Введение
Предмет курса
В настоящем курсе рассматриваются основные идеи и практические решения, лежащие в основе современных мобильных систем связи. Основное внимание уделено радиотехнической части аппаратуры связи (радиоканалу), включая особенности распространения радиоволн в городских условиях. В более общем плане рассматриваются некоторые вопросы организации связи (трафик, методы коллективного доступа) и основные стандарты современных систем связи.
В самом общем смысле почти любую сеть радиосвязи можно назвать мобильной системой связи. Радиоволны не нуждаются в физическом медиуме для распространения, поэтому системы связи, за исключением, может быть, радиорелейных, не предъявляют требований к фиксации местоположения приемников или передатчиков. Однако реально термин «мобильная связь» применяется к значительно более узкому классу систем, а именно к системам, в которых неопределенное местоположение абонента принципиально важно с точки зрения построения аппаратуры и организации системы связи.
Общепринято называть мобильной систему связи, реализующую поиск мобильного абонента и доставку этому абоненту персонального сообщения.
С этой точки зрения телевидение, радиовещание или пейджерная сеть не являются мобильными системами связи, т.к. они не осуществляют поиск абонента, а подвижность абонента никак не учтена ни в организации сети связи, ни в схемотехнике радиоаппаратуры. К мобильным системам принято относить сотовые и транкинговые системы связи.
Мобильные системы связи являются сложными радиотехническими комплексами, в которых можно выделить следующие основные аспекты:
Организация системы связи и методы доступа. Очевидно, что ресурсы любой системы связи ограниченны и поэтому всегда возможны конфликтные ситуации, когда одновременно требуется выполнение взаимоисключающих действий. Алгоритм управления системой связи должен успешно разрешать такие ситуации и обеспечивать наиболее эффективное использование имеющихся ограниченных ресурсов для максимального количества абонентов.
Структура радиоканала. Для каждого вида мобильной связи выбираются оптимальные методы модуляции и приема сигналов, схемы построения приемников, передатчиков, антенн, выполнение требований по электромагнитной совместимости, проводится анализ влияния распространения радиоволн в городских условия на энергетический потенциал радиолинии и условия приема.
Методы обработки информации. Этот круг вопросов включает в себя проблемы преобразования речевой информации в цифровой код и обратно, сжатия речи, выбор оптимальных методов кодирования, шифрации и распознавания принятых сигналов.
Взаимодействие с периферийными устройствами и системами. Любая система связи должна обеспечивать взаимодействие с прочими системами радиосвязи, цифровыми и аналоговыми телефонными сетями, возможность подключения факсимильных аппаратов, компьютеров, модемов Internet и Intranet и т.п.
Системы диагностики состояния сети связи и статистика работы. Очевидно, необходим персональный учет пользователей, проверка их легальности и оплаты счетов, времени и длительности сеансов связи. Вся эта статистика совместно с диагностикой внутреннего состояния сети связи позволяет оперативно изменять конфигурацию сети в зависимости от загрузки, предупреждать несанкционированное использование сети, предоставлять информацию для оценки экономического состояния.
Настоящий курс рассчитан на разработчиков радиоаппаратуры и включает в себя изложение технических решений и методов построения оптимального цифрового радиоканала для мобильных систем связи и организации системы связи. Курс состоит из двух частей: «Радиоканал» и «Сети радиосвязи».
В первой части курса рассматриваются теоретические основы построения радиоканала, а именно: свойства цифровых модулирующих сигналов, классические узкополосные методы модуляции и модулированные сигналы с расширенным спектром, методы оптимального приема цифровых модулированных сигналов в условиях аддитивного белого гауссовского шума, методы синтеза и преобразования частот, проблемы электромагнитной совместимости. Приводятся основные модели распространения радиоволн в городских условиях, учитывающие эффекты многолучевого распространения радиоволн и фединг. В заключительной части раздела рассматривается аппаратная реализация основных функциональных узлов радиоканала (модулятора, синтезатора частот, устройств управления мощностью и усилением, детекторов, смесителей), а также характеристики и параметры типовых микросхем, используемых в современных приемопередатчиках. Приведены основные положения отечественных и зарубежных стандартов для радиоаппаратуры систем связи и требования к радиоканалу с точки зрения общей организации сети связи.
Во второй части курса рассматриваются общие вопросы организации сети связи (методы коллективного доступа, трафик) и основные стандарты мобильной радиосвязи (TETRA, MPT-1327, APCO-25, GSM, IS-95).
В настоящем курсе рассматриваются системы связи и аппаратура, предназначенные исключительно для передачи и приема цифровых сигналов.
Разумеется, это не означает, что аналоговые сигналы больше не используется в современных системах связи. Аналоговый сигнал по-прежнему применяются, и в обозримом будущем будут применяться, например, в телевизионной технике. Несмотря на все преимущества цифровой передачи изображения, нет никакой возможности оперативно заменить сотни миллионов телевизоров, предназначенных для приема аналогового сигнала. Аналоговый сигнал будет по-прежнему применяться и в узкоспециальных или очень дешевых системах связи.
Однако область применения цифровых сигналов в радиосвязи неизмеримо шире. На передаче цифровых сигналов основана вся система передачи речи в современных связным системах, системы связи между компьютерами, пэйджерная связь, передача телеметрической информации. Расширение функциональных возможностей мобильных приемопередатчиков для приема изображения или включения в Интернет также будет происходить на основе цифровых сигналов.
Основное преимущество использования цифровых сигналов вместо аналоговых заключается, прежде всего, в возможности реализации сложных схемных функций на основе не требующих настройки цифровых микросхем. Кроме того, формирование информационных сигналов в передатчике и их обработка в приемнике с помощью цифровых процессоров позволяет построить эффективные многофункциональные сети связи. Все это вместе повышает надежность аппаратуры, ее потребительские свойства и, в конечном счете, делает более дешевой.
