Системы подвижной радиосвязи

 

В настоящее время доминирующее положение на рынке подвижной радиосвязи занимают:

профессиональные (частные) системы подвижной радиосвязи (PMR – Professional Mobil Radio, PAMR – Public Access Mobile Radio);

системы персонального вызова (Paging System);

системы сотовой подвижной радиосвязи (Cellar Radio System);

системы беспроводных телефонов.

Безусловно, наибольший интерес представляют системы сотовой связи, которые буквально произвели революцию в телефонии, приобрели массовый характер, активно включаясь в системы передачи данных и ГВС. Однако чтобы понять причины появления этих систем и их принципиальные особенности, необходимо, хотя бы кратко, остановиться на профессиональных (частных) системах подвижной связи, которые, можно сказать, были прародителями сотовых систем, поскольку исторически они появились первыми. Часть этих систем, обеспечивающих взаимодействия с телефонными сетями общего пользования, получила названия частных (PAMR), а не обеспечивающих такого взаимодействия – профессиональных (PMR), т.е. обеспечивающих связью замкнутую группу абонентов.

 

 

Рис. 8.4. Структура профессиональных (частных) систем

подвижной радиосвязи

 

В первых профессиональных системах передатчик и приемник проектировались для работы на определенной фиксированной частоте, каждый радиоканал был закреплен за сравнительно небольшой группой абонентов (рис. 8.4, а). Если число абонентов превышало возможности одного канала, образовывали другую группу, за которой закрепляли другой радиоканал.

В системе с общедоступным пучком каналов (транкинговые системы – рис. 8.4, б) всем абонентам доступна группа каналов. При поступлении вызова за парой абонентов закрепляется один из свободных каналов. После отбоя канал освобождается и может быть предоставлен любой другой паре абонентов, технически это реализуется различными способами.

Пропускная способность системы с общедоступным пучком каналов существенно выше пропускной способности системы с закрепленными каналами.

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

На транкинговом принципе действия, начиная с 60-х годов прошлого столетия, был создан ряд как отечественных, так и зарубежных систем подвижной связи, которые модернизируются и используются по настоящее время, применяя различные стандарты.

Общей тенденцией развития профессиональных систем подвижной радиосвязи является переход от аналоговых корпоративных и национальных стандартов к цифровым международным стандартам с обеспечением конфиденциальности связи и роуминга абонентов. Внедрение общеевропейского стандарта на транкинговые системы подвижной радиосвязи TETRA началось в Европе в конце 90-х годов первоначально в интересах служб безопасности, полиции и охраны границ.

Однако эффективность транкинговых систем с радиальной структурой сети оказывается недостаточной для удовлетворения массового спроса на услуги подвижной связи в густонаселенных районах. Так, в Москве с ее 10-миллионным населением обеспечение только 0,1 % жителей подвижной связью при стандартных условиях качества обслуживания (средняя длительность переговоров 1,5 мин, вероятность блокировки 5 %) потребует выделения 250 радиоканалов.

Проблему организации подвижной связи для густонаселенных районов удалось решить путем построения подвижной связи по сотовому принципу. Этот принцип является основой современной всемирной мобильной телефонии.

Система сотовой подвижной радиосвязи использует большое число маломощных передатчиков, которые предназначены для обслуживания только сравнительно небольшой зоны (радиусом 1 – 2 км). Эти небольшие зоны покрытия называют сотами. Такая организация предполагает, что все имеющиеся в распоряжении частотные каналы могут повторно использоваться в каждой ячейке сотовой структуры. Тогда требуемые для 0,1 % жителей Москвы 250 каналов можно получить, например, разделением обслуживаемой территории радиусом 50 км на 25 ячеек радиусом 10 км с организацией в каждой ячейке по 10 радиоканалов с одним и тем же набором частот.

