Конспект лекций по дисциплине Системы и сети связи с подвижными объектами Курск 2011 Тема1: Классификация телекоммуникационных систем

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования «Юго-Западный государственный университет» (ЮЗГУ)

 

Факультет информатики и вычислительной техники

 

 

Кафедра Телекоммуникации

 

 

Конспект лекций

по дисциплине «Системы и сети связи с подвижными объектами»

для направления образования 210400.62 - «Телекоммуникации»,

специальности 210402.65 «Средства связи с подвижными объектами»

 

Составитель преп. А.Е.Севрюков

 

 

Курск 2011

Тема1: «Классификация телекоммуникационных систем»

Вопросы: 1.Общие принципы построения систем радиосвязи

2. Классификация СССПО

 

Под телекоммуникационными системами (ТС) принято понимать структуры и средства, предназначенные для передачи больших объёмов информации (как правило, в цифровой форме) посредством специально проложенных линий связи или радиоэфира. При этом предполагается обслуживание значительного количества пользователей систем (от нескольких тысяч). Телекоммуникационные системы включают такие структуры передачи информации, как телевещание (коллективное, кабельное, спутниковое, сотовое), телефонные сети общего пользования (ТфОП), сотовые системы связи (в том числе макро- и микро- сотовые), системы персонального вызова, спутниковые системы связи и навигационное оборудование, волоконные сети передачи информации.

Следует отметить, что основным требованием к системам связи является отсутствие факта прерывания связи, но допускается некоторое ухудшение качества передаваемого сообщения и ожидание установления связи.

Типы телекоммуникационных систем

- системы телевещания; - системы связи (в т.ч. персонального вызова); - компьютерные сети.

Системы подвижной связи

Основное преимущество СПС: подвижная связь позволяет абоненту полу­чать услуги связи в любой точке в пределах зон действия наземных или спутниковых… К сетям подвижной связи относятся: сети сотовой подвиж­ной связи (ССПС); сети…

Сети сотовой подвижной связи

Система сотовой связи - это сложная и гибкая техническая система, допускающая большое разнообразие по вариантам конфигурации и набору выполняемых… Современные технологии позволяют обеспечить абонентам ССС высокое качество…

Сети транкинговой связи

Название транкинговой связи происходит от английского trunk (ствол) и отражает то обстоятельство, что ствол связи в такой системе содержит несколько… Если использовать аналогию с сотовой связью, то в простейшем случае СТС - это… Даже если СТС строится в виде нескольких ячеек (многозоновая система), это делает­ся в первую очередь с целью…

Сети персонального радиовызова

В простейшем случае СПР состоит из пейджингового терминала (ПТ), базовой стан­ции (БС) и пейджеров. Терминал, включающий пульт оператора и… В СПР могут передаваться сообщения четырех типов: тональные, цифровые,… К недостаткам пейджинговой связи следует отнести передачу сообщения вне реального времени: сообщение передается не в…

Волоконно-оптические сети

Преимущества ВОЛС Широкая полоса пропускания - обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей… Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отече­ственными и зарубежными…

Международная стандартизация в области электротехники и радиоэлектроники

Все вопросы стандартизации в области электротехники и ра­диоэлектроники рассматриваются Международной организацией по стандартизации (МОС)… Развитие электросвязи как средств обмена информацией по­требовало принятия… На 90-е гг. пришлась перестройка структуры МСЭ и ее руко­водящих органов. Вместо постоянных органов - Международного…

Международный регламент радиосвязи

В международном документе - Регламенте радиосвязи - даны определения большинства терминов, относящихся к использова­нию радиочастотного спектра,…   Таблица 1 Номер полосы Границы полос Наименование полос 3...30 кГц …

Международные, федеральные и региональные стандарты на цифровые и аналоговые СПР общего, персонального и корпоративного пользования, применяемые в России.

Основные характеристики стандартов систем связи с подвижными объектами.

Стандарт определяет основные технические характеристики системы: параметры частотного плана, мощность передатчиков БС и АС, минимальное и максимальное значения радиуса соты, метод многостанционного доступа (МД), число каналов трафика на одной РЧ несущей, метод модуляции, скорость передачи в радиоканале, структуру линейного канала (алгоритмы кодирования и битовая скорость), скорость передачи данных, параметры канального кодирования для речевого канала (применяемый код и увеличение скорости передачи), структуру каналов управления, возможность уравнивания задержки распространения, ведение абонента, международный роуминг, возможность работы многих операторов в одной области обслуживания. Некоторые из этих параметров приведены в табл. 1.1. В данном разделе подробно обсуждаются частотные планы стандартов.

 

Основные характеристики цифровых транкинговых систем

В настоящее время и в мире, и в России достаточно широко распространены появившиеся ранее аналоговые транкинговые системы радиосвязи, такие как… Цифровые транкинговые системы по сравнению с аналоговыми имеют ряд преимуществ… 1. Высокая оперативность связи. Прежде всего, это требование означает минимально возможное время установления канала…

Система EDACS

Цифровые системы EDACS выпускались на диапазоны частот 138-174 МГц, 403-423, 450-470 МГц и 806-870 МГц с разносом частот 30; 25; и 12,5 кГц.

В системах EDACS применяется частотное разделение каналов связи с использованием высокоскоростного (9600 бит/с) выделенного канала управления, который предназначается для обмена цифровой информацией между радиостанциями и устройствами управления работой системы. Это обеспечивает высокую оперативность связи в системе (время установления канала связи в однозоновой системе не превышает 0,25 с). Скорость передачи информации в рабочем канале также соответствует 9600 бит/с.

Речевое кодирование в системе производится путем компрессии импульсно-кодовой последовательности со скоростью 64 Кбит/с, полученной с помощью аналого-цифрового преобразования сигнала с тактовой частотой 8 кГц и разрядностью 8 бит.

