80190

Современные системы подвижной радиосвязи

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Особенно быстрыми темпами как в мире так и у нас в России идет развитие сетей сотовой радиосвязи. По числу абонентов системы мобильной связи уже можно судить об уровне и качестве жизни в данной стране. Однако темпы роста абонентов мобильной связи в России почти 200 в год вселяют оптимизм.

Русский

2015-02-16

373.5 KB

8 чел.

PAGE  26

Лекция № 16

Современные системы подвижной радиосвязи

Одной из наиболее быстро развивающихся отраслей связи сегодня является подвижная связь, использующая как наземные, так и спутниковые системы  радиосвязи. Особенно быстрыми темпами как в мире, так и у нас в России идет развитие сетей сотовой радиосвязи. К 2008 г. количество людей, пользующихся мобильными телефонами, превысило 850 млн. По числу абонентов системы мобильной связи уже можно судить об уровне и качестве жизни в данной стране. Пока доля населения, пользующегося сотовой связью в России, составляет около 7... 10 %, в Финляндии для сравнения — 75 %. Однако темпы роста абонентов мобильной связи в России (почти 200 % в год) вселяют оптимизм. По классификации МСЭ системы подвижной связи относятся к системам беспроводного доступа абонентских линий. Характерным признаком любых систем беспроводного доступа абонентских линий является наличие  радиоканала на абонентском участке. На первом этапе развития радиотехники в начале XX в. радиосвязь развивалась как морская подвижная связь. В те годы этот вид связи являлся  единственно возможным для организации связи судов между собой и с берегом. Фирмой «Маркони» в Великобритании, а затем и на предприятиях других стран (России, США, Франции и Германии) было организовано производство судовых искровых радиостанций. В частности, еще до 1904 г. более пятидесяти судов военно-морского флота России было оснащено судовыми радиостанциями. Заметим, что нормальное функционирование системы связи предусматривает обмен информацией в любых службах электросвязи (электросвязью  называется передача сообщений посредством электрических сигналов), который должен осуществляться по определенным, заранее оговоренным правилам (стандартам). Сейчас эти правила разрабатываются рядом международных организаций электросвязи. Широкое внедрение средств судовой подвижной связи, существенно повышающей безопасность плавания, обусловило необходимость принятия международных правил радиообмена и стандартов на средства морской радиосвязи. Такие правила и стандарты были приняты на первой Международной конференции по радиосвязи в Берлине в 1903 г. Потребности в средствах наземной подвижной связи для оперативного управления действиями полиции привели в 1921 г. к созданию в США первой диспетчерской системы телеграфной подвижной связи. По сути это была система пейджинговой связи, так как имела однонаправленное действие и служила для передачи распоряжений дежурным бригадам полиции. На начальном этапе развития систем наземной подвижной связи в них использовали телеграфные режимы работы, а позже — телефонные режимы с применением для передачи сообщений амплитудной модуляции. В 1940 г. в США в диапазоне ОВЧ создана первая система подвижной связи с использованием частотной модуляции (ЧМ; см. гл. 2). В 1948 г. в США создана первая полностью автоматическая радиотелефонная система подвижной связи. В СССР серийный выпуск первых систем подвижной радиосвязи был налажен в 1952 г. (заметим, что фактически история сотовой связи насчитывает уже более 40 лет, и хотя в настоящий момент в Российской Федерации распространены в основном западные разработки, первый сотовый телефон был сконструирован в начале 70-х гг. XX в. Воронежским научно-исследовательским институтом связи — ВНИИС). Эффективность систем наземной подвижной связи для управления в службах безопасности (полиции, пожарной службе, скорой помощи и т.п.), для управления работой транспорта и в других областях приводит к быстрому прогрессу в этой области. Системы подвижной (часто говорят — мобильной, относя это к сотовым системам связи) радиосвязи (СПР) обеспечивают одновременно связью большое число мобильных абонентов, местоположение которых на определенной территории произвольно. Поэтому практически все СПР построены по методу многостанционного (в англоязычной и др. литературе часто множественного) доступа. Принципы организации многостанционного доступа напоминают принципы уплотнения каналов. В теории связи под многостанционным доступом (МД) понимают возможность обращения к одной базовой приемопередающей (БПС; от англ. — Base Transceiver Station — BTS) или спутниковому ретранслятору нескольких мобильных станций (МС; абонентский терминал; радиотелефон; мобильный телефон; сотовый телефон; англ. Mobile Station — MS), при которой последние могут одновременно передавать и получать через нее информацию. Эффективность методов МД в основном оценивается по пропускной способности (емкости), быстродействию, используемому частотному ресурсу и некоторым другим показателям систем связи. В данном случае под емкостью любой системы связи понимают число различных каналов — радиосвязных, телефонных, телевизионных, передачи цифровых данных и прочее, либо, в более общем виде, для цифровых систем, число бит в секунду которое можно передать через данную сеть. Проблема выбора наилучшего метода МД заключается в нахождении базиса (ансамбля) ортогональных сигналов, при которых обеспечиваются оптимальные параметры и характеристики системы подвижной радиосвязи. В радиотехнике и теории передачи информации формирование базисов ортогональных сигналов основано на разделении сигналов по частоте, времени и форме. В соответствии со способами формирования базисов ортогональных сигналов различают три основных метода организации МД. Многостанционный доступ с частотным разделением каналов (МДЧР; англ. — Frequency Division Multiple Access — FDMA; аналог ЧРК) является наиболее простым по организации работы, при котором каждая подвижная станция работает в некоторой полосе частот на отведенном участке спектрального диапазона. Между рабочими полосами соседних каналов предусмотрены небольшие защитные частотные интервалы, позволяющие с требуемой точностью разделить принимаемые сигналы различных подвижных станций. Однако в любой стране используемый частотный спектр — уникальный стратегический запас, и это не восполняемый государственный ресурс. Многостанционный доступ с временным разделением каналов (МДВР; англ. — Time Division Multiple Access — TDMA; аналог ВРК) получил применение в системах подвижной связи из-за ограниченности специально выделенного странам и регионам частотного спектра. При таком доступе ортогональность сигналов в подвижных станциях достигается выделением каждой из них для излучения или приема сигналов определенного, периодически повторяемого временного интервала — TDMA-кадра. Длительность кадра в основном определяется сетевым трафиком. Интервалы излучения сигналов БПС и подвижных станций взаимно синхронизированы, что исключает их временное перекрытие. Первая спецификация технологии TDMA была разработана специалистами американской Ассоциации телекоммуникационной промышленности (Telecommunications Industry Association — TIA) в 1988 г. в соответствии с «Техническими требованиями пользователей» (UPR) — документом, изданным Ассоциацией промышленности сотовой связи — (CTIA), в котором определено техническое содержание систем подвижной связи 90-х гг. XX в. Эта спецификация в том же году была опубликована как стандарт IS-54 на многостанционный доступ с временным разделением каналов систем связи. Для повышения пропускной способности сети связи TDMA, как правило, используется совместно с частотным разделением каналов. Многостанционный доступ с кодовым разделением каналов (МДКР; англ. — Code Division Multiple AccessCDMA) основан на использовании широкополосных или шумоподобных (pseudonoise) сигналов (обоим вариантам термина соответствует аббревиатура ШПС). В системах мобильной радиосвязи стандарта CDMA используются все преимущества и частотного и временного разделения каналов. Во-первых, сигнал имеет большую длительность, распределен во времени, и поэтому пиковая излучаемая мощность много меньше, чем при FDMA и TDMA, хотя средняя мощность одинакова. Во- вторых, при сигналах большой длительности нет крутых и мощных фронтов импульсов излучения. Третье преимущество — системы стандарта CDMA позволяют вводить множество кодовых комбинаций, обеспечивая почти идеальную скрытность переговоров и помехозащищенность. Однако реализация кодового метода многостанционного доступа к каналу радиосвязи сопряжена с определенными техническими трудностями, связанными как с проблемой синхронизации в работе всех абонентских станций, так и выравниванием по мощности сигналов, принимаемых базовой станцией с целью исключения подавления слабого сигнала сильным. Отметим, что методы разделения одномерных сигналов уже рассматривались. В спутниковых и других радиотехнических информационных системах используются еще и различные методы многостанционного доступа с пространственным разделением (МДПР; Space-Division Multiple Access — SDMA) по направлению прихода радиоволн (в частности, применяют двулучевую приемную антенну, к которой подключены два приемника с одинаковыми полосами частот, что позволяет осуществлять одновременный доступ к спутнику из двух разных точек на Земле) и их пространственной поляризации (polarization- division multiple access — PDMA).

Существующие сейчас системы подвижной связи можно разделить на пять больших групп:

• системы сотовой подвижной связи (ССПС);

• профессиональные системы подвижной связи (ПСПС);

• системы персонального радиовызова (СПРВ), или пейджинговые (от англ.

paging — письменное сообщение) системы;

• системы подвижной спутниковой связи (СПСС);

• системы беспроводных телефонов (СБТ).

