Инфком. СиС -2013 / ЛЕКЦИИ +ПЗ ИкСиС-2013 / Лек_СИТ_№15(УМК)

при небольшом количестве каналов (до 5…8), поскольку на установление соединения затрачивается значительное время.

2. Специально выделенным общим каналом сигнализации, на который настроены все радиостанции сети в режиме дежурного приема. Такие системы являются наиболее распространенными.

Пропускная способность транкинговых систем с общедоступным «пучком» каналов существенно выше пропускной способности систем с закрепленными каналами. При тех же условиях в транкинговой системе с общедоступным «пучком» каналов пропускная способность возрастает более чем в 8 раз.

Сети профессиональной радиосвязи в транкинговых системах проектируются по аналогии с вещательными сетями: достаточно мощный передатчик работает через высоко подвешенную антенну, охватывая территорию в пределах прямой видимости, радиусом 40…50 км. При этом на площади обслуживания 5…8 тыс. квадратных километров абонентам может быть доступно несколько десятков радиоканалов.

На данном транкинговом принципе функционирования в 60-х годах была создана отечественная система подвижной связи «Алтай», которая в модернизированном виде работает и по настоящее время в диапазоне 330 МГц.

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 транкинговых систем подвижной связи TETRA, который предполагает наряду с цифровой передачей речевых сообщений, так же 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.

9.2. Сотовые системы связи

Возникновение и развитие сетей сотовой связи

C развитием техники радиотелефонных систем функция автоматического выбора свободного канала (trunkinq) уже не могла решить главной проблемы – ограниченности частотного ресурса при огромной потребности в предоставлении услуг.

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

За более чем 20-летний период развития сформировались три поколения систем сотовой связи (ССС):

1) первое поколение – аналоговые системы;

2)второе поколение – цифровые системы сегодняшнего дня;

3)третье поколение – универсальные системы мобильной связи будущего.

В1981г. началась эксплуатация аналоговой ССС первого поколения стандарта NMT-450 (Nordic Mobile Telephone) диапазона 450 МГц. Этот стандарт создавался как единый стандарт сотовой связи для пяти северо-европейских стран: Исландии, Швеции, Финляндии, Норвегии и Дании. Несколько позже в 1985г. на базе NMT-450 был разработан стандарт NMT диапазона 900 МГц – NMT-900, позволивший значительно увеличить емкость системы за счет использования большего частотного ресурса и расширить его функциональные возможности.

В1983г. в США была запущена сеть стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone Service) 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.

В1985г. Великобритания приняла в качестве национального стандарт TACS (Total Access Communication System), разработанный на основе стандарта AMPS.

Известны еще несколько стандартов, появившихся в середине 80-х гг.:

- С-450 – для использования в Германии и Португалии в диапазоне 450 МГц;

- RTMS (Radio Telephone Mobile System) – для использования в Италии в диа-

пазоне 450 МГц;

- Radiocom-2000 – для использования во Франции в диапазонах 170, 200, 400МГц;

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

Все названные выше стандарты являются аналоговыми ССС 1-го поколения и уже не всегда отвечают требованиям абонентов к качеству и номенклатуре услуг подвижной связи. В них используется частотная модуляция для передачи речи и частотная манипуляция для передачи сигналов управления (сигнализации). Применяется метод множественного доступа с частотным разделением каналов (Frequency Division Multiple Access – FDMA).

Аналоговый способ передачи информации с помощью частотной модуляции (ЧМ) имеет ряд существенных недостатков:

- относительно низкая емкость из-за недостаточно рационального использования выделенной полосы частот при частотном разделении каналов;

- возможность прослушивания разговоров; - отсутствие эффективных методов борьбы с замираниями сигналов под влия-

нием окружающего ландшафта и зданий.

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. К концу 80-х гг. сотовая связь подошла к новому этапу своего развития – созданию систем второго поколения на основе цифровых методов обработки сигнала.

В1982г. европейская конференция администрации почты и электросвязи - организации, объединяющей администрации связи 26 стран, - создала специальную группу (Group Special Mobile) с целью разработки единого европейского стандарта цифровой сотовой связи для выделенного в этих целях диапазона 900 МГц. Ее аббревиатура GSM и дала название новому стандарту. Первые технические требования к GSM были

опубликованы в 1990г., а уже в 1992г. 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.

ВСША 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. Американская промышленная ассоциация в области связи TIA (Telecommunications Industry Association) утвердила стандарт IS-54 на цифровую систему сотовой связи, известный также как D-AMPS.

Стандарт D-AMPS дополнительно усовершенствовался за счет введения нового типа каналов управления. Новые, полностью цифровые каналы управления введены в версии IS-136.

Стандарт GSM, продолжая совершенствоваться технически, нашел применение в новом частотном диапазоне 1800 МГц. Соответствующий стандарт в виде дополнения к стандарту GSM-900 был разработан в Европе в 1991г. и получил название DСS-1800 (Digital Cellular System). В коммерческую эксплуатацию система вступила в 1993г., а 1996г. этот стандарт получил название GSM-1800. В США разработана также версия стандарта GSM для этого диапазона («американский» вари-

ант GSM-1900 – стандарт IS-661).

