Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы и сети передачи информации. Учебное пособие.pdf
Разделение пространства на зоны, как правило, бывает регулярным
без специального учета особенности местности. Определение размеров и
конфигурации сот (квадраты, треугольники, шестиугольники), мощности
передатчиков и т.п. производится с учетом возможности обеспечения необходимой вероятности связи и допустимого влияния соседних передатчиков друг на друга. Одинаковые частоты могут использоваться в ячейках, расстояние между которыми определяется условиями распространения радиоволн, допустимым уровнем помех и числом радиостанций, расположенных вокруг данной соты. При сотах в форме шестиугольника антенна с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости обеспечивает «засветку» всей соты с небольшими перекрытиями между сотами.
Широко применяется повтор частот в шестиугольной структуре с интервалом через две ячейки, иллюстрируемый рис. 5.7, где одинаковые
цифры означают одинаковые частотные каналы. Для полного перекрытия
всей зоны обслуживания достаточно всего семи частот. Размер соты зависит от интенсивности вызовов в каждой соте. Необходимо учитывать, что
от размеров сот зависит мощность передатчиков БС, при этом приходится
применять различные приемопередающие комплексы, либо средства
адаптации уровня излучаемых сигналов.
Однако в шестиугольных ячейках (сотах) ненаправленное излучение
радиопередатчиков БС является для подвижного объекта помехой, принимаемой со всех направлений. Снизить эти помехи можно с помощью
секторных антенн. Секторизация сот позволяет более часто применять
одни и те же частоты при одновременном снижении уровня помех. Общеизвестная модель повторного использования частот включает три соты и
три БС. В этом случае задействуются три 120-градусные антенны на БС с
формированием группы из девяти частот (рис. 5.8).
Характерный размер сот в «диаметре» – несколько километров при
числе пользователей несколько сотен. Число пользователей, приходящихся на одну соту, определяется числом частотных каналов, выделенных БС.
4
6
5
1
4
3
Рис. 5.7. Модель повторного использования частот для семи сот
3
7
2
6
5
7
1
4
2
3
91
В рамках макросотовой структуры, на основе которой построены
существующие аналоговые и цифровые ССПР, дальнейшее увеличение их
емкости может быть достигнуто расширением используемой полосы частот и снижением уровня соканальных (взаимных между сотами) помех,
что дает возможность чаще повторять частоты. Первый способ очевиден,
но редко реализуем из-за дефицита частотного ресурса. Второй способ
основан на методах, позволяющих снизить уровень помех по совпадающим частотным каналам:
− уменьшение радиуса ячеек в районах с интенсивным трафиком;
− применение секторных антенн в сотах;
− адаптивное распределение частотных каналов по сотам с учетом
нагрузки;
− использование интеллектуальных антенных систем.
1
4
7
2
2
5 8
4 7
1
3
6
9
3
6
7
6 9
1
9
4
7
2
3
5
3
8
6 9
5
8
1
4
2
5
8
Рис. 5.8. Модель повторного использования частот
для трех Б с секторными антеннами
Первый метод основывается на использовании многоуровневых (иерархических) схем построения сотовой сети. При этом число БС увеличивается, а мощность излучения передатчиков в микросотах уменьшается.
Примерно тот же эффект достигается при использовании на БС секторных
антенн.
Третий метод основан на адаптивном распределении каналов, при
котором частотные каналы, все или частично, находятся в оперативном
распоряжении центра коммутации. Центр коммутации выделяет каналы
для пользования отдельным ячейкам (БС) по мере поступления вызовов,
т.е. в соответствии с реальной интенсивностью трафика, но при соблюдении необходимого территориально-частотного разноса.
В настоящее время развивается новое направление в СМР, основанное на использовании интеллектуальных антенных систем, автоматически
перестраивающих свои диаграммы направленности на источник сигнала.
Способ построения интеллектуальных антенных систем основан на
увеличении коэффициента усиления антенны в направлении абонентской
станции. При этом такие адаптивные антенны должны обеспечивать мак-
92
симальный коэффициент усиления и минимальный уровень соканальных
помех.