Все перечисленные системы подвижной связи построены на основе сотовой концепции и работают по определенным протоколам.

Системы сотовой подвижной (мобильной) связи

В 1946 г. исследовательская лаборатория Bell Laboratories (компания АТ&Т г. Сент-Луис, штат Миссури, США) создала первую сеть мобильной связи. Это была простейшая шестиканальная (т. е. с шестью несущими частотами) система связи с одной базовой приемопередающей станцией для передачи и приема абонентских сообщений. Эта сеть связи строилась по так называемому принципу неизбежности или фатальности: на самый высокий небоскреб в городе подвесили (установили) антенну, к которой подсоединили передатчик большой мощности. Масса первого радиотелефона составляла 30 кг, и для работы он требовал наличия у подвижного абонента аккумулятора большой емкости и генератора постоянного тока, поэтому «мобильники» устанавливались в автомобилях. Переключение абонента между каналами связи, в поисках свободного, осуществлялось вручную. Радиопередатчик позволял пассажирам или водителю связаться с АТС и таким образом совершить звонок. При этом телефонное общение было сложным (симплексным) — нельзя было и слушать и говорить одновременно. Так, чтобы донести свое сообщение до собеседника, нужно было нажать и удерживать кнопку телефонной трубки, а чтобы услышать ответ, кнопку надо было отпустить. Чтобы позвонить на радиотелефон, приходилось сначала звонить на телефонную станцию и затем сообщать номер оператору. Всего такая «первобытная» система связи поддерживала 23 пользователя одновременно и предназначалась для бизнесменов, переезжающих из г. Нью-Йорка в г. Бостон. Но инновационная идея Bell Laboratories не прижилась — слишком дорого выходило пользование услугами мобильной связи. Впрочем, зерно было посеяно. Поскольку данной системе связи был отведен ограниченный частотный ресурс, то повышение количества обслуживаемых абонентов требовало пропорционального увеличения числа несущих частот базовой станции. А для связи был выделен диапазон с фиксированными частотными каналами. Если в одно время используются близкие по частоте каналы связи, то общаться с помощью телефонов практически невозможно.

Первая задача успешно решалась по мере бурного развития элементной базы, в частности создания биполярных транзисторов. Проблему эффективности использования ограниченного частотного ресурса удалось решить путем разработки сотовой концепции системы связи. Идея сотового принципа организации сетей подвижной связи была выдвинута в 1947 г. сотрудником лаборатории Bell laboratories Д. Рингом (D. Ring). Концепция сотовой связи оказалась простой. Вся обслуживаемая зона (территория) связи разбивается на соты — ячейки (в идеале — правильные шестиугольники; топология такой сети напоминает пчелиные соты — от англ. cell — откуда и пошло сегодняшнее название сотовых телефонов) с повторным использованием частот (англ. frequency reuse) в каждой из них (рис. 1.38).

Рис. 1.38. Построение сотовой системы подвижной связи

Это значительно повышало эффективность частотного диапазона, что в свою очередь увеличивало емкость системы. В центре каждой ячейки устанавливается маломощная базовая приемопередающая станция с одной или некоторым определенным набором несущих частот (каналов связи), достаточным для установления абонентской связи согласно предполагаемому трафику. Базовые приемопередающие станции с помощью проводной, радиоканальной связи или волоконно-оптической линии связи подключаются к выходу сотового терминала, который соединен с телефонной сетью общего пользования. Через двадцать лет данная идея нашла свое воплощение в сотовых сетях подвижной радиосвязи общего пользования. Внедрение подвижных сетей радиосвязи начинается с 70-х гг. в XX в., вначале в США, а позже в западноевропейских странах, в Японии и в других регионах мира. Благодаря их созданию новые услуги подвижной радиосвязи стали доступными для сотен миллионов людей многих стран мира. Отметим, что физически в сотовых сетях связи радиопокрытие какой-либо территории осуществляют ячейками, ан

тенны БПС которых имеют круговые диаграммы направленности. И тем не менее реально связь осуществляют фактически по сотовой модели. Дело в том, что пересечение соседних окружностей происходит по хордам, которые в идеале и образуют шестигранные ячейки — соты (см. круги и шестигранники на рис. 1.38). В связи с тем, что любая ячейка рис. 1.38. Построение сотовой системы подвижной связи одна маломощная базовая станция будет уже обслуживать меньшую территорию, и поэтому ее мощность (как и мощность мобильной станции) может быть существенно снижена. Реально мощность каждой базовой станции может быть уменьшена в десятки и сотни раз, однако их суммарная

мощность, естественно, велика и соизмерима с мощностью одной крупной БПС, которая обслуживала бы ту же территорию. Заметим, что наряду с информативными сигналами БПС излучает так называемые пилот-сигналы — специальные смодулированные или иные колебания. Измеряя и сравнивая пилот-сигналы от разных БПС, МС выбирает наибольший. БПС с круговой диаграммой направленности антенн осуществляет передачу сигнала одинаковой мощности практически по кругу, что для абонентских станций в соседних сотах эквивалентно приему помех со всех направлений. В этом случае особенно мешающее действие приему сигналов оказывают взаимные помехи по совпадающим частотным каналам — соканалъные помехи. Для избежания воздействия соканальных помех соты с одинаковым набором несущих частот перемежают буферными сотами с другим набором частот. Группа сот в зоне обслуживания с различными наборами частот называется кластером, а число частот в наборе — размерностью кластера. На рис. 1.38 жирными линиями выделена сотовая структура с размерностью кластера n = 7. Чтобы снизить общий уровень интерференционных помех от соседних сот и абонентских устройств, а также помех от посторонних источников ЭМИ, на базовых станциях используется многосекционная направленная антенна, позволяющая делить общее пространство радиоперекрытия на отдельные сектора. Антенна БПС с секторной ДН излучает практически всю энергию передаваемого сигнала в заданном направлении, а уровень боковых излучений сокращается до минимума. Секторное построение антенн БПС позволяет многократно  применять набор частот при одновременном снижении уровня соканальных помех. В зависимости от числа действующих в ячейке абонентов, нагрузки и электромагнитной обстановки на местности используются антенны различной конфигурации и размеров. Наибольшую емкость обеспечивает сотовая модель сиетемы радиосвязи, содержащая четыре БПС с шестью 60-градусными антеннами (рис. 1.39).

Рис. 1.39. Модель ССПС с двенадцатью группами частот

Из структурной схемы системы данной модели следует, что каждая частота используется дважды в зоне, состоящей из четырех БПС (четыре соты выделены жирной линией). Благодаря такой модели построения каждая из четырех БПС в пределах зон действия шести 60- градусных антенн в одной ячейке может работать на двенадцати группах частот (n=12). Все сотовые системы связи с повторным использованием набора частот разрабатывались с учетом важного требования — координаты местоположения мобильного абонента заранее неизвестны и непредсказуемы в пределах заданной зоны обслуживания данной сети. Благодаря высокоточной автоматической регулировке коэффициента усиления выходных усилителей мощности передатчиков БПС, эффективность секторного перекрытия близка к 100%. Одной из основных проблем при разработке систем сотовой связи является обеспечение непрерывной связи во время передвижения абонента в зоне обслуживания. Для ее решения сотовая концепция включает в себя принцип «эстафетной передачи» (hand off— сопровождение или переброску; handover — хэндовер) переговорных сигналов из ячейки в ячейку, вследствие чего абонент может вести разговор, свободно пересекая границы сот, автоматически переключаясь с одной БПС на другую. Современные хэндоверы бывают двух типов:

• внешний — когда меняется БПС, через которую идет связь с сетью;

• внутренний — когда во время разговора меняется канал приема/передачи.

