1573

Развитие спутниковой навигации

По оценке экспертов, развитие спутниковой навигации и рост на мировом рынке навигационного оборудования, если не считать военную область применения, будут определять навигационные системы для транспорта и персональные мобильные средства. Этому способствуют экспоненциальный рост скорости беспроводной передачи данных (переход к сетям стандарта LTE, Wi-Max) и внедрение средств автоматизации на транспорте. Дальнейшее улучшение потребительских характеристик (точности, надежности) навигационного оборудования связано с возможностью использования данных с нескольких спутниковых систем: Глонасс, GPS, европейской навигационной сис-

темы Galileo и китайской Compass.

В настоящее время на автомобильном транспорте используется навигационная аппаратура как пользовательского класса, так и профессионального – это автомобильные навигаторы и беспроводные многофункциональные устройства с функцией навигации. Типичными представителями аппаратуры профессионального класса могут служить системы спутникового мониторинга и контроля местоположения транспорта в реальном времени. Совершенствование подобных систем направлено на повышение безопасности на транспорте – раннее предупреждение о ДТП, пробках, метеоусловиях, дорожных работах.

5.4. Сотовые системы радиотелефонной связи

Сотовая система радиотелефонной связи обслуживает терри-

торию, разделенную на много небольших зон — сот (cell — ячейка, сота), каждая из которых обслуживается своим комплектом радиооборудования. Эти зоны на плане города формируют структуру, похожую на пчелиные сотовые ячейки, откуда и пошло название данного вида радиотелефонной связи. Граница соты определяется зоной устойчивой радиосвязи и зависит от мощности приемопередающего радиоустройства, топологии местности и частотного диапазона системы. Чем выше полоса частот работы системы, тем меньше радиус соты, но тем лучше проникающая способность сигнала через стены и другие препятствия и, что также важно, миниатюрность радиоаппаратуры и возможность организации большего количества абонентских

91

радиоканалов. Сотовые системы работают на частотах 450, 800, 900, 1800 МГц и выше.

Рис. 5.6. Топология сотовой радиотелефонии

Как показано на рис. 5.6, система сотовой системы связи [4] состоит из многих базовых радиостанций, соединенных с цифровой коммутационной станцией, называемой мобильной телефонной станцией коммутации (МТСК). В процессе передвижения абонента мобильной связи от одной ячейки к другой МТСК осуществляет автоматическую коммутацию соединений с соответствующими базовыми станциями для поддержания непрерывного соединения с сетью коммутации общего пользования.

Когда мобильный телефон впервые активизируется, он начинает сканировать канал, для того чтобы определить, какой свободный канал из заранее определенного набора контрольных каналов имеет наиболее мощный сигнал. Используя этот канал, телефон регистрируется в системе с целью идентификации и указания места вызова. После процесса инициализации сеть непрерывно следит за сигналами телефона и контролирует их, для того чтобы при необходимости выполнить коммутацию каналов. В случае вызова мобильного телефона сотовая сеть «перелистывает» соты, начиная с домашней до тех пор, пока не найдет вызываемого абонента. Когда абонент пересекает границу МТСК, с помощью сети сигнализации по общему каналу вызов передается новой соте и новой граничащей МТСК. Соединение с телефонной сетью общего пользования также производится в МТСК.

92

Управление работой сотовой системы осуществляется центральной станцией (ЦС).

В развитии систем сотовой связи выделяют несколько поколений. К системам первого поколения относят аналоговые системы следующих стандартов:

–AMPS (усовершенствованная мобильная телефонная служба, диапазон 800 МГц) – использовался в США, Канаде, Центральной и Южной Америке, Австралии; применялся в России в качестве регионального стандарта;

–TACS (общедоступная система связи, диапазон 900 МГц) – использовался в Англии, Италии, Испании, Австрии, Ирландии с модификациями ETACS (Англия) и JTACS/NTACS (Япония);

