expanded system.
Further, the system is prepared for smal I-cell techniques, which will later be used in the large cities.
Calling methods
A call to a mobile subscriber is made in the same way as a trunk call. First the code of the servlce is dialled, immediatly followed by the subscribers number of the mobile station. A call from a mobile station is carried out as jf the station was connected direct to the publ ic network.
Call to a mobile subscriber
The mobile telephons system constitutes a number group in the national numbering plan, and the service can be reached by one and the same code from any place in the country. Each mobile subscriber has a unique subscriber number within the number group.
A call to a mobile subscriber is made by dialling the code, which can contain I, 2 or 3 digits, and then the subscriber number. The code and the Hrst one or two digits of the subscriber number connect the call ing subscriber to the correct telephone exchange MTX. When the whole number has been received MTX analyzes it with regard to validity. subscriber category (i.e. barring category) and the traffic area of the called subscriber. The exchange then transmits a calling signal over all base
- 116 -
radio stations In the traffic area in question, fig. 3.
When the subscriber Is free, his mobile station is set to the call ing channel from a base station gives an acceptable transmission quality. When the mobile station detects the call it automatically sends an acknowledgement signal on the same channel. The telephone exchange has then located the base station from which the called place on the traffic channel.
The exchange, MTX, seizes a free traffic channel to this radio station and sends an order, on the call ing channel, to the mobile station. The mobile station then switches over to the specified traffic channel, after which a normal identification procedure, "handshaking", takes place on the traffic channel.
Call from a subscriber
A mobile subscriber who wants to make a call first dials the desired number and then initiates the call by I ifting the handset. The mobile station then starts to hunt for a free traffic channel to a base station in the traffic area. When the mobile station has found a free channel and called, the normal "hand shake" takes place and the number of the caller is automatically transmitted to the exchange, MTX, which is the local exchange of the mobile subscriber. MTX analyzes the subscriber category and the dialled number, and the call is then set up.
Switch-over methods
Since the subscribers are mobile, a subscriber has to be switched over to another telephone exchange when he has left the area covered by his own exchange. If a subscriber leaves the coverage area of one base radio station during call, he must be switched over to another station while the call is going on.
Switch-over to another exchange
Each mobile subscriber is registered in a certain telephone exchange, his "home exchange" (MTXH). When a subscriber moves to a traffic area for another exchange, "visited exchange" (MTXV), his incoming call s are automtlcally transferred to the latter exchange. This procedure is called roaming.
As soon as a mobile station enters a new traffic area, whether it is served by the same or another exchange, the mobile station detects this by identifying the traffic area code given on the call ing channel. The mobile station then automatically calls the exchange, which can be MTXH or MTXV. The exchange notes which traffic area the subscriber has now entered. If a new MTXV has been called, this exchange signals to the subscriber-s MTXH that the subscriber is in the new traffic area. MTXH acknowledges by sending information regarding the subscriber category to MTXV, which stores the information together with the subscriber number and the traffic area identify.
- 117 -
A call to a mobile subscriber is always first routed to the home exchange MTXH. When necessary, the call is rerouted to the visited exchenge MTXV with the aid of the above-mentioned position information.
Switch-over to another base station during a call
When a subscriber moves out of the coverage area of one base radio station into the area of another during a call, the call is switched over from the first station to the second.
The transmission qual ity of every call in progress is monitored with the aid of a pilot ton (4000 Hz). The signal is transmitted from the radio station to the mobile station and back again.
When a call is to be switched over, the telephone exchange orders a field strength ·measuement on the relevant traffic channel from adjacent base stations. If another base station offers better transmission quality, the telephone exchange investigates whether there is a free speech channel from this base station. If so, the call is switched over to this channel.
Signalling principles
Binary slgnall ing is used for the exchange of information between the telephone exchange and the mobile station. The same system is used for the remote control of the base station. The modulation method for signaIling is frequency shift at a speed of 1200 bit/s. The shift frequencies are 1200 and 1800 Hz. The use of these frequencies means that a narrower bandwidth is required than with normal CCITT standard, and higher distortion can be accepted on the point-to-point circuits between the exchange and the base stations. Disturbances caused by fading of the radio signal are counteracted by the use of an error-correcting code for the signall ing.
The data messages are transmitted synchronously in frames. The frame al ignment is achieved with a special II-bit sequence (Barker), which is sent after 15 bits for bit synchronization. The coded message then consists of 6q Information bits and 76 check bits.
Compelled signalling, which is based on the same principles as MFC signal I lng, is used throughout, which makes the signal I ing system very reI iable.
For the signalling between the telephone exchange and the remainding of the public telephone network, the existing 5ingall Ing systems are used. The telephone exchange is prepared for signalling system CelTT no.7, which can be introduced if it becomes necesseray to transmit more information between the exchanges.
Telephone exchange equipment, MTX
The exchange equipment consists of the public digital telephone exchange system AXE 10. AXE 10 is a modular, stored-program-controlled system, which covers the whole range of applications nom local and tandem exchanges to international exchanges.
- 08 -
All additional functions, that are required when AXE 10 is used as a mobile telephone exchange are assembled in a subsystem. Thus all other subsystems are unchanged. The functional modularity of the AXE 10 structure therefore makes it possible for an AXE 10 to - handle mobile telephone traffic and public transit traffic, i.e. an ordinary AXE 10 transit exchange is equipped with subsystems MTS. - handle only traffic to and from mobile subscritbers.
The normal AXE charging subsystem is also used for the mobile subscribers. Outgoing calls are charged by means of toll ticketing. If a country has more than one MTX, the charging data from all MTXs must be processed together, since a mobile subscirber can have made outgoing calls from several of them. If several countries are covered by a common mobile telephone system which permits roaming, the output data from the toll ticketing must be used in the accounting between the administrations In these countries.
If an administration so desires, the mobile subscribers can also be charged for incoming calls or charged an extra fee for calls via "visited" MTXs. Toll ticketing must then be used.
The base radio stations, which are conected to the telephone exchanges via point-to-point circuits, fig 2, handle the radio communication with the mobile stations. They function primarily as relay stations for the I ine signals. They also supervise the qual ity of the radio circuits with the aid of a pilot tone.
The block diagram of a base station is shown in fig. Ii.
Each channel has a transmitter TX, a receiver RX and a control unit CU. The control unit interfaces the base radio station to the exchange. It controls the signall ing between base-station and exchange. It also controls the transmitter and receiver as well as the fault supervision in the base station. A message is sent to the exchange if a fault occurs in the station, The control unit also generates the pilot tone and evaluates the quality of the tone that is returned from the mobile station. The control unit is built up around a microcomputer.
The transmitter-multiplexor TX-MPX makes it possible to connect up to 10 transmitters to a common antenna. This is an extremely valuable facility, sInce the masts in which the antennas are mounted can be quite crowded.
The receiver-distributor RX-MPX makes it possible to connect up to 12 receivers to a common antenna. Transmitters and receivers can also be connected to the same antenna if a special duplex filter is used.
The field strength receiver SR measures the field strength on any channel ordered by MTX. The result of the field strength measurement is used to decide whether the call' in progress should be switched to aroother base station.
- 119 -
The supervisory unit SU controls the signalling between the field strength receiver and MTX.
Mobile subscriber eguipment
The mobile subscriber equipment, the mobile station, is shown in fig. 5. It offers a number of useful facil ities for mobile subscribers. A brief summary of them is given here.
- Push-button set, which gives simple and fast diall ing. - Pre-selection, which means that the diall ing and checking of the dialled number on the number panel can be done before the subscriber lifts the handset. This prevents many calls to wrong numbers. Furthermore the channel is not occupied during the time it takes to dial. - Abbreviated diall ing with one or two digits numbers for subscribers who are often called. The number information is stored in the mobile station. - Loudspeaking telephone, which means that the calling procedure can be carried out using only one hand. However, In this case it is necessary to operate a fixed microphone during the call, for example a microphone mounted by the steering wheel, and equipped with a push to talk key, since the interference level is often high in a vehicle. - A service indicator, which indicates when the subscriber is within reach of the base station network. - An indicator, which gives persistent indication of incoming calls. If the subscriber has left the car temporarily, on his return he can cal I the person from whom he expects a call. - Volume control, for regulating the sound level of incoming call. - Normal subscriber facil ities that are available in AXE 10.