Из-за недопустимого большого уровня взаимных помех ячейки с одинаковым набором частот необходимо перемежать буферными ячейками с другим набором частот. Группа ячеек с одинаковым набором частот называется кластером.

Мобильные телефонные системы можно разделить на поколения. Системы первого поколения основаны на передаче аналогового сигнала путем частотной модуляции. Они были рассчитаны в основном на обслуживание абонентов в рамках национальных границ.

Из-за растущей популярности систем первого поколения и, соответственно, усиления конкурентной борьбы за доступные частоты возникала потребность в других системах, более эффективно использующих спектр сигнала. Эта задача была решена системами второго поколения, в которых применялись цифровые технологии и методы множественного доступа с временным разделением (TDMA – Time Division Multiple Access) или множественный доступ с кодовым разделением (CDMA – Code Division Multiple Access). Третье поколение мобильных телефонных систем призвано объединить многочисленные системы второго поколения единым стандартом.

Рассмотрим принцип работы и структуру системы сотовой связи на примере наиболее простой, разработанной в США в 1987 г. системы первого поколения AMPS (Advanced Mobile Phone Service – перспективная мобильная телефонная связь), в которой используются все основные функциональные блоки любой системы сотовой связи следующих поколений. На рис. 8.5 представлена схема функционирования системы AMPS, разработанная компанией AT&T в 80-х годах и в дальнейшем получившая распространение в Северной и Южной Америке, Австралии и Китае.

 

Рис. 8.5. Схема функционирования системы AMPS

 

Под систему AMPS (в Северной Америке) выделено два частотных диапазона шириной по 25 МГц. Один для передачи от базовой станции к мобильному телефону (869-894), другой для передачи от мобильного телефона к базовой станции (824-849). Каждый из этих диапазонов поделен пополам по 12,5 МГц и предоставляется двум различным операторам (с целью конкуренции на рынке присутствуют два оператора связи), т.е. каждому оператору выделяется по 12,5 МГц в каждом направлении. Эта полоса частот разбивается на каналы, каждому каналу выделяется полоса частот 30 кГц, таким образом, весь диапазон разделяется на 416 каналов. Двадцать один канал требуется под управление, в результате для телефонных разговоров остается 395 каналов. В большинстве случаев 395 каналов явно недостаточно. В связи с этим в системе AMPS реализована одна из основополагающих идей сотовой связи – многократное использование одних и тех же частот, т.е. их пространственное распределение. В качестве идеализированного примера многократного использования частоты на рис. 8.5 представлено гексагональное мозаичное разбиение территории на соты. В каждой соте установлен один приемопередатчик (базовая станция). Мощность сигнала станции тщательно контролируется, чтобы обеспечить устойчивую связь в пределах соты и в то же время максимально снизить интерференцию от телефонных сигналов в соседних сотах. Как правило, каждой соте назначается от 10 до 50 частот в зависимости от ожидаемого трафика. Между сотами с одинаковыми частотами располагаются промежуточные соты (использующие другой диапазон частот). Возможны различные варианты решения вопроса о числе промежуточных сот и схемы распределения частот. Со временем, по мере того как разработанной схемой начинает пользоваться все большее количество клиентов, количество частот, выделяемых одной соте, может оказаться недостаточным. В этом случае прежние соты могут дополнительно разбиваться на соты меньшего размера. Как правило, используются соты с изначальным размером в 6,5 – 13 км. Соты меньшего размера могут быть разбиты на еще более мелкие. Однако размер сот в 1,5 км близок к минимальному. На практике распределение трафика и топографические характеристики не являются однородными. Ячейки небольших размеров требуются только в центральной части города со значительной плот­ностью абонентов. Ближе к окраинам плотность снижается, и размеры ячеек могут увеличиваться. Расщепление ячеек может производиться достаточно гибко как в пространстве, так и во времени. Правда, использование сравнительно небольших сот усугубляет проблему поддержания непрерывной связи.