–NMT-450 и NMT-900 (мобильный телефон северных стран, диапазоны 450 и 900 МГц соответственно) – применялся в Скандинавии и во многих других странах; третий по распространенности среди аналоговых стандартов мира; стандарт NMT-450 является одним из двух стандартов сотовой связи, принятых в России в качестве федеральных;

–С-450 (диапазон 450 МГц) – использовался в Германии и Португалии;

–RTMS (Radio Telephone Mobile System – мобильная радиоте-

лефонная система, диапазон 450 МГц) – применялась в Италии;

–Radiocom 2000 (диапазоны 170, 200, 400 МГц) – использовался во Франции;

–NTT (Nippon Telephoneand Telegraphsystem) – японская систе-

ма, диапазон 800 – 900 МГц.

Во всех аналоговых стандартах применяется частотная или фазовая модуляция для передачи речи и частотная манипуляция для передачи информации управления, для разделения каналов используется частотное разделение FDMA. Например, в рамках американского стандарта первого поколения AMPS (advanced mobile phone service)

формируется канал с полосой пропускания 40 МГц в интервале 800 – 900 МГц. Система использует 832 полнодуплексных канала.

К недостаткам аналоговых систем следует отнести следую-

щие:

–не обеспечивается конфиденциальность ведения разговоров (с помощью широкополосного сканера можно зафиксировать вызов и осуществить прослушивание);

93

–отсутствие эффективных методов борьбы с замираниями сигналов под влиянием окружающего ландшафта и зданий или вследствие передвижения абонентов;

–относительно низкая емкость, являющаяся следствием недостаточно рационального использования выделенной полосы частот при частотном разделении каналов.

Перечисленные недостатки обусловили появление цифровых систем. Переход к цифровым системам также стимулировался широким внедрением цифровой техники в отрасль связи. В США на смену аналогового стандарта был разработан стандарт D-AMPS, позволяющий совмещать работу аналоговых и цифровых систем в одном и том же диапазоне. Стандарт D-AMPS, или IS-54 (IS – сокращение от Interim Standard, т.е. «промежуточный стандарт»), после дополнительных усовершенствований и увеличения числа каналов управления получил название GSM-1900 (диапазон 1900 МГц).

В Европе принят единый стандарт для систем мобильной связи GSM (groupe special mobile, второе поколение мобильных средств связи). GSM использует диапазоны 900 и 1800 МГц. Идеологически система имеет много общего с ISDN (например, переадресацию вызовов). GSM имеет 200 полнодуплексных каналов на ячейку, с полосой частот 200 кГц, что позволяет ей обеспечить пропускную способность 270,833 бит/с на канал. Каждый из 124 частотных каналов делится в GSM между восемью пользователями (мультиплексирование по времени TDMA). Теоретически в каждой ячейке может существовать 992 канала, на практике многие из них недоступны из-за интерференции с соседними ячейками. Эти системы используют методы доступа с мультиплексированием по частоте и по времени. Применяется цифровой способ кодирования и передачи. GSM – система, базирую-

щаяся в основном на коммутации каналов. Однако базовые стан-

ции временами теряют связь друг с другом, что может приводить к 300 миллисекундным потерям данных. В связи с этим был разработан стандарт на цифровую систему коммутации пакетов CDPD (Cellular Digital Packet Data). Система работает поверх AMPS.

Система обеспечивает информационную пропускную способность на уровне 9,6 кбит/с. Интерфейс системы используется для связи базовой станции с мобильной ЭВМ. В функции интерфейса входят сжатие и шифрование данных, а также исправление ошибок.

94

Цифровой стандарт PDC (Personal Digital Cellular – «персональ-

ная цифровая сотовая связь»), по техническим характеристикам схожий с D-AMPS, был разработан в Японии.

Все перечисленные выше цифровые системы второго поколения основаны на методе множественного доступа с временным разделе-

нием каналов (Time Division Multiple Access -TDMA). Однако уже в

1992 – 1993 гг. в США был разработан стандарт сотовой системы связи на основе метода множественного доступа с кодовым разделением каналов (Code Division Multiple Access – CDMA). Он начал приме-

няться с 1995 –1996 гг. в Гонконге, США, Южной Корее, а в США начала использоваться и версия этого стандарта для диапазона 1900 МГц.

