Печаткин А.В. Системы мобильной связи (часть 1) Принципы организации, функционирования и частотного планирования систем мобильной связи

Подождите немного. Документ загружается.

нентов из одной соты в другую; переключение рабочих каналов в соте

при появлении помех или неисправностей; производит соединение под-

вижного абонента с тем, кто ему необходим в обычной телефонной или

мобильной сетях.

Рис. 1.4. Основные составляющие систем сотовой связи

Центр коммутации мобильной связи осуществляет выход абонентов

сети на телефонные аналоговые сети общего назначения (PSTN), цифро-

вые сети пакетной передачи (PDH), цифровые сети с интеграцией служб

(ISDN), широкополосные цифровые сети связи (BSDN и ATM), а также

каскадное соединение с аналогичными коммутаторами своей сети.

В пределах каждой соты соблюдается условие связности, т. е. каждая

BS устанавливается в точку, обеспечивающую устойчивую связь (при на-

личии определенных помех) с любой MS, находящейся в пределах площа-

ди соты.

Достоинствами сотовой системы мобильной связи являются высо-

кое качество каналов с мобильными абонентами независимо от того, в ка-

кой точке территории они находятся, а также возможность создания

больших зон обслуживания.

К недостаткам сотовых систем относятся существенное увеличение

количества каналов радиосвязи и сложности оборудования и инфраструк-

туры, обеспечивающей связь системы со стационарной телефонной сетью.

Поскольку все коммутации в сотовых системах связи обеспечиваются с



ЦКПС

PSTN

ISDN

PDH

ATM

BSD

ЦКПС

помощью ЦКПС, то надежность его работы будет определять надежность

работы всей системы.

1.3. ЛИНЕЙНЫЕ ССПС

Линейные ССПС создавались как средство повышения сервисных ус-

луг фиксированной сети PSTN для удаленных телефонных абонентов –

рис. 1.5.

Рис. 1.5. Организация радиосвязи в линейных ССПС

Организация связи в линейных системах состоит в создании радиона-

правлений между базовыми телефонными аппаратами (базовыми терми-

налами), которые подключаются к линии телефонной связи, с мобильны-

ми телефонными аппаратами (мобильными терминалами абонентов).

Линейная мобильная система позволяет использовать создаваемый

радиоканал при перемещении мобильного терминала абонента в пределах

ограниченного расстояния. Основу (канальную базу) линейной системы

составляет дуплексная пара рабочих частот (дуплексный канал), обеспе-

чивающий связь мобильного терминала (МТ) абонента с базовым терми-

налом (ВТ), соединенным с линией телефонной связи – рис. 1.5 а. Другим

вариантом использования линейных мобильных систем является органи-

зация радиоканала между носимой MS и бортовой MT мобильными стан-

циями при выходе абонента из подвижного объекта – рис. 1.5 б.

Т. о, линейные ССПС позволяют с помощью радиоканалов обеспечи-

вать «удлинение» кабеля телефонной трубки, поэтому такие системы час-

то называют радиоудлинителями. На бытовом уровне подобные системы

широко используются в квартирных телефонных аппаратах.

АТС

а)

б)

пр

прд

пр

прд

АТС

пр

прд

Телефонная

сеть

Достоинствами линейных систем мобильной связи являются удобст-

во эксплуатации и возможность более эффективного использования ста-

ционарной телефонной сети.

К недостаткам систем относятся ограниченные расстояния радиоли-

нии, а также возможность несанкционированного использования абонент-

ского телефонного аппарата.

Типичным примером являются системы аналогового радиоудлинения

в диапазоне 39…40 МГц и популярные системы цифровой европейской

беспроводной электросвязи диапазона 900, 1800 и 1900 МГц – стандарт

DECT (англ. Digital European Cordless Telecommunications).

1.4. ГЛОБАЛЬНЫЕ ССПС

Глобальные мобильные системы связи по принципам построения не

отличаются от наземных мобильных систем связи. Основное отличие со-

стоит в том, что в качестве BS используются бортовые многоканальные

радиотехнические комплексы (БРТК) искусственных спутников земли

(ИСЗ), размещенных на низких орбитах – рис. 1.6.

