Системы и сети передачи информации. Учебное пособие

Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Системы и сети передачи информации. Учебное пособие.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 89 / 139 10 11 12 13 > Следующая >>>

делах прямой видимости территорию радиусом 40…50 км. При этом на площади обслуживания 5…8 тыс. км2 абонентам может быть доступно несколько десятков радиоканалов.

На данном транкинговом принципе функционирования в 1960-х годах была создана отечественная система подвижной связи «Алтай», которая в модернизированном виде работает и по настоящее время в диапазоне 330 МГц.

Общие тенденции развития отечественных профессиональных систем подвижной связи отвечают современному мировому уровню. Однако они не в полной мере учитывают тенденции международной стандартизации и унификации оборудования [26].

В настоящее время наиболее распространенным видом транкинговых систем являются системы с выделенным каналом управления, использующие международные стандарты МТР1327, МТР1317, МТР1343 и МТР1347, разработанные первоначально в Великобритании для работы в диапазоне частот 174…225 МГц и распространенные позже на другие диапазоны.

Известны также транкинговые системы с совмещенным каналом управления, когда для передачи сигналов управления используются частоты до 150 Гц, находящиеся ниже спектра речевого сообщения. Эти системы получили обозначение LTR и были разработаны фирмой Е.F.Johnson (США).

Общая тенденция развития транкинговых систем профессиональной связи – это переход от аналоговых корпоративных или национальных стандартов к цифровым международным стандартам с обеспечением конфиденциальности связи и роуминга абонентов. Эти тенденции связаны с внедрением общеевропейского стандарта на транкинговые системы подвижной связи TETRA, который предполагает, наряду с цифровой передачей речевых сообщений, также передачу данных и т.д.

Общим недостатком транкинговых систем с радиальной структурой сети связи является их недостаточная эффективность в условиях массового спроса на услуги подвижной связи в густонаселенных районах. При этом требуется много радиоканалов и слишком большой частотный ресурс.

Проблема организации подвижной связи для густонаселенных районов решается путем построения сотовых систем связи.

5.2.2. Сотовые системы связи

Главной проблемой в развитии СМР, как это уже отмечалось при рассмотрении транкинговых систем, является проблема ограниченности частотного ресурса при непрерывно возрастающей потребности в предоставлении услуг.

Выход был найден: обслуживаемая территория разбивается на небольшие участки (ячейки), называемые сотами (cell). Каждая из ячеек об-

служивается передатчиком с ограниченным радиусом действия и числом каналов. Это без помех позволяет повторно использовать те же самые частоты в другой ячейке, но удаленной на значительное расстояние. Теоретически их можно использовать в соседней ячейке. Но на практике зоны обслуживания сот могут перекрываться из-за различных факторов, например изменения условий распространения радиоволн. В результате появляются взаимные помехи. Поэтому в соседних ячейках используются различные частоты.

Принцип разбиения обслуживаемой территории на соты реализуется в ССПР, которые представляют собой сеть связи, использующую большое количество БС с маломощными передатчиками, каждый из них обслуживает отдельные соты (зоны действия БС) радиусом 1…2 км. В последние годы ССПР интенсивно развиваются и являются наиболее перспективными из всех СМР.

За более чем двадцатилетний период развития сформировались три поколения ССПР:

1) первое поколение – аналоговые системы;

2) второе поколение – цифровые системы сегодняшнего дня;

3) третье поколение – универсальные МСС будущего.

В 1981 г. началась эксплуатация аналоговой ССПР первого поколения стандарта NMT-450 (NordicMobileTelephone) диапазона 450 МГц. Этот стандарт создавался как единый стандарт сотовой связи для пяти североевропейских стран: Исландии, Швеции, Финляндии, Норвегии и Дании. В дальнейшем сети на основе его модифицированных версий стали использоваться во многих странах мира. Несколько позже в 1985 г. на базе NMT450 был разработан стандарт NMT диапазона 900 МГц – NMT-900, позволивший значительно увеличить емкость системы за счет использования большего частотного ресурса и соответственно расширить ее возможности.

В 1983 г. в США была запущена сеть стандарта AMPS (AdvancedMobilePhoneService) в диапазоне 800 МГц. Этот стандарт широко используется в США, Канаде, Центральной и Южной Америке, Австралии и является среди аналоговых систем наиболее распространенным в мире.

