Сети и телекоммуникации

231

и сигналов, многократно отразившихся от неровностей рельефа, зданий и т.п.).

Многолучевое распространение приводит к таким нежелательным явлениям,

как растянутая задержка сигнала, релеевские замирания и пр.

Избежать последствий многолучевого распространения позволяет реали-

зация способа выравнивания сигналов. Он состоит в делении полезной дли-

тельности КИ на три части, в свою очередь разделенные битами флагов (см.

рис. 16.2). В середине располагается специальная легко распознаваемая син-

хропоследовательность, по которой производится выравнивание принятого КИ.

До и после синхропоследовательности располагаются по 57 бит информацион-

ной нагрузки.

Функция эстафетной передачи в GSM. В отличие от централизованного управления, характерного для систем первого поколения, в системе GSM при-

нят принцип распределенного управления между центром коммутации под-

вижной связи, базовыми станциями и подвижными терминалами. В течение всего сеанса связи подвижные терминалы измеряют уровни сигналов от сосед-

них базовых станций и результаты измерений сообщают обслуживающей их базовой станции. Последняя определяет необходимость эстафетной передачи и передает информацию о наиболее предпочтительной новой ячейке для обслу-

живания подвижного объекта системному контроллеру центра коммутации подвижной связи. Благодаря такому алгоритму распределенного управления большая часть работы выполняется не системным контроллером, а базовыми станциями и подвижными терминалами, что позволяет избежать перегрузки центрального звена и упростить процедуру эстафетной передачи.

Система GSM предоставляет пользователям широкий ассортимент услуг,

как речевых, так и неречевой природы. Помимо телефонии к речевым услугам относят вызовы спецслужб (полиция, скорая помощь, пожарные и т.п.), как правило, путем набора номера 112, который принят на Европейском континен-

те в качестве стандарта, и речевую почту.

232

Набор неречевых услуг основывается на перечне услуг ISDN и для або-

нентов сети GSM состоит из трех с половиной десятков наименований. Услуги по передаче данных различаются в зависимости от потенциальных корреспон-

дентов (абоненты телефонной сети общего пользования, либо ISDN, либо спе-

циализированных сетей), от характера передаваемой информации, от режима передачи (коммутация пакетов либо каналов, сквозной цифровой канал либо с использованием телефонных модемов и пр.), от типа терминалов и т.д. Специ-

фическими для подвижной сети являются службы коротких сообщений (SMS - Short Message Service) (исходящие, входящие и вещательные), которые по сути дела представляют собой разновидность службы персонального вызова.

Стандарт GSM принят в России в качестве федерального. С января 1996

года в Москве и области началась коммерческая эксплуатация ССПС стандарта

GSM. В настоящее время основными операторами услуг мобильной связи стан-

дарта GSM являются компании «Московские ТелеСистемы» (МТС), «Вымпел-

Ком» («Билайн») и «Мегафон». Сеть обеспечивает автоматический роуминг со странами Европы.

По данным статистического агентства Advanced Communications & Media

в августе 2011 года число пользователей сотовой связи в нашей стране состави-

ло около 225,1 миллиона человек. Число пользователей в столицах страны Мо-

скве и Санкт-Петербурге увеличилось до ~35 и ~14 миллионов соответственно.

А если говорить про регионы России, то количество абонентов увеличилось до

~177 млн.

Сотовые системы связи с кодовым разделением каналов

CDMA-системы являются частным случаем асинхронных многоадресных систем, основанных на квазиортогональных ШПС с так называемым прямым преобразованием (см.рис. 16.14). В главе 8 были рассмотрены принципы орга-

низации многоканальной сети связи на основе разделения сигналов по форме, в

частности на рис. 8.7 представлен пример ШПС сигнала на основе ЧВМ.

233

Системы и сети связи с ШПС занимают особое место среди различных систем связи, что объясняется их свойствами. Во-первых, они обладают высо-

кой помехоустойчивостью при действии мощных помех. Во-вторых, обеспечи-

вают кодовую адресацию большого числа абонентов и их кодовое разделение при работе в общей полосе частот. И, в-третьих, они обеспечивают совмести-

мость приѐма информации с высокой достоверностью и измерения параметров движения объекта с высокой точностью и разрешающей способностью.