В той или иной степени основные направления повышения эффек-
тивности ССПР реализованы в сотовом стандарте GSM.
Система стандарта GSM построена на основе новейших технологий
в виде цифровой ССПР с программным управлением, совместимой с цифровой телефонной сетью общего пользования интегрального обслуживания (ISDN). В ней использованы:
− эталонная модель взаимодействия открытых систем (ЭМВОС,
ОSI);
− система сигнализации SS7;
− принципы построения интеллектуальной сети IN/1.
Элементы системы GSM способны контролировать и управлять всеми основными характеристиками сигнала в процессе передачи. Система
обладает достаточным «интеллектом» для обнаружения возникшего отклонения в работе, его диагностики, принятия решения и проведения необходимой коррекции.
Для системы GSM допустимое отношение мощностей несущей и помехи в канале связи составляет 9 дБ, в аналоговых системах этот показатель, как правило, близок к 18 дБ. Выигрыш в 9 дБ объясняется известными преимуществами цифровой обработки сигналов и, в частности, использованием устройств типа:
− речевых кодеков, устойчивых к помехам в канале связи;
− эффективных цифровых модуляторов, благодаря которым основ-
ная часть энергии радиосигнала сосредоточивается в полосе частот канала
связи;
− помехоустойчивых кодов в сочетании с процедурой перемежения;
− корректоров параметров канала (эквалайзеров), способных обес-
печить работу в условиях многолучевого приема с предельно допустимой
дополнительной задержкой отраженных лучей 16 мкс;
− перестраиваемых синтезаторов частот, позволяющих улучшить
работу в условиях многолучевого распространения сигналов.
Системы стандарта GSM работают в диапазоне около 900 МГц, который разбит на два поддиапазона шириной по 25 МГц (рис. 5.9): 890…
915 МГц для передачи от портативных устройств (телефонов абонентов) к
БС и 935…960 МГц соответственно для приема, т.е. используется организация дуплексной связи с ЧРК. Каждый частотный поддиапазон разбит на
124 частотных канала с разносом 200 кГц между соседними каналами
(ширина каждого частотного канала не превышает 200 кГц). Речевой ка-
нал (абонентский канал) системы GSM использует пару частотных каналов (передачи/приема) с результирующим разносом 45 МГц независимо
от абсолютных значений несущих частот в обоих поддиапазонах. Наличие
93
разноса препятствует появлению переходных помех между направления-
1 2 3 6 7
1 2 3 6 7
935…960 МГц
канала передачи в
890…915 МГц
200 кГц
Время
600 мкс
ми приема и передачи. Весьма перспективным является построение сетей
GSM на основе диапазона частот 1800 МГц.
В каждом частотном канале данные передаются в восьми разнесенных во времени канальных интервалах (КИ), т.е. используется ВРК. Длительность КИ составляет около 600 мкс. Восемь КИ объединяются в цикл,
а 26 циклов – в повторяющийся циклически сверхцикл длительностью
120 мс. Структура КИ показана на рис. 5.10. Конкретное портативное устройство (сотовый телефон) ведет передачу сигнала на БС в одном из КИ.
В течение остальных КИ передача не ведется (передатчик «молчит»).
В начале и конце КИ отводятся интервалы по 28 мкс на продолжительность переходных процессов, в ходе которых мощность излучения передатчика меняется (возрастает в начале и падает в конце КИ) на 70 дБ. Полезная продолжительность КИ составляет 546,12 мкс и служит для передачи 148 бит. В одном из КИ, в котором передача не ведется, портативное
устройство осуществляет прием сигнала от БС, т.е. используется одна и та
же антенна с разделением во времени.