 

Система TETRA

Стандарт TETRA состоит из двух частей: TETRA V+D (TETRA Voice+Data) - стандарта на интегрированную систему передачи речи и данных, и TETRA PDO… Радиоинтерфейс стандарта TETRA предполагает работу в стандартной сетке частот… В системах стандарта TETRA V+D [1] используется метод многостанционного доступа с временным разделением (МДВР) каналов…

Система APCO 25

Стандарт APCO 25 предусматривает возможность работы в любом из стандартных диапазонов частот, используемых системами подвижной радиосвязи: 138-174, 406-512 или 746-869 МГц. Основной метод доступа к каналам связи - частотный (МДЧР), однако, по заявке фирмы Ericsson в Фазу II включена возможность использования в системах стандарта APCO 25 множественного доступа с временным разделением каналов (МДВР).

В Фазе I стандартный шаг сетки частот составляет 12,5 кГц, в Фазе II - 6,25 кГц. При этом при полосе 12,5 кГц осуществляется четырехпозиционная частотная модуляция по методу C4FM со скоростью 4800 символов в секунду, а при полосе 6,25 кГц - четырехпозиционная фазовая модуляция со сглаживанием фазы по методу CQPSK.

Система Tetrapol

Системы связи стандарта Tetrapol имеют возможность работы в диапазоне частот от 70 до 520 МГц, который в соответствии со стандартом определяется как… Частотный разнос между соседними каналами связи может составлять 12,5 или 10… Скорость передачи информации в канале связи составляет 8000 бит/с. Передача информации организуется по кадрам длиной…

Система iDEN

Система iDEN выполнена на базе технологии МДВР. В каждом частотном канале шириной 25 кГц передается 6 речевых каналов. Это достигается путем… Для речевого кодирования используется кодек, работающий по алгоритму типа… В стандарте используется стандартный для Америки и Азии частотный диапазон 805-821/855-866 МГц. IDEN имеет самую…

Основные характеристики стандартов систем сотовой связи

 

 

Частотные планы стандартов GSM-900 .

В цифровых стандартах GSM-900полоса частот, отведенная на один частотный канал, составляет 200 кГц. Согласно плану частот стандарта GSM-900 (рис.…   Системы подвижной радиосвязи третьего поколения (3G)

Лекция 3. Архитектура сетей подвижной радиосвязи

Вопросы:1.Функциональная схема аналогового стандарта

2. Функциональная схема цифрового стандарта GSM

3. Функциональная схема транкинговой системы связи

4. Функциональная схема системы персонального радиовызова.

5. Функциональная схема спутниковой системы связи.

 

Функциональная схема аналогового стандарта

 

Напомним, что ЦКПС является одним из основных элементов ССПСЭ. В ССПСЭ аналоговых стандартов в состав ЦКПС включены опорный регистр местонахождения (ОРМ) и визитный регистр местонахождения (ВРМ). Регистрами называют базы данных, которые содержат основные сведения об абонентах и оборудовании. В ОРМ хранятся основные сведения об абонентах, постоянно зарегистрированных в области обслуживания данного ЦКПС. Под основными сведениями подразумеваются те данные о статусе и местоположении абонента, которые позволяют послать вызов и предоставить соответствующие услуги. При перемещении АС в область обслуживания другого ЦКПС основные сведения об этом абоненте временно записываются в ВРМ этого ЦКПС и хранятся до тех пор, пока там находится эта АС.

 

На функциональной схеме ССПСЭ аналогового стандарта (рис. 1.4) для каждой АС можно указать опорный центр коммутации (ЦКПС-О), в ОРМ которого зарегистрирована рассматриваемая АС. Когда эта АС оказывается в зоне обслуживания любого другого ЦКПС, сведения о ней записываются в ВРМ. Все такие центры коммутации для рассматриваемого абонента являются ЦКПС визитера (ЦКПС-В).

Центр коммутации подвижной службы обеспечивает соединение между абонентами сети, а также выход в ТФОП; отслеживает местоположение АС в своей области обслуживания; управляет процедурой эстафетной передачи АС, а также переключением частотных каналов при нарушении связи из-за помех или неисправностей; выполняет функции центра эксплуатации и технического обслуживания сети; начисляет оплату абонентам. На рис. 1.4. показана установленная линия связи между абонентами сети ТФОП и ССПСЭ. В ТФОП показаны местный коммутатор (МК) и транзитные коммутаторы (ТК); ТА - телефонный аппарат. В варианте 1 (сплошные линии) вызов к АС проходит по линии ТА, МК, ТК1, ТК2, ЦКПС-О, ЦКПС-В, БС, АС.

В ССПСЭ предусмотрена шлюзовая функция (Gateway). ЦКПС, обладающий такой функцией, обозначен ЦКПС*. Шлюзовая функция - специальный принцип маршрутизации вызова через ближайший ЦКПС, который теперь становится шлюзовым. Этот ЦКПС* опрашивает ЦКПС-О по каналам ОКС 7 и находит самый короткий путь для установления связи (линия связи обозначена пунктиром). Шлюзовую функцию реализуют, как правило, все ЦКПС.

 

Функциональная схема цифрового стандарта GSM

 

Рассмотрим ССПСЭ стандарта GSM (рис. 1.5). Схема содержит подсистему базовых станций (ПБС); сетевую подсистему (СПС) и подсистему эксплуатации и технического обслуживания (ПЭТО), а так же АС. В АС входит абонентское оборудование (АО) и абонентский идентификационный модуль (АИМ) (SIM-карта). Пока не установлен этот модуль, не выполняются соединения АС с вызывающим и вызываемым номером. Подсистема базовых станций содержит: базовые приемопередающие станции (БПС); контроллер БС (КБС) и оборудование транскодирования (ТКО). В составе СПС показаны: ЦКПС, ОРМ, ВРМ, центр аутентификации (ЦА), регистр идентификации оборудования (РИО). ПЭТО содержит центр эксплуатации и технического обслуживания (ЦЭТО) и центр управления сетью (ЦУС). Подсистема базовых станций выполняет функции радиосвязи. Все БС в зоне ПБС соединены линиями связи с контроллером. Каждая БПС обслуживает одну соту. Содержит несколько приемопередатчиков (до 16) - по одному для каждого частотного канала. Каждой БПС стандарта GSM доступны все 124 частотных канала, что позволяет реализовать метод скачкообразной перестройки частоты в стандарте GSM. Один из способов переключения частоты состоит в переключении модулирующего сигнала на входе передатчика. В этом случае число частот, используемых для скачкообразной перестройки, определяется числом приемопередатчиков БС.