Ретроспектива Любые попытки современных «технических журналистов» отдать лавры

первенства США в области создания теории и практики ШПС/CDMA-систем

— от лукавого. Ещѐ в 30-е годы прошлого века в трудах советских учѐных и в первую очередь Залуженного деятеля науки и техники РСФСР Д.В.Агеева

(1911-1997 г.г.) излагались основные идеи нового метода кодового разделения каналов, которые получили своѐ широкое развитие в послевоенное время. Бо-

лее того, они были реализованы на практике, в частности, в оборонной области

(системы дальней радиорелейной и тропосферной связи, системы ПВО, систе-

мы управления летальными аппаратами и др.).

В годы «холодной войны» американцы, и их саттелиты по НАТО, всяче-

ски пытались вскрыть наши ШПС-системы связи и другого назначения. Наибо-

лее яркими примерами этого являются: угон самолѐта МИГ-25 в Японию пре-

дателем Беленко 1976 году и катастрофа южнокорейского Боинга 1983 году,

сбитого над территориальными водами СССР.

В «лихие» 90-е годы наш отечественный оборонно-промышленный ком-

плекс (ОПК), чтобы как-нибудь выжить в условиях катастрофического недофи-

нансирования, предложил создать полностью отечественную систему сотовой

(мобильной) связи с кодовым разделением каналов (CDMA) на основе прямого преобразования. В это время у американцев активно использовались ШПС-сис-

234

темы на основе ЧВМ (рис. 8.7), но не в гражданской сфере, и тем более не в системах сотовой связи.

Так вот, представители ОПК обратились за помощью к руководству Фе-

дерального агентства правительственной связи и информации при Президенте Российской Федерации (ФАПСИ) с целью дальнейшего продвижения проекта российской CDMA-системы , так как генеральный директор ФАПСИ имел прямой выход на Президента России. Объяснялось это просто, тогдашний ми-

нистр связи г-н Булгак «наотрез» отказался, даже от самой идеи CDMA-

системы. Его слова были примерно такими: «мы (т.е. Россия) идѐм в Европу, а

там — GSM». После обращения генерального директора ФАПСИ к первому Президенту России, последний все материалы проекта передал всѐ тому же Булгаку, который фактически совершил стратегическую ошибку, заблокировав проект.

А дальше было следующее. Известная американская фирма «Qualcomm»

предложила нашим разработчикам проекта работу в США и «спокойно пере-

правила» их через океан. Сам проект не был секретным, а имел гриф «для слу-

жебного пользования», и поэтому почти вся команда проектировщиков уехала в США без каких-либо проблем. Уже в США проект был восстановлен, на его основании был принят американский национальный стандарт сотовой связи четвѐртого поколения! А через год американцы продемонстрировали результа-

ты «нашего» же проекта в России. И российский телекоммуникационный биз-

нес начал покупать это американское CDMA-оборудование. На нашем рынке сотовой связи появились новые бренды: «СОНЕТ» (обанкротилась), «SkyLink», «SkyNet», «I-Tell», «Кодотел» и др.

Преимущества

Представители НПО «Алмаз» передали в ФАПСИ итоговый отчѐт по результатам НИОКР. Фактически, на тот момент (1994 год) были готовы рабочие (действующие) макеты базовой CDMA-станции и двух носимых CDMA-аппаратов телефонной радиосвязи.

235

Очевиден вопрос: «А почему американские специалисты коренным обра-

зом «переориентировались» на CDMA-системы?» Дело в том, что использова-

ние ШПС в системах передачи информации даѐт ряд важных преимуществ, а

именно:

1)возможность приѐма сигналов с высокой достоверностью при мощности помех в полосе сигнала, много большей, чем мощность сигнала. Отсюда следует:

a)возможность функционирования системы связи в условиях, когда в не-

которой области на поверхности земли или в пространстве затруднено выявление факта еѐ работы приѐмными устройствами, не располагаю-

щими сведениями о законе формирования сигнала (высокая разведза-

щищѐнность );

b)с экологической точки зрения, ШПС являются более безопасными, по сравнению с сигналами, используемыми FDMA- и TDMA-системах мобильной связи;

2)значительное повышение помехоустойчивости против ряда преднамерен-

ных помех, а также импульсных и узкополосных;

3)повышение разрешающей способности сигналов и, как следствие этого,

возможность значительного улучшения работы системы в условиях мно-

голучѐвого распространения радиоволн (что является очень серьѐзной проблемой для FDMA- и TDMA-систем мобильной связи в городах и крупных населѐнных пунктах);

4)возможность передачи дополнительной информации по «загруженному» каналу;

5)возможность построения асинхронных многоадресных систем с ретранс-

ляторам и с разделением адресов (каналов) по форме или коду (т.е. сис-

тем множественного доступа с кодовым разделением каналов, при этом

Это «информация к размышлению» о защите персональных данных (Федеральный закон РФ от 27 июля 2006 года № 152-ФЗ «О персональных данных»).