В 1985 г. Великобритания приняла в качестве национального стандарт TACS (TotalAccessCommunicationSystem), разработанный на основе стандарта AMPS. В связи с резким увеличением числа абонентов через два года была расширена рабочая полоса частот и новая версия получила название ETACS (EnhancedTACS). Однако из-за более высоких качественных показателей наиболее широкое применение нашел американский стандарт AMPS.

Известны еще несколько стандартов, появившихся в середине 1980-х гг.:

− С-450 – для использования в Германии и Португалии в диапазоне

450 МГц;

− RTMS (RadioTelephoneMobileSystem) – для использования в Ита-

лии в диапазоне 450 МГц;

− Radiocom-2000 – для использования во Франции в диапазонах

170, 200 и 400 МГц;

− NTT – для использования в Японии в диапазоне 900 МГц.

Все перечисленные стандарты являются аналоговыми и используются в ССПР первого поколения. Они уже не всегда отвечают требованиям абонентов к качеству и номенклатуре услуг подвижной связи. В них используют частотную модуляцию (ЧМ) для передачи речи и частотную манипуляцию для передачи сигналов управления (сигнализации). Применяется метод множественного доступа с частотным разделением каналов (ЧРК или FrequencyDivisionMultipleAccess – FDMA). Аналоговый способ передачи информации с помощью ЧМ имеет ряд существенных недостатков: относительно низкая емкость из-за недостаточно рационального использования выделенной полосы частот при ЧРК; возможность прослушивания разговоров; отсутствие эффективных методов борьбы с замираниями сигналов из-за влияния окружающего ландшафта местности и городской застройки.

Использование различных стандартов сотовой связи мешало ее широкому применению: иногда по одному и тому же телефону невозможно было разговаривать даже в пределах двух соседних стран. Увеличивать число абонентов можно было лишь двумя способами – расширением частотного ресурса (как, например, это было сделано в Великобритании) и переходом к рациональному частотному планированию, позволяющему гораздо чаще использовать одни и те же частоты. Новые возможности появились, когда к концу 1980-х гг. сотовая связь подошла к очередному этапу своего развития – созданию систем второго поколения на основе цифровых методов обработки сигнала.

В 1982 г. Европейская конференция администрации почты и электросвязи (СЕPТ) – организации, объединяющей администрации связи 26 стран, – создала специальную группу GroupSpecialMobile с целью разработки единого европейского стандарта цифровой сотовой связи для выделенного в этих целях диапазона 900 МГц. Аббревиатура GSM и дала название новому стандарту. Первые технические требования к GSM были опубликованы в 1990 г., а уже в 1992 г. в Германии система вступила в коммерческую эксплуатацию. Позже, в связи с широким распространением стандарта во всем мире, GSM стали расшифровывать как Global System

for Mobile Communications.

В США аналоговый стандарт AMPS получил очень широкое распространение, поэтому прямая его замена полностью цифровым стандартом оказалась практически невозможной. Выход был найден в разработке двухрежимной аналого-цифровой системы, позволяющей совмещать ра-

боту аналоговой и цифровой систем в одном и том же диапазоне. Работа над соответствующим стандартом была начата в 1988 г., а в 1990 г. Американская промышленная ассоциация в области связи TIA (Telecommuni-

cations Industry Association) утвердила стандарт IS-54 (IS – сокращение от Interim Standard, т.е. промежуточный стандарт) на цифровую систему со-

товой связи, известный также как D-AMPS.

Стандарт D-AMPS дополнительно усовершенствовался за счет введения нового типа каналов управления, так как цифровая версия IS-54 сохранила структуру каналов управления аналогового стандарта AMPS, что ограничивало возможности системы в целом. Новые, полностью цифровые каналы управления были введены в версии IS-136, которая была разработана в 1994 г. и начала применяться в 1996 г. При этом была сохранена совместимость со стандартами AMPS и IS-54, но повышена емкость канала управления и заметно расширены функциональные возможности системы.

