Занятие №16.«Подвижные и беспроводные системы радиосвязи»

ОП.06 Автоматизированные системы управления и связь

Тема 3: «Основы радиосвязи»

Занятие №16.«Подвижные и беспроводные системы радиосвязи»

Подвижные (мобильные) системы радиосвязи – вид телекоммуникаций, при котором голосовая, текстовая и графическая информация передается на абонентские беспроводные терминалы, не привязанные к определенному месту или территории. Различаются спутниковая, сотовая, транкинговая и др. виды мобильной связи.

Затраты на создание сотовых сетей велики, поэтому целесообразно арендовать необходимую емкость у местных операторов и приобретать нужное количество абонентских терминалов. По этой причине сотовую связь можно рассматривать как дополнительные достаточно удобные виды оперативной связи.

Современные системы подвижной связи общего пользования (например, IMT-2000) изначально создаются как универсаль­ные средства, которые будут предоставлять весь современный набор теле­коммуникационных услуг вплоть до мультимедиа. На сегодняшний день в России функционируют сотовые сети трех основных стандартов: NMT-450, AMPS/DAMPS, GSM. Развиваются беспроводные системы, основанные на других стандартах и технологиях, например, IS-95 (CDMA), DCS-1800 (аналог GSMв более высоком частотном диапазоне), DECT.

В большин­стве случаев для пользователя главное – репутация оператора, его тариф­ная политика, зона обслуживания в данный момент и в перспективе. Главные особенности таких сетей:

– возможность интеграции мобильных телефонов в учрежденческую АТС компании, а внутренних офисных телефонов в городскую сеть;

– гибкая система оплаты услуг в зависимости от количества мобиль­ных телефонов (наибольшая эффективность достигается при наличии 20 и более аппаратов);

– предоставление сотовых каналов для дополнительных приложений (банкоматы, системы сигнализации, местоопределение мобильных объек­тов и т. д.).

В последнее время достаточно популярным во всем мире является стандарт IS-95, основанный на технологии CDMA. На его основе органи­зуются сети сотовой связи и беспроводной фиксированной связи (WLL). Связь полностью цифровая, базируется на использовании ансамбля орто­гональных широкополосных сигналов, осуществляется в России в диапа­зоне 800 МГц. На территории нашей страны стандарт IS-95 разрешен для использования в сетях WLL.

В середине прошлого века исследовательский центр BellLaboratoriesамериканской компании ЛТ&Т предложил идею разбиения всей обслужи­ваемой территории на небольшие участки, которые стали называться со­тами (cell- ячейка, сота). Каждая сота должна была обслуживаться пере­датчиком с ограниченным радиусом действия и фиксированной частотой, которую можно было без взаимных помех использовать в другой ячейке повторно.

Основой сотовой связи является передача ра­диосигналов в FM-диапазоне. Сотовая архитектура является всего лишь из­менением философии системы радиосвязи.

Основные принципиальные отличия сотовой связи:

– низкая мощность передатчиков и небольшие зоны передачи сигналов;

– повторное использование частот для повышения эффективности эксплуатации всего частотного диапазона;

– разбиение области охвата на соты в целях повышения пропускной способности сети;

– передача вызова и централизованное управление для обеспечения мобильной связи между разными сотами.

Новым шагом в развитии подвижных систем сотовой связи явилось принятие международной организацией стандартов (ISO) концепции ин­теллектуальных сетей связи и модели открытых систем (OSI). Она преду­сматривает объединение подвижных систем сотовой связи, систем радио­вызова и персональной связи при условиях оперативного предоставления абонентам каналов связи и развития услуг. Модели OS1 интерпретируют процесс передачи сообщений как взаимодействие функциональных взаи­мосвязанных уровней, каждый из которых имеет встроенный интерфейс на смежном уровне.

Беспроводную связь сотовому телефону предоставляет сеть базовых станций. Каждая станция обеспечивает доступ к сети на ограниченной территории, площадь и конфигурация которой зависит от рельефа местности и других параметров. Перекрывающиеся зоны покрытия создают структуру, похожую на пчелиные соты; от этого образа и происходит термин «сотовая связь».

Рис. 16.1. Построение сот для трех частот: F 1, F 1, F 1– частоты; d – расстояние между станциями; R – размер (радиус) зоны обслуживания базовой станции

Рис. 16.2. Схема построения системы сотовой связи

При перемещении абонента его телефон обслуживается то одной, то другой базовой станцией, причем переключение (смена соты) происходит в автоматическом режиме, совершенно незаметно для абонента, и никак не влияет на качество связи. Такой подход позволяет, используя радиосигналы малой мощности покрывать сетью мобильной связи большие территории, что обеспечивает этому виду коммуникаций, помимо эффективности, еще и высокий уровень экологичности. Компания-оператор не только технически обеспечивает мобильную связь, но и вступает в экономические взаимоотношения с абонентами, которые приобретают у нее некоторый набор основных и дополнительных услуг. Так как видов сервисов достаточно много, расценки на них объединяют в комплекты, именуемые тарифными планами. Вычислением стоимости оказанных каждому абоненту услуг занимается билинговая система (программно-аппаратная система, ведущая учет предоставленных абоненту услуг и сервисов).