236

сами системы доступа асинхронны, так как сообщения пользователей в

систему поступают не регулярно, а произвольным образом);

6)возможность построения асинхронных многоадресных систем без ретран-

сляторов с использованием некоторых специальных разновидностей ШПС;

7)возможность создания систем передачи информации, в которых затруд-

нено пеленгование и сопровождение источников излучения ШПС.

Помимо перечисленных выше фундаментальных преимуществ, сотовые

CDMA-системы позволяют значительно эффективнее использовать частотный диапазон, о чѐм свидетельствует рис. 16.13.

Рис. 16.13. Распределение диапазонов частот в TDMA-системе (а) и CDMA-системе (б)

Основные принципы построения CDMA-систем

В отечественной телекоммуникационной литературе описание основных принципов CDMA-систем сопровождается чрезвычайно сложным и порой гро-

моздким математически аппаратом, и поэтому в данной главе мы применим ряд упрощений и обобщений, которые позволят читателю без излишней детализа-

ции понять сущность организации множественного доступа с кодовым разделе-

нием каналов и структуру передаваемых ШПС, а также процесс их формирова-

ния, передачи и приѐма абонентской (мобильным телефоном пользователя) и

238

где śi(t) — сигнал i-ой АС, подвергшийся влиянию помех. Сигнал Ś представ-

ляющий собой суперпозицию из шести сигналов абонентских станций (АС)

пользователей (телефон-

A

пересекается (ортогонален) ни с одним диапазоном частот других АС (рис.

16.15).

Ś = ś F1(t) + ś F2(t) + ś F3(t) + ś F4(t) + ś F5(t) + ś F6(t) ,

При временном (TDMA) разделении сигналов (каналов) каждой АС вы-

деляется индивидуальный временной интервал, который не пересекается (орто-

гонален) ни с одним временным интервалом других АС (рис. 16.16).

Ś = ś T1(t) + ś T2(t) + ś T3(t) + ś T4(t) + ś T5(t) + ś T6(t) .

При кодовом раз-

сигналов АС в соте обеспечивается за счѐт использования специальных ШПС,

обладающих таким свойством.

Рассмотрим упрощѐнную структурную блок-схему (рис. 16.17) формиро-

вания сигнала АС si(t). Речевой сигнал (речевое сообщение) преобразуется в электрический сигнал, который подвергается аналого-цифровому преобразова-

240

ем T = 1/R. Поэтому база ШПС

B = F /R

характеризует расширение спектра ШПС относительно спектра передаваемого сообщения.

Из рис. 16.17 видно, что ФМ(ОФМ)-сигнал перемножается с ШПС, тогда выходной сигнал АС si(t) можно представить как произведение двух сигналов:

si(t) = sФМi(t) φi(t) ,

где φi(t), i = 1…6 — i-ый ШПС. Следовательно, в точке приѐма базовой CDMA-

станции соты имеет место суммарный сигнал:

Ś = śФМ1(t)φ1(t) +śФМ2(t)φ2(t) +śФМ3(t)φ3(t) +śФМ4(t)φ4(t) + +śФМ5(t)φ5(t) +śФМ6(t)φ6(t) .

Из этого выражения следует, что система ШПС φi(t) должна обладать следующими свойствами:

a)все ШПС должны быть взаимно ортогональными (или квазиортогональ-

ны, т.е. линейно независимыми):

φm(t) φn(t) = 0 , при m ≠ n ; и φm(t) φn(t) = 1 , при m = n ;

b)все ШПС должны обладать хорошими корреляционными свойствами,

предполагая малую величину боковых выбросов АКФ, т.е. предельная ве-

личина бокового выброса не должна превышать 1/M , где M — длина пе-

риода ШПС (рис. 16.19).

Рассмотренным выше свойствами обладают функции Уолша, Радемахера,

последовательности Баркера и так называемые M-последовательности , а

также ряд других функций, которые могут выступать в роли «переносчиков» сигналов различных каналов (абонентов).

Под М-последовательностью понимается линейная рекуррентная последовательность с периодом М = 2n – 1, где n — максимальная степень генераторного полинома.