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:

openaccess@tue.nl

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.

Subcentrale

Bediening.

- 97 -

o z Hoofdcentrale.

Blokschema Radionet NV.l.S.

fig.1

D

# A"

- 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.

- 99 -

19R.

, L

06

_OPSTELPLAATSEN ZENDERS.

fig.3.

- 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".

- 150 -

Figure 2-1

CELLULAR TECHNOLOGY

- 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