Контроллер БС управляет несколькими БПС. Основное назначение контроллера - правильное распределение радиоканалов между БС и АС и определение необходимости их переключений при передвижении. Другая его задача - управление конфигурацией БПС и загрузка программного обеспечения. Контроллер обеспечивает передачу вызова на АС, контролирует соединения, выполняет согласование скоростей передачи для речи, данных и сигналов вызова, кодирование и декодирование сигналов.

 

Количество приемопередатчиков, которые может обслужить один контроллер, может быть более 100. Оборудование транскодирования включается между КБС и ЦКПС и служит для согласования скоростей цифровых потоков. В ТКО образуется стандартный первичный цифровой поток (ПЦП) из цифровых сигналов базовых станций. ТКО может размещаться вместе с КБС. Как известно, ПЦП образуют 32 сигнала, каждый со стандартной скоростью 64 кбит/с. Номинальная скорость передачи ПЦП В1 = (30 + 2)*64 = 2048 кбит/с. В стандарте GSM скорость передачи сигнала в одном речевом канале S1GSM =13 кбит/с. В транскодере с помощью добавочных битов эта скорость увеличивается до величины B1ТК0= 16 кбит/с. Таким образом в полосе одного канала стандартной ИКМ передают сигналы четырех речевых каналов, всего речевых каналов в транскодере Nтко = 30 * 4 = 120. Оставшиеся два стандартных цифровых канала занимает сигнальная информация. Например, один канал - информация ОКС 7 и один канал - информация управления по протоколу Х.25.

Сотовая сухопутная подвижная система электросвязи стандарта GSM территориально разделяется на зоны действия ЦКПС, которые, в свою очередь, делятся на зоны действия контроллеров БС, называемые зонами местоположения (ЗМ). ЦКПС отслеживает местоположение АС с помощью регистров. ВРМ позволяет вызывать АС, пока она находится в зоне действия, определенного контроллера. Когда АС перемещается в ЗМ другого контроллера, он ее регистрирует, и в ВРМ записывается новый адрес ЗМ. Входящие вызовы поступают к ЦКПС* - центру коммутации, обладающему шлюзовой функцией, который по номеру вызываемого абонента находит его ОРМ. Последний обращается к ВРМ, который "находит" АС. Шлюзовой ЦКПС* имеет интерфейс с внешними сетями связи. Здесь, как и в случае аналоговых систем, шлюзовую функцию можно установить для каждого ЦКПС. Все ЦКПС в сети Соединены линиями связи (ВОЛС, РРЛ, спутниковыми). На рис. 1.5 они показаны двойными линиями.

Система стандарта GSM подчиняется принципам эталонной модели OSI. Она имеет три общих внутрисистемных интерфейса: радиоинтерфейс Um между БС и АС, 2) интерфейс А между КПС и ПБС, 3) интерфейс Abis между БПС и КБС. Положение внутрисистемных интерфейсов отражено на рис. 1.6. В данном контексте интерфейс - это точка соединения реально существующих устройств. Благодаря данным интерфейсам оператор системы может Соединять аппаратуру разных производителей. Информационные потоки, проходящие через один интерфейс, могут принадлежать различным протоколам. Кроме этих внутрисистемных интерфейсов система GSM имеет интерфейсы между сетью и внешним оборудованием и интерфейс для выхода во внешние сети: в сети подвижной связи общего пользования, в ТФОП, в цифровые сети с интеграцией служб (ЦСИС) и др.

Функциональная схема транкинговой системы связи

 

Термин "транкинг" предполагает свободный доступ к частотному ресурсу. Транкинговая система - это система, в которой абонентам предоставляется канал связи на основе многостанционного доступа к ограниченному числу радиоканалов. Транкинговые системы могут иметь ограниченный выход в ТФОП или не иметь его. Транкинговые системы проще ССПСЭ, а следовательно, и дешевле. Кроме того, в них предоставляется меньшее, чем в ССПСЭ, число услуг. В частности, в достаточно простых вариантах систем нет роуминга; не поддерживается непрерывность соединения при смене зоны обслуживания и др. Так же, как и в ССПСЭ, технические характеристики транкинговых систем определяются стандартом. Системы современных цифровых стандартов, например TETRA, по своим возможностям близки к системам стандарта GSM. Транкинговые системы предназначаются для корпоративных пользователей, например таких служб, как скорая помощь, такси, милиция.

Транкинговые системы связи являются базой для построения радиально-зоновых сетей подвижной связи. Известно много стандартов транкинговых систем. На их основе можно реализовать сети с разнообразной архитектурой - от самых простых с одним-двумя радиоканалами до сложных, предназначенных для обслуживания больших территорий с большим числом абонентов и выходом в сети общего пользования.

 

На функциональной схеме базового варианта транкинговой системы (рис. 1.7) с одним модулем управления базовой станцией (УБС) показаны: базовые приемо-передающие станции (БПС); контроллер базовой станции (КБС); терминал управления локальной сетью (УЛС). Абонентские станции сети подразделяются на стационарные и подвижные радиостанции.

Функции БПС: передача и прием, пространственно разнесенный прием, шифрование сигналов, управление радиоканалами, управление выходной мощностью АС. Каждое из двух других устройств схемы (КБС и модуль УБС) выполняет функции коммутации для нескольких БС, служит для выхода во внешние сети, позволяет подключать терминалы техобслуживания, диспетчерские пульты. На рис. 1.7 и 1.8 цифрами обозначены выходы: 1 - в ТФОП, 2 - в цифровую сеть с интеграцией служб (ЦСИС), 3 - в сеть с коммутацией пакетов (СКП), 4 - в учрежденческую АТС (УАТС), 5 - другие.

