3.2.Основи побудови систем стільникового зв'язку

Функціональна схема. Як випливає з рис. 1, в центрі кожної комірки знаходиться базова

станція (БС), обслуговуюча всі рухомі станції (РС) – абонентські або радіотелефонні

апарати в межах своєї комірки. При переміщенні абонента з однієї комірки в іншу

відбувається передача його обслуговування від однієї базової станції до іншої. Всі базові

станції, у свою чергу, замикаються на центр комутації (ЦК), з якого є вихід на телефонну

мережу загального користування, зокрема, якщо зв'язок встановлюється в місті, - вихід в

звичайну міську телефонну мережу (МТМ).

Відзначимо деякі моменти, пов'язані із спрощенням викладеного вище схематичного

уявлення.

Перш за все, насправді комірки ніколи не бувають строгої геометричної форми. Реальні

межі комірок мають вигляд неправильних кривих, що залежить від умов розповсюдження

радіохвиль, рельєфу місцевості, характеру і щільності рослинності і забудови та інших

чинників. Більш того, межі комірок взагалі не є чітко визначеними, оскільки рубіж

передачі обслуговування рухомої станції з однієї комірки в сусідню може в деяких межах

зміщуватися із зміною умов розповсюдження радіохвиль і залежно від напряму рухи РС.

Так само і положення БС лише приблизно співпадає з центром комірки, який до того ж не

так просто визначити однозначно, якщо комірка має неправильну форму.

Рис. 2. Система стільникового зв'язку з двома центрами комутації

Далі, система стільникового зв'язку може включати більше, ніж один центр комутації,

що може бути обумовлене, зокрема еволюцією розвитку системи або обмеженістю

місткості комутатора. Можлива, наприклад, структура системи типу показаного на рис. 2

– з декількома центрами комутації, один з яких умовно можна назвати головним або

ведучим .

При переміщенні абонента між комірками однієї системи відбувається передача

обслуговування, а при переміщенні на територію іншої системи – роумінг, тобто

процедура, що забезпечує підтримку зв'язку при переміщенні абонента із зони

обслуговування одного оператора в зону обслуговування іншого оператора.

Базова станція. Структурна схема базової станції приведена на рис. 3. Перша

особливість станції, яку слідує відзначити, – це використання рознесеного прийому, для

чого станція повинна мати дві приймальні антени (на рис. 3 не відображена). Крім того,

базова станція може мати роздільні антени на передачу і прийом. Друга особливість –

наявність декількох приймачів і такого числа передавачів, що дозволяють вести одночасну

роботу на декількох каналах з різними частотами.

Однойменні приймачі і передавачі мають загальні здатні переналаштовуватися опорні

генератори (не показані на рис. 3), що забезпечують їх узгоджене переналаштування при

переході з одного каналу на іншій; конкретне число N прийомопередавачів залежить від

конструкції і комплектації базової станції. Для забезпечення одночасної роботи N

приймачів на одну приймальну і N передавачів на одну передаючу антену між

приймальною антеною і приймачами встановлюється дільник потужності на N виходів, а

між передавачами і передаючою антеною – суматор потужності на N входів.

Блок сполучення з лінією зв'язку здійснює упаковку інформації, що передається по лінії

зв'язку до центру комутації, і розпаковування інформації, що приймається від нього. В

якості лінії зв'язку базової станції з центром комутації зазвичай використовують

радіорелейні або волоконно-оптичні лінії, якщо базова станція і центр комутації не

розташовуються територіально в одному місці.

Контролер базової станції, що являє собою досить потужний і довершений комп'ютер,

забезпечує управління роботою станції, а також контроль працездатності всіх вхідних в

неї блоків та вузлів.

Рис. 3. Структурна схема базової станції

Для забезпечення додатковогоо ступеня надійності багато блоків і вузлів базової станції

резервуються (дублюються).

Рухома станція. Структурна схема рухомої станції приведена на рис. 4, де прийняті

наступні позначення: Т – телефон; ДСП – дисплей; КЛВ – клавіатура; М – мікрофон; ЦАП

– цифро-аналоговий перетворювач; ДКМ – декодер мови; ДКК – декодер каналу; ЕКЛ –

еквалайзер; АЦП – аналого-цифровою перетворювач; КМ – кодер мови; КК – кодер

каналу.

Рухома станція включає наступні блоки: блок управління, прийомопередаючий блок і

антенний блок. Прийомопередаючий блок у свою чергу включає передавач, приймач

синтезатор частот і логічний блок.