Система узконаправленных антенно-фидерных устройств (АФУ)

БРТК позволяет обеспечивать высокий энергетический потенциал радио-

линий в любой точке зоны обслуживания на земле и использовать мало-

мощные передатчики и слабонаправленные антенны MS для непосредст-

венной связи с ИСЗ на орбите – принцип «трубка в руке».

Для связи мобильного абонента с любым мобильным абонентом од-

ной зоны обслуживания используется дуплексный радиоканал с ретранс-

ляцией через бортовую базовую станцию. Для связи мобильного абонента

с любым абонентом сети PSTN используется специальный радиоканал

между бортовой и наземной базовыми станциями. Наземная базовая стан-

ция (наземная шлюзовая станция) с помощью магистральной соедини-

тельной линии соединяется с автоматической междугородней телефонной

станцией (АМТС) или сетевым узлом данной зоны.

Для связи мобильного абонента с любым мобильным или стационар-

ным абонентом других зон обслуживания ретрансляция сообщений может

осуществляться двумя способами:

1) ретрансляция сообщений по специальным радиоканалам, созда-

ваемым между БРТК соседних ИСЗ (ретрансляция в космосе);

2) ретрансляция сообщений по каналам наземных магистральных

линий связи (ретрансляция на земле).

Системы спутниковой радиотелефонной связи позволяют обеспечи-

вать связь между мобильными абонентами различных континентов, по-

этому такие системы часто называются глобальными системами мобиль-

ной связи.

Рис. 1.6. Организация радиосвязи в спутниковых ССПС

1.5. СИСТЕМЫ ПЕРСОНАЛЬНОГО РАДИОВЫЗОВА

Системы персонального радиовызова (СПРВ) являются радиальными

системами с односторонней связью, в которых радиосообщения переда-

ются мобильному абоненту в виде коротких формализованных команд

(цифр, текста, реже – графики).

Для передачи сообщения от абонента сети PSTN требуемому мобиль-

ному абоненту СПРВ используется радиоканал между базовым передат-

чиком и носимым терминалом абонента (радиоприемником). Вызывные

сообщения от телефонного абонента поступают на базовый передатчик

через контрольно-оконечную станцию (КОС), подключенную к стацио-

нарной сети PSTN – рис. 1.7.

Форма радиосообщений может быть как цифровой, так и аналоговой.

Сообщения отражаются на дисплее приемного терминала или излучаются

в виде звуковых сигналов («блип-блип» – отсюда название блипповые сис-

темы связи). Аналоговые сообщения принимаются в виде коротких фраз

или слов.



ЦКПС

ISDN PSTN PDH

Приемные терминалы пользователей СПРВ представляют собой ми-

ниатюрные радиоприемные устройства, которые заранее настраиваются

на общую рабочую частоту базового радиопередатчика.

Рис. 1.7. Организация радиосвязи в СПРВ

Поскольку основной задачей системы является поиск (англ. paging)

подвижного абонента и передача команды сообщения, то такие системы

часто называются пейджинговыми, а приемные терминалы пользователей

– пейджерами.

Пейджер способен хранить в своей памяти несколько сообщений и

извещать о них не только звуком и отображением, но и вибросигналом

(«вызов из кармана»). Увеличение зоны обслуживания системы обеспечи-

вается путем использования достаточно мощных базовых передатчиков,

территориальных ретрансляторов (репитеров) и размещения их антенн на

значительных высотах (в том числе и на ИСЗ).

Полный объем услуг современных пейджинговых сетей показан на

рис. 1.8.

Пейджинговый

терминал

Контроллер

зоны

обслуживания

Диспетчерский

пульт

АМТС

РРЛ

Рис. 1.8. Детализированный набор сервисных услуг современной

пейджинговой сети











Спутниковые системы

связи и навигации

Спутниковый

канал трансляции

сообщений

Сеть базовых

спутниковых

станций

Система

авиационной доставки

пейджинговых

сообщений

Пейджинговый

ретранслятор

(репитер)

Информационное

обслуживание

автомагистралей

Пейджинговый

радиороуминг

Абонент

пейджинговой

сети

Мобильный

терминал

двухстороннего

пейджинга

Противоугонная

система

Охранная

система

Диспетчерская

транспортного

предприятия

Информационное

табло

Оперативные

службы

сигнализ

ции

1.6. ОСОБЕННОСТИ РАДИОКАНАЛОВ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ

Для успешного функционирования и выполнения требуемых задач

любая система связи подвижной службы вне зависимости от ее вида и на-

значения должна иметь возможность включения в другую систему в об-

щей иерархии систем связи, использующих Единую Национальную Сеть

Связи Российской Федерации (ЕНСС).