Билинговая система оператора взаимодействует с аналогичными системами других компаний, например, предоставляющих абоненту услуги роуминга (возможность пользоваться мобильной связью в других городах и странах). Все взаиморасчеты за мобильную связь, в том числе и в роуминге, абонент производит со своим оператором, который является для него единым расчетным центром.

Роуминг — доступ к сервисам мобильной связи за пределами зоны покрытия сети «домашнего» оператора, с которым у абонента заключен контракт.

Находясь в роуминге, абонент обычно сохраняет свой телефонный номер, продолжает пользоваться своим сотовым телефоном, совершая и принимая звонки точно так же, как и в домашней сети. Все необходимые для этого действия, включая межоператорский обмен трафиком и привлечение по мере необходимости ресурсов других коммуникационных компаний (например, обеспечивающих трансконтинентальную связь), производятся автоматически и не требуют от абонента дополнительных действий. Если домашняя и гостевая сети предоставляют услуги связи в разных стандартах, роуминг все равно возможен: абоненту на время поездки могут выдать другой аппарат, при этом сохраняя его телефонный номер и автоматически маршрутизируя звонки.

Центр коммутации (MSC) — это автоматическая телефонная станция системы сотовой связи, обеспечивающая все функции управления сетью (см. рис. 16.2). Он осуществляет постоянное слежение за подвижными станциями, органи­зует их эстафетную передачу, в процессе которой достигается непрерыв­ность связи при перемещении подвижной станции из соты в соту. Кроме того, центр коммутации производит переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностей и осуществляет соединение по­движного абонента с абонентом городской телефонной сети.

Технологии уплотнения каналов связи. Использование широкого спектра частот для организации беспровод­ной связи крайне дорого в обслуживании. Поэтому применяются специ­альные технологии, позволяющие сразу множеству абонентов использо­вать один и тот же спектр частот. Такими технологиями являются:

Множественный доступ с частотным разделением каналов (FDMAFrequencyDivisionMultipleAccess). Каждому пользователю предоставляется отдельный канал (при использовании полнодуплексного метода — два кана­ла), на частоту которого настраиваются приемник и передатчик. Радио- и те­левизионные станции получают спектр радиочастот по этому же принципу.

Множественный доступ с временным разделением каналов (TDMATimeDivisionMultipleAccess) представляет собой процесс, при котором каждому пользователю отводится определенный интервал времени дляпередачи информации. В цифровых сотовых системах информация сначала должна быть конвертирована из аналоговой формы (человеческий голос) в цифровую (последовательность нулей и единиц). Устройство для коди­рования/декодирования (кодек) проводит преобразование сигнала из ана­логовой формы в цифровую и наоборот. Чем лучше работает кодек, тем большее количество интервалов времени доступно для распределения. Множественный доступ с временным разделением каналов обычно используется в сочетании с множественным доступом с частотным разделением каналов.

Множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA, CodeDivisionMultipleAccess) представляет собой технологию, принципиально от­личную как от FDMA, так и TDMA. Вместо разделения пользователей по частотам или времени передачи сигнала каждый из них получает в свое распоряжение весь спектр частот в течение всего времени.

Множественный доступ с кодовым разделением каналов имеет целый ряд преимуществ, включая увеличение пропускной способности канала связи, большую безопасность и лучшее качество связи.

Технология FDMA (FrequencyDivisionMultipleAccess) пред­ставляет собой форму уплотнения канала связи на основе частотного раз­деления каналов. Доступный спектр частот разбит на каналы нескольких типов, которые предназначены для управления, сигнализации или переда­чи собственно полезной информации. Каждый частотный канал принадле­жит отдельному пользователю, кроме канала управления, который являет­ся общим для всех пользователей. Данная технология применяется традиционными аналоговыми системами, ширина спектра каждого канала при этом составляет 30 кГц.

Технология TDMA (TimeDivisionMultipleAccess) применяет­ся в технологии мультиплексирования с временным разделением каналов в пределах одного канала. При использовании TDMAканал связи должен иметь достаточно высокую пропускную способность, чтобы обеспечить множественным абонентам возможность пользоваться этим каналом одно­временно. Технология TDMA, как правило, сочетается с технологией FDMA. Различные спецификации сотовых сетей предусматривают не­сколько вариантов ширины канала связи.