 

Контроллер обладает большими возможностями в сравнении с модулем УБС. Он позволяет организовать работу с несколькими модулями УБС, например, с использованием конфигурации "звезда" (рис. 1.8). В такой схеме КБС организует централизованную базу данных. В больших сетях устанавливают центральный КБС.

Функциональная схема системы персонального радиовызова.

 

Система персонального радиовызова обеспечивает одностороннюю передачу коротких сообщений на ограниченной территории по радиоканалу. Эта услуга электросвязи известна также под названием "пейджинг". Информация для передачи может поступать через различные сети. Например, широко распространены системы, в которых диспетчер сети получает речевую информацию по телефону из ТФОП. Основные технические характеристики радиоинтерфейса СПРВ определяются форматом кодов сигналов радиовызова.

Существует множество форматов кодов СПРВ. С 1992 г. в Европе широкое признание получил цифровой формат ERMES (European Radio Messaging System). Этот общеевропейский формат позволяет организовать общую сеть персонального радиовызова для всех стран и общеевропейский роуминг. Функциональная схема СПРВ на базе ERMES (рис. 1.9) содержит базовые станции (БС); контроллер зоны обслуживания (КЗО); контроллер сети; центр эксплуатации и технического обслуживания (ЦЭТО). Цифрами 1.1,..., 1.6 обозначены интерфейсы, которые должны отвечать определенным протоколам взаимодействия.

 

Взаимодействие обеспечивают сетевые протоколы 1.6 и протокол 1.5 - "методы доступа". Несколько контроллеров СПРВ соединяются между собой через интерфейс 1.4. Контроллер сети распределяет вызовы между зонами, затем КЗО подает их на радиопередатчики БС. КЗО не только распределяет вызовы между передатчиками, но также выполняет оперативные статистические вычисления.

Радиопередатчики БС могут работать, как в синхронном режиме, так и последовательно во времени. Абонент получает звуковой сигнал - уведомление о вызове и читает текст сообщения на дисплее абонентского приемника. В простейших СПРВ это может быть только код вызывающей стороны, и абонент получает сообщение по ТФОП, позвонив адресату. Виды и объем сообщений разделяются по категориям обслуживания. Категория 1 (самая низкая) обеспечивает только передачу вызова; категория 6 (самая высокая) - передачу вызова с большим объемом сообщений до не скольких десятков килобитов.

Функциональная схема спутниковой системы связи.

 

Спутниковая система подвижной связи (ССПС) содержит: космический сегмент, земной сегмент, линии радиосвязи и абонентские терминалы (AT). Космический сегмент образуют ретрансляторы на ИСЗ. В земной сегмент входят базовые земные станции (БЗС), центр управления сетью (ЦУС) и центр управления полетом (ЦУП). ЦУС планирует использование ресурсов спутника в системе, распределяет ресурсы ретрансляторов ИСЗ между БЗС, обеспечивает БЗС данными для слежения за ИСЗ. Он же планирует трафик.

Центр управления полетом контролирует орбиты ИСЗ, обрабатывает телеметрию, формирует команды, передает на ЦУС сведения о состоянии и ресурсе ИСЗ. Как правило, центры подключены к одной из БЗС и не имеют собственного радиотехнического оборудования. Вся телеметрия и управление выполняются через БЗС по радиоканалам. БЗС также называют станциями сопряжения или шлюзовыми станциями. Все соединения между абонентами спутниковой системы выполняются через БЗС. Для этого в схеме БЗС предусмотрены интерфейсы. Часто БЗС соединяются линиями связи с ЦКПС ССПСЭ.

Линии радиосвязи подразделяются на мобильные, фидерные, межспутниковые, командные и телеметрические. Мобильные - это линии радиосвязи с абонентскими терминалами. На рис. 1.10 это линия / "вверх" и линия 2 "вниз". Линии радиосвязи с БЗС называются фидерными. На рис 1.10 это линия 3 "вверх" и линия 4 "вниз". В некоторых спутниковых системах связи организованы межспутниковые линии между соседними ретрансляторами на одной орбите и на соседних орбитах. Командные и телеметрические линии как правило совмещены с фидерными.

 

Абонентские терминалы подразделяют на портативные, перевозимые и стационарные. По техническим возможностям это может быть однорежимный терминал, который может работать только в спутниковых системах подвижной связи, двухрежимный и многорежимный. Двухрежимный позволяет работать как в указанной сети, так и в ССПСЭ определенного стандарта, например GSM. Многорежимный абонентский терминал позволяет работать в спутниковых системах подвижной связи и в ССПСЭ нескольких стандартов.

 

Тема: СИСТЕМЫ ПЕРСОНАЛЬНОГО РАДИОВЫЗОВА

Лекция 4-1

Мобильные системы связи Системы персонального радиовызова

Схема построения и состав оборудования сетей пейджинговой связи

 

Классификация мобильных систем радиосвязи

 

Системы радиосвязи с подвижными объектами, потребность в которых с каждым годом все более возрастает, подразделяются следующим образом:

- системы персонального радиовызова (Paging Systems);

- профессиональные (частные) системы подвижной радиосвязи (PMR, PAMR);

- системы сотовой подвижной радиосвязи (Cellular Radio Systems);

- системы беспроводных телефонов (Cordless Telephony);

- системы персональной связи с использованием ИСЗ.

Одной из первых систем персональной мобильной связи можно считать систему персонального вызова "Мультитон". В этой системе диспетчер вызывает сотрудника по персональному приемнику. По получению акустического вызова сотрудник находит ТЛФ и звонит диспетчеру.

Следующий уровень сервиса, сотрудник не только получает вызов, но и на дисплее индивидуального приемника видит номер ТЛФ вызывающего абонента, но связаться с ним может только со стационарного ТЛФ (Paiging Systems).