При движении по непрерывному маршруту объект системы в течение одного сеанса связи может миновать несколько ячеек. В этом случае непрерывность связи обеспечивается способностью системы автоматически передавать связь с объектом тем базовым станциям, в зоне действия которых он оказывается в данный момент. Кроме того, для сот меньшего размера необходимо снизить мощность сигнала внутри соты.

Благодаря непрерывным изменениям уровней сигналов, поступающих в центр коммутации подвижной связи базовых станций, ближайших к движущемуся объекту, система может определить момент пересечения границы двух ячеек и переключить разговорный канал из первой ячейки во вторую в течение достаточно малого промежутка времени, не приводящего к нарушению непрерывности разговора. Такая процедура, получившая название эстафетной передачи (haudover), требует весьма сложного алгоритма определения именно той ячейки из нескольких соседних, куда перемещается объект, а также быстродействующих алгоритмов и схемотехнических решений, обеспечивающих освобождение канала в первой ячейке и поиск свободного канала с восстановлением по нему связи во второй ячейке. Хорошо управляемая система способна поддерживать несколько десятков тысяч одновременных телефонных разговоров.

У каждого мобильного телефона стандарта AMPS есть три идентификатора. Электронный порядковый номер представляет
32-разрядный аппаратный идентификатор, назначаемый мобильному телефону его производителем. Системный идентификационный номер представляется собой 15-разрядный код, идентифицирующий системного оператора, к которому относится мобильный телефон. С его помощью система может выявлять мобильные телефоны, работающие за пределами обслуживания системного оператора, абонентом которого является владелец данного телефона. Работу мобильного телефона за пределами зоны обслуживания своего системного оператора называют «роумингом» (от английского слова rouming – бродяжничество). Для мобильных телефонов, работающих за пределами обслуживания своего системного оператора, должны выполняться специальные процедуры авторизации. Наконец, у мобильного телефона есть мобильный идентификационный номер, являющийся 34-разрядным идентификатором, представляющим 10-значный номер мобильного телефона.

Базовый приемопередатчик поддерживает дуплексную связь с мобильным устройством. Все базовые приемопередатчики соединены с коммутатором мобильной телефонной системы, как правило, радиоканалом СВЧ-диапазона или кабелем.

Коммутатор мобильной телефонной системы (Mobile Switching Center, MSC) представляет собой управляющий и контролирующий элемент сети AMPS. Он решает следующие задачи:

осуществляет коммутирующие функции в мобильной сети (например, передачу мобильного телефона от одной соты к другой);

координирует обратную связь;

занимается сбором данных для учета средств на счету абонента;

тестирует систему и следит за ней;

соединяет мобильную сеть с общедоступной кабельной телефонной сетью.

Системы второго поколения проектировались для создания крупномасштабных сетей с учетом обеспечения международного роуминга – автоматического обслуживания абонентов, приехавших со своими терминалами в другую страну.

Система GSM (Global System for Mobile Communication) – одна из самых быстроразвивающихся телефонных технологий создавалась как единая технология второго поколения для Европы, что должно было привести к использованию одинаковых телефонных аппаратов на всем континенте.

Эта технология оказалась крайне успешной и в настоящее время является самым популярным стандартом в мире. Впервые система GSM появилась в Европе в 1991 г. Теперь сходные системы развернуты в Северной и Южной Америке, Азии, Северной Африке, на Ближнем Востоке, в Австралии.

Такие системы второго поколения, как GSM, создавались на основе систем первого поколения и сохранили многие характеристики этих систем.

Новым замечательным элементом в системе GSM является модуль идентификации абонента (Subscriber Identity Module, SIM) или SIM-карта. Это переносное устройство в виде смарт-карты, хранящее идентификационный номер абонента, идентификаторы сетей, которыми разрешено пользоваться абоненту, ключи шифрования, а также другую информацию, специфическую для абонента. У абонентских устройств системы GSM нет характерных, отличающих их друг от друга особенностей до тех пор, пока в них не вставлена SIM-карта. Таким образом, абоненту нужно всего лишь носить с собой SIM-карту, чтобы пользоваться самыми различными абонентским устройствами в разных странах. Для этого ему достаточно просто вставить SIM-карту в устройство.

