Радиосвязь,_радиовещание,телевидение2

Типовая архитектура системы беспроводного абонентского радиодоступа представлена на рис. 15.4. Она включает в себя следующие основные компоненты: контроллер базовых станций, базовые станции (БС), абонентские терминалы и терминал технического обслуживания и эксплуатации – компьютер со специальным управляющим приложением. БС связаны с контроллером проводными или беспроводными микроволновыми линиями связи с пропускной способностью, обычно равной n x 2 Мбит/с. Последние могут быть реализованы на базе довольно большого числа радиоретрансляторов. Подобные ретрансляторы иногда используются между абонентскими терминалами и БС, увеличивая дальность действия последних. Рассмотрим функции каждого компонента системы WLL.

Контроллер базовых станций. Данное устройство предназначено для концентрации и в ряде случаев коммутации трафикаWLL, обработки вызовов и обеспечения связи с коммутатором ТФОП, осуществляемой, как правило, по цифровым каналам с высокой пропускной способностью или по многочисленным аналоговым двухпроводным линиям, для чего контроллер оснащают соответствующими интерфейсами. Кроме того, он поддерживает функции управления системой, реализуемые на базе терминала технического обслуживания и эксплуатации.

Абонентские терминалы. Данные устройства представляют собой портативные беспроводные телефонные трубки, обеспечивающие ограниченную подвижность связи; специальные настольные телефонные аппараты с трансивером и антенной и стационарные блоки на одну или несколько(две, четыре и более) телефонных линий, к которым подключают обычные телефоны, факсы или модемы. В широкополосных системах, предоставляющих доступ к сетямISDN, используются терминальные адаптеры ISDN.

Структурная схема подвижной станции приведена на рис. 15.5. В ее состав входят: блок управления; приемопередающий блок; антенный блок. Приемопередающий блок, в свою очередь, включает передатчик, приемник, синтезатор частот и логический блок. Наиболее прост по составу антенный блок: он включает собственно антенну

– в простейшем случае четвертьволновый штырь – и коммутатор при- ем–передача. Последний для цифровой станции может представлять собой электронный коммутатор, подключающий антенну либо на выход передатчика, либо на вход приемника, поскольку подвижная станция цифровой системы никогда не работает на прием и передачу одновременно.

Функционально несложен и блок управления. Он включает микротелефонную трубку – микрофон и динамик, клавиатуру и дисплей. Клавиатура (наборное поле с цифровыми и функциональными клавишами) служит для набора номера телефона вызываемого - або

Рис. 15.5. Структурная схема абонентского терминала

нента, а также команд, определяющих режим работы подвижной станции. Дисплей служит для отображения различной информации, предусматриваемой устройством и режимом работы станции.

Приемопередающий блок значительно сложнее. В состав передатчика входят:

-аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – преобразует в цифровую форму сигнал с выхода микрофона, и вся последующая обработка и передача сигнала речи производятся в цифровой форме, вплоть до обратного цифро-аналогового преобразования; кодер речи осуществляет кодирование сигнала речи– преобразова-

ние сигнала, имеющего цифровую форму, по определенным законам

сцелью сокращения его избыточности, т.е. сокращения объема информации, передаваемой по каналу связи;

-кодер канала – добавляет в цифровой сигнал, получаемый с выхода кодера речи, дополнительную (избыточную) информацию, предназначенную для защиты от ошибок при передаче сигнала по линии связи; с той же целью информация подвергается определенной переупаковке (перемежению); кроме того, кодер канала вводит в состав передаваемого сигнала информацию управления, поступающую от логического блока;

-модулятор – осуществляет перенос информации кодированного видеосигнала на несущую частоту.

Приемник по составу в основном соответствует передатчику, но

собратными функциями входящих в него блоков:

-демодулятор выделяет из модулированного радиосигнала кодированный видеосигнал, несущий информацию;

-декодер канала выделяет из входного потока управляющую -ин формацию и направляет ее на логический блок; принятая информация проверяется на наличие ошибок, выявленные ошибки по возможности исправляются; до последующей обработки принятая информация подвергается обратной (по отношению к кодеру) переупаковке;

-декодер речи восстанавливает поступающий на него с кодера канала сигнал речи, переводя его в естественную форму, со свойственной ему избыточностью, но в цифровом виде;

-цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует принятый сигнал речи в аналоговую форму и подает его на вход динамика;

-эквалайзер служит для частичной компенсации искажений сигнала вследствие многолучевого распространения; по существу, он является адаптивным фильтром, настраиваемым по обучающей последовательности символов, входящей в состав передаваемой информации; блок эквалайзера не является, вообще говоря, функционально необходимым и в некоторых случаях может отсутствовать. Заметим, что для сочетания кодера и декодера иногда употребляют наименование «кодек».