Обычно внедрение сотовой сети связи начинается с развертывания небольшого числа крупных сот с радиусом действия 1...35 км, получивших название макросот. Когда нагрузка в ячейке достигает уровня, при котором существующего числа каналов недостаточно (вероятность непредоставления канала абоненту становится более 5 %), эта сота разделяется на более мелкие с пониженной мощностью передатчиков БПС и МС. При этом макросотовая структура постепенно трансформируется в сеть с более мелкими сотами (микросоты) с большим их числом и радиусом действия до 1 000 м, а пропускная способность сети на территории региональной ячейки возрастает в число раз, равное числу вновь созданных сот. Такой способ преобразования сотовых сетей связи называют расщеплением. В этом случае мощность радиопередатчиков базовых станций уменьшается еще больше. Этот способ разделения повторяется, пока сеть не достигнет расчетного значения пропускной способности. Старое оборудование при расщеплении сохраняется полностью, меняется только мощность источников излучения. Микросоты предназначаются для трафика, отражающего медленно передвигающихся на небольшие расстояния или стоящих абонентов, находящихся на улицах, в помещениях, вокзалах, аэропортах. Принципы построения микросотовых и макросотовых сетей существенно отличаются. Создание небольших сот приводит к сложной проблеме, когда абонент в быстро движущемся транспорте в течение одного сеанса связи проходит через несколько ячеек. Это вызывает рост числа переключений между БПС, а значит, необходимость разработки быстродействующих алгоритмов переключения при «эстафетной передаче» абонента. В этом случае непрерывность связи обеспечивается способностью системы МС передавать связь тем БПС, в зонах которых он оказывается в данный момент. Центр коммутации системы на основе непрерывных измерений сигналов БПС, ближайших к движущемуся мобильному абоненту, определяет момент его пересечения границы двух сот. После этого центр переключает разговорный канал из первой ячейки во вторую за столь короткое время, что сохраняется непрерывность разговора. Однако это требует сложного алгоритма определения номера той ячейки из нескольких соседних, куда въезжает движущийся транспорт (входит человек), и сложных схемотехнических решений. Этот же алгоритм освобождает канал в первой ячейке и осуществляет поиск канала и установление по нему связи во второй, соседней. Второе отличие связано с трудностями прогнозирования условий распространения радиоволн на небольших обслуживаемых системой связи территориях. Для этого требуются электронные карты местности, топография структур улиц, строений и т. д. Если в какой-либо ячейке или группе сот трафик начинает существенно превышать расчетное значение, ее разделяют на ряд более мелких ячеек — пикосот — с радиусом обслуживания 10... 100 м и пониженной мощностью передатчиков БПС. При этом пропускная способность сети увеличивается в число раз, равное числу вновь образованных пикосот. Как правило, при микро- и пикосотовой структурах построения сети надобность в применении эстафетной передачи абонента и многократном использовании частот отпадают. Бурное развитие современных радиоэлектронных и «связных» технологий позволило осваивать новую концепцию построения ССПС, связанную с использованием в БПС интеллектуальных антенных систем, автоматически перестраивающих свои диаграммы направленности на мобильные станции. На практике это стало возможно с внедрением ФАР и адаптивных (интеллектуальных) антенн, разработанных специально для цифровых систем подвижной связи. Наиболее эффективными оказались адаптивные ФАР, реализующие  максимальный коэффициент усиления антенны в направлении ведущего переговоры  мобильного абонента и обеспечивающие минимальный уровень соканальных помех в приемнике. Интеллектуальная ФАР состоит из ряда элементарных излучателей, объединенных микропроцессором с амплитудными и фазовыми анализаторами принимаемых радиосигналов. По результатам анализа амплитудных и фазовых соотношений сигналов, поступающих на элементарные излучатели от мобильной станции, сигнальный процессор определяет направление  оптимального приема и формирует требуемую диаграмму направленности решетки. Первоначально развитие получили аналоговые системы (стандарты) сотовой связи: так называемое первое поколение, или IG (от англ. First Generation). К ним относятся североамериканский стандарт AMPS, скандинавский стандарт NMT-450 (первая сеть, внедренная в Российской Федерации; Москва и Санкт- Петербург — 1991 г.) и ряд др. Следующим этапом развития ССПС стало создание цифровых систем второго поколения (2G): в США — D-AMPS и общеевропейский стандарт GSM.

Знаменательной вехой в развитии систем сотовой подвижной связи является 1989 г., когда фирмой «Qualcomm» (США) была завершена разработка новой цифровой системы второго поколения, использующей технологию CDMA. Эта технология в несколько раз повышала эффективность использования спектра в сотовой связи и позволяла создавать сети весьма большой емкости. В странах Западной Европы, в которых распределение полос частот между разными службами существенно отличается от стран американского континента, сети на основе этой технологии не создавались. В них происходило интенсивное развитие сотовых сетей стандарта GSM. В России в 1997 г. на основе технологии CDMA начали создаваться сети абонентского доступа. В настоящее время в России в основном применяются зарубежные ССПС четырех стандартов (цифры обозначают диапазон рабочих частот):

• аналоговые NMT-450 и NMT-900 (Nordic Mobile Telephone — Скандинавская система подвижной телефонной связи, диапазоны 450 и 900 МГц);

• аналоговая AMPS (Advanced Mobile Phone System — Перспективная подвижная телефонная система, диапазон 800 МГц);

• цифровые GSM-900, GSM-1800 и два его варианта — DCS-1800 (Digital Cellular System) и PCS-1900 (Personal Communication Service); GSM — от названия группы Groupe Special Mobile — Глобальная система подвижной связи; в 1991 г. аббревиатура GSM приобрела иную трактовку — Global Standart for Mobile Communications — Глобальный стандарт для подвижной связи;

цифровая D-AMPS {D — digital — цифровая — IS-54; диапазоны 900, 1800 и 1900 МГц) и сеть CDMA фирмы Qualcomm (диапазоны 800 и 1 900 МГц).

Система CDMA по сравнению с GSM обеспечивает более высокое качество связи, меньшие энергетические затраты, но сложна в построении. Первые две цифровые системы подвижной радиосвязи базируются на комбинировании метода многостанционного доступа с частотным разделением каналов с методом многостанционного доступа с временным разделением каналов при частотном дуплексном разносе прямых и обратных каналов радиосвязи, последняя система (CDMA) — на многостанционном доступе с кодовым разделением каналов. Стандарт NMT-450 нашел широкое распространение в Северной и Центральной Европе (Швеции, Финляндии, Бельгии, Российской Федерации, Австрии, Венгрии, Турции и других странах), однако в последние годы его дальнейшее внедрение практически заморожено. Все эти системы подвижной связи используют модели сот с радиусом действия от 0,1 до 35 км.

Сотовые системы подвижной связи стандарта GSM

Система GSM относится ко второму поколению сетей сотовой связи, в которой использовано комбинирование методов многостанционного доступа с частотным и временным (это основной метод) разделением каналов (кстати, об этом редко упоминается), и представляет собой цифровую систему связи с программным управлением. В ней использованы многоуровневая модель ВОС, пакетная система сигнализации и принципы построения интеллектуальной сети, и в частности отделение функций собственно коммутации вызовов от предоставления услуг. Элементы системы способны контролировать все основные характеристики сигнала в процессе его передачи, а также устранять обнаруженные неисправности и выполнять множество функций по обслуживанию сети (модифицирование своей конфигурации, слежение за местом расположения объекта, обеспечение функции эстафетной передачи и защиты передаваемой информации, оценивание мощности несущей к помехе). Стандарт GSM обладает рядом специфических услуг сотовой связи. К ним относятся:

• использование SIM-карты (модуль подлинности абонента) для доступа к каналу и услугам связи;

• закрытый для подслушивания радиоинтерфейс;

• шифрование передаваемых сообщений;

• аутентификация абонента и идентификация абонентского оборудования по криптографическим алгоритмам;

• автоматический роуминг (Roaming — «блуждание»; автоматическое подключение абонентов к местной сети связи GSM при его перемещении в другую зону обслуживания; обычно при перемещении в другую страну);

• применение «Службы коротких сообщений» (Service of short messages — SMS) — передача с телефона на телефон коротких текстовых сообщений. Также система GSM предоставляет пользователям следующий набор услуг: вызов спецслужб (скорой помощи, полиции, пожарной службы по номеру 112  на европейском континенте). Система сотовой связи стандарта GSM работает в диапазонах 890...915 МГц для передатчиков мобильных станций (линия передачи «вверх», т. е. к базовым станциям) и 935...960 МГц для передатчиков базовых станций (линия передачи «вниз» — т. е. к мобильным станциям). Ширина полосы канала связи составляет 0,2 МГц, что позволяет  

обеспечивать 124 канала связи в отведенном частотном ресурсе. Дуплексный разнос частот передачи и приема одного канала связи равен 45 МГц. Максимальная дальность радиосвязи или радиус ячейки сотовой структуры составляет 35 км, минимальная— 50 ...75 м. Архитектура сотовой сети связи состоит из трех основных компонентов (рис. 1.40) — сотовых телефонов, базовых станций и сетевой подсистемы.