Расстояние между портативным устройством и БС в пределах соты
может достигать 30 км. В результате задержка распространения сигнала
может достигать 100 мкс. Такая задержка серьезно влияет на работу БС,
поскольку переданный КИ может частично попасть на соседний. Поэтому
M
4 5
M
8
124 частотных
канала приема в
диапазоне
94
45МГц
M
200 кГц
Частота
5 4
M
8
Рис. 5.9. Временная и частотная структура GSM
124 частотных
диапазоне
3 1
Переходные
процессы
(28 мкс)
Полезная длительность КИ
(546,12 мкс 148 бит)
Переходные
процессы
(28 мкс)
Информация
3
(57 бит)
Синхропоследовательность
(26 бит)
Биты флагов
Рис. 5.10. Структура КИ GSM
Информация
1
(57 бит)
БС может посылать команды портативному устройству на опережение передачи, чтобы сигнал поступал на БС в своем КИ. При этом БС в зависимо-
ровку излучаемой мощности последнего с целью уменьшения расхода энергоресурса.
Одной из особенностей работы систем сотовой радиосвязи является
прием сигналов в условиях многолучевого распространения (на входе
приемника действует совокупность сигнала, непосредственно пришедшего от передатчика, и сигналов, многократно отразившихся от неровностей
рельефа, зданий и т.п.). Многолучевое распространение приводит к таким
нежелательным явлениям, как замирания сигнала, межсимвольная интерференция элементов сигнала и т.д. Избежать последствий многолучевого
распространения позволяет механизм выравнивания сигналов. Он состоит
в делении полезной длительности КИ на три части, в свою очередь, разделенных битами флагов (см. рис. 5.10). В середине располагается специальная легко распознаваемая синхропоследовательность (26 бит), по которой производится выравнивание принятого КИ. До и после синхропоследовательности располагается по 57 бит информационной нагрузки.
В отличие от централизованного управления, характерного для систем первого поколения, в системе стандарта GSM принят принцип распределенного управления между центром коммутации подвижной связи,
БС и подвижными терминалами. В течение всего сеанса связи подвижные
терминалы измеряют уровни сигналов от соседних БС и сообщают результаты измерений обслуживающей их БС. Последняя определяет необходимость эстафетной передачи и транслирует информацию о наиболее
предпочтительной новой ячейке для обслуживания подвижного объекта
системному контроллеру центра коммутации подвижной связи. Благодаря
такому алгоритму распределенного управления большая часть работы
95
выполняется не системным контроллером, а БС и подвижными терминалами, что позволяет избежать перегрузки центрального звена управления
и упростить процедуру эстафетной передачи обслуживания абонентов
между БС.
Система стандарта GSM представляет пользователям широкий ассортимент услуг, как связанный с передачей речи, так и не связанный с
ней. Помимо телефонии к речевым услугам относят вызовы спецслужб
(служба охраны правопорядка, скорая помощь, пожарная служба и т.п.),
как правило, набором номера, который принят в качестве стандарта, и
речевую почту.
Набор услуг, не связанных с передачей речи, основывается на перечне услуг ISDN и для абонентов сети стандарта GSM состоит из трех с половиной десятков наименований. Услуги по передаче данных различаются
в зависимости от потенциальных корреспондентов (абоненты телефонной
сети общего пользования, либо ISDN, либо специализированных сетей),
от характера передаваемой информации (данные, факсимиле и пр.), от
режима передачи (коммутация пакетов либо каналов, сквозной цифровой
канал либо с использованием телефонных модемов и пр.), от типа терминалов и т.д. Специфическими для подвижной сети являются службы коротких сообщений (ShortMessageService – SMS) (исходящие, входящие и
вещательные), которые представляют собой разновидность службы персонального вызова (пейджинга).
Перспективы развития ССПР связаны с разработкой системы мобильной связи третьего поколения (ЗG), которая будет отличаться унифицированной системой радиодоступа, объединяющей существующие сотовые и беспроводные системы с информационными службами XXI в.
Перспективная система ЗG базируется на концепции построения сети
персональной связи (PersonalCommunicationNetwork – PCN), в которой
любой абонент, имеющий мобильный терминал, имеет возможность связываться с другим абонентом вне зависимости от их местоположения.