Помимо собственно передатчика и приемника, в приемопередающий блок входят логический блок и синтезатор частот. Логический блок – это по сути микрокомпьютер со своей оперативной и постоянной памятью, осуществляющий управление работой подвижной станции. Синтезатор является источником колебаний несущей частоты, используемой для передачи информации по радиоканалу. Наличие гетеродина и преобразователя частоты обусловлено тем, что для передачи и приема используются различные участки спектра(так называемое дуплексное разделение по частоте).

Структурная схема рис. 15.5 существенно упрощена. На ней не показаны усилители, селектирующие цепи, генераторы сигналов синхрочастот и цепи их разводки, схемы контроля мощности на передачу

иприем и управления ею, схема управления частотой генератора для работы на определенном частотном канале и т..пДля обеспечения конфиденциальности передачи информации в некоторых системах возможно использование режима шифрования; в этих случаях передатчик и приемник подвижной станции включают соответственно блоки шифрования и дешифровки сообщений.

Подвижная станция может включать также так называемый детектор речевой активности (Voice Activity Detector), который для экономного расходования энергии источника питания(уменьшения средней мощности излучения), а также снижения уровня помех, неизбежно создаваемых для других станций при работающем передатчике, включает работу передатчика на излучение только на те интервалы времени, когда абонент говорит. На время паузы в работе передатчика в приемный тракт дополнительно вводится так называемый ком-

474 Глава 15. Типы сетей беспроводного абонентского доступа

фортный шум. В необходимых случаях в подвижную станцию могут входить отдельные терминальные устройства (например, факсимильный аппарат), в том числе подключаемые через специальные адаптеры с использованием соответствующих интерфейсов.

Если представить блок-схему аналоговой подвижной станции, то она будет проще рассмотренной цифровой из-за отсутствия блоков АЦП/ЦАП и кодека.

Базовая станция. Эти компоненты системы беспроводного абонентского радиодоступа осуществляют радиосвязь со стационарными или ограниченно мобильными абонентами в пределах своих зон обслуживания, величина которых зависит от используемой в системе радиотехнологии, и обеспечивают передачу вызовов контроллеру БС. БС состоит из антенно-фидерного тракта, одноили многоканальной приемопередающей аппаратуры, локальной подсистемы управления, коммуникационных интерфейсов и подсистемы питания.

Ориентация на обслуживание стационарных абонентов создает определенную специфику развертывания и применения систем беспроводного абонентского радиодоступа, если сравнивать их с сотовыми системами подвижной связи. Последние должны обеспечивать сплошное покрытие обслуживаемой территории, в то время как базовые станции систем радиодоступа можно размещать лишь вблизи мест расположения абонентов (точнее, зданий, где они живут или работают). Наличие информации о количестве потенциальных стационарных абонентов позволяет при установке системы реализовать лишь минимально необходимую абонентскую емкость, которая увеличивается по мере роста числа пользователей. Благодаря этому можно оптимизировать конфигурации БС и системы в целом, а также минимизировать затраты на начальном этапе развития системы. Достоинством систем беспроводного абонентского радиодоступа является и относительно слабое(опять же по сравнению с системами подвижной связи) проявление эффекта замирания сигнала из-за многолучевого распространения радиоволн.

Многие элементы, входящие в состав базовой станции, по функциональному назначению не отличаются от аналогичных элементов подвижной станции, но в целом базовая станция существенно больше и сложнее подвижной, что соответствует ее месту в системе радиосвязи.

Структурная схема базовой станции приведена на рис. 15.6. Первая особенность базовой станции, которую следует отметить, – использование разнесенного приема, для чего станция должна иметь две приемные антенны (на схеме эта особенность не отражена). Кроме того, базовая станция может иметь раздельные антенны на передачу и на прием. Вторая особенность – наличие нескольких приемников и такого же числа передатчиков, позволяющих вести одновременную работу на нескольких каналах с различными частотами.