Это, в свою очередь, накладывает жесткие требования на условия со-

пряжения систем, а, следовательно, и на каналы мобильной радиосвязи.

Так, например, должны выполняться следующие основные требования [1]:

 количество каналов радиосвязи должно удовлетворять возможно-

сти массового обслуживания абонентов;

 каналы радиосвязи должны иметь полосы частот, обеспечивающие

передачу стандартных сигналов;

 помехи и искажения в радиоканалах не должны ухудшать качество

составных каналов при сопряжении различных систем связи;

 входные и выходные уровни радиосистемы должны обеспечивать

стандартный интерфейс между каналами различных систем.

Выполнение указанных требований на практике встречает серьезные

трудности, связанные с существенным отличием каналов подвижной ра-

диосвязи от каналов стационарных систем и обусловленные особенностя-

ми линий радиосвязи и спецификой работы мобильных радиостанций.

Т. о, каналы подвижной радиосвязи представляют совокупность тех-

нических устройств (терминалов) и линий радиосвязи, обеспечивающих

передачу и прием сообщений от источников к получателям посредством

распространения электромагнитной энергии в пространстве.

Мобильные терминалы системы (мобильные станции – MS) включа-

ют радиопередающие (РПдУ), радиоприемные (РПУ) и антенно-фидерные

(АФУ) устройства.

Радиопередающие устройства обеспечивают преобразование сооб-

щений в радиосигналы.

Радиоприемные устройства осуществляют обратное преобразование

радиосигналов в сообщения.

Антенные устройства преобразуют радиосигналы электрической це-

пи в форму электромагнитного поля. Антенные устройства могут быть

приемными, передающими и приемо-передающими. С выходом передат-

чика или входом приемника антенные устройства соединяются с помо-

щью фидерных линий.

Совокупность радиопередающих, радиоприемных, антенно-

фидерных, управляющих (операционных) и вспомогательных устройств

образует радиостанцию – рис. 1.9.

Рис. 1.9. Типовая структурная схема мобильного терминала

Источником (получателем) сообщений может быть абонент, осущест-

вляющий радиотелефонную связь, или оконечное устройство – цифровой

автомат (локальный компьютер, коммуникационный сервер и т. п.), осу-

ществляющий обработку дискретной информации.

При передаче телефонных сообщений первичные электрические сиг-

налы от микрофона интерфейса пользователя поступают на радиопередат-

чик.

При приеме телефонных сообщений первичные электрические сигна-

лы с выхода радиоприемника поступают на телефон интерфейса пользова-

теля.

При телекодовой радиосвязи цифровые последовательности от ком-

муникационного сервера локальной сети или компьютера пользователя

поступают в радиостанцию через модем, который обеспечивает их преоб-

разование в помехоустойчивую форму с требуемой скоростью передачи.

В мобильных системах, микропроцессор и операционный блок объе-

диняются в единое устройство, входящее совместно с радиостанцией в со-

став мобильных терминалов.

В состав мобильных терминалов входят также оконечные устройства:

микрофон, телефон, дисплей, вызывное устройство.

Интерфейс Радиостанция

Модем

РПУ

пр

АФУ

прд

демодулятор

телефон

микрофон

Абонент сети

мобильной

радиосвязи

(источник/

получатель

сообщений)

Операционный блок

РПдУ

демодулятор

вызывное

устройство

дисплей

микро

процессор

2. РАДИОКАНАЛЫ МОБИЛЬНЫХ СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ

Как уже отмечалось выше, в зависимости от типа и назначения мо-

бильной системы каналы связи могут быть симплексными (односторонни-

ми) и дуплексными (двухсторонними).