Работы по созданию систем ЗG ведутся в рамках проекта, получившего название универсальная система подвижной связи (UniversalMobileTelecommunicationSystem–UMTS). Предполагается объединение функциональных возможностей существующих систем в единую систему
третьего поколения с предоставлением стандартизованных услуг подвижной связи (сотовой, беспроводной, персонального вызова и т.д.). Одна из
задач проекта – создание универсального радиотерминала, обеспечивающего все виды услуг связи (речь, данные, видео и т.д.) при скорости передачи информации по радиоканалу 2 Мбит/св условиях микросотовой и
пикосотовой структур сети.
96
Работы по созданию единой международной сети подвижной связи
третьего поколения проводятся Международным союзом электросвязи
(МСЭ). Для будущей системы ЗG рекомендуется диапазон частот 1…
3 ГГц.
5.2.3. Системы персонального вызова
Современный рынок услуг подвижной связи характеризуется высокими темпами развития систем персонального радиовызова (СПРВ), которые гармонично сопрягаются с системами радиосвязи и передачи данных.
Персональный вызов (пейджинг) – услуга электросвязи, обеспечивающая одностороннюю беспроводную передачу информации в пределах
обслуживаемой зоны. По назначению СПРВ можно разделить на частные
(ведомственные) и общего пользования.
Частные СПРВ обеспечивают передачу сообщений в локальных зонах или на ограниченной территории в интересах отдельных групп абонентов. Как правило, передача сообщений в таких системах осуществляется с пультов управления диспетчерами без взаимодействия с телефонной сетью общего пользования (ТФОП).
Под СПРВ общего пользования понимается совокупность технических средств, которые через ТФОП производят передачу в радиоканале
сообщений ограниченного объема.
Развитие СПРВ происходит путем внедрения техники автоматического взаимодействия с ТФОП, применения цифровых способов передачи
вызовов (адресов) и сообщений в буквенно-цифровом коде, повышения
пропускной способности и помехоустойчивости, через миниатюризацию
и уменьшение потребления электроэнергии оконечными устройствами.
Требования к функциональному развитию сетей СПРВ, увеличению
скорости передачи сообщений, а также интеграции национальных сетей
СПРВ в транснациональные привели к необходимости разработки общеевропейского стандарта на СПРВ, получившего название ERMES (Euro-
К основным достоинствам СПРВ стандарта ERMES относятся:
− общая сеть для всех европейских стран и общеевропейский ро-
уминг;
− общий радиоинтерфейс, обеспечивающий высокую емкость сети
при передаче различных видов сообщений, включая текстовые, в узкой
полосе частот;
− общая спецификация на приемники персонального радиовызова.
97
Внедрение СПРВ в нашей стране началось в 1980 г., когда в Москве
в период летних Олимпийских игр были открыты СПРВ на основе оборудования фирмы Multi-Tone (Великобритания). В настоящее время работает целый ряд компаний-операторов пейджинговой связи. Однако имеет
место тенденция фактической интеграции функций СПРВ в стандарт.
6. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ СЕТЕЙ
6.1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ СЕТЕЙ
6.1.1. Типы сетей связи
Под сетью связи понимают совокупность абонентских терминалов,
узлов (пунктов) и линий (каналов) связи, решающих задачу по обеспечению связи в соответствии с заданным адресом при выполнении требований по своевременности, достоверности и безопасности связи. Сети связи
делятся на первичные и вторичные [36 – 40].
Первичные сети связи создаются на территории страны, области,
района или города и представляют собой совокупность всех средств связи.
Они являются основой для создания различных вторичных сетей связи.
Вторичные сети связи делятся:
1) по виду передаваемой информации – сети передачи данных, теле-
графные сети, телефонные сети и др.;
2) по принадлежности – сети общего пользования и ведомственные;
3) по способу распределения информации – коммутируемые и не-
коммутируемые.
В сетях передачи данных объектом приема, передачи, преобразования, хранения и использования является цифровая информация (данные).
Абонентские терминалы находятся непосредственно у пользователя.
Они обеспечивают ввод, вывод, обработку и хранение информации.
Узлы связи соединяются между собой линиями (каналами) связи, а с
абонентскими терминалами – соединительными (абонентскими) линиями.
Основными задачами, решаемыми на узлах связи, являются маршрутизация и коммутация каналов (сообщений, пакетов).