A block diagram of the mobile station is shown ;~ fig. 6. The design is based on the latest development in digital frequency synthesJs and LSI and computer technology. The complex mobile station could not have been made so small and been manufactured at a reasonable cost if this revolutionary development had not taken place.
The control unit, fig. 7, is built up around a microcomputer. It is used for complex signall ing functions, and also to provide the subscriber with extra fac~llties, such as abbreviated diall ing, without any appreciable extra costs.
The radio unit is built up of a number of MSI and hybrid circuits, a total of three monolithic and five hybrid circuits, in order to reduce its weight and volume. The frequency generator of the radio unit is based on digital frequency synthesis.
The installation of the mobile telephone station is simple and flexible. It Is usually mounted in a cassette, as a single unit, and will then fit, for example, in a normal car radio compartment. _However, the station can also be divided so that the control head is placed where it is easily accessible to the driver, the rest of the equipment being placed elsewhere in the vehicle.
The mobile telephone equipment can also easily be removed from the car and placed in a carrying case or on a desk in a table cassette.
Public network I Network for mobile subaerlbers
- 120 -
~~MTXI~--:-__ ---..as
as
Fig.1. The basic prinicples of a network with mobile subscribers, and their connection to the public network via AXE 10.
Public network I Mobile telephone
. network
I
Fig.2. A typical frequency plan. Adjoining basestatlons, as, operate on different frequencies, but stations at a sufficient distance from each other can use the same frequencies. Minimum seven different groups of~frequencies are required.
- 121 -
Call
Acknowledgement
MTX Channe order
Fig.3. Call to a mobile subscriber. Signall ing takes place on the call ing channel, after which a speech channel is connected in
TX
~ II ~ TX-
TX MPX
U
MTX cu j r-I DPX
RX
tr --i RX-
RX , MPX
r--
MTX
....., I su I
SR ;-Fig.4. Block diagram for a base station.
llY tr
Fig.5. A mobile telephone with a push-button set for dialling and a display which shows the dialled number.
Handset
Loudspeaker
Fig.6. The function units in the mobile station.
- 123 -
Design and Layout of a Mobile Station for NMT
F. G. Becker
Siemens AG, Munich
Transmission Networks Division
4.3
Head of the Technical Department for Mobile Radio Systems
1. Introduction
The years of unlimited economical growth have passed. Much
has been written on how to preserve the economical wealth.
For most of us this means to maintain job security. Due to
the mechanism of our econonmical system this means competi
tion with other nations, other companies, other markets.
In this competition the market, i.e. the customers buying
the products playa very important role.
The product on the market constitutes the last phase of a
long chain. If we look at the life cycle of a product as
shown in figure 1, every product be it as simple as a tooth
brush or complicated as a complex transmission system, starts
after the concept has been laid down during a definition
phase.
Production Engineering
Quality Assurance
- 124 -
r-----------""1--'-----j I • Specifications I I • Requirements I I .Oesign I I • Time/price I L____ _ ______ 1..___ I-...J
Customers Salesmen Service & maintenance Competitors
Figure 1: Life cycle of a product
After having defined it the product will be developed,
produced and then brought to the market. Production engineer
ing and quality assurance are accompaning activities in order
to safeguard that the product defined will be produced in the
quality level required by the customers.
From the market, i.e. customers, salesmen, service and mainte
nance personnel and competitors, a very important feedback
takes place to those who defined the product. Ideally this feed
back ought to be known already when defining the product, since
only positive feedback i.e. a certain level of acceptance by the
market is giving positive economical results needed for further
investments and new jobs. Thus anticipating positive feedback
already in the definition phase is a prerequisite when defining
a product.
- 125 -
The definition phase is laying down the guidelines for the
developmental phase. Since the development is fixing 80 to
90 % of the total costs of a product the definition phase
is the crucial point of the life cycle. Since decisions
covering the definition of the product must be based on facts
and ideas that will work out later in practice, in particular
the engineer is called to cooperate very closely within this
phase with all people concerned, specially with those close
to the market (salesmen, marketing people). This calls for
creative and cooperative engineers and innovative technically
trained persons who find new ideas, create new layouts and
apply newly discovered physical effects. Since these prin
ciples are often very difficult to apply in practice this
paper makes the attempt to discuss this topic in general and
show at the same time in detail by a practical example - the
mobile station for NMT - how it can be applied.
2. Definition of Mobile Stations
Mobile stations are the terminals in a mobile telephone
system. They constitute the instruments for the user to
communicate with other people. A mobile station essentially
consists of three major parts as shown in figure 2.
Antenna
Handset Main unit
Operation control
Receiver
Logic I--~---~D I control up exer
T rallsmitter
From power supply
Figure 2: The major parts of a mo!lile station
- 126 -
o the main unit containing the transceiver (receiver
and transmitter) with the duplexer and the associated
logic control,
o the operation control with keypad, display and indi
cators and
o the handset with earpiece and microphone.
The main unit is normally placed in the trunk of a car or in
case of portable application in a carrying case. The opera
tion control with the handset must be in reach of the driver
and the user of the mobile telephone system respectively.
A mobile station is - at least if we look at the specifica
tions - a well defined product. It is small enough to be held
in your hands, it is easy to survey and does not have the
complexity of e.g. a transmission system. That means one person
can oveclook the whole product cycle, i.e. sees the results of
what has been developed. There is a short way from the
concept to the operating product.
On the other hand it is a fast living product with short
innovation time for a highly competitive market. There are
a variety of requirements difficult to put under one hat.
Finally the product will be used by a variety of customers
with different habits and very often very little technical
understanding.
3. Requirements a Mobile Station has to fulfil
Besides fulfilling the technical specifications imposed by
the system the most important objectives come from the
different user groups mentioned above. The mobile telephone
has to be operated as easily as an ordinary telephone
set. That means the design should be as similar to that as
possible. Add only additional indicators and switches or but
tons, if really necessary (e.g. for indication of the opera
bility within the system). Specially operation control and
handset should not interfere with driving operation.
- 127 -
That leads to clear ergonomical guidelines for the handling
of the keyboard and handset and the size and arrangement of
display and indicators. Nevertheless, the design appeal -
specially that of the operation control - should not be
neglected, it is an important factor in the decision find
ing process of the potential user.
As soon as the equipment has been bought it must be in
stalled e.g. in a car. That might be a new car, nobody
wants to have a lot of holes for mounting the equipment, hol
ders or for pulling bulky cables from the trunk to the dash
board. So the equipment, specially that located in the
driver's cabin must be small and consist of as little parts
or boxes as possible. This will be seen immediately, if one
looks for a mounting place at the dashboard as shown in
figure 3.
® e_ ® •• Ci)_ .. ~~_
660
Figure 3: Looking for a mounting place at the dashboard of a car
Service and maintenance is another very important factor.
High quality level is a prerequisite, on the other hand a
- 128 -
mobile radio is a low price item compared with similar
cOmmunication equipment with similar tough technical speci
fications. In the case of repair or technical changes
imposed on e.g. by changes in the system the equipment must
be suitable to be quickly taken out of the car, the subunits must be easily accessable and the final test must be possible
with measuring equipment available in the field.
Additional requirements corne from the people selling the
equipment to the dealers or directly to the users. Normally
most of the options and gimmicks will be introduced because the salesmen need them for convincing the customer that this
specific product is the most suitable he can buy.
Last not least there are a lot of technical requirements
in addition to the specifications. These are e.g. additional
margin for the technical parameters as to guarantee a smooth run through production and testing. Also the requirements
for temperature, shock and vibration must be higher than
those imposed by the specifications for the same reason. And this leads generally to very stringent technical re
qUirements which call for the best electrical and mechanical
design available at a given level of prodUction costs.