Стандарт GSM, продолжая совершенствоваться технически, нашел применение в новом частотном диапазоне 1800 МГц. Это направление известно под названием системы персональной связи. Для нее характерны более широкая рабочая полоса частот и меньшие размеры сот, что позволяет строить сотовые сети значительно большей емкости. Соответствующий стандарт в виде дополнения к стандарту GSM-900 был разработан в Европе в 1991 г. и получил название DCS-1800 (Digital Cellular System). В коммерческую эксплуатацию система вступила в 1993 г., а 1996 г. этот стандарт получил название GSM-1800.

В США диапазон 1800 МГц оказался занят, но была найдена возможность выделить полосу частот в диапазоне 1900 МГц. Работа в этом диапазоне предусмотрена стандартом D-AMPS (версия IS-136). Разработана также версия стандарта GSM для этого диапазона («американский» вариант GSM-1900 – стандарт IS-661).

В 1991 г. в Японии был разработан собственный цифровой стандарт сотовой связи JDC (JapanDigitalCellular), близкий по своим показателям к американскому стандарту D-AMPS.

Перечисленные цифровые стандарты ССПР второго поколения основаны на методе множественного доступа с временным разделением каналов (ВРК или Time Division MultipleAccess – TDMA). Однако в июле 1993 г. в США был разработан стандарт системы сотовой связи на основе метода множественного доступа с кодовым разделением каналов (КРК или Code Division Multiple Access – CDMA). Одним из основных преимуществ этого стандарта является значительное увеличение емкости системы. Если емкость сотовой системы стандарта D-AMPS примерно в три раза выше по сравнению с аналоговым стандартом AMPS, то стандарт CDMA превосходит этот показатель примерно в 10 раз.

Работы над созданием МСС третьего поколения еще ведутся, начало

ее коммерческой эксплуатации было запланировано на 2002 – 2005 гг.

В настоящее время в России развиваются ССПР трех стандартов сотовой связи – NMT-450, GSM и AMPS, два из которых – NMT-450 и GSM – приняты в качестве федеральных. Стандарт AMPS и его цифровой вариант D-AMPS ориентированы на региональное использование.

Принцип построения ССПР представлен на рис. 5.2. Зона обслуживания (территория города или региона) делится на некоторое количество ячеек или сот, которые схематично изображаются в виде правильных шестиугольников, имеющих сходство с пчелиными сотами. Отсюда и название этих систем – сотовые. Такие системы непосредственно реализуют принцип повторного использования частот, согласно которому одни и те же частоты могут повторяться в ячейках (сотах), удаленных друг от друга на определенное расстояние. В центре каждой соты находится БС, которая в пределах своей ячейки обслуживает все подвижные станции абонентов. При перемещении абонента из одной ячейки в другую происходит передача его обслуживания от одной БС к другой. Коммутация каналов БС осуществляется в центре коммутации подвижной связи, который подключается к телефонной сети общего пользования (ТФОП).

В действительности ячейки никогда не бывают строгой геометрической формы. Реальные границы ячеек имеют вид кривых, зависящих от условий распространения и затухания радиоволн (от рельефа местности, плотности застройки и других факторов). Кроме того, в пределах ячейки также возможны зоны неуверенного приема, «затенения» принимаемого сигнала и т.п. Поэтому положение БС не обязательно совпадает с центром соты. Если на БС используются направленные антенны, то БС фактически оказываются на границах ячеек.

Центр

коммутации

подвижной связи

ТФОП

БС

Аб.

Рис. 5.2. Принцип построения ССПР

В цифровых системах сотовой связи (например GSM) используется понятие «система базовой станции» (СБС), в которую входит контроллер базовой станции (КБС) и несколько базовых приемопередающих станций (БППС), как показано на рис. 5.3.

Из рисунка видно, что три БППС, которые подключаются к одному общему КБС, могут обслуживать каждая свой 120-градусный сектор, а шесть БППС с одним КБС – шесть 60-градусных секторов.

Один контроллер может управлять несколькими БППС и выполняет следующие функции: управляет распределением радиоканалов; контролирует соединения и регулирует их очередность; обеспечивает режимы работы с прыгающей частотой, модуляцию и демодуляцию сигналов, кодирование и декодирование сообщений.

Центр коммутации (ЦК) является «мозговым» центром и одновременно диспетчерским пунктом системы сотовой связи. На нем замыкаются потоки информации со всех БС. Через ЦК осуществляется выход на другие сети связи – телефонную сеть общего пользования, спутниковую сеть связи или на другие сотовые сети. В состав ЦК входит несколько процессоров (контроллеров), и он является типичным примером многопроцессорной системы. Блок-схема ЦК сети цифровой сотовой связи представлена на рис. 5.4.