Сеть имеет в своем составе административный центр (Administration Center — ADC), в котором распложены административно-управленческие структуры. Центр управления сетью (Network Management Center — NMC) обеспечивает

Рис. 1.40. Архитектура и основные компоненты сети GSM

оптимальное иерархическое управление системой, производит эксплуатацию и техническое обслуживание, а также управление трафиком во всей сети. Кроме того, NMC контролирует работу устройств автоматического управления и отражает на дисплее состояние всей сети во всех регионах для операторов этого центра. Операторы NMC в экстремальных ситуациях задействуют процедуру «приоритетного доступа» для оперативных служб. Центр эксплуатации и технического обслуживания (Operations and Meinte- nаnсе Center — ОМС) — второй основной узел сети, который осуществляет контроль качества работы системы и управление ее элементами. ОМС производит обработку аварийных сигналов, оповещающих обслуживающий персонал, и регистрирует сведения о неисправностях и аварийных ситуациях в других устройствах сети. В функции ОМС также входят: управление поступающим трафиком; сбор статистических данных о нагрузке в узлах сети, запись их в компьютер управления и вывод на дисплей для анализа операторами. ОМС управляет перепрограммированием пакетов обеспечения базы данных сети. Функциональное сопряжение различных элементов системы осуществляет ряд стандартизованных интерфейсов. Центр коммутации подвижной связи (MSC — Mobile Services Switching Center) является основной частью подсистемы коммутации (Switching SubSystem — SSS), входящей в центральный терминал сети. По существу MSC представляет собой интерфейс между фиксированными главными сетями: PSTN (ТСОП), PDN, ISDN. Данный интерфейс обеспечивает все виды соединений, связанных с мобильными станциями, и обеспечивает маршрутизацию и управление вызовами мобильных абонентов. На MSC возложена также функция коммутации радиоканалов, к которым относится «эстафетная передача» при перемещении абонента из одной ячейки в другую. MSC составляет статистические данные, необходимые для контроля работы сети связи, формирует систему расчетов (биллинг) по состоявшимся вызовам и переговорам, поддерживает процедуры безопасности доступа к радиоканалам. Одной из важных функций MSC является регистрация местоположения подвижных абонентов и передача управления соседнему MSC при переходе абонента в другую зону обслуживания. Процедура регистрации местоположения мобильной станции обеспечивает вызовы перемещающимся абонентам от других подвижных абонентов или от абонентов телефонной сети. Центр коммутации подвижной связи отслеживает местоположение мобильных станций, используя регистр положения {Ноте Location Register — HLR) и регистр перемещения (Visited Location RegisterVLR). Регистр HLR представляет собой банк данных об обслуживаемых абонентах и содержит международный идентификационный номер и адрес мобильного абонента (International Mobile Subscriber Identity — IMSI), который используют в центре аутентификации (Authentication Center — A UC) для удостоверения подлинности абонента. Кроме того, в регистре HLR хранится та часть информации о местоположении мобильной станции, которая находится в данной зоне обслуживания, обеспечивая ее своевременный вызов. В нем ведется регистрация роуминга, включая данные о временном идентификационном номере мобильного абонента (Temporary Mobile Subscriber Identity — TMSI) и соответствующем VLR. Необходимо отметить, что эстафетная передача мобильного абонента из ячейки в соседнюю, обслуживаемых одним MSC (т. е. в его зоне обслуживания), осуществляет один из его контроллеров базовых станций (Base Station Controller — BSC). В сети подвижной связи GSM соты группируются в географические зоны (LA), которым присваивается свой идентификационный номер (LAC). Каждый VLR содержит данные об абонентах в нескольких LA. Когда подвижный абонент перемещается из одной LA в другую, данные о его местоположении автоматически обновляются в VLR. Если старая и новая LA находятся под управлением различных VLR, то данные на старом VLR стираются после их копирования в новый VLR. Текущий адрес VLR абонента, содержащийся в HLR, также обновляется. В целом VLR представляет собой временный банк данных о мобильном абоненте, находящемся в зоне его регистрации. Это исключает постоянные запросы данных о мобильном абоненте в устройстве HLR и сокращает время на обслуживание вызовов. Абоненту сети присваивают стандартный модуль подлинности (Subscriber Identity — Module — SIM, или SIM-карта), содержащий алгоритм аутентификации {Authentication Algorithm), ключ аутентификации (Individual Subscriber Authentication Key - Ki) и IMSI. В результате проверки этой информации разрешают доступ абонента в сеть. Регистр идентификации оборудования (Equipment Identity Register — EIR) содержит центральную базу данных, подтверждающих подлинность международного идентификационного номера оборудования мобильной станции (International Mobile Station Equipment Identity — IMEI). SIM-карта. Наличие SIM-карты в телефоне значительно упрощает жизнь пользователям сетей GSM, поскольку с ее помощью достигается независимость аппаратов от конкретного оператора сотовой связи. Модуль оформлен в виде банковской карточки я содержит в памяти все необходимые данные, связанные с полномочиями абонента и предоставляемыми ему услугами связи. С абонентской станцией поступают так же, как с банкоматом: пока в станции нет карты — услуги связи не предоставляются. SIM-карта позволяет абоненту пользоваться любой станцией стандарта GSM, например, установленной в такси, поезде или телефонной будке. Вынув модуль SIM из одного телефонного аппарата и вставив его в другой, абонент может продолжать пользоваться всеми теми услугами, на которые он подписался. Использование SIM-карт позволило исключить «двойников» на сетях подвижной связи стандарта GSM. SIM-карта содержит также криптографические ключи и алгоритмы шифрования, используемые для организации шифрования данных для обеспечения конфиденциальности связи. Эти достаточно сложные в реализации процедуры направлены на борьбу с несанкционированным доступом к услугам ССПС (fraud — фрод, буквально обман, мошенничество) и прослушиванием разговоров пользователей. Несмотря на это, существует немало прецедентов взлома сетей GSM. Разделы спецификации стандарта GSM, описывающие меры криптографической защиты, являются секретными. Однако есть мнение, что именно открытость в этом вопросе поможет успешно бороться с мошенничеством и прослушиванием. База данных EIR содержит три списка, где номера IMEI абонентов помечены следующим образом:

• белый список — номера, закрепленные за санкционированными  подвижными станциями;

• черный список — номера подвижных станций, которые украдены или им отказано в обслуживании сетью;

• серый список — номера подвижных станций, имеющих нерешенные с сетью проблемы. Оборудование базовой станции (Base Station System — BSS) состоит из трех основных узлов: транскодера - преобразователя аналогового сигнала в цифровой (Transcribe Code Element — ТСЕ), BTS и BSC. Транскодер осуществляет преобразование сигналов речи передающего канала и данных MSC (скорость передачи 64 кбит/с ИКМ-линией) к виду, определяемому соответствующим протоколом стандарта GSM. Согласно требованиям стандарта скорость передачи сигналов в цифровой форме должна составлять 13 кбит/с (полноскоростной канал). Если требуется в заданной полосе передавать по каналу несколько речевых сообщений в цифровой форме, то надо снизить скорость передачи. Это установлено стандартом, и в перспективе в системе GSM будут использовать «полускоростной» речевой канал со скоростью передачи 6,5 кбит/с для ИКМ-линии. В протоколах сети GSM предусмотрена передача данных MSC и речи со скоростью 64 кбит/с. Это позволяет использовать в каждом канале четырехкратное временное уплотнение данных цифровых сигналов. Поскольку один полноскоростной канал ведет передачу со скоростью 13 кбит/с, то в транскодере и MSC к передаваемому потоку ведется добавление дополнительных неинформационных битов (стаффингование, от англ. stuffing — наполнять, укомплектовывать) до скорости передачи 16 кбит/с. Таким образом, формируется 30- канальная ИКМ-линия, позволяющая передавать 120 речевых каналов. В дополнение к этим каналам организуется еще два служебных канала для передачи сигнальной информации и пакетов специальных данных. Абонентские MS служат для организации связи абонентов сети с PSTN. Стандартом предусмотрено пять моделей MS: модель 1-го класса имеет выходную мощность 20 Вт и предназначена для установки на мобильном транспорте. Выходной мощностью 0,8 Вт обладает карманная модель 5-го класса. В оборудование MS системы введено устройство адаптивной регулировки мощности передатчика, обеспечивающее оптимальное качество связи при изменении расстояния до BTS. Все включенные MS постоянно работают в режиме «дежурного приема» (stand-by) на канале вызова. Для вызова абонента его закодированный опознавательный сигнал включается одновременно на всех BTS зоны обслуживания. Получив свой вызывной сигнал, MS подтверждает факт его принятия на ответной частоте канала вызова. После установления этой процедуры ЦКС подключает на связь переговорный канал той базовой приемо-передающей станции (ячейки), в зоне которой обнаружена мобильная станция. Если вызов осуществляется подвижным абонентом, то его MS автоматически находит и вводит в связь свободный канал ближней базовой приемопередающей станции. Важным для MS является эфирный интерфейс — радиоинтерфейс обмена между MS и BTS, поскольку на одной частоте могут одновременно «разговаривать» восемь пар абонентов. В сети GSM каналы связи делят на физические и логические. Передачу речи и данных в физических каналах организуют кадры длительностью 4,615 мс, состоящие из восьми слотов (от англ. Slot — разъем). Каждый слот соответствует своему каналу речи, т. е. восемь каналов речи передаются в одном частотном канале при полноскоростном кодировании речи (при полускоростном, используемом для повышения емкости сети, но с потерей качества передаваемой речи, — шестнадцать каналов). Информационный кадр может быть кадром канала трафика или канала управления. При этом кадры группируются в мультикадры, те в свою очередь — в суперкадры, а из суперкадров складывается гиперкадр длительностью 3 ч 28 мин 53,76 с. Необходимость большого периода гиперкадра объясняется требованиями шифрования данных. В аппаратуре системы используют эквалайзеры (от англ. equalizer — корректоры), обеспечивающие выравнивание импульсных сигналов, амплитуда которых меняется вследствие интерференционных замираний. Подобные явления связаны с многолучевым распространением волн в городских застройках. Служба SMS напоминает широко известную службу пейджинга — персонального радиовызова. Во многом именно эта технология связи «убила рынок пейджинговой связи». При передаче SMS используется пропускная способность каналов сигнализации. Сообщения могут передаваться и приниматься подвижной станцией. В рамках этой услуги связи абоненты могут обмениваться буквенно-цифровыми и текстовыми сообщениями в объеме до 160 знаков латиницей и до 70 знаков кириллицей. Передачу коротких сообщений можно использовать в чрезвычайных ситуациях или при перегрузке каналов речевой связи. Тарифы на передачу SMS обычно значительно ниже тарифов речевой связи. Большинство стран приняли стандарт GSM диапазона частот 900 МГц и развивают сети в диапазоне 1800 МГц. Это DCS-1800 в Европе, и 1900 МГц — PCS-1900 в США. В настоящее время в Европе, США и России широко применяют стандарт второго поколения на основе систем CDMA (система IS-95). Их пропускная способность превышает в пределах той же полосы частот существующую пропускную способность сетей подвижной связи более чем в 15 раз. Сейчас идет практическое внедрение систем подвижной связи третьего поколения IMT-2000 (3G). Эту сеть называют FOMA (Freedom of Mobile Multimedia Access — свободный доступ к мобильным мультимедийным ресурсам). Она была спроектирована для организации новой мобильной коммуникационной системы, которая смогла бы быть запущена в любом уголке планеты и позволяла абонентам качественно общаться, слушать музыку, проводить видеоконференции и многое другое. Отличительными чертами систем 3G являются:

• доступность услуг связи в любом месте и в любое время, «связь всегда и

везде» (anywhere, anytime);

• существенное увеличение номенклатуры услуг, в первую очередь, услуг

мультимедиа и беспроводного доступа в Internet;

• мобильный доступ ко всем ресурсам единого мирового информационного

пространства, интеграция услуг сетей фиксированной и мобильной связи;

• гибкий маркетинг.

В большинстве цифровых ССПС используют фазовые или частотные методы манипуляции, как наиболее эффективные по потребляемой мощности и полосе рабочих частот. ССПС является системой массового обслуживания со случайным потоком вызовов (описывается распределением Пуассона), случайной продолжительностью обслуживания (подчиняется экспоненциальному распределению) и фиксированным числом каналов связи. Было бы нерационально ограничивать число абонентов числом каналов, так как вероятность того, что все абоненты захотят воспользоваться связью одновременно, крайне низка. Поэтому ССПС строят из расчета среднего трафика, рассчитываемого как произведение средней частоты вызовов на среднюю продолжительность обслуживания одного вызова. Если трафик оказался выше, то абонента ждет режим system busy (система занята, или перегружена; при очень больших загрузках пропускная способность сети может стать нулевой и эту ситуацию называют коллапсом сети). С тех пор, как системы сотовой связи стали массированно внедрять во всем мире, прошло немного лет. Первые абонентские мобильные станции имели значительные размеры и были похожи скорее на небольшие переносные радиостанции, чем на малогабаритные телефонные трубки. Затем, по мере развития, уменьшались их размеры и масса, улучшался дизайн и ряд других показателей. Ожидается, что на базе этих разработок вскоре будет создана глобальная системы подвижной связи четвертого поколения 4G, которые позволят передавать данные в сотовых

сетях со скоростью выше 100 Мбит/сек.

Рис. 1.41. Структурная схема цифрового сотового радиотелефона

На рис. 1.41 представлена структурная схема современного цифрового сотового радиотелефона сотовой системы стандарта GSM. Приемное устройство радиотелефона представляет собой соединенные последовательно ненаправленную, достаточно широкополосную антенну и супергетеродинный приемник с двойным преобразованием частоты радиосигнала. Принятый антенной переговорный радиосигнал fC через высокочастотный полосовой керамический фильтр (фильтр со стабильными частотными характеристиками) и малошумящий усилитель (МШУ) поступает на один вход первого смесителя V приемника. На другой его вход подается напряжение гетеродина fПРМ с синтезатора частот (многочастотного генератора со ступенчатым переключением частот). Сигнал первой промежуточной частоты fПР1 выделяется полосовым фильтром на ПАВ (англ. SAW filter), усиливается усилителем первой промежуточной частоты (УПЧ1) и поступает на первый вход второго смесителя приемника. На второй вход смесителя подается напряжение гетеродина fГ (вспомогательный генератор) с генератора частот. Полученный в результате преобразования полезный сигнал второй промежуточной частоты fПР2 отфильтровывается полосовым фильтром на ПАВ, усиливается усилителем УПЧ2 и поступает на АЦП. В АЦП аналоговый сигнал преобразуется в цифровой код, с которым оперирует цифровой сигнальный процессор (ЦСП; Digital Signal ProcessorDSP). Как правило, в таких радиотелефонах кроме цифровой структуры имеется и аналоговая часть. Антенна одновременно является и передающей, и приемной. Обычно она представляет собой так называемую низкопрофильную антенну (см. далее). Аналоговая часть радиотелефона включает в себя высокочастотные и низкочастотные передающее и приемное устройства, которые выполнены по классической для любой системы радиосвязи схеме. Передающее устройство мобильного радиотелефона формирует информационный радиосигнал с достаточно сложным законом модуляции. В режиме передачи, созданный в ЦСП, цифровой переговорный сигнал поступает на аналоговую часть радиопередатчика. Модулирующий сигнал формируется в I/Q-генераторе, на который подается колебание генератора частот. С выхода I/Q -генератора полученный сигнал поступает на фазовый модулятор, с которого колебание fФМ подается на смеситель V передатчика. На второй вход смесителя приходит напряжение частоты fПРД с синтезатора частот. Преобразованный сигнал fC1 через полосовой керамический фильтр подают на регулируемый усилитель мощности (УМ), который управляется сигнальным процессором. Регулировка излучаемой мощности телефона осуществляется по специальным командам БПС, через которую реализуется связь с мобильным абонентом. Усиленный до необходимого уровня мощности сигнал частоты fC1 через полосовой керамический фильтр поступает в антенну, излучающую его в окружающее пространство. Цифровая часть схемы радиотелефона формирует и обрабатывает передаваемые и принимаемые информационные и служебные сигналы. Она включает цифровой сигнальный процессор, память (оперативную, постоянную и другие виды памяти), SIM-карту, АЦП, ЦАП, канальный эквалайзер (выравниватель амплитуд сигналов, в данном случае импульсных), канальный кодер/декодер, клавиатуру, дисплей, фотоаппарат, видеокамеру и выход во внешнюю сеть. Логическая часть телефона выполняет операции кодирования/декодирования, сжатия и восстановления сигнала; обрабатывает информацию, вводимую пользователем с клавиатуры, и осуществляет ряд других задач. Последние разработки цифровых радиотелефонов существенно расширили сервисные возможности. Абонентские терминалы весьма разнообразны как по своему конструктивному исполнению, так и по сервисным возможностям, ими предоставляемыми. Среди существенных сервисных возможностей отметим':

• наличие кнопки временного отключения микрофона от сети;

• наличие оперативной памяти для повторного вызова последнего абонента,

в том числе и для многократного вызова (автодозвона) занятого абонента;

• наличие долговременной памяти номеров приоритетных абонентов;

• постановку собеседника на удержание с включением фоновой музыки;

• автоматическое определение номера (схема АОН) вызывающего абонента

с отображением на дисплее и звуковым его воспроизведением;

• защиту от АОН вызываемого абонента (анти-АОН);

• запоминание номеров вызывающих абонентов и времени каждого вызова;

• индикацию во время разговора второго вызова и его номера;

• наличие персональных кодов-паролей;

• наличие автоответчика и встроенного диктофона для записи сообщений;

• наличие дистанционного управления телефоном;

• возможность подключения телефона к компьютеру и внешней (например, Internet через технологии Wi-Fi) сети;

• возможность принимать и пересылать другим абонентам SMS-ku;

• возможность получать данные о погоде, биржевую информацию;

• наличие встроенного цифрового фотоаппарата, видеокамеры и т. д.