Рис. 4. Структурна схема рухомої станції

Найбільш простий по складу антенний блок: він включає власне антену – в

найпростішому випадку чвертьхвильовий штир – і комутатор прийом-передача. Останній

для цифрової станції може представляти собою електронний комутатор, що підключає

антену або на вихід передавача, або на вхід приймача, оскільки рухома станція цифрової

системи ніколи не працює на прийом і передачу одночасно.

Функціонально нескладний і блок управління. Він включає мікротелефонну трубку –

мікрофон і телефон (динамік), клавіатуру і дисплей. Клавіатура (ввідне поле з цифровими

і функціональними клавішами) служить для набору номера телефону абонента, що

викликається, а також команд, що визначають режим роботи рухомої станції. Дисплей

служить для відображення різної інформації, що передбачається пристроєм і режимом

роботи станції.

Прийомопередаючий блок значно складніший і включає в себе передавач, приймач,

синтезатор і логічний блок.

До складу передавача входять:

o аналого-цифровий перетворювач (АЦП), що перетворює аналоговий мовний

сигнал, що поступає з виходу мікрофону, в цифрову форму; вся подальша

обробка і передача мовного сигналу проводиться в цифровій формі, аж до

зворотного цифро-аналогового перетворення в приймачі;

o кодер мови (КМ) здійснює кодування мовного сигналу – перетворення

сигналу, що має цифрову форму, по певним законам з метою скорочення його

надмірності і об'єму інформації, що передається по радіоканалу;

o кодер каналу (КК) – додає в цифровий сигнал, що отримується з виходу

кодера мови, додаткову інформацію, призначену для захисту від помилок при

передачі сигналу по радіолінії; з тією ж метою інформація піддається

визначеному переупаковуванню (перемножуванню); крім того, кодер каналу

вводить до складу передаваного сигналу інформацію управління, що поступає від

логічного блоку;

o модулятор - здійснює перенесення цифрового сигналу, що представляє

випадкову послідовність імпульсів постійного струму (відеоімпульсів), за

допомогою несучої частоти в діапазон частот мобільного радіозв'язку.

Приймач за складом в основному відповідає передавачу, але із зворотними функціями

вхідних в нього блоків:

демодулятор – виділяє з модульованого радіосигналу цифровий кодований

відеосигнал (випадкову послідовність імпульсів постійного струму);

декодер каналу (ДКК) – виділяє з вхідного потоку керуючу інформацію і

направляє її в логічний блок; прийнята інформація перевіряється на наявність

помилок і виявлені помилки по можливості виправляються; для подальших

перетворень прийнята інформація піддається зворотному переупаковуванню;

декодер мови (ДКМ) – відновлює мовний сигнал, що поступає до нього з

кодера каналу, переводячи його в природну форму з властивою йому

надмірністю, але в цифровому вигляді;

цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) – перетворює прийнятий від

декодера мовний сигнал в аналогову форму і подає його на вхід динаміка

(телефону);

еквалайзер (ЕКЛ) – служить для часткової компенсації спотворень сигналу

внаслідок багатопроменевого розповсюдження; насправді він є адаптивним

фільтром, що налаштовується по навчаючій послідовності символів, що входить в

склад переданої інформації; блок ЕКЛ не є, взагалі кажучи, функціонально

необхідним і в деяких випадках може бути відсутнім.

Нагадаємо, що для поєднання кодера і декодера вживають назву кодек (наприклад,

канальний кодек, мовний кодек).

Крім вищеназваних блоків, до складу приймопередавача входять логічний блок і

синтезатор частот. Логічний блок – це по суті, мікрокомп'ютер з своєю оперативною і

постійною пам'яттю, що здійснює управління роботою рухомої станції. Синтезатор є

джерелом коливань несучої частоти, що використовується для передачі сигналів по

радіоканалу. Наявність гетеродина і перетворювача частоти обумовлено тим, що для

передачі і прийому використовуються різні ділянки спектру (так зване дуплексне

розділення по частоті).

Відзначимо, що схема (рис. 4) є істотно спрощеною. На ній не показані підсилювачі,

селектуючі ланцюги, генератори сигналів синхрочастот і ланцюги розгалуження, схеми

контролю потужності на передачу і прийом і управління нею, схема управління частотою

генератора для роботи на певному частотному каналі і т.д.

Для забезпечення конфіденційності передачі інформації у деяких системах можливе

використання режиму шифрування. У цих випадках передавач і приймач рухомої станції

включають відповідно блоки шифрування і дешифрування повідомлень. У рухомій станції,

наприклад, системи GSM передбачений спеціальний знімний модуль ідентифікації

абонента (Subscriber Identity Mobile - SIM).