Коммутатор осуществляет переключение потоков информации между соответствующими линиями связи. В частности, он может направить поток информации от одной БС к другой или от БС к стационарной сети либо, наоборот – от стационарной сети связи к требуемой БС.

Коммутатор подключается к линиям связи через соответствующие контроллеры связи, осуществляющие промежуточную обработку (упаковку/распаковку, буферное хранение) потоков информации. Общее управление работой центра коммутации и системы в целом производится от центрального контроллера, который имеет мощное математическое обеспечение, включающее перепрограммируемую часть (software). Работа центра коммутации

БППС

КБС

БППС

Рис. 5.3. Система базовой станции

КБС

Центр

коммутации

К другим сетям связи

Контроллеры

связи

Коммутатор

Контроллеры

связи

К базовым станциям

Средства

отображения и

регистрации

Центральный

контроллер

Терминалы операторов

Домашний регистр

Гостевой регистр

Центр аутентификации

Регистр аппаратуры

Рис. 5.4. Структура центра коммутации

предполагает активное участие операторов, поэтому в состав центра входят соответствующие терминалы, а также средства отображения и регистрации (документирования) информации. В частности, оператором вводятся данные об абонентах и условиях их обслуживания, исходные данные по режимам работы системы, в необходимых случаях оператор выдает требующиеся по ходу работы команды.

Важным элементом системы является база данных, в которую входят домашний регистр, гостевой регистр, центр аутентификации и регистр аппаратуры (последний имеется не во всех системах).

Домашний регистр (домашний регистр местоположения – Home Location Register, HLR) содержит сведения обо всех абонентах, зарегистри-

рованных в данной системе, и о видах услуг, которые могут быть им оказаны, так как при заключении договора на обслуживание для разных абонентов может быть предусмотрено оказание различного набора услуг. Здесь же фиксируется местоположение абонента для организации его вызова и регистрируются фактически оказанные услуги.

Гостевой регистр (гостевой регистр местоположения – Visitor Location Register, VLR) содержит примерно такие же, как и в домашнем реги-

стре сведения об абонентах-гостях, т.е. об абонентах, зарегистрированных в другой сети сотовой связи, но пользующихся в настоящее время услугами связи в данной сети того же стандарта.

Центр аутентификации (Authentication Center, AUC) обеспечивает процедуру аутентификации (проверки подлинности) абонентов и шифрования сообщений.

Регистр аппаратуры (регистр идентификации аппаратуры – Equipment Identity Register, EIR) содержит сведения об эксплуатируемых под-

вижных станциях на предмет их исправности и санкционированного использования.

Для организации нескольких частотных каналов на БС имеется соответствующее число приемников и передатчиков, что позволяет вести одновременную работу на нескольких каналах с различными частотами. Группа приемников и передатчиков может подключаться к общей антенне. Однако чаще всего базовая станция имеет различные антенны на прием и на передачу. Для борьбы с многолучевым замиранием в некоторых системах используется метод разнесенного приема. В этом случае БС имеет две приемные антенны. Обобщенная структура БС приведена на рис. 5.5.

Приемная антенна

Делитель Сумматор

Передающая антенна

Приемник

. . .

Блок сопряжения с линией связи

Передатчик

Контроллер

К центру коммутации

. . .

Передатчик

. . .

Рис. 5.5. Структура базовой станции

Одноименные приемники и передатчики имеют общие опорные генераторы, обеспечивающие их согласованную перестройку при переходе с одного канала на другой. Конкретное число N приемопередатчиков зависит от конструкции и комплектации БС. Для обеспечения одновременной работы N приемников на одну приемную антенну между приемной антенной и приемниками устанавливается делитель мощности на N выходов. Для работы N передатчиков с одной передающей антенной между ними устанавливается сумматор мощности на N входов.

Блок сопряжения с линией связи обеспечивает согласование оборудования БС с линией для передачи информации от контроллера на центр коммутации и наоборот. В качестве такой линии связи обычно используется радиорелейная или ИКМ-линия, если они не располагаются территориально в одном месте.