Подвижная связь в городах В современных системах сотовой связи используются радиоволны дециметрового диапазона, которые испытывают сильные отражения от окружающих объектов и подстилающей поверхности. Это приводит к многолучевому распространению радиосигнала. Сложение в точке приема радиоволн, пришедших разными путями и имеющих соответственно разные фазы, но сравнительно динаковые мощности, вызывает усиление результирующего сигнала до 10 дБ или, что чаще, ослабление до 30 дБ. Искажения результирующего сигнала обусловливают межсимвольную интерференцию. Колебания среднего уровня сигнала приводят к замираниям. Они бывают быстрыми и медленными. Опасность представляют первые. Для борьбы с быстрыми замираниями используют разнесенный прием и медленные скачки по частоте (Slow Frequency Hopping). При осуществлении подвижной связи в городах имеют место проблемы, связанные с распространением радиоволн. Проблемы возникают в условиях города при связи БПС с движущимся абонентом, когда сравнительно короткие, но переменные по длине линии связи быстро превращаются из открытых трасс в закрытые. В этом случае к приемной антенне приходят несколько сигналов с разным запаздыванием по времени за счет неоднократных переотражений волн элементами зданий. При этом уровень принимаемого сигнала испытывает глубокие, до 15...40 дБ, быстрые замирания, зависящие от плотности застройки города зданиями. Впоследствии стало ясно, что для электромагнитных полей в условиях городов характерны пространственные интерференционные явления, образуемые множеством волн с различными амплитудами и фазами из-за дифракции на препятствиях и многократных отражений от них. Было установлено, что период пространственных флуктуации сигнала по порядку значений близок к длине волны излучения. Задача о распространении сигналов в городах оказалась многопараметрической, поскольку уровни принимаемых сигналов зависели от рельефа местности, высот антенн передатчика и приемника, плотности застройки, высоты крыш зданий, ширины и направления улиц, наличия отдельно стоящих деревьев и лесопарковых насаждений и уличного транспорта. В настоящее время установлены основные закономерности распределения электромагнитных полей в городах. При высоте приемной антенны на уровне крыш зданий напряженность поля убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. При высоте антенн в 3 м над земной поверхностью поле убывает пропорционально 1/Rm, где m = 2,9...3, для крупного города с небольшой этажностью зданий и т = 2,7...2,8 для небольших городов. Ослабление поля в тени зданий составляет в 50 % случаев 18.. .20 дБ в диапазоне частот 470.. .670 МГц. Моделирование местности и зданий города позволяет определять лишь средние значения уровней сигналов и не может служить для оценок статистики полей ЭМИ в городе. В последние годы были изучены экспериментально закономерности распространения на коротких расстояниях по улицам городов, а также внутри помещений и зданий, что позволило создать сотовые системы с автомобилями, пешеходами и связь внутри учреждений на базе радиотелефонов.

Профессиональные (транкинговые) системы подвижной связи

Профессиональные (предназначены для корпоративных групп абонентов — бригад скорой помощи, МЧС, пожарных, ФСБ, милиции и т. д.) системы подвижной связи с так называемым свободным и равным доступом мобильных станций к общему частотному диапазону позволяют абонентам работать на любом переговорном канале сети. В мировых стандартах профессиональных систем подвижной связи метод свободного и равного доступа мобильных абонентов ко всем каналам сети связи называют транкингом (от англ. trunk — ствол, магистраль). При этом любой свободный переговорный канал может быть временно закреплен за мобильным абонентом для конкретного сеанса связи в зависимости от трафика сети. Для этого в мобильные станции встроены специальные микропроцессоры, позволяющие им сканировать (т. е. искать) запрограммированные частоты сети, передавать при каждом выходе в эфир собственный код, код входа в систему и номер вызываемого абонента. Транкинговые системы подвижной связи получили широкое распространение. До середины 60-х гг. XX в. развивались так называемые производственные системы подвижной связи (Private Mobile RadioPMR), создаваемые отдельными организациями для удовлетворения своих потребностей в подвижной связи на ограниченных территориях. С конца 60-х гг. XX в. начинается интенсивное развитие сетей транкинговой связи как производственных, так и систем подвижной связи общего пользования (Public Access Mobile RadioPAMR). Системы PAMR создаются операторами сетей подвижной связи на коммерческой основе и разворачиваются на обширных территориях. Абонентам этих сетей предоставляется возможность связи не только с абонентами данной сети, но и с абонентами ТСОП. В конце XX в. становится необходимым создание глобальных сетей PAMR, которые охватили бы большие регионы, включающие ряд стран. Абоненты этих сетей должны иметь связь независимо от своего местонахождения и возможность выхода на ТСОП. Это особенно необходимо для служб безопасности (милиции, таможенных служб), так как позволяет им предпринимать согласованные действия по пресечению деятельности преступных группировок и т. п. Особенностями транкинговых систем являются: весьма незначительное время установления связи между абонентами; возможности осуществления группового вызова абонентов, установления непосредственной связи между терминалами абонентов без использования базовых приемо-передающих станций сети связи и т. д. До 1995 г. создавались аналоговые транкинговые системы, в которых передавались сигналы телефонии и применялась частотная модуляция. Ширина полосы одного канала составляла 25...30 кГц. Значительной вехой в развитии систем транкинговой связи явилась разработка спецификации МРТ-1327, которой руководствовались многие фирмы при выпуске оборудования. В последнее десятилетие XX в. в США и Европе были разработаны цифровые системы транкинговой связи (TETRATrans European Trunked Radio; IDENIntegrated Digital Enhanced Netwok; ED ACSEnhanced Digital Access System и др.). Стандарт на систему профессиональной связи TETRA был разработан в 1992 г. Для этой системы выделено несколько полос частот в диапазоне частот ниже 1 ГГц, одна из которых (380...400 МГц) предназначена для создания сетей TETRA европейских служб безопасности. В системе абонентам предоставляется услуга роуминга, и сегодня уже началось внедрение этой системы в ряде стран Западной Европы. В цифровой системы транкинговой связи TETRA в каждом частотном канале шириной 25 кГц передают сигналы четырех абонентов. Таким образом, по спектральной эффективности эта система в 4 раза превосходит обычные системы с частотной модуляцией. Помимо передачи речи в цифровой форме возможна передача данных со скоростью 7,2 ... 28 Кбит/с, допустимы несколько уровней приоритета вызовов, групповые и срочные вызовы, передача пакетных данных, возможность непосредственной связи между абонентами, минуя базовую станцию (БС), и т. д. Рассмотрим упрощенные диаграммы типичного часового трафика работы пятиканальной транкинговой системы профессиональной подвижной связи со средней продолжительностью одного сеанса переговоров абонентов 3...5 мин (рис. 1.42). Темные участки на рис. 1.42 отражают ситуации, когда каналы связи заняты переговорами, а светлые — когда они свободны. Если бы абонент фиксировано закреплялся за отдельным каналом связи, то вероятность немедленного доступа составила бы менее 50 %, в то время как при транкинговом методе подключения к любому свободному каналу вероятность такого доступа резко  возрастает (практически до 80...90 %).

Рис. 1.42. Диаграммы часового трафика пятиканальной транкинговой системы связи

Рис. 1.43. Упрощенная структура транкинговой системы подвижной связи

В транкинговых системах связи реализуются два основных метода выделения канала конкретному абоненту.

При первом методе выделения канала абоненту поиск свободного канала и подачу сигнала вызова производит мобильная абонентская станция, которая осуществляет сканирующий последовательный автоматический поиск вызывного канала (АПВК). В этом случае перед установлением связи, когда мобильная станция ведет сканирующий поиск свободного канала с применением устройства АПВК, на каждом определенном канале производится попытка вхождения в связь с базовой станцией с установкой тактовой и циклической синхронизации. Вследствие этого длительность цикла установления канала связи возрастает на несколько порядков по сравнению с длительностью при фиксированном закреплении каналов за определенными мобильными абонентами. Поэтому использование профессиональных транкинговых систем связи с АПВК эффективно при работе с 10... 15 частотными каналами. При втором методе построения транкинговой системы поиск свободного канала связи возлагается на подсистему управления базовой станции ПСПС. В этом случае для поиска свободного связного канала используется специальный канал управления базовой станции, через который обеспечивается контроль работы всей сети, включая процедуры установления, обеспечения и прекращения связи. Важным аспектом для сети подвижной связи считается возможность, а скорее необходимость оперативного переключения канала связи на другую несущую частоту при появлении помех высокого уровня. Кроме того, для повышения надежности системы подвижной связи предусмотрено автоматическое переключение на исправный канал при выходе из строя работающего канала связи или снижения его выходной мощности. 