Высший уровень подобной системы позволяет производить переговоры с индивидуального радиотелефона внутри системы и выходить в общественную ТЛФ сеть через диспетчера. Подобными системами оборудуются предприятия, больницы, промышленные комплексы и др. (PMR,PAMR). PMR понимают как частные системы подвижной радиосвязи, которые не обеспечивают непрерывности связи при пересечении абонентами границ зон радиопокрытия, не имеют автоматического роуминга, не гарантируют абонентам других систем одинаковый набор имеющихся услуг связи, включая вопросы оплаты. PAMR в отличие от PMR обеспечивает соединение подвижных абонентов с абонентами телефонных сетей общего пользования.

Основные усилия при проектировании подвижных систем были сосредоточены на обеспечении высокой помехоустойчивости приема радиотелефонных сообщений, поэтому в этом направлении были достигнуты определенные успехи, которые приблизили подвижную связь по качеству принимаемой информации к уровню проводной ТЛФ связи. Это привело к тому, что частотный ресурс, выделенный подвижной связью, был исчерпан ввиду массового притока радиоабонентов, что побудило разработчиков к поведению интенсивных исследований в области создания систем с высокой пропускной способностью и эффективного использования выделенного спектра частот. В этом отношении наиболее перспективными были признаны сотовые системы подвижной связи (ССПС), имеющие принципиально новую структуру построения и организации связи, а именно множество базовых станций (BTS) соединяются в единую сеть. В процессе передвижения абонентская станция (MS) "эстафетно передается" от одной BTS к другой, автоматически переключаясь по командам последних на нужный частотный канал, что и обеспечивает непрерывность связи. В ССПС выделенные частотные каналы многократно используются абонентами в ячейках, разнесенных друг от друга на необходимое защитное расстояние. При таком принципе построения число активных частотных каналов возрастает, что обеспечивает высокую пропускную способность и более эффективное использование спектра частот (Cellular Radio Systems).

 

Системы персонального радиовызова

 

Системы персонального радиовызова или пейджинг СПРВ представляют абонентам оперативную и относительно недорогую связь. Работа СПРВ основана на том, что в большинстве случаев нет необходимости организовывать двухстороннюю связь, а достаточно передать только короткую информацию или вызов. Такая задача решается путем использования радиопередатчиков при наличии у каждого абонента небольшого приемника, называемого пейджером.

СПРВ подразделяют на две категории: частные (локальные) и общего пользования (протяженные). Частные (локальные) СПРВ обеспечивают радиовызов на ограниченной территории, для определенной группы пользователей используют один или несколько передатчиков малой мощности. Вызов осуществляется через диспетчерские пульты без взаимодействия с ТЛФ сетью общего пользования.

В пейджинговых системах общего пользования, через ТЛФ сети общего пользования, передаются в радиоканале сообщения ограниченного объема. Современные пейджинговые системы осуществляют автоматическое взаимодействие с ТЛФ сетью общего пользования, используют цифровой способ передачи вызова и сообщений, повышенную помехоустойчивость передачи и пропускную способность. Оконченные устройства миниатюризируют, что позволяет уменьшить потребление энергии. Отличительной особенностью таких систем является большая зона обслуживания в масштабах страны, а также возможность межгосударственного взаимодействия, низкая стоимость и простота эксплуатации.

Первая пейджинговая система была развернута в одном из Лондонских госпиталей в 1956г. Первая протяженная СПРВ была разработана в США и Канаде в начале 60 - х годов. В Европе протяженные СПРВ были введены в Голландии, Бельгии и Швейцарии в 1964 - 1965гг. СПРВ работает на радиочастотах в диапазоне от 80 до 1000 мГц.

СПРВ можно комбинировать с системами сотовой или другой подвижной связью, а также совмещать с ними. В таких системах пользователь может оповещаться о входящих телефонных вызовах и отвечать на вызов в удобное время. Пейджер может быть также встроен в носимый приемник.

В настоящее время повсеместно пейджинговые системы вытесняются сотовыми системами связи (передача SMS сообщений). Поэтому будем рассматривать только общие принципы построения таких систем.

 

Структурная схема пейджинговой системы

 

Каждая пейджинговая система состоит из набора базовых служб, взаимодействующих между собой для предоставления абонентам определенных услуг. Типовая структурная схема пейджинговой системы, на которой представлены базовые службы и взаимосвязи между ними, приведена на рис. 6.

Как следует из рисунка, наиболее важной службой любой пейджинговой системы является базовая служба отправки сообщений. Ее назначение состоит в управлении передатчиком системы (или их набором) и непосредственной отправке сообщений абонентам. Базовая служба отправки сообщений определяет основные возможности пейджинговой системы: количество абонентов, используемый протокол (или их набор), скорость передачи, число передатчиков и режимы их работы и т.д.

В тесном взаимодействии с базовой службой передачи сообщений находится служба роуминга (рассылки сообщений). Ее назначение состоит в передачи сообщений в другие пейджинговые системы или федеральную систему. Служба роуминга обеспечивает получение абонентом сообщений даже тогда, когда он находится вне зоны действия своей пейджинговой системы. Например, абонент уезжает в командировку в другой город. В этом случае сообщения данному абоненту передаются в пейджинговую систему того города, в котором он находится. Предоставление услуг данной службы возможно только после выработки соответствующих взаимных соглашений между различными пейджинговыми компаниями.

 

Рис. 6 Типовая структурная схема пейджинговой системы

 

Над базовой службой отправки сообщений находится различные службы подготовки сообщений. Как правило, первой реализуемой службой подготовки сообщений в создаваемой пейджинговой системе является служба подготовки сообщений при помощи операторов. Ее назначение состоит в подготовки сообщения для абонента и передачи его с помощью базовой службы отправки сообщений или службы роуминга. Каждый, кто хочет отправить сообщение абоненту пейджинговой системы, звонит в пейджинговую компанию и передает его оператору. Оператор принимает сообщение, вводит его в систему и подготавливает к последующей передаче.

Следующей службой подготовки сообщений является служба удаленного доступа. Она позволяет организовать вынесенные рабочие места операторов и передавать сообщения, поступающие по компьютерным сетям связи. Данной службе подчинены две другие службы, которые и реализуют соответствующие части удаленного доступа: служба вынесенных рабочих мест операторов и служба компьютерной рассылки сообщений.