Основа CDMA – использование шумоподобной несущей с очень широкой полосой частот [7]. Меняя фазу узкополосного сиг-

нала в соответствии с псевдослучайной цифровой последовательностью, получаем шумоподобный сигнал с широким спектром, несущий информацию. Информационный сигнал как бы расплывается по спектру шумоподобного сигнала. В канале связи к сигналу добавятся помехи и сигналы других передатчиков, но они не совпадают по фазе с использованным шумоподобным сигналом. Поэтому после демодуляции получается почти чистая узкополосная составляющая — переданный поток данных. Таким образом, варьируя псевдослучайные последовательности, можно организовать несколько независимых каналов передачи данных в одной и той же полосе частот – частотный ресурс используется более полно. Емкость CDMA-сети обычно в несколько раз выше, чем TDMA, и на порядок больше, чем FDMAсетей.

Сервисной особенностью CDMA-сетей является возможность плавного перехода от одной базовой станции (БС) к другой. Возможна ситуация ведения одного абонента сразу несколькими базовыми станциями, причем абонент не замечает его передачи другой БС.

CDMA – практически полностью цифровой стандарт: все преобразования информационного сигнала происходят в цифровой форме, и только приемопередающая часть аппарата является аналоговой, причем гораздо более простой, чем для других стандартов. Это позволяет почти весь телефон выполнить в виде одной микросхемы, тем самым значительно снизить его стоимость. Современные CDMAтелефоны предоставляют пользователю канал для голосового трафика

95

со скоростью 14,4 Кбит/с, а многие (в США, Японии и Китае ) и со скоростью 144 Кбит/с.

В сети CDMA у каждого абонента должен быть свой шумоподобный код, который не может быть использован другими, независимо от того, разговаривает абонент, находится в режиме ожидания звонка или вообще выключил телефон. В сети CDMA лучше, чем в других стандартах, обеспечивается безопасность информации.

Из минусов CDMA можно отметить необходимость использования достаточно широкой полосы частот, что не всегда возможно в современной обстановке дефицита частотного ресурса, а также необходимость использования американской спутниковой системы определения координат GPS для синхронизации системы при переходе на другие базовые станции.

Цифровые системы связи по сравнению с аналоговыми системами предоставляют абонентам больший набор услуг и обеспечивают повышенное качество связи, а также взаимодействие с цифровыми сетями ISDN и пакетной передачи данных.

Развитие систем сотовой связи в рамках создания систем третьего поколения 3G ( third generation — третье поколение), охватывающее технологии наземной сотовой, спутниковой связи и беспроводного доступа, было обозначено международным союзом теле-

коммуникаций ITU (International Telecommunications Union) программой IMT-2000 (International Mobil Telecommunications-2000). Число

2000 в спецификации IMT-2000 как бы отображает, с одной стороны, технологию нового тысячелетия, с другой стороны, – новый частотный диапазон, предназначенный для этой технологии, – 2 ГГц. Для UMTS-систем выделены частотные диапазоны: 1885 – 2025 МГц и 2110 –2200 МГц; для спутниковой части 3G отведены диапазоны 1980

–2010 МГц и 2170 –2200 МГЦ соответственно.

В системах 3G существуют три основных стандарта: UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service), CDMA2000 и WCDMA

(Wide CDMA). Все они настроены на пакетную передачу данных и на работу с цифровыми компьютерными сетями, включая Интернет. Скорость передачи данных стандартов третьего поколения может достигать 2,4 Мбит/с. Стандарт UMTS предусматривает использование технологий GPRS и EDGE.

Технология GPRS (General Packet Radio Service) – сервис пакет-

ной передачи данных по радиоканалу, обеспечивает абоненту прямой

96

доступ к интернет-провайдеру со скоростью до 115 Кбит/с. Схема оплаты услуги передачи данных при использовании GPRS производится пропорционально объему переданной информации, а не по времени, проведенному в сети.