Под маршрутизацией понимается процедура определения пути прохождения информации при передаче абоненту.
Под коммутацией понимается либо процесс соединения (кроссиро-
вания) каналов связи, либо процесс выбора направления передачи сообщения или пакета.
В настоящее время активно строятся коммутируемые сети общего
пользования, предназначенные для передачи любого типа информации,
98
которые по своей структуре близки к сетям передачи данных. Назовем
такие сети информационными сетями.
Таким образом, под информационной сетью будем понимать коммуникационную сеть, в которой объектом восприятия, преобразования, передачи, хранения и использования является информация. Для данного определения эксплуатируемые каналы связи и виды коммутаций не имеют
принципиального значения.
Если раньше телефон ассоциировался с телефонной сетью для передачи речевых сообщений, компьютер – с различного рода вычислительными процессами, а их применение не предполагало взаимное существование, то в настоящее время стало обычным использование в телефонах
компьютерной памяти, компьютерного интеллекта и даже компьютерных
экранов с одной стороны, с другой – обмен информацией между вычислительными центрами стал невозможен без сети связи. Конечная цель всех
этих нововведений – полное обеспечение услугами пользователей относи-
тельно передаваемой информации, в том числе ее надежная доставка любому адресату и в короткое время.
Применение информационных сетей может существенно повысить
эффективность информационных систем. Это объясняется рядом факторов:
− во-первых, за счет гарантированного (с большой вероятностью)
доведения информации. Это объясняется возможностью выбора, в автоматическом режиме, наиболее помехоустойчивых обходных путей передачи информации, например, в результате воздействия постановщиков
преднамеренных помех (см. рис. 6.1);
− во-вторых, в целях скрытности существует возможность передачи
частей одного и того же сообщения (пакетов2) по различным, независимым маршрутам. В определенных условиях это позволяет существенно
повысить оперативность доведения информации.
Рис. 6.1. Пример использования обходного пути при поражении прямого КС
2
Термин «пакет» появился в результате разбиения сообщения на более мелкие
«порции». В 1960-е гг. исследователи обратились к министерству обороны США с
предложением разработать сеть для передачи секретных разговоров в режиме пакетной
коммутации. При таком подходе каждая часть сообщения, т.е. пакет, передается по
отдельному маршруту
99
Любая информационная сеть имеет свою структуру. Под структу-
рой информационной сети понимают фиксированную совокупность эле-
ментов и связей между ними. Существуют три основных вида структур
сетей передачи данных, представленных на рис. 6.2 [36]:
1. Полносвязная – сеть, в которой узлы соединены линиями (канала-
ми) по принципу «каждый с каждым» (рис. 6.2, а).
2. Древовидная – сеть, в которой узлы соединяются между собой минимальным числом линий (каналов) без образования замкнутых путей.
Между любыми двумя узлами имеется только один путь (рис. 6.2, б). Древовидная структура может быть линейной, звездообразной, радиальной и
радиально-узловой (рис. 6.2, в, г, д, е).
3. Структура типа «сетка» – сеть, в которой каждый узел соединен
с несколькими ближайшими узлами так, что образуются замкнутые пути
(рис. 6.2, ж). Частным случаем структуры типа «сетка» является кольцевая структура (рис. 6.2, з).
а) б) в) г)
д) е) ж) з)
и)
Рис. 6.2. Основные структуры сетей передачи данных
Еще одна разновидность структур, в которой все абонентские терминалы подключаются к одному каналу связи – многоточечное подключение, при котором канал связи используется поочередно одной из пар абонентских терминалов для обмена информацией между собой (рис. 6.2, и).
Как уже ранее отмечалось, любую сеть удобно разбить на две подсети: подсеть связи и подсеть ресурсов и пользователей. Основной функцией подсети связи является пересылка пакетов, для реализации которой
осуществляется прием пакетов от любого пользователя, их временное
хранение (при коммутации сообщений и пакетов), выбор маршрута следования по сети связи и быстрая, надежная доставка их в место назначения.
Подсеть ресурсов и пользователей включает в себя множество устройств
100