Передаваемые данные в GSM шифруются, что существенно увеличивает степень конфедициальности разговора. В AMPS, напротив, телефонные разговоры легко подслушать с помощью всеволнового приемника. Помимо классических услуг телефонной связи система GSM может поддерживать передачи данных и изображений. В основе услуг лежит модель ISDN, поддерживаются скорости передачи до 9,6 Кбит/с.

В общих чертах система GSM аналогична структуре AMPS, на рис. 8.6 показаны основные элементы GSM и ее типичная топология.

 

Рис. 8.6. Схема GSM

 

Четырьмя базовыми элементами системами являются: абонент (телефон), базовый приемопередатчик, контроллер базовых станций и коммутатор мобильных услуг (Mobile Services Switching Center – MSSC).

В отличие от централизованного управления, характерного для систем первого поколения, в системе стандарта GSM принят принцип распределенного управления между центром коммутации подвижной связи, базовыми станциями и подвижными терминалами. В течение всего сеанса связи подвижные терминалы измеряют уровни сигналов от соседних базовых станций и сообщают результаты измерения обслуживающей их базовой станции. Последняя определяет необходимость эстафетной передачи и транслирует информацию о наиболее предпочтительной новой ячейке для обслуживания подвижного объекта к системному контроллеру центра коммутации подвижной связи. Благодаря такому алгоритму распределенного управления большая часть работы выполняется не системным контролером, а базовыми станциями и подвижными терминалами, что позволяет избежать перегрузки центрального звена и упростить процедуру эстафетной передачи.

Контроллеры базовых станций могут располагаться либо в непосредственной близости от базовых приемопередатчиков, либо около коммутатора мобильных услуг. В том случае, когда базовый приемопередатчик и контроллер базовых станций располагаются вместе, эту пару часто называют надсистемой базовой станции. Хотя контроллер базовых станций выполняет множество таких функций, как обслуживание переходов из одной соты в другую, управление уровнем мощности сигнала и выделение частот абонентам, сердцем системы является коммутатор мобильных услуг. Он предоставляет интерфейс с общественной кабельной телефонной сетью и учитывает средства, потраченные абонентом на телефонные разговоры. Хранящиеся в коммутаторах данные располагаются в четырех базах данных.

В базе данных HLR (Home Location Register – реестр абонентов) хранится информация (как постоянная, так и временная) о каждом абоненте системы (т.е. об абоненте, телефонный номер которого относится к коммутатору). Кроме того, у каждого коммутатора имеется база данных VLR (Visitor Location Register – реестр расположения посетителей), в которой хранится информация об абонентах, находящихся в данный момент в районе обслуживания коммутатора. В ней фиксируется, активен ли абонент в данный момент, а также другие параметры абонента. Когда GSM получает вызов своего абонента, она по телефонному номеру находит домашний коммутатор абонента. Затем этот коммутатор по своей базе данных HLR находит информацию о текущем физическом расположении вызываемого абонента. Если же звонок поступает на коммутатор абонента мобильного телефона, используется база данных VLR. Даже если абонент находится в зоне обслуживания своего домашнего коммутатора, сведения о нем помещаются в базу данных VLR для простоты и надежности.

База данных AuC (Authentication Center – центр аутентификации) – база, в которой располагаются ключи аутентификации и шифрования всех абонентов, зарегистрированных как в базе данных HLR, так и в базе данных VLR. Центр аутентификации контролирует доступ к пользовательским данным, а также управляет процедурами аутентификации, когда абонент подключается к сети.