Технология EDGE – Enhanced Data GSM Environment – поддер-

живает скорости до 384 Кбит/с по восьми GSM-каналам (48 Кбит/с на канал).

Инфраструктура стандартов четвертого поколения 4G, кроме увеличения скорости передачи данных, направлена на обеспечение простого и быстрого доступа к Интернету. К технологиям 4G можно отнести сети LTE, WiMax и др. Первая в мире сеть LTE в Стокгольме и Осло обеспечивала значение максимальной скорости передачи данных к абоненту 382 Мбит/с и 86 Мбит/с от абонента. Стандарт WiMAX (или IEEE 802.16) является продолжением беспроводного стандарта Wi-Fi, альтернативой выделенным линиям связи и DSL. Преимуществом стандарта WiMAX было то, что он гораздо раньше стандарта LTE стал пригоден к коммерческой эксплуатации. Первую сеть, основанную на технологии WiMAX, построила в Канаде компания Nortel 7 декабря 2005 года.

С технической точки зрения основное отличие сетей четвёртого поколения от третьего заключается в том, что технология 4G полностью основана на протоколах пакетной передачи данных, в то время как 3G соединяет в себе как пакетную коммутацию, так и коммутацию каналов. Международный союз ITU определяет технологию 4G как следующий этап развития беспроводной телекоммуникации, которая позволит достичь скорости передачи данных до 1 Гбит/с в условиях стационарного применения и до 100 Мбит/с в условиях обмена данными с мобильными устройствами доступа. Технология 4G, в частности, позволит абонентам смотреть многоканальные телетрансляции высокой четкости и управлять домашней бытовой техникой с помощью мобильного устройства, совершать дешёвые междугородные телефонные звонки.

5.5. Системы транкинговой связи

Транкинговая связь – это оперативный вид двухсторонней мобильной связи, эффективной для координации подвижных групп абонентов. Транкинговые системы связи чаще всего используются для предприятий и организаций, филиалы и подразделения которых

97

территориально расположены на больших расстояниях друг от друга. Система транкинговой связи (trunk — ствол, магистраль) включает в себя базовую станцию (иногда несколько) с ретрансляторами и абонентские радиостанции (транковые радиотелефоны) с телескопическими антеннами. Базовая станция связана с телефонной сетью и сопряжена с ретранслятором большого радиуса действия до 50 – 100 км. Транковые радиотелефоны исключительно надежны, компактны и выполняются в нескольких вариантах:

–переносном (радиус действия 20 – 35 км, вес 300 – 500 г);

–перевозимом (радиус действия 35 –70 км, вес около 1 кг);

–стационарном (радиус действия 50 –120 км, вес больше 1 кг). Транкинговые системы обеспечивают полноценную дуплексную

или полудуплексную радиотелефонную связь с подвижными объектами в аналоговом и цифровом режимах. При помощи транкинга малое число радиоканалов динамически распределяется между большим числом пользователей. На один канал приходится до 50 и более абонентов; поскольку абоненты не очень интенсивно используют телефон, а базовая станция работает в режиме концентратора (то есть распределяет все радиоканалы только между обратившимися к ней абонентами), вероятность ситуации «занято» не велика (существенно меньше, чем при жестком прикреплении даже нескольких абонентов к одному каналу.

Радиотелефоны могут работать как в системе, находясь в зоне действия базовой станции и через нее связываясь с любым абонентом телефонной сети (в том числе и с транкинговым абонентом), так и ин-

дивидуально друг с другом, находясь как внутри, так и вне зоны базовых радиостанций. В первом случае непосредственная связь абонентов обеспечит большую оперативность соединения (время соединения обычно не превышает 0,3 – 0,5 с).

Возможность непосредственной связи абонентов без участия базовой станции — основное, глобальное отличие транкинговых систем от сотовых.