Обзор развития мобильных систем связи
Традиционно мобильные системы связи подразделяют на три поколения. Эта классификация является общепринятой и достаточно условной. Существуют значительное количество переходных типов систем связи, часто говорят о поколении 2+, отдельно выделяют класс систем связи между компьютерами т.п.
Следует также ясно понимать, что появление нового поколения связной аппаратуры не отменяет существование предыдущего, а только ограничивает границы его использования. Например, аналоговые транкинговые системы связи являются наиболее старым видом системы связи и еще лет 20 назад применялись везде и во всех случаях. Появление сотовых систем вытеснило транкинговые системы из области систем связи массового обслуживания, но не из области систем связи для ведомственного и профессионального назначения (милиция, служба безопасности. скорая помощь и т.д.). Транкинговые системы связи продолжают успешно развиваться и современный стандарт цифровой транкинговой связи TETRA был разработан и одобрен в качестве общеевропейского стандарта в 1998 году.
Мобильные системы связи первого поколения
Мобильные системы связи первого поколения характеризуются следующими основными признаками:
частотный метод разделения каналов
транкинговая организация сети связи
частотная модуляция несущей частоты аналоговым сигналом.
Частотный метод разделения каналов
Совершенно ясно, что любая система связи является принципиально многоканальной, одноканальная система связи не найдет применения. Наиболее простой и очевидный способ частотного разделения каналов FDMA (Frequency Division Multiple Access) и реализован в системах связи первого поколения.
В соответствии с этим методом, каждому физическому каналу связи отводится определенная полоса частот. Ширина канала связи является одним из основных и определяющих параметров. Ширина канала для узкополосной ЧМ равна 50, 25 или 12.5 КГц. Число абонентов, которым может быть назначен один и тот же частотный канал, определяется допустимым трафиков и в норме не превышает 10.
Транкинговая организация структуры связи
Транкинговыми системами называются радиально-зоновые системы мобильной наземной радиосвязи, осуществляющие автоматическое распределение каналов связи между базовой станцией и абонентами, как это показано на рис.1.1.
Рис.1.1 Транкинговая организация системы связи
Типичная транкинговая организация связи, показанная на рисунке 1.1, включает в себя базовый радиоцентр (BS) и мобильные радиостанции (MS).
Базовый радиоцентр может содержать от 2 до 16 приемопередатчиков, каждый из которых работает на фиксированной частоте радиоканала. Комбайнер обеспечивает совместную работу приемопередатчиков на общую антенну. Телефонный интерфейс и коммутатор обеспечивают совместную работу приемопередатчиков и соединение с телефонными линиями.
Базовая радиостанция обычно устанавливается на самой высокой точке города, высокая мощность базового и абонентского передатчиков реально позволяет достичь дальности, ограниченной только горизонтом или естественными и искусственными препятствиями.
Организация связи в транкинговой сети может быть децентрализованной (установление связи по требованию абонента) или централизованной (под управлением процессора базового радиоцентра).
Простейший децентрализованный алгоритм взаимодействия базовой станции с мобильными абонентами реализован в транкинговой системе связи (SmartTrunk). Этот алгоритм основан на непрерывном прослушивании каналов связи приемниками базовой и мобильных радиостанций и немедленного установлении связи по требованию абонента.
Связь от абонентской станции к базовой (uplink). Абонентская станция мобильного абонента непрерывно сканирует (прослушивает) все выделенные или разрешенные частотные каналы и определяет, занят канал или свободен. При требовании абонента на установление связи радиостанция останавливается на одном из свободных каналов и посылает запрос на базовую станцию. Билинговая система на базовой радиостанции проверяет легальность абонента, выдает разрешение на установление связи и подключает радиоканал к коммутатору базовой станции. После получения разрешения на установление связи абонентская радиостанция посылает на базовую радиостанцию сигналы требуемого телефонного номера. Коммутатор базовой радиостанции ретранслирует полученный телефонный номер либо в обычную телефонную линию общего пользования или в эфир для вызова другого мобильного абонента.
Связь от базовой радиостанции к абонентской (downlink). Абонент телефонной сети общего пользования (PSTN) набирает либо непосредственно персональный номер мобильного абонента в системе прямой адресации или многоканальный номер базовой радиостанции, а затем персональный номер мобильного абонента в локальной адресации сети радиосвязи. Мобильный абонент набирает только персональный номер другого мобильного абонента в системе локальной адресации. Билинговая система базовой радиостанции проверяет доступность (включение абонентской радиостанции) и легальность абонента. Затем определяется свободный частотный канал и передатчик базовой радиостанции, работающий на этом канале, посылает сигнал вызова. Абонентская радиостанция непрерывно сканирует все разрешенные к работе частоты и, при узнавании своего номера, подает базовой станции сигнал готовности к сеансу связи.
В более сложных транкинговых системах (английская МТР1327, американская AMPS – Advanced Mobil Phone Services) реализовано централизованное управление мобильными радиостанциями с помощью специального служебного канала, предназначенного для передачи сигналов взаимодействия между станциями. Хотя это и приводит к дополнительным затратам частотных ресурсов (по выделенному служебному каналу не производится речевая связь между абонентами), в конечном счете это позволяет более эффективно использовать имеющиеся речевые каналы. При наличии отдельного служебного канала можно динамически перераспределять частотные каналы. В частности, временно выделять частотный канал при наличии паузы в разговоре или требовании канала более приоритетным абонентом, передавать по служебному каналу короткие информационные сообщения.