Рухома станція системи GSM включає детектор мовної активності (Voice Activity

Detector), який в інтересах економного витрачання енергії джерела живлення (зменшення

середньої потужності випромінювання), а також зниження рівня перешкод, неминуче

створюваних для інших станцій при працюючому передавачі, включає роботу передавача

на випромінювання тільки на ті інтервали часу, коли абонент говорить. На час паузи в

роботі передавача в приймальний тракт додатково вводиться так званий комфортний

шум. У необхідних випадках в рухому станцію можуть входити окремі термінальні

пристрої, наприклад, факсимільний апарат, що включається через спеціальні адаптери з

використанням відповідних інтерфейсів.

Якщо представити структурну схему аналогової рухомої станції, то вона буде простіша

розглянутої цифрової за рахунок відсутності блоків АЦП/ЦАП і кодека, але складніша за

рахунок більш громіздкого дуплексного антенного перемикача, оскільки аналоговій

станції доводиться одночасно працювати на передачу і прийом.

Центр комутації (ЦК) є мозком і одночасно диспетчерським пунктом системи

стільникового зв'язку, на який замикаються потоки інформації з усіх базових станцій і

через який здійснюється вихід на інші мережі – стаціонарну телефонну мережу, мережі

міжміського зв'язку, супутникового зв'язку, інші стільникові мережі. До складу центру

комутації входить декілька процесорів (контролерів), і він є типовим прикладом

багатопроцесорної системи.

Структурна схема ЦК представлена на рис. 5. Власне комутатор здійснює перемикання

потоків інформації між відповідними лініями зв'язку. Він може, зокрема направити потік

інформації від однієї базової станції до іншої або від базової станції до стаціонарної

мережі зв'язку, або навпаки, від стаціонарної мережі зв'язку до потрібної базової станції.

Комутатор підключається до ліній зв'язку через відповідні контролери зв'язку, що

здійснюють проміжну обробку (упаковку/розпаковування, буферне зберігання) потоку

інформації.

Загальне управління роботою ЦК і системи в цілому здійснюється з центрального

контролера, який має потужне математичне забезпечення, включаючи частину яку можна

перепрограмовувати (software). Робота ЦК передбачає активну участь операторів, тому до

складу ЦК входять відповідні термінали, а також засоби відображення і реєстрації

(документування) інформації. Зокрема, оператором вводяться дані про абонентів і умови

їх обслуговування, початкові дані по режимах роботи системи, у необхідних випадках

оператор видає потрібні по ходу роботи команди.

Рис. 5. Структурна схема центру комутації

Важливими елементами системи є бази даних – домашній регістр, гостьовий регістр,

центр аутентифікації, регістр апаратури (останній є не у всіх системах). Домашній регістр

(домашній регістр місцеположення – Home Locatio Register – HLR) містить відомості про

всіх абонентів, зареєстрованих в даній системі, і про види послуг, які можуть бути їм

надані (при укладенні договору на обслуговування для різних абонентів може бути

передбачено, взагалі кажучи, надання різних наборів послуг). Тут же фіксується

місцеположення абонента для організації його виклику і реєструються фактично надані

послуги. Гостьовий регістр (гостьовий регістр місцеположення – Visitor Location Register

– VLR) містить приблизно такі ж відомості про абонентів-гостей (ромерів), тобто про

абонентів, зареєстрованих в іншій системі, але в даний момент користуються послугами

стільникового зв'язку в даній системі. Центр аутентифікації (Authentication Center)

забезпечує процедури аутентифікації абонентів, тобто підтвердження достовірності

(дійсності, законності, наявності прав на користування послугами стільникового зв'язку)

абонента системи рухомого зв'язку і шифрування повідомлень. Регістр апаратури

(регістр ідентифікації апаратури – Equipment Identity Register; ідентифікація – процедура

ототожнення рухомої станції – абонентського радіотелефонного апарату, тобто процедура

встановлення належності до однієї з груп, що характеризуються певними властивостями

чи ознаками), якщо він існує, то містить відомості про експлуатовані рухомі станції на

предмет їх справності та санкціонованого використання. Зокрема, в ньому можуть

відмічатися вкрадені абонентські апарати, а також апарати, що мають технічні дефекти,

наприклад, є джерелами перешкод недопустимо високого рівня.

Як і в базовій станції, в ЦК передбачається резервування основних елементів апаратури,

включаючи джерело живлення, процесори і бази даних.