Область применения и проблемы использования

В настоящее время сотовые сети связи находят самое широкое применение как национальные и международные сети связи для массового потребителя. Сотовые сети связи обеспечивают весь спектр услуг традиционного телефона и вполне удовлетворяют текущим потребностям.

Проблемы применения сетей связи второго поколения связаны с ограничением емкости системы связи и относительно малой скоростью передачи информации.

Использование сотового принципа построения сети связи практически исчерпало организационный ресурс. Применение сверхмалых сот (микросот и пикосот) ложится непосильной нагрузкой на проводную сеть и не позволяет существенно повысить число абонентов. Стало ясно, что частотное разделение каналов, применяемое в аппаратуре и первого, и второго поколения, становится главным тормозом в повышении емкости системы связи. Невозможно без конца увеличить число каналов в ограниченном участке спектра, применение временного разделения абонентов в канале также ограниченно по своим возможностям (при увеличении числа абонентов в канале существенно возрастают трудности синхронизации работы абонентов).

Скорость передачи информации в сетях связи второго поколения также жестко ограничена допустимой шириной полосы частот канала связи. При максимально допустимой ширине канала 25 КГц реально достижимая скорость передачи цифровой информации не превышает 19.2 кбит/сек. Этого вполне достаточно для передачи речи, но недостаточно для объединения с сетями Internet или для передачи видео изображений.

3. Мобильные системы связи третьего поколения

В настоящее частично находится в эксплуатации, но в основном в процессе разработки аппаратура связи третьего поколения (стандарты IS-95, W-CDMA, CDMA-2000). Основной, определяющей чертой этой аппаратуры является применение кодового разделения каналов CDMA (Code Division Multiply Access) и сигналов с расширенным спектром.

В радиостанции третьего поколения модулирующий сигнал дополнительно модулируется псевдослучайной последовательностью с тактовой скоростью, в десятки раз превышающей тактовую скорость информационного сигнала. В результате спектр модулирующего сигнала существенно расширяется, а его амплитуда уменьшается. Далее сигнал с расширенным спектром используется для частотной или фазовой модуляции несущей частоты. В результате спектр модулированного колебания приобретает шумовой характер, а мощность передаваемого сигнала «размазывается» по широкому спектру (рис.1.2). Все абоненты сети работают в одном и том же широком диапазоне частот.

А

f

Рис.1.2. Спектр мощности информационного и расширенного сигналов

Расширяющая псевдослучайная последовательность уникальна для каждого абонента. В приемнике каждого абонента записан присвоенный только ему код расширяющей последовательности. При корреляционном приеме все прочие расширенные сигналы воспринимаются приемником как шум и только сигнал, коррелированный с личной кодовой последовательностью, восстанавливается как демодулированный исходный baseband сигнал.

Легко заметить замечательное свойство сигналов с расширенным спектром: емкость системы становится почти неограниченной. В самом деле, поскольку сигналы всех абонентов имеют шумовой характер с очень малой амплитудой, то увеличение числа работающих абонентов приводит только к повышению общего шумового фона, но не ограничено никаким конкретным значением. При исключительно большом числе одновременно работающих абонентов шумовой фон может стать настолько большим, что наиболее удаленные абоненты не смогут выделять собственный сигнал на фоне шума, но для ближе расположенных абонентов система будет работать в любом случае.

Скорость передачи информации в сетях связи третьего поколения уже не лимитируется полосой частот выделенного канала связи и вполне может быть установлена достаточно высокой (до 100 кбит/сек) для непосредственной работы с Internet.

Также нужно отметить очень высокую экологичность персональных CDMA радиостанций. Эти радиостанции излучают очень малую плотность мощности в широком частотном спектре, что оказывает значительно меньшее влияние на человека, чем относительно мощный сигнал на фиксированной частоте, как это характерно для радиостанций второго и особенно первого поколения.

Аппаратурная реализация CDMA радиостанций связана с целым рядом проблем, из числа которых можно выделить проблемы синхронизации и управления мощностью. Трудность синхронизации передатчика и приемника очевидно возрастает с ростом тактовой частоты цифрового сигнала; тактовая частота расширяющей кодовой последовательности в десятки раз превышает тактовую частоту информационного сигнала, во столько же раз возрастают и требования к точности систем синхронизации. Управление мощностью передатчиков абонентских радиостанций должно обеспечивать примерно одинаковую амплитуду всех абонентских сигналов на антенне приемника базовой радиостанции. В противном случае мощный сигнал близко расположенного абонента подавит все прочие и не позволит выделить из общего шумового фона слабые сигналы далеко расположенных абонентов.

4. Мобильные системы связи между компьютерами

Кроме систем связи, предназначенных для передачи речевой информации, известное распространение получили беспроводные системы связи между компьютерами. Типичные области применения этих сетей: беспроводное подключение компьютера к телефонной сети, организация локальных компьютерных сетей в аудитории, на конференции, небольшом офисе или неподготовленном здании.