Япония в 1991г. разработала собственный цифровой стандарт сотовой связи JDC (Japan Digital Cellular), близкий по показателям к американскому стандарту D-AMPS.

Перечисленные цифровые системы второго поколения основаны на методе множественного доступа с временным разделением каналов (Time Division Multiple Access – TDMA). Однако в июле 1993 г. в США был разработан стандарт системы сотовой связи на основе метода множественного доступа с кодовым разделением каналов (Code Division 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 системы мобильной связи третьего поколения еще ведутся, начало ее коммерческой эксплуатации планируется на 2002-2005 гг.

Внастоящее время в России развиваются ССПС 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.

Внастоящее время активно ведется работа по созданию и развертыванию универсальные системы мобильной связи будущего, принцип построения которых будет изложен на следующей лекции.

Принципы построения систем сотовой связи

Сотовые системы подвижной связи (ССПС) называют системы использую-

щими большое число маломощных передатчиков, которые предназначены для обслуживания только сравнительно небольших зон, называемых сотами (cell), радиусом 1…2 км. Каждая сота обеспечивается передатчиком с ограниченным радиусом действия и числом каналов. Это позволяет повторно использовать те же самые частоты в другой соте, но удаленной на значительное расстояние.

Принцип построения ССС представлен на рисунке 9.2.

Центр

коммутации подвижной связи

ТФОП

БС

Аб.

Рисунок 9.2 - Принцип построения ССС

Зона обслуживания (территория города или региона) делится на некоторое количество ячеек (сот), которые схематично изображаются в виде правильных шестиугольников имеющими сходство с пчелиными сотами. Отсюда и название этих систем – сотовые. ССС 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 базовая станция (БС), которая в пределах своей ячейки обслуживает все подвижные станции абонентов (Аб.) 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 бывает строгой геометрической формы. Реальные границы ячеек имеют вид неправильных кривых, зависящих от условий распространения и затухания радиоволн (от рельефа местности, плотности застройки и других факторов).

Структура центра коммутации

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 рисунок 9.3.

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 обеспе-

чение, включающее перепрограммируемую часть (software). Работа центра коммутации предполагает активное участие операторов, поэтому в состав центра входят соответствующие терминалы, а также средства отображения и регистрации (документирования) информации.

К другим сетям связи

К базовым станциям

Рисунок 9.3 - Структура центра коммутации

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, зарегистрированных в данной системе, и о видах услуг, которые могут быть им оказаны.

Гостевой регистр (гостевой регистр местоположения – Visitor Location Register, VLR) содержит примерно такие же 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, EIR) содержит сведения об эксплуатируемых подвижных стациях на предмет их исправности и санкционированного использования.

Структура базовой станции

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 (рисунок 9.4).

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.

Контроллер

Блок сопряжения с линией связи

К центру коммутации Рисунок 9.4 - Структура базовой станции

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

Контроллер БС представляет собой мощный компьютер, обеспечивающий управление работой базовой станции, а также контроль ее работоспособности.

Структура подвижной станции

Подвижную станцию (абонентский терминал связи или сотовый телефон) условно можно разделить на три основных блока (рисунок 9.5): 1) антенный блок; 2) приемопередающий блок; 3) блок управления.

Антенный блок состоит из самой антенны, представляющей собой четвертьволновый штырь и дуплексного разделителя каналов приема и передачи. Блок управления включает микрофон, динамик, клавиатуру и дисплей.

Более сложным по своей структуре является приемо-передающий блок. Для аналоговых подвижных станций характерно отсутствие АЦП/ЦАП и кодеков. В состав передатчика цифровой подвижной станции входят следующие элементы:

-аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) – для преобразования сигнала с выхода микрофона в цифровую форму;

-кодер речи осуществляет кодирование речевого сигнала, т.е. преобразование цифрового сигнала по определенным законам с целью сокращения объема информации, передаваемой по каналу связи;

-кодер канала – добавляет в цифровой сигнал, получаемый с выхода кодера речи, дополнительную (избыточную) информацию, предназначенную для защиты от

Методы увеличения емкости сети сотовой связи

В рамках макросотовой структуры сетей связи, на основе которой построены существующие аналоговые и цифровые ССС дальнейшее увеличение их емкости может быть достигнуто расширением используемой полосы частот и снижением уровня соканальных (взаимных) 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 взаимных помех по совпадающим частотным каналам, к которым относится:

-уменьшение радиуса сот в районах с интенсивным трафиком (переход с микро- и пико-сотовым структурам, связанный с увеличением числа БС и снижением мощности их передатчиков);

-применение секторных антенн в сотах (секторизация излучения в сотах, в том числе на разных частотах);

-адаптивное распределение каналов по сотам с учетом нагрузки (перераспределений частотного ресурса между сотами с учетом загрузки трафика в системе);

-использование интеллектуальных антенных систем (перестраивающих свои диаграммы направленности с учетом особенностей распространения радиоволн в конкретных условиях местности).

Заключение

Рассмотренные принципы построения подвижных систем радиосвязи позволяют составить общее представление о направлениях развития современных систем и сете мобильной связи, а также перспективах их использования в различных отраслях экономики и в интересах Вооруженных сил.