Служба вынесенных рабочих мест операторов позволяет пейджинговой компании предоставлять удобный доступ к своей системе другим компаниям и предприятиям. Например, на предприятии большое число сотрудников являются абонентами пейджинговой системы некоторой компании. В этом случае звонить каждый раз в пейджинговую компанию для передачи сообщений может оказаться очень долго и неудобно. Для преодоления этих проблем на предприятии устанавливается вынесенное рабочее место оператора (или даже сеть вынесенных рабочих мест), с которого можно непосредственно отправлять сообщения.

Служба компьютерной рассылки сообщений позволяет использовать для отправки сообщений существующие компьютерные сети и совместить услуги электронной почты с услугой передачи сообщения о поступлении письма, а для коротких писем и с услугой передачи его целиком. Такое совмещение услуг является очень удобным для абонентов, т.к. освобождает их от необходимости регулярно проверять свой почтовый ящик.

Следующей службой подготовки сообщений является служба автоматической отправки цифровых сообщений. Она позволяет каждому, позвонившему на пейджинговую станцию, отправить цифровое сообщение абоненту самостоятельно без участия оператора (при условии использования для звонка телефона с DTMF набором). При использовании автоматической отправки сообщений текст сообщения набирается тем, кто звонит при помощи клавиатуры телефона. Этот режим очень удобен для отправки коротких сообщений (например, отправка номера телефона, по которому должен позвонить абонент), т.к. весь процесс происходит без участия оператора и является достаточно быстрым.

Во взаимодействии со службой автоматической отправки цифровых сообщений работает служба автоматической отправки формализованных сообщений. Эта служба позволяет отправлять без участия оператора не только цифровые, но и стандартные текстовые сообщения. Она является следующим этапом развития службы автоматической отправки сообщений. При этом каждому стандартному текстовому сообщению ставится в соответствии цифровой код. Для отправки конкретного сообщения производится звонок (с телефона с DTMF набором) на пейджинговую станцию и набирается код этого сообщения. В конце передаваемого сообщения можно передать номер телефона или другую дополнительную цифровую информацию.

Наконец, еще одной службой подготовки сообщений является служба голосовой почты. Голосовая почта - это достаточно новая область телекоммуникаций, являющаяся логическим продолжением электронной почты. При использовании электронной почты передаются текстовые, а при использование голосовой почты - звуковые послания. Текст послания надиктовывается компьютеру, который с помощью специальной платы расширения преобразовывает его в цифровую форму. Затем оно передается по компьютерным сетям до адресата. В приемном компьютере это послание снова преобразовывается в звуковую форму, которую и слушает адресат.

Служба голосовой почты принимает звуковые послания и передает сообщения о них на пейджеры абонентов. Абонент, получивший сообщение о послании, звонит с телефона с DTMF набором на пейджинговую станцию, набирает на клавиатуре телефона свой номер, номер поступившего послания и пароль. После этого поступившее послание передается ему на телефон.

Необходимо отметить, что из всех вышеприведенных служб обязательными для каждой пейджинговой системы являются базовая служба отправки сообщений и одна из служб подготовки сообщений. Все остальные службы не являются обязательными и, как правило, добавляются в процессе эксплуатации системы для ее дальнейшего развития и предоставления дополнительного сервиса абонентам.

 

Схема построения и состав оборудования сетей пейджинговой связи

 

Типовая схема построения и состав оборудования пейджинговой сети приведена на рис.7.

Рис.7 Типовая схема построения и состав оборудования пейджинговой сети

Основным устройством каждой пейджинговой системы является пейджинговый терминал. Он получает сообщения, передаваемые абонентами от системы сбора информации, формирует низкочастотный модулирующий сигнал на передатчик в соответствии с принятым пейджинговым протоколом и управляет пейджинговым передатчиком или их системой по каналам связи. Пейджинговый терминал может выпускаться в автономном и неавтономном исполнении, как показано на рис.8.

Рис.8 Типы пейджинговых терминалов

 

Автономный пейджинговый терминал содержит базу данных абонентов, в соответствии с которой и производится формирование низкочастотного модулирующего сигнала на передатчик. Обычно автономный терминал выполняется в виде специализированной микроЭВМ, однако при увеличении числа абонентов он становится очень дорогостоящим устройством. Это вынудило разработчиков отказаться от хранения базы данных абонентов внутри терминала и перейти к выпуску неавтономных терминалов.

Неавтономный пейджинговый терминал не содержит в себе базу данных абонентов и используется совместно с персональным компьютером. При этом он выпускается как во внутреннем (дополнительная плата в компьютер), так и во внешнем исполнении (отдельное устройство, соединяющееся с компьютером кабелем связи). Неавтономный пейджинговый терминал формирует низкочастотный модулирующий сигнал на передатчик в соответствии с получаемым от компьютера командами и данными.

Персональный компьютер, работающий совместно с неавтономным пейджинговым терминалом, называется пейджинговый сервер, а программное обеспечение, функционирующее на нем - программным обеспечением пейджингового сервера.

Для передачи сообщения терминал взаимодействует с передатчиком пейджинговой системы, управляя им, и подавая на него низкочастотный модулирующий сигнал, и передает сообщение на рабочей частоте. Выходная мощность передатчика и высота подвеса антенны определяют зону приема сообщений пейджерами абонентов.

Передатчик пейджинговой системы и ее терминал, а в случае неавтономного терминала ее пейджинговый сервер со своим программным обеспечением, работая совместно, представляют функции базовой службы отправки сообщений.

Пейджинговый терминал получает отправляемые сообщения от системы сбора информации, которая предоставляет функции базовых служб подготовки сообщений. Как правило, первой реализуемой частью этой системы является локальная сеть рабочих мест операторов, обеспечивающая функции базовой службы подготовки сообщений при помощи операторов. Она предназначена для приема сообщений, которые поступают по телефонным линиям в виде обычных звонков, и ввода их в пейджинговую систему для передачи абонентам. Эта часть системы сбора информации строится на основе нескольких персональных компьютеров с работающим на них программным обеспечением оператора пейджинговой станции, которые соединены в локальную сеть, подключенную к пейджинговому серверу.