Сети связи между компьютерами характеризуются следующими ососбенностями:

• локальность т.е. работа на небольших расстояниях в несколько сот метров

• ограниченность абонентов системы связи, на много порядков меньше, чем число абонентов речевых сетей связи

• очень высокие требования к скорости и надежности передачи данных

Существует несколько стандартов компьютерных сетей связи, среди которых основными являются Bluetooth, IEEE 802.11, HIPERLAN.

Стандарт Bluetooth, разработанный фирмой Эрикссон, фактически является простейшим радиомодемом, предназначенным для беспроводного соединения компьютера с телефонной сетью. Это недорогие микросхемы минимального габарита и потребления, применяемые в домашних условиях или условиях небольшого офиса. Модемы способны обмениваться информацией только с базовой станцией, они не образуют локальную сеть. Скорость передачи информации, как правило, ограничена требованиями стандарта ISDN и равна 128 Кбит/сек.

Американский стандарт IEEE 802.11(b) позволяет передавать информацию со скоростью 1, 2, 5.5 или 11 Мбит/сек и позволяет формировать протяженные компьютерные сети. В стандарте использована технология третьего поколения, т.е. сигналы с расширенным спектром и кодовая адресация абонентов сети. Аппаратура этого стандарта включает в себя модемы, устанавливаемые в компьютер (РС-cards), базовые модемы (Access points) для подключения к телефонной сети и ретрансляционные модемы (Extension Points) для расширения дальности действия сети.

Номинальная дальность работы модемов составляет несколько сот метров в свободном пространстве.

Европейский стандарт HIPERLAN предусматривает скорости передачи информации 21, 45 или 120 Мбит/сек. Аппаратура этого стандарта относится ко второму поколению, т.к. использует для передачи данных узкополосную GMSK частотную модуляцию. Этот стандарт предусматривает не только организацию компьютерных сетей связи. но и возможность включения в них высокоскоростных радиорелейных систем передачи данных.

1.3 Функциональная схема радиоканала

Цифровой радиоканал, функциональная схема которого показана на рис.1.3, является необходимым компонентом любой системы связи любого поколения. В цифровой радиоканал обычно включаются высокочастотные компоненты приемопередатчиков, связанные с прохождением модулированного сигнала, а также среда распространения радиоволн.

В общей системе связи радиоканал выполняет следующие функции:

• генерация рабочих частот в выделенной части спектра (стабильные кварцевые генераторы и синтезаторы частоты обеспечивают высокочастотные сигналы для модулятора передатчика и гетеродина приемника)

• модуляция и демодуляция высокочастотного сигнала

• обеспечение энергетического потенциала радиолинии (необходимая мощность передатчика, чувствительность приемника, соотношение сигнал/шум на входе детектора обеспечиваются усилителем мощности в передатчике, малошумящим усилителем и фильтрами приемника)

• обеспечение требований по электромагнитной совместимости (высокочастотные и полосовые фильтры передатчика и приемника обеспечивают совместную работу в эфире с другими радиосредствами)

Рис.1.3 Функциональная схема радиоканала

На функциональной схеме baseband процессор представляет собой все устройства обработки поступающей информации и формирования модулирующего сигнала. К процессору подключены все периферийные устройства (на рисунке не показаны), которые являются источником передаваемой информации: микрофон, факс-модем, компьютер и т.п. Компьютер и факс представляют информацию непосредственно в цифровом виде, аналоговый сигнал с выхода микрофона проходит речепреобразующее устройство, генерирующее цифровой информационный. Baseband процессор осуществляет помехоустойчивое кодирование информации, делит передаваемую информацию на пакеты заданной длительности, добавляет в пакеты служебную информацию, синхроимпульсы, защитные биты, осуществляет интерливинг и т.п. Сформированные таким образом информационные сообщения в виде цифровой последовательности символов поступает на формирующий ФНЧ и далее на модулятор.

Фильтр нижних частот предназначен для ограничения ширины спектра модулирующего сигнала; модулятор переносит спектр модулирующего сигнала на несущею частоту. Полосовой фильтр на выходе модулятора и ФНЧ на выходе усилителя мощности совместно обеспечивают подавление паразитных комбинационных частот модулятора и усилителя мощности в соответствии с требованиями по электромагнитной совместимости.

Среда распространения радиоволн добавляет шумы в модулированный сигнал. Кроме того, многолучевое распространение радиоволн в городских условиях и непостоянство параметров среды распространения приводят искажению модулированного высокочастотного сигнала. Эти искажения выражаются в периодическом изменении амплитуды принимаемого сигнала и одновременному присутствию нескольких копий сигнала на входе приемника.

Высокочастотный и полосовой фильтры приемника обеспечивают выделение принимаемого сигнала из общего радиоспектра. Детектор и последетекторный ФНЧ переносят спектр модулированного высокочастотного колебания обратно в низкочастотный диапазон. После фильтрации демодулированный сигнал поступает в baseband процессор, где восстанавливается исходное информационное сообщение. При передачи речи принятое цифровое сообщение в вокодере преобразуется в аналоговый сигнал для громкоговорителя.