Рис. 15.6. Структурная схема базовой станции

Одноименные приемники и передатчики имеют общие перестраиваемые опорные генераторы (не показанные на рис. 15.6), обеспечивающие их согласованную перестройку при переходе с одного канала на другой; конкретное число N приемопередатчиков зависит от конструкции и комплектации базовой станции. Для обеспечения одновременной работы приемников на одну приемную и передатчиков на одну передающую антенны между приемной антенной и приемниками устанавливается делитель мощности, а между передатчиками и передающей антенной – сумматор мощности.

Приемник и передатчик имеют в общем ту же структуру, что и

вподвижной станции (см. рис. 15.5), за исключением того, что здесь

вних отсутствуют соответственно ЦАП и АЦПпоскольку, и входной сигнал передатчика, и выходной сигнал приемника имеют цифровую форму. Возможны варианты, когда кодеки – либо только кодек речи,

либо и кодек речи и канальный кодек– конструктивно реализуются в составе центра коммутации,а не в составе приемопередатчиков

базовой станции, хотя функционально они остаются элементами приемопередатчиков.

Блок сопряжения с линией связи осуществляет упаковку информации, передаваемой по линии связи на центр коммутации, и распаковку принимаемой от него информации. В качестве линии связи базовой станции с центром коммутации обычно используется радиорелейная или волоконно-оптическая линия, если базовая станция и центр коммутации не располагаются территориально в одном месте.

Контроллер базовой станции, представляющий собой достаточно мощный и совершенный компьютер, обеспечивает управление рабо-

Для обеспечения достаточной степени надежности многие блоки и узлы базовой станции резервируются (дублируются), в состав станции включаются автономные источники бесперебойного питания(аккумуляторы). Поскольку аппаратура базовой станции потребляет значительную мощность и, соответственно, выделяет заметное количество тепла, в ней предусматриваются специальные устройства охлаждения. Все эти элементы, как и ряд других, не являющихся в известном смысле существенными для пояснения принципов работы станции, на схеме рис. 15.6 не показаны.

15.3.Типы систем для беспроводного абонентского радиодоступа

Все системы беспроводного абонентского радиодоступа можно разделить на три категории:

-Цифровые и аналоговые системы, реализованные на базе технологий и стандартов сотовой подвижной связи(NMT-450, D-AMPS, CDMA, IS-95 и др.) [2, 3, 8–10].

-Системы, поддерживающие стандарты бесшнуровой (cordless)

телефонии (DECT, CT2, PHS и др.) [2, 3, 11–13].

-Фирменные аналоговые и цифровые системы, предназначенные для обеспечения фиксированного доступа [14, 15].

Рассмотрим их последовательно.

Системы на базе технологий и стандартов сотовой подвижной связи. Данная категория систем характеризуется довольно высокой емкостью сот и большой дальностью связи между БС и пользовательскими терминалами. Так, например, радиус соты БС в аналоговой системе RAS 1000 (фирмы Ericsson), поддерживающей стандарты NMT-450 и NMT-900, достигает 46 км при работе в полосе частот 415…450 МГц. Максимальные радиусы сот цифровых систем меньше

исоставляют 20…35 км. Системы на базе технологий и стандартов сотовой подвижной связи хорошо подходят для телефонизации -об ширных территорий с разными уровнями плотности абонентов. Однако, будучи узкополосными, по качеству передачи речи и скорости пересылки данных они уступают широкополосным фирменным системам. Кроме того, ряд систем имеют средства, обеспечивающие подвижность связи и, следовательно, являющиеся избыточными при обслуживании стационарных абонентов.

Есть мнение, что системы беспроводного абонентского радиодоступа, работающие на частотах сетей подвижной связи стандартов NMT-450, AMPS, D-AMPS или GSM, малоперспективны с коммерческой точки зрения. Дело в том, что во многих (а может быть,

уже и во всех) регионах нашей страны действуют или по крайней мере зарегистрированы операторы сотовой подвижной связи, поэтому необходимые для работы этих систем частоты являются крайне дефицитными.

В настоящее время в России довольно широко внедряются системы беспроводного абонентского радиодоступа на базе стандарта подвижной связи IS-95 CDMA.

Системы на базе стандартов бесшнуровой телефонии. Систе-

мы, о которых идет речь, обеспечивают относительно небольшие радиусы сот (0,2…15 км) и оптимальны для охвата небольших территорий с высокой плотностью абонентов. Их маломощные БС не такие сложные и громоздкие,как БС систем ранее рассмотренной категории, поэтому их проще и дешевле устанавливать. Системы на базе стандартов бесшнуровой телефонии осуществляют автоматический выбор рабочих частот, следовательно не требуется их частотного планирования, что также упрощает их инсталляцию. Кроме того, они, как правило, обеспечивают более высокие, чем системы на базе стандартов мобильной сотовой связи, качество речи (кодирование ADPCM на скорости 32 кбит/с) и скорости передачи данных.