В базе данных EIR (Equipment Identity Register – реестр оборудования) хранятся сведения об оборудовании мобильных станций. Она также используется для обеспечения безопасности (например, с ее помощью блокируются звонки с украденных телефонов, а также предотвращается использование сети станций, не прошедших аутентификации).

Основным стимулом перехода систем сотовой связи первого поколения к системам второго поколения была необходимость экономии частотного диапазона. Системы первого поколения оказались исключительно успешными, поэтому количество абонентов росло экспоненциально. Однако рост систем сотовой телефонии был ограничен возможностями частотного диапазона. Существует четыре основных метода разделения частотного диапазона между активными пользователями. Одним из них является пространственное мультиплексирование (Space Division Multiplexing – SDM), подразумевающее использование одного и того же диапазона в двух пространственно удаленных друг от друга. Именно эта идея лежит в основе сотовой связи. Одна и та же частота может использоваться в двух достаточно удаленных сотах так, чтобы сигналы не могли интерферировать друг с другом (как это отмечалось ранее).

Дальнейшее развитие систем сотовой связи связано с частотным мультиплексированием (Frequency – Division Multiplexing, TDM) и кодовым мультиплексированием (Code Division Multiplexing, CDM), о принципах которых говорилось в гл. 3 применительно к кабельным системам передачи данных, локальным и глобальным вычислительным системам.

Таким образом, основные принципы характерные для сотовой связи, можно сформулировать следующим образом:

использование маломощных передатчиков с радиопокрытием небольших по размеру ячеек;

повторное использование частот в пределах одной зоны обслуживания;

поэтапное увеличение пропускной способности за счет расщепления ячеек;

обеспечение непрерывной связи в процессе перемещения объекта от ячейки к ячейке.

Все это привело в начале 80-х годов к созданию и массовому внедрению во всем мире сотовых систем подвижной радиосвязи.

Дальнейшее развитие систем беспроводной связи связано с созданием систем третьего поколения. Целью систем беспроводной связи третьего поколения является представление скорости передачи данных, достаточной для поддержки мультимедиа, передачи данных и видео в дополнение к обычной телефонной связи. Так, международный союз мобильных телекоммуникаций определил следующие возможности систем третьего поколения:

качество телефонной связи, сопоставимое с общедоступной коммутируемой телефонной сетью;

скорость передачи данных от 144 до 384 Кбит/с для пользователей, использующих различные средства передвижения (в зависимости от скорости передвижения);

поддержка скорости передачи данных 2,048 Мбит/с для офисного использования пользователем;

поддержка услуг, предоставляемых системами коммутации, как пакетов, так и каналов;

адаптивный интерфейс с Интернетом;

более эффективное использование всего доступного частотного диапазона;

поддержка широкого спектра оборудования;

гибкость, позволяющая внедрять новые услуги и технологии.

Одной из движущих сил современной коммуникационной технологии является тенденция к объединению универсальных персональных средств связи и универсального доступа. Первая концепция означает способность пользователя легко идентифицировать себя и задействовать любую систему связи (подразумевается как наземных, так и спутниковых услуг) в пределах одного государства, континента или даже глобально с помощью всего одной учетной записи.

Вторая концепция означает способность в любом окружении для получения информационных услуг применять один и тот же терминал. Становится очевидно, что революция в области персональных компьютеров существенным образом затрагивает беспроводную связь. Так, система GSM с ее модулем идентификации абонента представляет собой большой шаг в этом направлении.

Среди технологий под общим названием PCS (Personal Communication Services – персональные коммуникационные услуги) можно назвать американскую и японскую системы, а также европейскую систему DECT (Digital European Cordless Telephone – европейский стандарт цифровой беспроводной связи). В этих системах могут использоваться низкоорбитальные и геостационарные спутники, а также наземные антенны.

Технология развивается стремительно. Среди характерных возможностей систем третьего поколения имеется уже реализованная возможность доступа к услугам ГВС – Интернет.