Оборудование рабочих мест операторов с работающим на нем программным обеспечением предоставляет функции службы подготовки сообщений при помощи операторов.

Следующей частью системы сбора информации являются вынесенные рабочие места операторов. Она позволяет предоставить удаленным операторам доступ к основной системе. Вынесенное рабочее место оператора организуется на основе персонального компьютера с модемом, работающего под управлением программного обеспечения удаленного доступа и соединенного с основной системой по телефонным или иным каналам связи. Как правило, отдельное удаленное место оператора соединяется с основной системой по обычной телефонной линии с помощью модема, а в случае ее отсутствия по радиоканалу с применением радиомодема. Иногда возникает необходимость в создании локальной сети вынесенных операторских мест. В этом случае эта сеть соединяется с основной системой по выделенному каналу связи с использованием высокоскоростного модема. Также необходимо отметить, что вынесенное рабочее место оператора может взаимодействовать с основной системой по компьютерным сетям передачи данных.

В системе сбора информации очень важное место занимает коммуникационный сервер. Он предназначен для взаимодействия с вынесенными рабочими местами операторов, другими пейджинговыми системами и компьютерными сетями передачи данных. Коммуникационный сервер представляет из себя высоконадежный персональный компьютер со специализированным коммуникационным программным обеспечением. Он взаимодействует с пейджинговым сервером для непосредственной передачи сообщений.

Коммуникационный сервер пейджинговой системы ответственен за предоставление функций службы удаленного доступа. Совместно с оборудованием удаленных мест операторов он обеспечивает функции службы вынесенных рабочих мест операторов, а совместно с оборудованием компьютерных сетей передачи данных - функции службы компьютерной рассылки сообщений.

Коммуникационный сервер, взаимодействуя по каналам связи с другими пейджинговыми системами, обеспечивает функции службы роуминга (рассылки сообщений).

Наконец, еще одной частью системы сбора информации является сервер дополнительного сервиса. Он предназначен для автоматической отправки цифровых и формализованных текстовых сообщений и взаимодействия с голосовой почтой. Сервер дополнительного сервиса представляет из себя персональный компьютер с одним или несколькими модемами, обладающими голосовыми функциями и специальным программным обеспечением. Голосовые функции модемов необходимы для воспроизведения передаваемого сообщения в привычной для человека звуковой форме.

Сервер дополнительного сервиса с помощью дополнительного оборудования и специального программного обеспечения реализует функции трех служб подготовки сообщений пейджинговой системы - службы автоматической отправки цифровых сообщений, службы автоматической отправки формализованных сообщений и службы голосовой почты.

Она взаимодействует с пейджинговым и коммуникационным сервером системы для отправки сообщений в эфир или другие пейджинговые системы.

Таким образом:

1.Пейджинговый сервер системы обеспечивает передачу сообщений в зоне обслуживания.

2.Коммуникационный сервер реализует ее связь с внешним миром, т.е. с другими системами и сетями передачи данных.

3. Сервер дополнительного сервиса предоставляет дополнительные услуги для удобства пользователей.

4.Эти три сервера пейджинговой системы тесно взаимодействуют друг с другом для обеспечения нормального функционирования всех ее служб.

 

 

Лекция 4-2 Системы персонального радиовызова

Пейджинговый терминал

Пейджинговые протоколы

В простейшем случае СПР состоит из пейджингового терминала (ПТ), базовой станции (БС) и пейджеров.

Рис.8 Структурная схема пейджера.

 

Центральным компонентом любой системы персонального радиовызова, определяющим ее возможности, является пейджинговый терминал.

Пейджинговый терминал - это устройство, получающее адрес абонента и передаваемое сообщение с устройства ввода (клавиатура или компьютер) и выдающее сформированный в определенном формате низкочастотный сигнал непосредственно на модулятор передатчика. Кроме того, терминал может управлять системой передатчиков по коммуникационным каналам. Типичная схема построения пейджинговой станции представлена на рис.9.

 

Рис.9 Схема построения пейджинговой станции

Характеристиками пейджингового терминала является количество поддерживаемых системой абонентов, поддерживаемые протоколы передачи сообщений, возможность управления несколькими передатчиками, возможность подключения вынесенного рабочего места оператора, возможность передачи сообщений в другие системы (роуминг), а также федеральную пейджинговую систему и др.

В настоящее время существует широкий спектр выпускаемых терминалов от простейших, имеющих базу данных на 100 абонентов и выполненных в виде платы в компьютере или в виде отдельного устройства с клавиатурой для ввода цифровых сообщений, и до довольно сложных систем, рассчитанных на 200 000 абонентов и представляющих из себя отдельное отказоустойчивое устройство, на базе промышленного компьютера.

Тем не менее, несмотря на все это разнообразие форм, функциональное назначение пейджингового терминала - хранение в энергонезависимой памяти базы данных абонентов и преобразование поступающей от устройства ввода информации в низкочастотный сигнал, осуществляется согласно конкретно пейджинговому протоколу. Конкретный формат низкочастотного сигнала, подаваемого на передатчик, называется пейджинговым протоколом.

СПРВ разрабатывались различными ведущими фирмами США, Франции, Японии и др. Для создания общего ранга оборудования и услуг, необходим ряд единых стандартов для использования в различных вызывных системах.

Первым подобным стандартом был ЕВРАСИГНАЛ, разработанный Европейской конференцией администраций почт и связи (СЕПТ) в 1969 г. Затем различными организациями и компаниями были разработаны более усовершенствованные стандарты POCSAG, ERMES, FLEX и др., которые нормировали радиоинтерфейс. Наиболее широкое распространение получил стандарт POCSAG.

Протоколы пейджинговой системы связи

Протокол POCSAG

Общая структура сигнала в формате POCSAG приведена на рис. 10.  

