Лекция № 16
Современные системы подвижной радиосвязи
Одной из наиболее быстро развивающихся отраслей связи сегодня является подвижная связь, использующая как наземные, так и спутниковые системы радиосвязи. Особенно быстрыми темпами как в мире, так и у нас в России идет развитие сетей сотовой радиосвязи. К 2008 г. количество людей, пользующихся мобильными телефонами, превысило 850 млн. По числу абонентов системы мобильной связи уже можно судить об уровне и качестве жизни в данной стране. Пока доля населения, пользующегося сотовой связью в России, составляет около 7... 10 %, в Финляндии для сравнения — 75 %. Однако темпы роста абонентов мобильной связи в России (почти 200 % в год) вселяют оптимизм. По классификации МСЭ системы подвижной связи относятся к системам беспроводного доступа абонентских линий. Характерным признаком любых систем беспроводного доступа абонентских линий является наличие радиоканала на абонентском участке. На первом этапе развития радиотехники в начале XX в. радиосвязь развивалась как морская подвижная связь. В те годы этот вид связи являлся единственно возможным для организации связи судов между собой и с берегом. Фирмой «Маркони» в Великобритании, а затем и на предприятиях других стран (России, США, Франции и Германии) было организовано производство судовых искровых радиостанций. В частности, еще до 1904 г. более пятидесяти судов военно-морского флота России было оснащено судовыми радиостанциями. Заметим, что нормальное функционирование системы связи предусматривает обмен информацией в любых службах электросвязи (электросвязью называется передача сообщений посредством электрических сигналов), который должен осуществляться по определенным, заранее оговоренным правилам (стандартам). Сейчас эти правила разрабатываются рядом международных организаций электросвязи. Широкое внедрение средств судовой подвижной связи, существенно повышающей безопасность плавания, обусловило необходимость принятия международных правил радиообмена и стандартов на средства морской радиосвязи. Такие правила и стандарты были приняты на первой Международной конференции по радиосвязи в Берлине в 1903 г. Потребности в средствах наземной подвижной связи для оперативного управления действиями полиции привели в 1921 г. к созданию в США первой диспетчерской системы телеграфной подвижной связи. По сути это была система пейджинговой связи, так как имела однонаправленное действие и служила для передачи распоряжений дежурным бригадам полиции. На начальном этапе развития систем наземной подвижной связи в них использовали телеграфные режимы работы, а позже — телефонные режимы с применением для передачи сообщений амплитудной модуляции. В 1940 г. в США в диапазоне ОВЧ создана первая система подвижной связи с использованием частотной модуляции (ЧМ; см. гл. 2). В 1948 г. в США создана первая полностью автоматическая радиотелефонная система подвижной связи. В СССР серийный выпуск первых систем подвижной радиосвязи был налажен в 1952 г. (заметим, что фактически история сотовой связи насчитывает уже более 40 лет, и хотя в настоящий момент в Российской Федерации распространены в основном западные разработки, первый сотовый телефон был сконструирован в начале 70-х гг. XX в. Воронежским научно-исследовательским институтом связи — ВНИИС). Эффективность систем наземной подвижной связи для управления в службах безопасности (полиции, пожарной службе, скорой помощи и т.п.), для управления работой транспорта и в других областях приводит к быстрому прогрессу в этой области. Системы подвижной (часто говорят — мобильной, относя это к сотовым системам связи) радиосвязи (СПР) обеспечивают одновременно связью большое число мобильных абонентов, местоположение которых на определенной территории произвольно. Поэтому практически все СПР построены по методу многостанционного (в англоязычной и др. литературе часто множественного) доступа. Принципы организации многостанционного доступа напоминают принципы уплотнения каналов. В теории связи под многостанционным доступом (МД) понимают возможность обращения к одной базовой приемопередающей (БПС; от англ. — Base Transceiver Station — BTS) или спутниковому ретранслятору нескольких мобильных станций (МС; абонентский терминал; радиотелефон; мобильный телефон; сотовый телефон; англ. Mobile Station — MS), при которой последние могут одновременно передавать и получать через нее информацию. Эффективность методов МД в основном оценивается по пропускной способности (емкости), быстродействию, используемому частотному ресурсу и некоторым другим показателям систем связи. В данном случае под емкостью любой системы связи понимают число различных каналов — радиосвязных, телефонных, телевизионных, передачи цифровых данных и прочее, либо, в более