Системы подвижной спутниковой связи

Перспективным направлением развития подвижной связи общего пользования является создание спутниковых систем. Системы подвижной спутниковой связи начали развиваться в последние два десятилетия XX в. Одной из первых подобных систем явилась созданная в 1967 г. в США опытная система «TATS». Данные системы спутниковой связи предназначены для организации переговоров между абонентами телефонных сетей общего пользования и мобильными станциями, устанавливаемыми на подвижных объектах (автомобилях, кораблях, самолетах и т. д.), а также осуществления персональной подвижной связи на базе сотовых сетей. При использовании персональной спутниковой связи обеспечивают соединение перемещающегося в пространстве абонента по его неизменному (подобно телефонному), закодированному номеру. В основу организации спутниковой системы радиосвязи заложена достаточно простая идея. На искусственном спутнике Земли, или, проще, спутнике (иногда называемым сателлитом), располагается активный ретранслятор СПСС. Спутник находится на заданной орбите и движется над Землей длительное время, получая электропитание от солнечных батарей, установленных на его платформах, или от малогабаритных ядерных электростанций. На спутнике-ретрансляторе расположена антенная система и приемопередающая аппаратура, осуществляющие прием, преобразование, обработку (например, усиление, изменение частоты несущей и пр.) и передачу радиосигналов в направлении земных станций (ЗС) — станций радиосвязи, расположенных на земной поверхности и предназначенных для обеспечения собственно связи. Отметим, что в наземных системах радиосвязи аналогичные станции называются наземными. На рис. 1.45 приведена упрощенная структура построения современной системы подвижной спутниковой связи, работающей непосредственно с телефонной сетью общего пользования

Системы мобильной спутниковой связи классифицируют по двум признакам: типу используемых орбит и различию в зонах обслуживания и размещения

ЗС. В состав любой сети спутниковой связи входят земные станции (земной и абонентские сегменты) трех видов:

• абонентские станции (АС) — авиационная, морская, сухопутная,  

переносная, персональная;

• земные стационарные станции сопряжения (ЗСС);

• станции управления сетью (СУС).

 Рис. 1.45. Упрощенная структура построения СПСС

Рис. 1.46. Геостационарная орбита спутника

Очень часто на схемах земные станции ЗСС и СУС объединяют и обозначают как СУС. Кроме того, собственно космический (спутниковый) сегмент содержит устройства, условно названные терминалом телеуправления спутником. (ТТС), обеспечивающим эксплуатацию, телеуправление и контроль за работой систем спутника связи.

По типу используемых орбит различают СПСС со спутниками, расположенными на геостационарных (Geosynchronous; орбита, рассчитанная таким образом, чтобы спутник постоянно находился над одной и той же точкой земной поверхности; для этого он должен перемещаться со скоростью вращения Земли, т. е. его период обращения равен 24 ч; высота 36 000 км; рис. 1.46), высокоэллиптических промежуточных и низких земных орбитах (Low Earth OrbitLEO). Последние называются системами спутниковой связи на низкоорбитальных спутниках (высота орбит ИСЗ 200...700 км).

Системы подвижной радиосвязи на низкоорбитальных спутниках позволяют создать на поверхности Земли плотность потока мощности электромагнитных колебаний, достаточную для работы с легкими абонентскими станциями размером с портативную телефонную трубку, и дополняют сотовые системы радиосвязи. Наиболее распространенной международной системой подвижной спутниковой связи является глобальная сеть связи lnmarsat-M, предназначенная для обслуживания подвижных абонентских станций. Сеть Inmarsat-M обеспечивает связь практически с любой точкой мира, позволяет подключить компьютерную сеть Internet, факс и ряд других устройств передачи цифровых данных. Космический сегмент системы связи базируется на геостационарных спутниках, расположенных над Атлантическим, Тихим и Индийским океанами. В настоящее время спутниковая связь все более переводится в плоскость персонального обслуживания подвижных абонентов. Энергетический баланс линий спутниковой связи до последнего времени не позволял уменьшить абонентскую станцию до размеров сотового телефона. Однако применение спутников, находящихся на негеостационарных орбитах, в том числе низкоорбитальных, позволяет, в сравнении с геостационарными спутниками, существенно уменьшить задержку в канале связи, что весьма существенно для передачи речевых сообщений, снизить энергетику линии, что позволяет значительно уменьшить габаритные размеры и массу абонентского терминала, а также использовать абонентские терминалы с ненаправленными антеннами. Это создает преимущества перед геостационарными и высокоорбитальными спутниками и позволяет разрабатывать СПСС с персональными радиотелефонами типа сотового, снабженными ненаправленными антеннами. При этом существенно уменьшаются затухание сигнала на трассах Земля - спутник и спутник - Земля и его запаздывание в каналах связи. Для сравнения отметим, что время задержки сигнала у геостационарных систем спутниковой связи составляет около 300 мс (это особенно заметно по разговорам корреспондентов на телевизионном экране, когда они ведут репортаж через спутниковую систему связи), а у низкоорбитальных — не более 200 мс. Такое уменьшение запаздывания сигналов способствует двух- скачковому (двукратному) методу передачи сигналов через спутники. СПСС с низкоорбитальными спутниками обеспечивают достаточно широкие функции в обслуживании абонентов. Прежде всего, они позволяют организовать телефонную персональную связь с подвижным абонентом, находящимся вне зоны действия телефонных сетей (сотовых и прочих). Кроме того, они широко внедрены в морских службах спасения для радиоопределения местоположения объекта, пейджинга, электронной почты и т. д.

Проект современной спутниковой системы связи основан на широком международном сотрудничестве, в котором участвуют и российские компании. В проекте орбитальной группировки практически каждой спутниковой системы связи используется до 70 спутников-ретрансляторов, расположенных на 4 - 8 орбитах (см. аналог на рис. 1.36). Любой спутник орбитальной группировки своими лучами формирует несколько наземных сот связи. В совокупности один ретранслятор создает на Земле подспутниковую зону диаметром примерно 4 500 км. Полная орбитальная группировка формирует практически сплошную спутниковую зону связи, покрывающую всю поверхность Земли. Из отечественных сетей космической связи наиболее перспективной является система Сигнал. Космический сегмент системы связи Сигнал включает «созвездие» из 45...55 спутников-ретрансляторов, находящихся на орбитах высотой 700...1 500 км. Спутники расположены небольшими группами (3...5 штук) в определенных плоскостях неба так, что при движении по заданным орбитам они узкими диаграммами направленности своих антенн совокупно формируют сотовую структуру заданной зоны обслуживания. Помимоупомянутых систем в ряде стран разрабатывают другие проекты систем спутниковой подвижной связи общего пользования, а также  специализированные системы спутниковой подвижной связи, предназначенные для контроля над состоянием и местоположением транспортных средств, обеспечения связи в чрезвычайных ситуациях, осуществления экологического и промышленного мониторинга и т. п. Некоторые из них уже реализованы.

IP-телефония (Internet Phone; Интернет-телефония)

В настоящее время телефонные сети общего пользования, достигнув пределов «совершенства», фактически начинают тормозить развитие технологии передачи сообщений. Коммутация телефонных каналов, в отличие от коммутации пакетов, более не в состоянии удовлетворять растущие потребности рынка связи, в том числе в новых и дополнительных услугах и снижении удельных затрат на расширение сетей. Хотя в последнее десятилетие благодаря компьютерно- телефонной интеграции отмечен определенный рост в развитии ТСОП, цена такой интеграции в сети с коммутацией каналов высока. За последние 10 ... 15 лет телекоммуникационная отрасль претерпевает радикальную перестройку. В начале 90-х гг. XX в. техническая революция перенесла человека из эры традиционной связи на основе коммутации каналов в эпоху более совершенной технологии передачи речи — пакетной телефонии. Сегодня пользователи уже осознают экономические и технологические преимущества новой технологии. Концепция передачи голоса по сети с помощью персонального компьютера зародилась в университете штата Иллинойс (США). В 1993 г. Чарли Кляйн  выпустил в свет Maven, первую программу для передачи голоса по сети с помощью персонального компьютера. Одновременно одним из самых популярных мультимедийных приложений в сети стала CU-SeeMe, программа видеоконференций для Macintosh, разработанная в Корнельском университете. Израильская компания «VocalTec» предложила первую версию программы InternetPhone, разработанную для владельцев мультимедийных PC, работающих под Windows. IP-телефония — новейшая технология, которая используется в сети Internet для передачи речевых сигналов. IP-телефония — это предоставление услуг телефонной связи по сетям передачи данных, в частности сетям Internet. Что же такое IP-телефония как сетевая концепция? Это интеграция передачи данных и сетей телефонии при ведущем положении услуг передачи данных. Таким образом, как сетевая концепция IP-телефония предусматривает наличие сети передачи данных, где дополнительной услугой обеспечивается телефония. В обычном телефонном звонке подключение между обоими собеседниками устанавливается через телефонную станцию исключительно с целью разговора. Голосовые сигналы передаются по определенным телефонным линиям, через выделенное подключение. Общий принцип действия телефонных серверов IP- телефонии таков: с одной стороны, сервер связан с телефонными линиями и может соединиться с любым телефоном мира. С другой стороны, сервер связан с Internet и может связаться с любым компьютером в мире. Сервер принимает стандартный телефонный сигнал (голосовые сигналы, т. е. слова, которые мы произносим), оцифровывает и значительно сжимает его, преобразует в цифровые пакеты данных и отправляет в Internet с адресом назначения. При этом используется протокол Internet (TCP/IP). Для пакетов, приходящих из сети Internet на телефонный сервер и уходящих в телефонную линию, операция происходит в обратном порядке. Для адресата пакеты данных перегруппировываются и декодируются в голосовые сигналы оригинала. Обе составляющие операции (вход сигнала в телефонную сеть и его выход из телефонной сети) происходят практически одновременно, что позволяет обеспечить полнодуплексный разговор. На основе этих базовых операций можно построить много различных конфигураций. Допустим, звонок телефон-компьютер или компьютер-телефон может обеспечивать один телефонный сервер. Для организации компьютерной связи телефон(факс) - телефон(факс) нужно два сервера. Заметим, что телефонная сеть была создана так, чтобы гарантировать высокое качество услуги даже при больших нагрузках. IP-телефония, напротив, не гарантирует качества, причем при больших нагрузках оно значительно падает.