If we talk about costs we should be aware that because of
the very competitive market the price level of the product is a level which can not be exceeded. There are few custo
mers ready to pay more money just because of a specific
trade name or a fancy technical solution. And from the difference between market price and production cost all
those people involved in the product cycle have to live.
So the maximum production costs permissible have to be fixed in the starting phase. The same holds for the date of
delivery to the market. All other time schedules have to
fit into the time between the first step, i.e. the definition phase, and the date of entry into the market. And all concerned have to accept it.
- 129 -
4. The Process of Designing and Defining a Mobile Station
As discussed already when talking about price and costs it
is very important to bring the competent people together
That does not necessarily imply that they have to sit to
gether during the whole product life time, not even during
a single step like the developmental phase. But they must
meet regularly, they must have the competence to take
decisions and stick to them.
Specially in the designing phase there must be a dialogue
between all involved so that all inputs can be taken into
account. If e.g. only engineers, not yet acquainted with
mobile radio in daily life, had the opportunity to design
a mobile station something like shown in figure 4 could
be the result.
Fancy Products Ltd.
Figure 4: Engineer's vision of a mobile station
- 130 -
At the end of the definition phase the main objectives must
be fixed and priorities be given to all concerned. So in case
of the mobile station for NMT the main objectives were (in
the order of priority)
o meeting the time schedule at
o a given level of production costs,
o high quality, high reliability
o design specially considering ergonomics
o introducing new technologies because of better
reliability or out of cost reasons
After the main objectives have been fixed the interface
between the subunits must be laid down as detailed as
possible, block diagrams will be made as shown in figure 5.
from 8alterie + 12 V
Handset Display Indicators Keypad
Operation I' cablel' control 7 m logic control
POW Power supply MPU Processor AF Audio frequency
T ransceiYer
Figure 5: Block diagram of the mobile station
Antenna
- 131 -
The subunits will be detailed, time schedules be made, so
that all engineers engaged in the developmental work know
what they have to aim at and when the various units have to
be ready. All this goes of course in steps and constitutes
an iterative process. Regular meetings on all levels of
the organisational hierarchy are a very important tool for
sticking to the time schedules agreed upon.
5. Conclusion
All views discussed up to now might sound rather academic,
because things are not running so smoothly in practice
and time is often a very limiting factor. Our experience
with this product MT 405, the name of our NMT mobile
station, has proved that it can work indeed. From start of
the definition phase to delivery of the first mobile sta
tion to the market were exactly two years time. Today we
belong among 11 competitors to the first suppliers when
looking at market acceptance in terms of mobile units sold.
Figure 6: The mobile station MT 405 in an attache case
- 132 -
The mobile station shown in figure 6 is placed in a
carrying case. The rechargeable batteries with a capacity
of 13 Ah are sufficient for 24 hours operation with 1 hour
transmission time. There are only 3 plugs - antenna, operation
control and power - to be disconnected and then the complete
unit can be put back into a car or boat without having to do
any screwing or other kind of fixing. The operation control
integrated into the handset can be seen in the upper left
corner of the attache case.
Figure 7: Handset containing complete operation control
Figure 7 shows the handset in more detail. Despite its
remarkable small size really fitting also into small
hands and its light weight (230 g) it contains all elec
tronic components needed to operate the mobile station. If
desired there is no additional cradle or holder needed. Thus
if there is no mounting place at your dashboard it can be
put into the gloves compartment or on the rear seat. In this
way the telephone can be used from any seat in the car. T~ere
is no need for holes to put the equipment at any other place
desired. Last not least because of the ergonomical design a
real one-hand operation, even when driving, is possible.
- 133 -
This example shows that even under a very tight time
schedule new products Fan be defined, developed, produced
and sold successfully bn a highly competitive market. But
this example also shows that the most important step is the
first one, namely the definition of the product. And for
this first step we need engineers with much imagination and
creativity. These engineers are needed not just for the fun
of inventing or developing new things but to keep our econo
mical system running and give to all of us the basis for an
economically stable environment.
- 134 -
HET DERDE GENERATIE-AUTOTELEFOONSYSTEEM VAN PTT: EEN EUROPEES SYSTEEM
II'. L.R.A.M. Melis PTT, Centrale Directie
4.4
De auteur is werkzaam bij de afdeling Mobiele Communicatie van het Directoraat Commerciele Zaken Telecommunicatie. Hij leidt het technisch onderzoek op de afdeling en is nauw betrokken bij het internationale overleg op het gebted van de mobiele telecommunicatie.
1. Inleiding
Bij toepassing van land-mobiele telecommunicatie wordt onderscheid ge
maakt tussen openbare netten en gesloten netten. PTT is aktief op beide
gebieden en verleent dan ook haar diensten in netten zoals semafoon,
autotelefoon als weI in netten ten behoeve van brandweer, streekvervoer,
ANWB, taxi-ondernemingen, enzovoorts.
De ~obiele telecommunicatie maakt een stormachtige ontwikkeling door.
Niet aIleen neemt de vraag sterk toe, ook nieuwe technieken en systemen
volgen elkaar in een hoog tempo OPe
In dit betoog zal de aandacht uitsluitend gericht zijn op de ontwikke
lingen op het gebied van autotelefoonsystemen: openbare systemen, waarin
communicatie, met name telefonie, mogelijk is vanuit voer- of vaartui
gen. De gedachten gaan nu echter al uit naar systemen waarin ook draag
bare (hand-held) apparatuur, ofwel de pocket-telefoon, kan worden toet;z
past. Bovendien wordt gedacht aan het bieden van andere communicatievor
men, zoals bijvoorbeeld data-overdracht.
- 135 -
Terugkijkend tot vttr de 50-er jaren en vooruitkijl\.t,;d<l .:ot ua het
jaar 2000 zijn in Nederland een viertal generaties openbare mobiele
communicatie systemen te onderscheiden.
Sinds 1949 exploiteert de Nederiandse PTT een handbediend openbaar lan
deIijk mobilofoonnet (OLN). In 1980 voIgt de 1ntroduktie van een automa
tisch autotelefoonsysteem (ATF-l). Capacite1tsgebrek. ontstaan door de
sterk toenemende vraag en het verhoogde verkeersaanbod, noodzaakt de
spoedige introduktie van een 2e generatie-autotelefoonsysteem (ATF-2).
in 1984. Tot nu toe hebben deze autotelefoonsystemen, zowel in Nederland
als daarbuiten een nationaat of beperkt 1nternat1onaal karakter.
Het streven van de Nederlandse PTT 1s erop gericht dat harmonisat1e op
Europees niveau tot standaard1satie zal le1den. opdat volgende genera
ties autotelefoonsystemen (voor Nederland: ATF-3) deel zullen uitmaken
van een gemeenschappel1jk Europees mobiel communicat1esysteem.
Aktiviteiten in deze richt1ng zijn onlangs gestart 1n CEPT. 1)
2. Autotelefoongeneraties in Nederland
2.1 Openbaar Landelijk Net
Met de introduktie van openbare mobiele communicati!> systemen werd 1n
Nederland al in 1938 een aanvang gemaakt. Een eersce bestel ling van 200
mob1ele apparaten werd in die tijd geplaatst. Het duurde tot 1949 alvo
rens het eerste openbare landelijk dekkende net (OLN) in gebru1k werd
genomen 0). Dit net omvatte 22 basisstations verspreid over het land.
Slechts 2 radiokanalen in de 70 MHz-band werden toegepast. Het OLN is
nog steeds, weliswaar in sterk uitgebreide vorm (35 basisstations en 24
radiokanalen in de 80 MHz-band), in gebruik.
Aan het openbaar landelijk net z1jn echter een aantal bezwaren verbon
den die voornamelijk van exploitatieve aard z1jn, zoals hoge exploitatie
lasten en een matige dienstverlening. De oorzaak hiervan is dat het op
couwen van de verbindingen en het verzorgen van de gesprekskostenregi
stratie niet automatisch, maar door tussenkomst van telefonistes (hand
bediening) plaatsvindt. Bovendien zijn een aantal systeemaspekten te noe
men waarvan nu gezegd mag worden dat ze het bedieningsgemak op z'n minst
ongunstig beinvloeden.