Стандарты транкинговой связи можно разделить на два поколе-

ния:

–аналоговые транкинговые стандарты — Smart Trunk, MPT 1327, LTR, SmartNet и т. д.;

–цифровые транкинговые стандарты — TETRA, APCO 25, EDACS, iDEN, Tetrapol и т. д.

98

Аналоговые стандарты

Весьма популярная в России система Smart Trunk II, впервые представленная в 1992 году и являющаяся развитием известной во всем мире системы Smart Trunk, первоначально разрабатывалась как однозоновая (локальная) недорогая система для широкого применения. Системы Smart Trunk II используются и в локальном, и в сетевом режимах. Сетевой вариант работы предусматривает наличие нескольких базовых станций и/или ретрансляторов, размещенных не обязательно близко для перекрытия компактной территории, а в соответствии с топологией обслуживаемых регионов. Возможным вариантом является, например, установка одного или нескольких ретрансляторов в районе города, где расположен центральный офис фирмы и где плотность абонентов высока, и отдельных ретрансляторов в зонах, где расположены филиалы фирмы, в районах зон отдыха и дачных участков сотрудников фирмы и т. п.

Распределенная сетевая транкинговая связь обеспечивает автоматическую перерегистрацию абонента при переходе из одной зоны базовой станции в другую (роуминг) и автоматическую переадресацию поступившего вызова к абоненту, перешедшему в другую зону (роутинг).

При организации связи может учитываться приоритетность абонентов, обеспечивается защищенность связи (абоненты не могут вмешиваться в другие разговоры и работать на уже занятых каналах). Каждый транковый радиотелефон имеет свой уникальный идентифицирующий его номер, благодаря которому исключается возмож-

ность несанкционированного доступа в сеть посторонних абонентов.

Для Smart Trunk II характерны следующие параметры:

–число каналов – до 16, каждый транковый канал может быть подключен к одной или двум телефонным линиям;

–число абонентов – до 1100 (в новой версии контроллера ST853 до 4000 абонентов);

–абонентские радиотелефоны – дуплексные и полудуплексные, каждому транковому радиотелефону присваивается уникальный четырехзначный номер и код для групповой связи;

–рабочие частоты – любые разрешенные в диапазонах 146 –174, 453 – 467 и 824 – 960 МГц.

99

Всети обеспечиваются следующие основные варианты орга-

низации связи:

– абонент (в том числе и мобильный) – телефонная сеть – мобильный абонент;

– мобильный абонент – мобильный абонент (по прямому радиоканалу);

– групповая связь;

– аварийные вызовы.

Сервисные возможности системы:

– организация 10 уровней приоритета доступа к радиотелефонным каналам, что позволяет при занятости всех каналов более приоритетным абонентам в экстренных случаях прерывать разговор менее приоритетных абонентов и срочно выходить на связь;

– установление ограничений отдельным абонентам, в зависимости от уровня их приоритета, по времени доступа к системе, по доступу в городскую и междугородную телефонные линии;

– разделение абонентов на группы и работа внутри и вне групп в режиме групповой связи на уровне руководителей групп или всех абонентов;

– оперативное ограничение доступа отдельных абонентов к системе, например, при утере радиотелефона его индивидуальный номер может блокироваться;

– организация и использование приоритетного дежурного канала для передачи экстренных и особо важных сообщений;

– защита от прослушивания разговоров посторонними посредством установки в транковые радиотелефоны включаемого при необходимости маскиратора (скремблера);

– оперативный учет времени всех видов разговоров, что весьма удобно при расчетах оплаты разным абонентам и организациям за пользование транкинговой связью.

Ввариантах связи между мобильными абонентами контроллер транкового радиотелефона может быть запрограммирован:

– на импульсный или тональный набор кода номера телефона; цифры, набранные мобильным абонентом, преобразуются в импульсный или тональный набор в зависимости от настроек контроллера;

– на ожидание гудка от телефонной линии перед набором номера, что нужно, например, при работе с офисными АТС, требующими дополнительный набор для выхода в городскую телефонную линию;

100