Существуют два базовых типа телефонных запросов 1Р-телефонии:

• с компьютера на компьютер;

• с компьютера на телефон.

Качество связи IP-телефонии можно оценить такими характеристиками:

• уровень искажения голоса;

• частота «пропадания» голосовых пакетов;

• время задержки (между произнесением фразы первого абонента и моментом, когда она будет услышана вторым абонентом).

Анализ показывает, что для получения приемлемого качества речи задержки в сети должны быть минимальными, а дополнительная полоса пропускания, которая требуется для передачи речи в существующих корпоративных сетях, ничтожно мала по сравнению с «коммуникационными трубопроводами», необходимыми для транспортировки видео, графических файлов и потоков данных, порождаемых киберпутешественниками и видеоконференциями.

Интеграция телефонии и передачи данных — концепция не новая, она легла в основу другой технологии — ISDN, которая выполняет похожие задачи и, таким образом, является потенциальным конкурентом на телекоммуникационном рынке. В то же время технология ISDN принципиально отличается от IP- телефонии тем, что обеспечивает интеграцию сетей телефонии и передачи данных при ведущем положении услуг телефонии, поскольку использует более соответствующий телефонной связи принцип коммутации каналов.

Исходя из этого различия двух технологий, а также уровня развития сети и следует делать выбор той или другой концепции. Технология ISDN внедряется, когда необходимо передать данные по существующей телефонной сети. Если эта сеть аналоговая, то этапами внедрения ISDN будут: аналоговая телефонная

сеть — цифровизация первичной и вторичной сетей — интегрированная  

цифровая сеть (ИЦС) или IDNISDN. Цепочка внедрения услуг IP-телефонии длиннее: аналоговая телефонная сеть — цифровизация первичной и вторичной сетей — создание наложенной сети передачи данных — 1Р-телефония. IP-пакетная телефония приносит с собой новые возможности:

• повышается эффективность использования полосы пропускания каналов за счет эффективных алгоритмов сжатия данных;

• обеспечивается будущая интеграция интерактивных мультимедийных  услуг, например видео по запросу;

• организуется управление единой сетью передачи речи, данных и видео;

• используются существующие широко применяемые протоколы;

• выбирается способ телефонной связи, предоставляемый конечным пользователям и позволяющий экономить расходы на междугородные звонки.

Междугородняя (международная) связь осуществляется с помощью телефонных серверов, организация или оператор услуги должны иметь по серверу в тех местах, куда и откуда планируются звонки. Стоимость такой связи на порядок меньше стоимости телефонного звонка по обычным телефонным линиям.

Особенно велика эта разница для международных переговоров.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

23116. Енергія електромагнітного поля. Густина потоку енергії ЕМП 98.5 KB
  Густина потоку енергії ЕМП. Енергія ЕМП може перетворюватись в інші види енергії наприклад у кінетичну енергію зарядів. Обчислимо роботу яку виконує ЕМП зміщуючи заряди. Якщо за час dt заряд зміщується на відстань то робота ЕМП буде .
23117. Принцип найменшої дії. Функція Лагранжа 43.5 KB
  Функція Лагранжа Найбільш загальне формулювання закону руху механічних систем дає так званий принцип найменшої дії або принцип Гамільтона. Функція L називається функцією Лагранжа даної системи а інтеграл дією. Функція Лагранжа залежить лише від q и а не від більш високих похідних що пояснюється тим що механічний стан повністю визначається завданням координат та швидкостей. Для спрощення запису формул припустимо спочатку що система має лише одну степінь вільності так що буде визначена лише одна функція qt.
23118. Гамільтонова форма рівнянь 90.5 KB
  Гамільтонова форма рівнянь. Підставляючи отримане в початкове рня маємо: Для переходу до змінних і додаємо і віднімаємо: Звідси Оскільки права частина виражена через диференціали то її можна розглядати як повний диференціал певної функції що залежить від яку позначимо і назвемо функцією Гамільтона: де Залишилося довести що Маємо Враховуючи це запишемо: звідки Ця система рівнянь називається канонічними рівняннями Гамільтона. рівн. рівн.
23119. Закони руху системи матеріальних точок та твердого тіла. Тензор інерції 77 KB
  Закони руху системи матеріальних точок та твердого тіла. Запишемо другий закон Ньютона для матеріальної точки з даної системи: 1 де сумарна зовнішня сила що діє на іту м. Записавши 1 для кожної точки системи та просумувавши всі отриманні рівняння маємо: 2. З урахуванням третього закону Ньютона тобто співвідношення перепишемо 2 як: 3 Нехай Rрадіус вектор даної системи: задає точкуцентр мас системи.
23120. Закони збереження та фундаментальні властивості простору-часу 263 KB
  Рух механічної системи описується 2S величинами де Sкількість ступенів вільності. системи вибір початку відліку часу одна з сталих в диф. рівняннях що описують динаміку може бути обрана сталою 1 При розв’язанні системи 1 2S1 сталих де Отримані величини інтеграли руху визнач. системи явно не залеж.
23121. Рух тіл в інерціальній та неінерціальній системах відліку. Сили інерції. Коріолісівське прискорення 202 KB
  Коріолісівське прискорення. інваріантне 0 де – прискорення в ІСВ швидкість в ІСВ – маса тіла – рівнодійна сил взаємодії які діють на тіло. Характеризуватимемо рух початку координат НеІСВ відносно ІСВ радіусвектором а обертання НеІСВ відносно ІСВ – кутовою частотою х В НеІСВ вимагають аналогічного до 0 запису закону руху тіла відносно радіусвектора : Оскільки прискорення в НеІСВ внаслідок х нерівне та величина не змінюється при переході до НеІСВ необхідно щоб сумарна сила складалась не тільки з теж...
23122. Закони руху системи матеріальних точок та твердого тіла. Тензор інерції 159.5 KB
  Закони руху системи матеріальних точок та твердого тіла.Введемо вектор повної кількості руху систем частинок: Знайдемо його зміну з часом: Для першої суми: ТобтоТаким чином якщо сума всіх зовнішніх сил рівна нулю то має місце закон збереження імпульсу. Ведемо повний момент кількості руху:Знайдемо швидкість його зміни в часі: Другий доданок – повний момент зовнішніх сил .Розглянемо перший доданок врахувавши : За умов виконання має місце закон збереження моменту кількості руху.
23123. Хвилі у пружньому середовищі. Хвильове рівняння. Звукові хвилі 59.5 KB
  Хвилі у пружньому середовищі. Звукові хвилі. Розрізняють хвилі повздовжні і поперечні в залежності від того чи рухаються частинки біля своїх положень рівноваги вздовж чи поперек напрямку розповсюдження хвилі. Розглянемо хвилі типу Позн.
23124. Рух ідеальної рідини. Рівняння Бернуллі 55.5 KB
  Нагадаємо що поле швидкостей характеризує не швидкiсть окремих частинок середовища а швидкiсть у данiй точцi в даний момент часу будьякої частинки рiдини або газу що знаходиться в цiй точцi в цей момент часу. Надалi будемо розглядати такi рiдини або гази для яких тензор пружних напругє iзотропним: pij = −pδij 14.10 для в’язкої рiдини газу набуде вигляду: Це є рiвняння Нав’єСтокса де η – коефiцiєнт зсувної в’язкостi – коефiцiєнт об’ємної в’язкостi. Для повного опису руху рiдини необхiдно додати ще рiвняння неперервностi та...