Как уже говорилось, для связи БС с контроллером системы могут использоваться проводные и беспроводные каналы связи. Обычно фирмы – производители систем WLL не видят необходимости точно определять физическую природу данных каналов, требуя лишь поддержку технологий и протоколов связи более высокого уровня, итаким образом, оставляя выбор физической среды передачи информации оператору. При этом они нередко ориентируются на то, что оператор сможет воспользоваться уже существующей в его регионе инфраструктурой дальней связи.

По другому пути пошла фирмаAlcatel: важной составляющей ее системы А9800 является микроволновая сеть распределения с конфигурацией «точка – много точек», которая состоит из центрального, оконечных и промежуточных(ретранслирующих) узлов. Абоненты подключаются к оконечным и промежуточным узлам с помощью -ра диосредств стандарта DECT и/или проводных линий связи. Данная сеть (через цепочку из16 промежуточных узлов) обеспечивает удаление БС DECT от своего центрального узла, связанного с контроллером системы, на расстояние до 680 км. Система А9800 установлена в Липецке.

Схожее решение на базе двух своих систем: DRMASS (радиосеть с конфигурацией «точка – много точек») и DCTS (система стандарта PHS) – предлагает фирма NEC. С помощью DRMASS, состоящей из центральной БС и многочисленных ретрансляторов, можно телефонизировать территорию радиусом до1080 км. Данная система интегрируется с оборудованием DCTS, которое не может быть использова-

478 Глава 15. Типы сетей беспроводного абонентского доступа

но в России, поскольку для радиосредств стандарта PHS у нас частоты не выделены. DRMASS развернута в Ханты-Мансийске.

Фирменные системы WLL. Системы этой категории настолько сильно различаются базовыми радиотехнологиями, параметрами и возможностями, что дать их общую характеристику невозможно. Для удобства рассмотрения разделим их на две группы: узкополосные и широкополосные.

Первые по своим параметрам схожи с системами беспроводного абонентского радиодоступа на базе технологий и стандартов сотовой связи. Они обеспечивают довольно большую дальность радио-

связи (у систем S-WLL фирмы Samsung Electronics и Proximity

и фирмы Nortel она равна 60 и 37,5 км соответственно) при невысокой скорости передачи данных. Вторые обладают довольно большой скоростью передачи данных (до 144 кбит/с) и высокой помехоустойчивостью, в то время как их максимальные радиусы сот составляют 20–30 км. Кратко остановимся на двух наиболее интересных широкополосных системах.

Всистеме SWL-144 фирмы Samsung Electronics реализована весьма перспективная радиотехнологияB-CDMA (широкополосный CDMA). Работая в полосе частот шириной7–15 МГц, данная система обладает высокими емкостью, помехоустойчивостью и скоростью передачи данных. Так, в полосе частот 15 МГц одна БС системы одновременно поддерживает 89 речевых каналов со скоростью32 кбит/с (ADPCM) или 18 соединений ISDN со скоростью 144 кбит/с (возможны также любые сочетания речевых иISDN-каналов, суммарная полоса частот которых не превышает полосу БС). В системе имеется возможность организовывать выделенные линии. Будущая версия SWL144 сможет принимать и передавать данные на скорости до2 Мбит/с. Системы WLL на базе узкополосного(IS-95) или широкополосного CDMA не требуют частотного планирования сот.

Втехнологиях CDMA осуществляется расширение спектра радиосигнала по методу прямой последовательности(Direct Sequence), но есть и другой метод расширения спектра– запрограммированные

«скачки по частоте» (Frequency Hopping), – называемый FH-CDMA.

Всочетании с временными разделением каналов (TDMA) и дуплексом

(TDD) он реализован в системеMultiGain Wireless (MGW) фирмы Tadiran Telecommunications. Принцип работы MGW довольно прост:

каждые 2 мс БС, называемая в данной системе радиопортом, и взаимодействующие с ней абонентские терминалы синхронно«перескакивают» с одной несущей на другую в соответствии с заранее определенной последовательностью смены рабочих частот (или кодом)

впределах выделенного системе частотного диапазона. На каждой возможной частоте передается один кадрTDMA, состоящий из 16 тайм-слотов. В первой половине этих тайм-слотов осуществляется

передача информации от абонентских терминалов к радиопорту, а во второй – в обратном направлении. Каждый речевой канал использует пару тайм-слотов; таким образом, при работе с одним радиопортом можно применять восемь речевых каналов.