- 136 -
De belangrijkste hiervan zijn:
- semi-duplex verkeer; de overgang van de spreek- naar de luistertoe
stand moet steeds worden aangekondigd met het woordje "over";
- afstemmen op het geschikte kanaal; de zend/ontvanger dient steeds
afgestemd te worden m.b.v. een kanaaIkeuzeschakeIaar op een van de
frequenties die in gebruik is op het dichtstbijzijnde basisstation;
- de telefoonabonnee dient de posit:i.e van de mobiele abonnee (d.w.z.
het basisstationgebied, met een straal van ca. 25 km) te kennen.
Het maximale aantal abonnees dat deeinam aan het OLN bedroeg ca. 2500
aan het eind van de 70-er jaren. Het was niet vanwege capaciteitsproble
men, maar juist vanwege bovengenoemde problemen van exploitatieve aard
en de beperkte gebruiksvriendelijkheid dat door PTT besioten werd een
automatisch net in te voeren. Bovendien werd besioten het handbediende
net, dat thans nog ca. 1800 abonnees bevat, rond 1986 op te heffen.
2.2 Autotelefoon-l
Begin 1980 werd het eerste automatische openbare mobiele communicatie
systeem in bedrijf gesteld. Vanaf dat moment wordt de benaming autotele
foonsysteem (ATF-l) gehanteerd.
De belangrijkste k.enmerken van het net zijn:
- automatische verkeersopbouw in beide richtingeo;
- digitale signaleriag op de radioweg;
- landelijke bedekking met 25 basisstations;
- 37 duplex-kana len in de 150 MHz-band;
- verbeterde gebruiksaspekten, zoals duplex-verkeer en vaste oproep-
frequentie (automatische kanaalinstelling);
- slechts 3 oproepgebieden voor het verkeer naar de mobiele abonnees
(Noord, Zuid en West);
- diverse abonneefaciliteiten, zoals verkort kiezen, herhalen Iaatst
gekozen nummers, display, enz.
Het ATF-l systeem is gebaseerd op het Duitse oBL-Netz B-concept. 2)
Het systeem is behalve in Nederland oak in gebruik in West-Duitsland,
Oostenrijk en Luxemburg zodat de autotelefoons in al Je vier de landen
kunnen worden gebruikt (2).
- 137 -
Al kort na de invoering van het automatische ATF-l systeem bleek dat
het door de abonnees aangeboden verkeer aanzienlijk groter was dan ver
wacht. In eerste instsntie werd bij de planning rekenlng gehouden met
een verdubbeling van het verkeer, t.o.v. het verkeers-aanbod in het hand
bediende net (dat ca. 0,007 er1ang per abonnee in het drukke uur be
droeg) •
Toen echter bleek dat het verkeersaanbod ca. 0,025 erlang per abonnee
bedroeg, moest worden vastgesteld dat derha1ve de capacit~it van het net
beperkt was tot ca. 3500 abonnees.
Dit aantal abonnees werd a1 bereikt toen het net ruim een jaar in be
drijf was. Ken dergelijke ontwikkeling is zeker niet unlek voor de Neder
landse situatie. Invoering van automatische systemen in andere landen
heeft bijna overal tot een onverwacht grote toename van het verkeersaan
bod geleid.
Voor Nederland heeft deze ontwikkeling samen met de ook nog sterk toene
mende vraag naar aansluitingen op het autotelefoonsysteem er toe geleid
dat a1 in 1981 besloten werd een 2e genera tie autotelefoonsysteem in te
voeren en weI op zo kert mogelijke termijn. In verband met de internatio
nale gebruiksmogelijkheden van het ATF-l-net zal dit systeem naast het
nieuwe systeem in gebruik blijven.
2.3 Autotelefoon-2
Bij de keuze van het 2e generatie-autotelefoonsysteem (ATF-2) werden de
vOlgende uitgangspunten gehanteerd:
- het systeem moet een grote capaciteit bezitten, toereikend voor
50.000 abonnees;
hierbij wordt uitgegaan van een verkeersaanbod van 0,030 erlang per
abonnee in het drukke uur (belegging van het rad10kanaal);
- bovendien wordt hierbij uitgegaan van een hoge "grade of service"
(stagnatiekans op de radioweg kleiner dan 5%);
- toepassing van een geheel nieuwe frequentieband: 450 MHz-band, waar
in 222 duplex-kanalen ter beschikking staan;
- 138 -
- ~oo oproepgebied voor het hele landelijk dekkende net, zodat de
vaste telefoonabonnee niet hoeft te weten wear de mobiele abonnee
dch bevindt;
- moderne gebruikersfaciliteiten, vergelijkbaar met de faciliteiten
die geboden knnnen worden in het openbare telefoonnet.-
Naast bovengenoemde uitgangspunten werd de eiB gesteld dat het net zo
spqedig mogelijk in dienst zal worden genomen om de capaciteitsproblemen
ontstaan in het ATF-l-net het hoofd te kunnen bieden. Na uitgebreid over
legwerd besloten dat het ATF-2 systeem in 1984 operationeel dient te
zijn.
Mede in verband hiermee ward gekozen voor een systeem dat in de prak
tijk beproefd was en weI het Nordic Mobile Telephone System (NMT). Dit
systeem is door de gezamenlijke Nordic Administraties (Denemarken,
Finland, Noorwegen en Zweden) ontwikkeld en is sinds 1981 operationeel
(3).
Omdat de frequentiebandligging en de radiokanaalafstand in Nederland en
de Nordic landen verschillend zijn, zijn de systemen niet compatibel.
WeI heeft samenwerking met de Belgische Administratie er toe geleid dat
het toekomstige Belgische systeem volledig compatibel met het ATF-2
systeem zal zijn.
De capaciteit van het nieuwe net zal na de Ie opbouwfase, wanneer de
222 beschikbare frequenties over basisstations met een "conventionele"
reikwijdte van 20 km worden verdeeld, toereikend zijn voor 15.000 abon-
nees.
Om de capaciteit verder te vergroten zal in de 2e opbouwfase van het
net het zogenaamde "small cell" principe worden toegepast. Hiermee wordt
bereikt dat, door de reikwijdte van de basisstations te beperken (van 20
km tot ca. 5 km), de frequenties die op de basisstations worden gebrulkt
vaker in het land kunn-en worden herhaald zonder dat van wederzljdse sto
ring sprake is (frequency re-use). De maxima Ie capaciteit van het ATF-Z
systeem bedraagt in die configuratie ca. 50.000 abonnees.
~n dergelijke toepassing van -kleine cellen vergt echter enkele speci
fieke technische voorzieningen in het systeem die voor de goede werking
onmisbaar zijn.
- 139 -
Zo kan b;l.j een lang gesprek tijdens het rijden een aantal malen een cel
grens worden oversehreden, waardoor het noodzakelijk is tijdens het ge
sprek over te schake len naar frequenties behorende b1j aangrenzende
basisstations. Deze funktie wordt aangeduid met "switching call-in
progress".
Een tweede noodzakelijke teehnische voorziening moet verzekeren dat au
tomatisch door de autotelefoons aan de centrale wordt doorgegeven in wel
ke eel of groep van cellen zij zieh bevinden. Dit is nodig om vast te
ste lIen over we] k( e) basisstation(s) de autotelefoon moet worden opgeroe
pen voor het tot stand brengen van een verbinding van de vaste telefoon
ahonnee nBsr de autotelefoon. De vaste telefoonabonnee hoeft dus niet te
weten waar de mobiele abonee zich bevlndt.
Deze faciliteit, die 1nhoudt dat een autotelefoon door het hele land
kan zwerven zonder "kontakt" met de centrale te verliezen wordt
"roaming" genoemd.
Naas! hovengenoemde systeem-technische voorz1eningen worden in het net
moderne gebruikersfaeiliteiten geboden. Hierbij vaH te denken aan het
doorschakelen van verbindingen (cal L-:transfer), verkort kiezen, herhalen
van het laatst gekozen nummer, enz. Ook in de mogeJijkheid om een kosten
teHer en allerhande randapparatuur (bij1i. t.b.v. data-overdracht) aan
te sluiten wordt voorzien.