В технологии CDMAиспользуется множественный доступ с кодовым разделением каналов по принципу, позволяющему выделить от­дельный диалог из множества разговоров, ведущихся вполголоса (на уровне фонового шума). При применении технологии CDMAмножество абонентов используют один и тот же диапазон частот, не нарушая диалог других або­нентов. Предоставление каждому абоненту возможности однозначно иден­тифицировать нужный ему диалог среди множества диалогов позволяет бо­лее эффективно использовать спектр частот.

Беспроводные системы третьего поколения. Первые системы беспроводной связи (например, NordicMobileTelephoneили AdvancedMobilePhoneService) были основаны на аналоговых технологиях. В рамках множественного доступа с частотным разделением каналов каждому абоненту выделялась пара частот, т. е. пара симплексных каналов передачи речи посредством радиосвязи в двух направлениях. С помощью частотной модуляции речевой сигнал передавался между мо­бильным устройством абонента и базовой станцией. В числе сервисов была передача речи и некоторых данных по низкоскоростным каналам.

В 1990-х гг. акценты в сфере мобильной телефонии сместились в сто­рону цифровых технологий, что позволило значительно повысить про­пускную способность систем беспроводной связи. Речевой сигнал перево­дится в цифровую форму и передается в течение определенного интервала времени по каналу связи, предназначенному для данного звонка. Этот про­цесс позволяет множеству абонентов одновременно пользоваться одним и тем же каналом связи, который в аналоговых системах использовался бы только одним из них.

В XXI в. развитие беспроводных систем связи осуществляется в направ­лении третьего поколения (3G, 3 Generation), а именно сетей стандарта InternationalMobileTelecommunications-2000 (IMT-2000), предложенного Международным союзом по телекоммуникациям (ITU, InternationalTelecommunicationUnion). Эта цифровая технология обещает обеспечить широкомасштабные услуги цифровой связи. Эфирный интерфейс с наиболь­шей вероятностью будет представлен широкополосным вариантом CDMA-технологии. В настоящее время предоставляются те же услуги голосовой свя­зи, а также происходит ощутимое расширение спектра услуг по передаче данных. ЗС-системы будут предоставлять мультимедийные сервисы.

Мобильные системы связи третьего поколения представляют собой мобильные сетевые технологии, способные передавать данные между мо­бильной станцией и сетевым терминалом со скоростью 2 Мбит/с.

Во-первых, скорость передачи данных 2 Мбит/с позволяет реализо­вать мобильные мультимедийные сервисы, при этом фактическая скорость передачи данных будет зависеть от требований к мобильности, предъявля­емых к конкретным пользователям. Во-вторых, эти сервисы получают або­ненты сетей самых различных типов. Можно пользоваться от простейшей беспроводной телефонной сети до сложнейшей широкополосной спутни­ковой системы связи. В-третьих, система имеет глобальный характер с возможностью получать услуги связи одинакового качества абонентам по всему миру. Таким образом осуществляется гармоничное взаимодействие между сетями с различными сетевыми стандартами и обеспечиваются предпосылки к созданию единого международного стандарта.

Вопросы и задания

1. По какой причине сотовую связь можно рассматривать как дополнительные достаточно удобные виды оперативной связи?

2. Какие виды услуг могут предоставлять современные системы подвижной связи общего пользования (например, IMT-2000)?

3*. Сотовые сети каких стандартов на сегодняшний день функционируютв России? ** Дополните сведениями из сети Интернет.

4. Каковы главные особенности сетей сотовой связи?

5**. На основе какого стандарта органи­зуются сети сотовой связи и беспроводной фиксированной связи (WLL)? Дать полный ответ.

6**. Краткая история возникновения сотовой связи.

7*. Что являетсяосновой сотовой связи и чем является сотовая архитектура для данной системы связи?

8. Каковы основные принципиальные отличия сотовой связи?

9**. Что является новым шагом в развитии подвижных систем сотовой связи?

10*. Опишите принцип функционирования сотовой системы связи проиллюстрировав описание рисунками 16.1 и 16.2.

11*. Каково назначение билинговой системы оператора?

12. Что такое роуминг и что в нем происходит?

13**. Дайте краткую характеристику технологиям уплотнения каналов связи. Можно выполнить в виде таблицы.

14*. Как осуществляется развитие беспроводных систем связи в направ­лении третьего поколения?

15. Что представляют собоймобильные системы связи третьего поколения?

16*. Каковы три особенности мобильных систем связи третьего поколения?

17**. Используя информацию из сети Интернет, дайте краткую характеристику перспективным системам связи 4-го поколения.