При использовании симплексных каналов радиосвязь организуется на

одной рабочей частоте, на которую настраивается радиоприемник и ра-

диопередатчик мобильной станции. Сообщения передаются попеременно

то в одну, то в другую стороны. Системы, использующие симплексные

радиоканалы, как правило, являются локальными (автономными). Каналы

симплексных систем не могут сопрягаться со стандартными каналами

стационарных сетей общего использования (PSTN). Наиболее часто сим-

плексный принцип обмена сообщениями применяется в транкинговых

системах радиосвязи диапазона декаметровых волн.

Дуплексные радиоканалы используются в мобильных системах радио-

телефонной связи общего пользования (сотовой и спутниковой мобиль-

ных системах связи), а также в радиоудлинителях. Радиосвязь между ра-

диостанциями организуется на двух рабочих частотах частоте передачи

прд

и приема f

пр

В качестве линии связи любого радиоканала используется естествен-

ная среда распространения радиоволн, т. е. пространство между передаю-

щими и приемными антеннами радиостанций. Поскольку местоположение

мобильных терминалов в пространстве постоянно меняется, это приводит

к неопределенности оценки направления радиосвязи и обуславливает пре-

имущественное использование в мобильных терминалах малоэффектив-

ных антенн с круговой диаграммой направленности.

При формировании радиолиний в системах мобильной связи исполь-

зуется, как правило, диапазон ультракоротких волн (УКВ), включающий

метровые волны (очень высокие частоты – ОВЧ), дециметровые волны

(ультравысокие частоты – УВЧ) и сантиметровые волны (сверхвысокие

частоты – СВЧ). Радиоволны этих диапазонов не имеют свойств ионо-

сферного отражения. Механизмом передачи энергии сигналов является

электромагнитное поле, распространяющееся прямолинейно. При связи

между наземными объектами радиоволны распространяются вдоль по-

верхности земли (земные волны). При связи между наземной станцией и

спутниковой станцией радиоволны распространяются в тропосфере и ио-

носфере. Ввиду непосредственного приближения антенн к земле в назем-

ных терминалах средой распространения радиоволн служит нижняя часть

атмосферы земли – тропосфера. Тропосфера в непосредственной близости

от земли отличается постоянством параметров диэлектрической прони-

цаемости ε

тр

и удельной проводимости σ

тр

, причем, ε

тр

в нижнем слое, не-

посредственно примыкающим к земле, приближается к диэлектрической

проницаемости свободного пространства (вакуума) ε

= 8,8510

Ф/м. Это

обуславливает постоянство коэффициента преломления радиоволн n

тр

тропосфере на протяжении трассы радиосвязи [8]:

0031

тр

,n 



 .

(2.1)

Т. о, приземный слой тропосферы практически не оказывает влияния

на прямолинейность коротких траекторий трасс радиосвязи.

В настоящее время наиболее широко в мобильной связи используется

диапазон УКВ, важными достоинствами используемых радиочастотных

спектров которого являются:

 большая частотная емкость, позволяющая создавать значительное

количество каналов радиосвязи с достаточно широкими полосами частот:







minmax

(2.2)

где N

– количество рабочих частот (каналов связи); f

max

, f

min

– минималь-

ная и максимальная несущие частоты используемого диапазона;

f

– ширина полосы частот, выделяемый компанией-оператором или

используемым стандартом на один канал радиосвязи.

 возможность применения стандартных помехоустойчивых видов

работы (телефон, передача данных, телеметрия) с классами сигналов F3

(частотная модуляция), F1 (частотная манипуляция), F9 (относительная

фазовая манипуляция), что позволяет передавать цифровые сообщения со

скоростью 1200...3600 бит/с;

 отсутствие влияния атмосферных помех и аддитивных сосредото-

ченных помех дальних УКВ радиостанций.

Вместе с тем используемым диапазонам свойственны следующие не-

достатки:

1) существенные затухания сигналов на трассах радиосвязи, дости-

гающие 140...160 дБ;

2) значительные колебания уровней радиосигналов при движении

объектов с глубиной замираний 100...120 дБ;