3. Behoefte aan een 3e generatie autote]efoonsysteem
De capaciteit van het ATF-2 systeem bedraagt ca. 50.000 abonnees. Hier
bij wordt uitgegaan van klelne cellen (ca • .5 km) in de drukke verlteers
gebieden van het land. Uitgaande van de beschikbare 222 duplexkanalen in
de 450 MHz-band is een grotere capaciteit niet te verwezenlijken. Naar
verwachting zal het -ATF-2 systeem afhankelijk van de verkeersgroei verza
digd raken in de periode 1990-1995.
Om systemen met grotere capaeiteit te cre~ren za.l het nodig zijn een
nieuwe frequentieband in gebruik te nemen. l)eze mogelijkheid is onlangs
tijdens de WARC3) in J979 ontstaan door de toewijzing van frequenties
voor de mobiele dienat (behalve de aeronautische mobieJe dienst) in de
900 MHz-band. Van deze frequentietoewij zing is voor de CEPT-landen het
bandgedeelte 862-960 MHe van beJang.
- 140 -
In 1982 is door de CEPT een aanbeveling opgesteld waarin 2 x 25 MHz bin
nen dat gedeelte van de frequentieband voor een toekomstig internatio
naal mobiel systeem wordt gereserveerd.
Als opvolger van het ATF-2 systeem in de 90-er jaren zal derhalve een
systeem, werkend in de 900 MHz-band in aanmerking komen (ATF-3). Naast
de mogelijkheden om een toekomstig systeem volgens een geheel nieuw con
cept te ontwikkelen, waarbij gedacht ken worden aan digitale spraakover
dracht, de mogelijke introduktie van handgedragen mobiele telefoons,
enzovoorts, doet zich nu, dankzij de WARC-toewijzing en de daar van afge
leide CEPT-afspraken, de mogelijkbeid voor te komen tot de introduktie
van een gemeenschappelijk Europees systeem.
Benadrukt moet worden dat deze WARC-toewijzing voor de komende decennia
in fefte de laatste mogelijkheid biedt om een dergelijk doel te realise
ren.
4. Situatie buiten Nederland
De frequentietoewijzing tijdens de WARe 1979 heeft er niet toe geleid
dat in alle drie de wereldregio' s dezelfde frequentiebanden voor open
bare cellula ire mobiele systemen zullen worden gebruikt. Bovendien ver
schilt in de VS (FCC)4) (4) en in Japan (NTT)5) (5) respektievelijk
de kanaalafstand en de duplexafstand van de door CEPT aanbevolen
waarden.
Harmonisatie op mondiale basis is mede hierdoor uiterst gecompliceerd.
Vandaar dat het streven in eerste instantie gericht is op harmonisatie
op Europees niveau.
In Europa zijn op dit moment systemen werkend in de 150 MHz- en 450
MHz-band in gebruik. Veelal betreft het systemen op nationale of soms
beperkt internationale schaal. Door de ontstane diversiteit is de si tua
tie in de betrokken landen ten aanzien van invoering van nieuwe systemen
volkomen verschillend.
Zo is in sommige landen de noodzaak aanwezig om eerder dan in de 90-er
jaren 900 MHz systemen in te voeren. Bijvoorbeeld in het VK, waar de 450
MHz-band niet beschikbaar is voor openbare mobiele diensten, zuJ len ~~900
MHz-systemen reeds in 1985 worden Ingevoerd. Frankrijk kampt met capac"!
teitsproblemen voornamelijk in en in de omgeving van Parijs, en zal naar
verwachting in 1986 de 900 MHz-band in gebruik moeten nemen.
- 141 -
Ook in de Nordic-landen zal, vanwege de enorme groei in het huidige
NMT-sys teem , vermoedelijk v~~r de 90-er jaren de 900 MHz-band worden toe
gepast. Naar het zich thans laat aanzien zullen ook deze systemen, waar
in gebruik zal worden gemaakt van conventionele anologe FM-spraaktrans
missie, een nationaal of een multi-nationaal karakter hebben.
Mede hierom wordt invoering van deze systemen in de betrokken land en
als een interim oplossing gekwalificeerd en derhalve wordt de aanduiding
"900 MHz-interim-systemen" gehanteerd. Door deze land en wordt dan ook te
kennen gegeven dat de invoering van interim systemen het streven naar
een geavanceerd Europa-dekkend mobiel communicatie systeem voor de 90-er
jaren niet in de weg hoeft te staan.
5. CEPT-aktiviteiten
Voornamelijk, op grond van de overweging dat de frequentietoewijzing in
de 900 MHz-band tijdens de WARC '79 (6) de laatste mogeUjkheid is om
tot harmonisatie in Europa op ge~ied van mobiele communicatie te komen,
werd door de Nederlandse PTT tijdens de vergadering van de Commission
"Telecommunications" van de CEPT in 1982 een voorstel ingediend om in
CEPT-verband de mogelijkheden van Europese harmonisatie op dit gebied te
onderzoeken. Dit initiatief vond ruime steun en besloten werd de studie
op te dragen aan een specia1e groep GSM6) die dient te rapporteren aan
de CEPT-werkgroep CCH7). De studie werd als voIgt geformuleerd:
"Harmonisation des caractereristiques techniques et operationnelles d'un
service public mobile de communications dans Ie bande des 900 MHz".
Vervolgens werd eind 1982 het studieplan voor GSM de or eCH vastgesteld.
De aktiviteiten binnen CEPT zullen gericht zijn op een toekomstig Euro
pees systeem (en niet op 900 MHz-interim-systemen). Bedoeld wordt hier
mee een systeem dat ingevoerd zal worden in de 90-er jaren. Om werkelijk
te komen tot definiering van een systeem volgens een concept dat niet
gebaseerd is op de huidige stand van de techniek, za] niet eerder dan in
1986 een algemene basis-specifikatie gereed kunnen zij.n. Na 1986 kan de
start van de werkzaamheden am te komen tot een gedetailleerde technische
specificatie worden verwacht.
- 142 -
Enkele markante punt en , die bij de CEPT-studie aan de orde komen, zijn:
co-existentie problematiek samenhangend met het (deels) gelijktij
dige gebruik van dezelfde frequentieband voor interim-systemen en het
CEPT-systeem;
- invoering van "non-speech" diensten, naast telefonie, waarbij gerefe
reerd wordt aan de ISDN gedachte 8);
een hoge mate van spectrum-efficiency dient te worden nagestreefd,
toepassing van mobiele apparatuur ook aan boord van schepen;
toepassing van draagbare (hand-held) mobiele apparatuur (pocket
telefoon);
- waarborgen van het gespreksgeheim;
- opstellen van een integraal nummerplan;
- administratieve en reglementaire aspekten, samenhangend met het
(internationale) gebruik van de mobiele radio~~pparatuur in de deelne
mende CEPT-landen.
Hoewel het niet als uitgangspunt geformuleerd is dat het toekomstige
systeem gedigitaliseerd moet zijn, zijn een aantal punten in het studie
programma aan te geven die sterk samenhangen met digitale spraakover
dracht in het systeem. Het is dan ook niet onwaarschijnlijk dat dit the
rna een belangrijk punt van discussie zal zijn in het CEPT-overleg.
Ondanks het feit dat digitale spraakoverdracht zelfs met gebruik making
van efficiente codering en modulatie, uit het oogpunt van frequentie-eco
nomie niet of nauwelijks beter zal zijn dan analoge spraakoverdracht,
zijn een aantal aspekten in het voordeel van digitalisering te noemen.
Zo wordt diensten-integratie aanzienlijk eenvoudiger te verwezenlijken
en is geheimhouding door mid del van scrambling technisch zonder meer
mogelijk. Naast het gegeven dat digitale spraakoverdracht beter past in
een eveneens digitale infrastruktuur is nog van belang dat toepassing
van nieuwe technieken zoals tijd-duplex en TDMA9) , waarmee de daaraan
verbonden voordelen worden verkregen, kan worden overwogen.