Технология FH-CDMA обеспечивает высокие гибкость использования частот, масштабируемость и помехоустойчивость системы. Для работы MGW не требуется непрерывной полосы частот, а в случае высокой плотности абонентов в одном месте можно задействовать несколько радиопортов, «скачущих» по одним и тем же частотам, но в каждый конкретный момент времени работающих на разных частотах.

Система MGW не имеет себе равных по числу инсталляций в России. Она установлена в Новосибирске, Московской области, Рязани, Санкт-Петербурге, Астрахани, Петропавловске-Камчатском, Красноярске и Пермской области. Кроме того, фирма Tadiran осуществляет ряд проектов по внедрениюMGW, которые находятся сейчас в различных фазах реализации.

К фирменным системам беспроводного абонентского радиодоступа относится и системаTelecell-H, использующая FDMA/FDD технологию радиодоступа, работающая в диапазонах частот380–500 и 800–1000 МГц и позволяющая обслужить3000 абонентов одной базовой станцией. По данным фирмыKrone, ее производителя, она опережает другие системы беспроводного абонентского радиодоступа по параметру «Объем трафика/МГц» и обеспечивает высокое качество передачи речи. Кроме того, Telecell-H характеризуется довольно большим радиусом сот (до 30 км) и высокой емкостью БС (до 118 разговорных каналов). Основные узлы системы (в стандартной ее версии) зарезервированы, а установленные в ней электронные компоненты имеют среднюю наработку на отказ, равную приблизительно 12 годам. Telecell-H поддерживает приоритетные вызовы, обеспечивающие доступ к ТФОП даже тогда, когда все каналы БС заняты. Для обслуживания такого вызова система освобождает один из каналов.

При выборе системы WLL необходимо учитывать ряд различных факторов, включая наличие сертификата РФ Министерства по связи и информатизации, доступность рабочих частот, плотность потенциальных абонентов, возможности подключения к ТФОП, диапазон температур окружающей среды, стоимость развертывания и эксплуатации и многое другое.

В заключение раздела перечислим основные этапы развертывания и ввода в эксплуатацию систем радиодоступа.

-Проведение предпроектных изысканий.

-Получение решения ГКРЧ об использовании полосы радиочастот.

-Получение заключения ГСПИ РТВ по электромагнитной совместимости (ЭМС) развертываемой сети доступа с существующими системами связи гражданского назначения.

-Получение разрешения Госсвязьнадзора на использование радиочастот (это разрешение является основанием для приобретения

иполучения разрешения на ввоз импортного оборудования, проектирование, строительство объектов связи и эксплуатацию).

-Получение в Управлении Госсвязьнадзора(УГСН) разрешения на ввоз оборудования.

-Покупка оборудования.

-Создание рабочего проекта (при необходимости).

-Проведение государственной экспертизы проектной документации (при необходимости).

-Регистрация начала строительства объекта связи Управлением Госсвязьнадзора, на территории которого планируется строительство (в соответствии с приказом №31 от 25.02.97 г. не требуются регистрация начала строительства и разрешение органов Госсвязьнадзора

России для стационарных систем радиотелефонной связи типа

«point-to-multipoint»).

-Подготовка первого включения передающих устройств оборудования АРД и проведение натурных испытаний по оценке обеспечения ЭМС этого оборудования и радиоэлектронных средств, находящихся

вэксплуатации.

-Экспертиза УГСН законченного строительством объекта связи

(приемка комиссией объекта связи в эксплуатацию, регистрация технических средств связи, входящих в состав объекта связи).

- Получение разрешения на эксплуатацию объекта связи.

Контрольные вопросы

1.Назовите условия, при которых абонентский радиодоступ оказывается экономически выгоднее проводного доступа.

2.Структурная схема и функции основных элементов системы беспроводного абонентского доступа.

3.Перечислите функции, которые выполняет контроллер базовых станций при беспроводном абонентском доступе.

4.Перечислите функции, которые выполняет базовая станция при беспроводном абонентском доступе.

5.Перечислите функции, которые выполняет абонентский терминал при беспроводном абонентском доступе.

6.Назначение блоков передатчика абонентского терминала при беспроводном абонентском доступе.

7.Назначение блоков приемника абонентского терминала при беспроводном абонентском доступе.