Контроллер БС представляет собой мощный компьютер, который обеспечивает управление работой станции, а также осуществляет контроль работоспособности всех входящих в нее блоков и узлов.

Подвижную (абонентскую) станцию ССПР условно можно разделить

Декодер

управления

блок

на три основных блока:

1) антенный блок;

2) приемопередающий блок;

3) блок управления. Структура такой станции приведена на рис. 5.6.

Динамик

Приемник

ЦАП

речи

канала

Эква-

лайзер

Демо-

дулятор

Дисплей

Клавиа-

тура

Микрофон

Блок

Логический блок

АЦП

Передатчик

Кодер

речи

Гетеродин

∆f

Гетеродин

Кодер

канала

Приемопередающий блок

Смеситель

f2=f1+∆f

Моду-

лятор

Коммута-

тор

прием-

передача

Антенный

Рис. 5.6. Структура подвижной станции

Антенный блок состоит из антенны, представляющей собой четвертьволновый штырь, и дуплексного разделителя каналов приема и передачи (коммутатора прием–передача). Блок управления включает микрофон, динамик, клавиатуру и дисплей. Более сложным по своей структуре является приемопередающий блок. Для аналоговых подвижных станций характерно отсутствие АЦП/ЦАП и кодеков. В состав передатчика цифровой абонентской станции входят следующие элементы:

− аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) – для преобразова-

ния сигнала с выхода микрофона в цифровую форму;

− кодер речи осуществляет кодирование речевого сигнала, т.е. пре-

образование цифрового сигнала с выхода АЦП по определенным законам с целью сокращения объема информации, передаваемой по каналу связи;

− кодер канала – добавляет в цифровой сигнал, получаемый с выхо-

да кодера речи, дополнительную (избыточную) информацию, предназначенную для защиты от ошибок при передаче сигнала по линии связи; кроме того, кодер канала вводит в состав передаваемого сигнала информацию управления, поступающую от логического блока;

− модулятор – осуществляет перенос информации кодированного

цифрового сигнала на несущую частоту.

Приемник по составу в основном соответствует передатчику с об-

ратными функциями входящих в него блоков:

− демодулятор выделяет из модулированного радиосигнала кодиро-

ванный сигнал, несущий информацию;

− декодер канала выделяет из входного информационного потока

управляющую информацию и направляет ее на логический блок, здесь же принятая информация проверяется на наличие ошибок, и выявленные ошибки по возможности исправляются;

− декодер речи восстанавливает поступающий на него с декодера

канала сигнал речи, переводя его в естественную форму, со свойственной ему избыточностью, но в цифровом виде;

− цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует принятый

сигнал речи в аналоговую форму и подает его на вход динамика;

− эквалайзер служит для частичной компенсации искажений при-

нимаемого сигнала, вызванных многолучевым распространением и, по существу, является адаптивным фильтром, настраиваемым по обучающей последовательности символов, входящей в состав передаваемого информационного потока (в некоторых случаях блок эквалайзера может отсутствовать).

В приемопередающий блок также входят логический блок и синтеза- тор частот. Логический блок – это микрокомпьютер со своей оперативной и постоянной памятью, осуществляющий управление работой подвижной станцией. Синтезатор частот является источником колебаний несущих частот, используемых для передачи информации по радиоканалам.

Одновременная работа многих абонентов в ССПР обеспечивается за счет множественного доступа (multi pleaccess), связанного с организацией совместного использования ограниченного участка спектра многими пользователями на основе различных способов разделения каналов. Как уже отмечалось выше, в ССПР реализуются все три основных способа разделения каналов: ЧРК, ВРК и КРК. При этом ЧРК используется, как правило, в системах первого поколения, т.е. аналоговых стандартах ССПР (например, NMT-450). В системах сотовой связи второго поколения, т.е. цифровых стандартах ССПР (например, GSM), используются как ЧРК, так и ВРК. Более перспективным, с точки зрения увеличения емкости системы, является КРК, которое также реализуется в ССПР второго поколения (стандарт CDMA).

Эффективность ССПР и качество обеспечиваемой связи в значительной степени зависят от способов построения сот и использования частот в сотах, покрывающих обслуживаемую территорию.

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 89 / 139 10 11 12 13 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]