Zeker zal gestreefd moe ten worden naar een systeem waarin gebruik wordt
gemaakt van de meest geavanceerde technieken zonder echter uit het oog
te verliezen dat harmonisatie en standaardisatie t.b.v. een toekomstig
mobiel communicatie systeem in Europa het primaire doel blijft.
Afkortinaen
1. CEPT
2. MIrB
3. WARC
4. FCC
5. NTT
6. GSM
1. CCR
8. ISDN
9. TDMA
- 143 -
Conf€rence Europ€enne des Administrations des Pastes et des TiHecommunications.
3ffentlicher Beweglicher Landfunkdienst-B
World Administrative Radio Conference
Federal Communications Commission
Nippon Telegraph and Telephone Public Corporation
Groupe Special "Systemes Mobiles Publics de Radio communications functionnant dans 1a bande des 900 MHz"
Comite de Coordination de l'harmonisation
Integrated Services Digital Network
Time Division Multiple Access
Literatuur:
(1) A.J. Duivenstijn
(2) L.J.C.A. v.d, Voort
(3) T. Haug
(4) W. Young et al
(5) M. Watanabe et al
(6) lTU
- 144 -
Tenth anniversary of the national Mobilophone network in the Netherlands Philips Telecommunication Review, Vol 21. No 2, October 1959.
Mobiele telefoonverbindingen: de autote1efoon in Nederland, De ingenieur, jaargang 91. nr 41, okt 1979
Mobile Telephony in the Nordic Countries, Ericsson review, No.3, 1981
Advanced Mobile Phone Service Bell System Technical Journal Vol 58, No.1, January 1979
Land Mobile Telephone System Review of the Electrical Communication Laboratories (NTT) Vol 25, Nos. 11-12, December 1977
Final Acts of the Word Administrative Radio Conference 1979 Geneva, 1980
- 145 -
4.S
MARKET OPPORTUNITIES AND CHALLENGES FOR PUBLIC MOBILE TELEPHONE
SERVICES IN EUROPE
Malcolm H.Ross
Arthur D.Little International Inc.
Wiesbaden, Federal Republic of Germany
Summary : Public mobile telephony service is used by only a small
fraction of the population. This seems to be due to the limited availa
bility of the service, rather than the lack of demand, as when addi
tional capacity is added to the service the number of users very
rapidly rises to fill the new capacity and there is a long waiting list
for new subscribers. Unfortunately the traditional technologies used to
supply mobile radio service have little scope for continued expansion
in the number of subscribers.
A different approach to providing a public mobile telephone service is
to provide a network of radios that provide service through a web of
small cells. After several years of trial service cellular public
telephone mobile radio systems working in the 900 MHz band are on the
point of entering full commercial service in the U.S. and in Japan.
- 146 -
In this paper we review the limitations of the existing mobile tele
phony service. The conceptual background of cellular mobile radio is
explained. and its possibilities illustrated by reference to trial
and planned systems in the U.S.A., Canada, Japan and Europe. The
improvements that can be expected in cellular systems are explored. The
paper closes by discussing the key issues that need to be addressed for
such services to develop in Europe.
1. LIMITATIONS OF THE EXISTING MOBILE TELEPHONY SERVICE
a. Supply Limited Not Demand Limited
For many years mobile telephony has been the poor-relation of the main
telephone systems. In the United Kingdom, for example there are around
15 million main telephone subscriber lines. In contrast, there are only
about 5000 mobile telephone subscribers. the majority of them in
London.
Is this situation due to lack of demand, or is there a much larger
potential role for mobile radio 1
The length of the waiting lists show that currently the use of the
service is limited by supply rather than demand. It is tempting to
assume that this demand could be satisfied by simply expanding the
existing system. ,However, there is also strong evidence that the
underlying demand is many times larger than the number of existing
subscribers plus the waiting list, a much larger demand than the
existing system is capable of satisfying.
Every time the capacity of a public mobile telephone system is in
creased the number of subscribers grows to fill the new capacity at a
rate always in excess of the plans. The length of the waiting list
never diminishes. This is not an isolated experience in the United
Kingdom: it is repeated in France, Germany, Sweden, U.S.A., Canada ana
Japan. It also seems that waiting lists are only shadows of the under
lying demand. Surveys of users also show that current subscribers
represent only a small percentage of the total number of people who
have similar job functions in their in.dustry sectors.
- 147 -
Another indication of the underlying demand is the very large use of
private radio systems. Gaps in the capabilities of private radio
systems limit its penetration, but a public mobile telephone system
could cover these gaps, and even pursuade some private users to go
public. Radio dispatch requires large fleets of mobiles to be eco
nomical and is used by only 40% of the 110 000 taxis and private-cabs
in the U.K., i.e. there are 66 000 cabs for whom public mobile tele
phony might be attractive. In addition, while large fleets of delivery
vehicles use radio dispatch (totalling around 200 000 mobile units).
small fleets (which count for the majority of vehicles) cannot afford
their own system. Again, these are potential subscribers to a public
mobile telephony service. There is even evidence that a large consumer
market exists for mobile communications. as shown by the boom in demand
for citizens-band equipment.
b. Limited Geographical Coverage
Mobile telephony service is following the pattern of development of the
fixed telephone service of fifty years ago. The service is provided in
the major cities first, then in smaller cities and only slowly is it
extended to suburban and then rural areas. At present the U.K. mobile
telephony service is limited to London and a few large cities in the
United Kingdom but not to the motorways linking these cities. A sepe
rate subscriber number is required for each city. This situation is
copied in France. in West Germany, and in North America and Japan. Only
Sweden has service provided over the entire geographical area of the
country.
c. Vehicle Mounted, Non-Portable Units
The mobile public telephone systems currently available are vehicle
mounted, and are too bulky and heavy to be readily portable. This is a
consequence of the high transmit power levels required to reach the
fixed base station, which in the traditional systems ca.n be up to 30-40
kilometers away_
- 148 -
A further consequence of the vehicle-mounted telephone is that the
subscriber can only use it when he is in the car. This results in a
usage pattern concentrated in the traffic rush hours. and a lower level
of calls than for the normal fixed telephone. Also mobile units tend to
originate many more calls than they receive. A portable unit is likely
to allow a more uniform spread of calls through the day.
d. High Cost of Use
The cost of owning or renting a mobile public telephone is very high.
The monthly service charges are also very higk. as is the per-call
tarif. This high cost is a result of:
- the high equipment cost, due to low production levels (hence, little
automation, suboptinal production engineering and high labour
content)
the need to restrict demand by applying high tarifs.
Despite these high costs the demand exceeds supply.
e. Variable Quality of Reception
The type of system currently used to provide public mObile telephony
service uses a single or a small number of transmitters to cover a
large city. These need high pOwers in the fixed and mobile transmiters
and the use of tall fixed towers. In a city environment, there are many
small areas that are screened from the transmitters and so where the
mobile telephone performance is poor. The quality of the signal can
vary substantially during a conversation if the mobile unit is moving
through the city, even resulting in total signal loss behind tall
buildings.
f. Limited Variety of Services
The number of channels available for traditional mobile telephony is
very limited, and this is the major restriction on the number of
subscribers. It also constrains the range and variety of services that
are allowed. Only voice communications is allowed, although there are
many potential applications for data, text or facsimile transfer or to
a mobile unit.
- 149 -
2. CONCEPTUAL BACKGROUND OF CELLULAR MOBILE RADIO
a. Conventional Systems
In conventional mobile telephone systems, one powerful base station
attempts to blanket its service area from a single location. The single
base station may offer around 12 VHF (high band) or UHF channels. Each
mobile subscriber call is automatically assigned to whichever channel
is free; when all the channels are full, callers receive a busy signal.