общем виде, для цифровых систем, число бит в секунду которое можно передать через данную сеть. Проблема выбора наилучшего метода МД заключается в нахождении базиса (ансамбля) ортогональных сигналов, при которых обеспечиваются оптимальные параметры и характеристики системы подвижной радиосвязи. В радиотехнике и теории передачи информации формирование базисов ортогональных сигналов основано на разделении сигналов по частоте, времени и форме. В соответствии со способами формирования базисов ортогональных сигналов различают три основных метода организации МД. Многостанционный доступ с частотным разделением каналов (МДЧР; англ. — Frequency Division Multiple Access — FDMA; аналог ЧРК) является наиболее простым по организации работы, при котором каждая подвижная станция работает в некоторой полосе частот на отведенном участке спектрального диапазона. Между рабочими полосами соседних каналов предусмотрены небольшие защитные частотные интервалы, позволяющие с требуемой точностью разделить принимаемые сигналы различных подвижных станций. Однако в любой стране используемый частотный спектр — уникальный стратегический запас, и это не восполняемый государственный ресурс. Многостанционный доступ с временным разделением каналов (МДВР; англ. — Time Division Multiple Access — TDMA; аналог ВРК) получил применение в системах подвижной связи из-за ограниченности специально выделенного странам и регионам частотного спектра. При таком доступе ортогональность сигналов в подвижных станциях достигается выделением каждой из них для излучения или приема сигналов определенного, периодически повторяемого временного интервала — TDMA-кадра. Длительность кадра в основном определяется сетевым трафиком. Интервалы излучения сигналов БПС и подвижных станций взаимно синхронизированы, что исключает их временное перекрытие. Первая спецификация технологии TDMA была разработана специалистами американской Ассоциации телекоммуникационной промышленности (Telecommunications Industry Association — TIA) в 1988 г. в соответствии с «Техническими требованиями пользователей» (UPR) — документом, изданным Ассоциацией промышленности сотовой связи — (CTIA), в котором определено техническое содержание систем подвижной связи 90-х гг. XX в. Эта спецификация в том же году была опубликована как стандарт IS-54 на многостанционный доступ с временным разделением каналов систем связи. Для повышения пропускной способности сети связи TDMA, как правило, используется совместно с частотным разделением каналов. Многостанционный доступ с кодовым разделением каналов (МДКР; англ. — Code Division Multiple Access — CDMA) основан на использовании широкополосных или шумоподобных (pseudonoise) сигналов (обоим вариантам термина соответствует аббревиатура ШПС). В системах мобильной радиосвязи стандарта CDMA используются все преимущества и частотного и временного разделения каналов. Во-первых, сигнал имеет большую длительность, распределен во времени, и поэтому пиковая излучаемая мощность много меньше, чем при FDMA и TDMA, хотя средняя мощность одинакова. Во- вторых, при сигналах большой длительности нет крутых и мощных фронтов импульсов излучения. Третье преимущество — системы стандарта CDMA позволяют вводить множество кодовых комбинаций, обеспечивая почти идеальную скрытность переговоров и помехозащищенность. Однако реализация кодового метода многостанционного доступа к каналу радиосвязи сопряжена с определенными техническими трудностями, связанными как с проблемой синхронизации в работе всех абонентских станций, так и выравниванием по мощности сигналов, принимаемых базовой станцией с целью исключения подавления слабого сигнала сильным. Отметим, что методы разделения одномерных сигналов уже рассматривались. В спутниковых и других радиотехнических информационных системах используются еще и различные методы многостанционного доступа с пространственным разделением (МДПР; Space-Division Multiple Access — SDMA) по направлению прихода радиоволн (в частности, применяют двулучевую приемную антенну, к которой подключены два приемника с одинаковыми полосами частот, что позволяет осуществлять одновременный доступ к спутнику из двух разных точек на Земле) и их пространственной поляризации {polarization- division multiple access — PDMA).
Существующие сейчас системы подвижной связи можно разделить на пять больших групп:
• системы сотовой подвижной связи (ССПС);
• профессиональные системы подвижной связи (ПСПС);
• системы персонального радиовызова (СПРВ), или пейджинговые (от англ.
paging — письменное сообщение) системы;
• системы подвижной спутниковой связи (СПСС);
• системы беспроводных телефонов (СБТ).
Все перечисленные системы подвижной связи построены на основе сотовой концепции и работают по определенным протоколам.