Therefore, a maximum of 12 subscribers can use the system at any given
time. The statistics of use show that an average caller uses his phone
for about 2 minutes in the busiest hour, resulting in a total number of
subscribers up to 400 or so for a 12 channel system. The conventional
system can serve an area with a radius as large as 50 kilometers,
depending on local terrain, but the possibility of interference to
nearby systems prevents reuse of the channels within a radius of 250
kilometers. This means that a protection zone of some 25 times the
normal coverage area must remain unused or wasted. Once the conven
tional system becomes fully loaded, further growth is impossible.
b. Cellular Concept
In a cellular system, in constrast, each site is a small station
similar to central station in a conventional system, but each covers a
smaller area, ranging down to one kilometer in diameter. A system
controller maintains wire line communications links to many cell sites,
usually through the public network.
As a mobile unit travels about the system,the system controller keeps
track of its location, and when the subscriber passes from one cellular
area into an adjacent area, his ongoing conversation is switched to a
free channel in that area. In figure 2-1 for example, a mobile that
passes from site 1 to site 2 is tracked and noted. The system con
troller then commands the mobile to switch automatically to a free
channel in site 2, and simultaneously, switches the telephone line S~
the call is not interrupted or lost. This process is called "handoff".
- 151 -
Start-up costs are lower for large new cell systems with small numbers
of sites than for small-cell systems. Nonetheless, even a small multi
cell system is more expensive than a conventional MTS base station. In
Table 2-2 we provide a comparison of the hardware investment required
to implement a hierarchy of three systems: a conventional 200-subscriber
MrS, a start-up cellular system of 600 subscribers, and an intermediate
cellular system of 3 500 subscribers.
Table 2.2
INITIAL HARDWARE INVESTMENT REQUIREMENTS OF VARIOUS MrS
Total
Subscribers
Base Station
Locations
Hardware
Investment
(~ thousands)
Investment
Per Subscriber
(~)
Conventional
MrS
200
250
1 250
Minimal
Start-Up Cellular
System
600
3
1 200
2 000
Intermediate
Growth Cellular
System
3 500
4
2 500
715
- 152 -
To improve the efficiency of the limited frequency spectrum available,
each channel is reused. For example, Channels A, C, E and~~G may be
assigned to Cell 1, while Channels B, D, F, and H are assigned to cell
2 to prevent interference. However, Cell 9, for example is far enough
away from Cell 1 so that Channels A, C, E and G can be reused. In this
way, the size of anyone system can be increased almost indefinitely.
The limits arise when cells are so small that intermodulation inter
ference between adjacent base stations becomes important.
c. Expanding the Capacity
Initially a new system might be made up of large cells, ten or 15
kilometers in diameter. As the number of users increases, more cells
can be introduced as needed. Areas of highest use density would be
served by many small-diameter cells to reduce the chances of having too
many users overloading anyone cell.
A system can begin by using the smaller cells only in the heavily
concentrated center-city area. If traffic becomes heavy enough, all
cells can be reduced to the small size. The limit of this cellsplitting
process would be system composed entirely of cells measuring about one
kilometer in diameter.
153 -
d. Advantages of the Cellular System
The cellular system not only offers vastly increased capacity. but also
provides the potential for additional advantages:
although larger start-up costs. the cost per subscriber is lower for
large capacity systems
much less expensive mobile radios as transmit powers are less
larger coverage areas with decreased limits on reuse of the same
channel
a much better grade of service in general.
the ability to pace fixed-plant investments to correspond to a
growing customer base. while maintaining the same area of coverage
the flexibility to achieve eventually a national and even
international mobile communications network
using large cells with little or no channel reuse to provide
start-up services. or service to rural areas
using cells down to 1-2km diameter even large cities can be
served within the same basic spectrum allocation
expansion is possible from urban areas along travel routes and
into less densely populated area
3. EXAMPLES OF CELLULAR SYSTEMS
a. Nordic Mobile Telephone (NMT) System
The PTT administrations of Denmark, Finland. Norway and Sweden brought
into operation during 1981-2 a public automatic mobile telephone
system. A subscriber is able to use his mobile unit anywhere in these
four countries. This cooperative effort is not only due to traditional
close liaison between the four administrations, but also due to the
close economic ties which result in a great deal of vehicle travel
between the four countries. There are currently around 70 000 subscri
bers to manual VHF and UHF mobile telepbony in the four countries. The
NMT system will have an initial 20 000 subscribers. with an ultimate
capacity of several hundred thousand.
- 154 -
b. U.S.A.
In the United States, the development of cellular systems, similar in
some respects to the NMT system, is aimed initially at providing
service to very large user populations in dense urban areas, rather
than national coverage. The FCC has allowed two experimental services,
the results of which have been judged satisfactory and the FCC has
decided to allow commercial systems to be established. All requests for
setting up mobile public telephone systems in the U.S. must now be
cellular compatible. Applications for the 60 largest cities are cur
rently being evaluated.
The technological issues are now therefore fixed, but it will be a slow
process of court appeals before a final ruling appears on the regu
lations covering who may operate systems.
bl. AMPS (Advanced Mobile Phase Service)
The AMPS (ATT) experiment has been operational in Chicago since December
1978 under an FCC developmental authorisation. The system, which
encompasses some 1 800 square miles, consists of ten cells, each eight
miles in diameter. The remote cell sites are tied by wire lines into a
centrally located mobile telephone switching office (MTSO) in Oak Park,
Illinois.
With the current configuration, the system's maximum capacity is about
5 000 mobile units. By selective reduction of the cell site size down
to the one-half mile, one kilometer minimum, the system could serve a
total user population of 300 000. Further expansion of the service has
been halted pending final FCC regulation. However ATT is using the AMPS
system as the basis for its application to the FCC to set up new
systems in many other major U.S. cities.
Present tariffs filed with the Illinois Public Utility Commission call
for a basic service rate of ~ 25/month for 120 minutes of usage, plus
~ 0.25 for each additional minute. Equipment rental (for the mobile
unit) is in addition to the service rate, and is billed at ~
45-60/month, dep~nding on the options selected. Although equipment
rental is the
- 155 -
only practical option available to users in the present developmental
system. eventually subscribers will have the option of purchasing the
mobile unit and paying monthly fees for only the service. Average user
bills are S ISO a month.
An interesting feature of the power control of mobile units available
in AMPS. and so presumably possible in other systems, is that the power
of a mobile can be boosted SO that it can be handled by the base
station in an adjacent cell. This was originally foreseen as a way
to ensure that conversation could be continued even if a hand-over was
not possible because all of the channels were occupied in the traffic
area just entered by a mobile unit. However it can also be used to
offer spare channels to an adjacent cell during busy periods. and even
covering for equipment failures in adjacent cells.
2. The Baltimore/Washington ARTS System
Although the American Radio Telephone System (ARTS) was scheduled to
begin operation almost simultaneously with the Chicago AMPS system.
ARTS operation has been delayed by equipment problems. reportedly in
the cell site controllers. The ARTS system was designed by Motorola and
uses the Motorola-developed Dynatac system. ARTS has been coordinated
with AMPS to insure compatibility of the mobile units; however, there
are some significant differences. The ARTS system is planned to consist
initially of five cell sites. each deploying six directional sector
illumination antennas, hence having high effective radiated power and
high sensitivity for reception. The difference makes it technically
feasible to serve handheld portable radio telephones. Due to diffi
culties in finding suitable existing antenna sites the ARTS system may
need to use seven cells to achieve the reuqired coverage area.
Two experimental featurs of the ARTS system are aimed at reducing
problems due to poor reception conditions (fading etc.)
radio path diverSity by combining Signals from three base stations
compounding of voice signals prior to transmission and expanding
again in the receiver, so that degradation due to deep fades is less
noticable, and background noise during pauses is reduced.
- 156 -
c. Tokyo System
A cellular mobile telephone system has been in operation since early
1979. This system is aimed at vehicle-mounted mobile units, although
eventually it may be posible to extend it to portable units. It is also
aimed at urban areas and is unlikely to be extended to rural regions
for cost and performance reasons. The technical characteristics are
similar to the AMPS and ARTS system.
Tokyo is covered by a network of 43 cells, with radius of 5-10km, to
give total coverage over a radius of 40km. In addition, Osaka, (Japan's
second city) has a system of 11 cells to give service over a radius of
20km. Service is also available in the Chiyoda Tunnel, and will pro
gressively cover all tunnels.
Frequency bands used are 925-940 MHz for mobile to base station and
870-885 MHz for base station to mobile.
The 13 cells covering the 23 districts of the center of Tokyo use 160
different frequency channels.
Transmit power of vehicle units is 5 watts, and the base static is 25
watts.
At the end of February 1981 there were 4 400 subscribers in Tokyo, a
2 000 increase in 12 months. In Osaka there are 1 180 subscribers.
Within 10 years it is expected that there will be 100 000 users in
Tokyo. Equipment for 5 000 additional mobile units is currently being
added to the Tokyo system.
The investment in base-station equipment, base stations, switching etc.
(but e~cluding mobile units) is 2 000 million yen (S 80 million U.S.).
Terminals are rented. Charges are 30 000 yen per month (~ 120 U.S.),
with a variable charge of around 100 yen (S 0.4 U.S.) per minute.
The provision of additional services, such as facsimile to mobiles etc.
is currently being studied. Also for the longer term studies are
underway to investigate the use of a digital transmission path in order
to allow encryption for privacy/secrecy of calls.
- 157 -
b. Potential Harket sizes:
bl. The U.S. Experience:
The high level of interest shown in the U.S. both by companies wishing
to gain operating licenses in the 60 largest cities, and by suppliers,
is an indication of the potential markets. In the first 30 cities an
average of 6.5 applications were made per city. In the second 30 cities
an average of 13.5 applications were made per city. Each city will be
allocated a wireline (i.e. telephone operating company) operator and
a RCC (Radio Commo~ Carrier).
Market projections of the different applicants vary, but all show fast
market growth and revenues high enough to justify the investment. As an
example those reported in a recent investment analyses report (ref 1)
show an opti.mistic outlook. Table 4.1 shows a 1980 ATT projection for
just 10 cities. Table 4.2 shows projections by few of the applicants.
The relation expected between the number of subscribers and the popu
lation of the cities is shown in 4 Figure 1. Estimates of the revenue
for carriers, Table 4.3
2. Projections for Europe:
Based on Arthur D.Little lnternatinal analyses of the U.S. experience,
we have projected potential European user populations 1995, weighted by
the lower use of telephones in Europe than in the U.S. The estimated,
Table 4.4, show that the 1995 potential is for a user population some
50 times todays~
158 -
Table 4.1
AT&T MOBILE TELEPHONE TOTAL MARKET ESTIMATES
Area
New York
Chicago
San Francisco
Detroit
Washington/Baltimore
Miami
Dallas/Ft. Worth
Seattle
Denver
Milwaukee
Total for 10 Areas
Annual revenue Potential (~ Mil.)*
* At $ 150 per month average revenue.
Source: AT&T Filing, FCC Docket CC 79-318.
August 4, 1980
Mobile Units
223 096
107 495
73 893
75 040
61 052
41 431
45 014
30 405
23 186
13 493
---------694 105
S 1 300
- 159 -
Table 4.2
1987 SUBSCRIBER FORECASTS
Market AMPS* Cellular Mobile LIN Cellular MCI Cellular
Systems
-------------- --------------- ------------ ------------
New York III 548 66 132 65 000
Los Angeles 60 569 50 000 146 000
Chicago 53 748 31 959
Philadelphia 36 947 28 302 39 400
Detroit 20 781
Boston 18 270
San Francisco 37 250 19 518
Washington, D.C. 30 526 22 950
Dallas/Ft. Worth 20 716 17 850 22 000 63 800
Houston 17 430 25 000 75 200
St. Louis 14 130
Miami 20 507 19 800 28 800
Pittsburgh 13 584 13 600
Baltimore 16 305
Minneapolis 12 684 18 800
Cleveland 8 546 14 200
Atlanta 9 135
San Diego 13 965
Denver 11 593 9 720 24 200
Seattle 15 203 332
Hilwaukee 6 747 8 382
Tampa 11 768 15 600
Cincinnati 7 800
Kansas City 7 962 14 000
Buffalo 5 594
Phoenix 11 310
San -lose 7 770
Indianapolis 5 252
New Orleans 5 342
Portland 7 452 11 600
Markets
Markets
Markets
- 160 -
4 Figure 1
Demand Regression Li'les 112,..------------....".--....
96
• AMI'S INC.
O~~~~~~~~~~~~~~~~ o 2 4 6 8 ro tt ~ ~ m
POPULATION (MILLIONS)
Source: Lehman Brothers Kuhn Loeb Research 1982
Table 4.3
ESTIMATED MOBILE TELEPHONE DEMAND, BY GROUP
Potential Subscribers Potential
Revenue ($ Mil.)
--------------------- ------------------high (a) low (b) High (a) Low (b)
1-30 533 174 015 566 $2 759 B III 827 8
31-60 555 597 396 649 000 1 7140
61-90 419 926 310 788 755 9 559 4
--------- --------- ----------- -------_ .... -Total (c) 2 508 617 1 723 003 $4 515 B il3 101 2
- 161 -
Table 4.4
PROJECTION OF EUROPEAN MARKET FOR PUBLIC MOBILE TELEPHONY. 1995
Country Mobile Telephone 1995
France 357 K
FRG 519 K
Netherlands 128 K
Spain 185 K
Sweden 138 K
United Kingdom 485 K
All Europe 2220 K
c. Issues to be resolved
c1. Frequency allocations and signalling protocols
A suitable and substantial frequency allocation has to be agreed
for cellular systems. Preferably this. together with a standard
signalling protocol. needs to be agreed as a European level, so
that the public mobile telephone service becomes a universal
service. The 900 MHZ band seems the most available in Europe and
is the one used in experimental cellular systems throughout the
world. However it will not be quite as early to reach such an
agreement, and will involve realignement of frequency
allocations. As whatever band is chosen will put some countries'
national industries at a disadvantages there is likely to be
considerable resistance to its adoption.
- 162 -
However it is clear from the potential markets projected in Europe
that current cellular technology may not have the capacity to
satisfy all of the demand. In addition both Japanese and US
suppliers are preparing second generation cellular mobile
telephone products that will allow another step change in
capacity, and a system cheap enough to stimulate a consumer
market. A wise procedure for Europe may therefore be :
• agree national standards for a first generation cellular
system and initiate service
• seek a long term CCITT type standard for a second generation
cellular system
c2. Threat of imports and opportunities for Europe
The development of cellular systems in the USA, Canada and Japan
has lead to a technological lead over most European suppliers. The
use of digital signalling micro circuits, and digital frequency
sythesisers, leads to same important consequences :
• the equipment can be easily "reprogrammed" j":) match any
frequency as protocol standards, and hence the barriers to
non-national suppliers is reduced
• the take-off of US and Japanese markets allows their suppliers
to profit from economies of scale, and so they will be highly
competitive in European markets
• the cellular radio technology can be applied in the private
mobile radio markets, and so will widen the threat to European
suppliers
As with all threats they bring opportunities. The US, Japanese and
Canadian markets are available for European suppliers to penetrate.
In particular the US market, which is temporarily held back by
regulatory rangling, could give European suppliers the opportunity
to "catch-up".
- 163 -
c2. Tarif policy
The high tarifs practiced by BT and the European PTTs are designed
to restrict demand for public telephone services. We could enter an
environment where the number of subscribers could be unlimited for
all practical purposes. In such an environment the tarif policy
clearly needs to be rethought so as to encourage growth in the
number of subscribers.
c3. Resource allocation
Historically the public mobile telephone service has been the poor
relation of all telecommunication authorities. The low revenue (due
to the small number of subscribers) plus the difficulties of
finding sufficient frequency allocations to provide the service
have restricted the priority of investment in this area. Despite
the availability of the cellular technology, which eliminates
these traditional problems, it will take time for mobile telephony
to gain the recognition that it now justifies.
Reference 1 Cellular Mobile Radio Telecommunications Service
Lehman Brothers Kuhn Loeb Research September 1982
Top Related