Протокол ERMES

Особенностями данного протокола являются: 1. Общая сеть для всех европейских стран и общеевропейский роуминг; 2. Общий радиоинтерфейс, позволяющий организовать большую емкость сети при u1087 .ередаче различных видов сообщений, в…

Протокол RDS

  Рис. 17. Результирующий спектр сигнала.

Структурная схема базовой станции для системы транковой радиосвязи

На рисунке 5 приведена структурная схема базовой станции в случае использования одного канала.

Репитер состоит из ретранслятора, предназначенного для приёма сигналов абонентских радиостанций, его усиления и передачи, и контроллера транкового канала, который выполняет управляющие функции.

Дуплексный фильтр - устройство, позволяющее использовать одну антенну для приёма и передачи. В принципе, ничто не мешает использовать для приёма и передачи две разных антенны, но в этом случае может возникнуть ситуация, когда в некоторых местах будет возможен приём, но невозможна передача либо наоборот. Кроме того, излучаемая передатчиком мощность влияет на приёмник, поэтому при наличии двух антенн их нужно устанавливать на достаточном расстоянии друг от друга.

Источник питания предназначен для репитера. Как правило, он допускает возможность перехода на аккумуляторную батарею при отключении питания.

Рассмотренная схема является достаточно простой и эффективной, однако в реальных условиях одного транкового канала оказывается недостаточно. Поэтому применяют системы, содержащие два и более каналов. На рисунке показана схема системы, содержащей четыре независимых канала. Как видно, основное отличие от предыдущего варианта заключается в антенно-фидерном тракте, где появляются ещё два устройства: приёмная распредпанель и комбайнер.

Приёмная распредпанель обеспечивает одинаковый входной сигнал для каждого репитера в системе, как если бы репитер был подключен напрямую к антенне.

Комбайнер - это устройство, позволяющее комбинировать выходы определённого количества передатчиков без интерференции друг с другом.

Также отдельно вынесен источник бесперебойного питания, который просто обязан присутствовать в системе, ибо отсутствие связи в чрезвычайных обстоятельствах может привести к непредсказуемым последствиям.

Рассмотренную систему легко расширить, то есть в случае правильного проектирования число каналов можно увеличить достаточно безболезненно.

Транкинговые системы можно классифицировать по многим признакам:

по формату передаваемых данных (аналоговые, цифровые),

по типам протоколов (LTR, MPT 1327, SmarTrunk II),

по количеству обслуживаемых зон (одно- или многозоновые),

по методам представления радиоканала («транкинг передач» или «транкинг сообщений»),

по способам управления базовыми станциями (централизованное или распределенное),

по типам каналов управления (выделенный или распределенный), и т.д.

 

Без канала управления.

В этом случае свободный канал “помечается” специальным сигналом – маркером. Центральая станция такой системы периодицески передает определенную последовательность, автоматически распознаваемую станцией абоненты. В случае вызова радиостанция занимает любой из свободных каналов.

К таким системам относятся SmarTrunk II фирмы “SmarTrunk System inc.” и Larcer фирмы “CES”.

Достоинства таких систем – это дешевое базовое и периферийное оборудование, простота установки и эксплуатации.

Недостатки этих систем:

при увеличении количества каналов и загрузки системы существенно увеличивается время поиска свободного радиоканала для установления связи;

время установления связи больше, чем у других систем;

невозможность создания многозоновых систем;

сокращенный набор функций и сервиса.

С каналом управления.

Это сводит к минимуму время ожидания соединения. В этом случае система сама определяет наличие незанятых каналов и переключает на них станцию абонента.

А. Система с выделенным каналом.

  Работа этой системы осуществляется так: Предположим, что диспетчер хочет выйти… К системам с выделенным каналом управления относятся SmartNet, SmartZone фирмы Motorola и все системы, построенные на…

Б. Транкинговые системы без выделенного контрольного канала.

В системах такого рода вместо специально выделенного канала используется один из приемопередатчиков центральной станции. За той или иной группой жестко закрепляется один из каналов, который он не занял. В противном случае блок управления (контроллер), распределяющий каналы системы, переключает пользователя на любой свободный. Если заняты все каналы, аппарат сообщает об этом при попытке начать сеанс связи.

 

Постоянное обновление информации достигается посредством того, что не занятый в сеанс связи приемопередатчик и определенной частотой передает короткие пакеты данных закрепленным за ним локальным устройствам и центральным станциям. Таким образом постоянно имеется информация о свободных на данный момент канала. Эти данные используются при атоматическом переключении устройств.

 

Построение транкинговых систем.

При построении крупных межрегиональных систем в транкинговых сетях может быть предусмотрена возможность роуминга, т.е. использование радиостанций в других пунктах

 

Однозоновая система

Первоначально транкинговые системы строились по однозоновому принципу, когда весь канальный ресурс закреплялся за одной центральной станцией. Антенна такой станции обычно располагалась по принципу маяка – в наиболее высокой точке предполагаемой зоны обслуживания.

 

Рис. 10 Обобщенная структурная схема однозоновой транкинговй сстемы

 

Построения однозоновой системы:

Приемопередатчик каждого канала контролируется специальным блоком управления – контроллером. Максимальное число каналов на центральной станции – 24, причем один из них управляющий. Для приведения сеанса связи он предоставляет любой из свободных каналов системы. Общее взаимодействие системы осуществляется через блок сопряжения.

По общей шине передачи данных он соединен с контроллерами каналов, обеспечивая функциональное управление, учет и тарификацию соединений, а так же контроль ее состояния и конфигурацию через терминал управления SYSCON. Терминал может подключаться непосредственно через порт RS 232 или, если вы хотите заслужить репутацию прогрессивного молодого специалиста, по модему.

 

Несмотря на сравнительную простоту однозоновых систем как при установке, так и в эксплуатации, они имеют два существенных недостатка:

А.Единственным способом увеличения числа обслуживаемых абонентов является увеличение число рабочих каналов. При ограниченной зоне обслуживания это приводит к увеличению числа радиостанций, работающий со значительной мощностью, что, в свою очередь, делает эфир похожим на рыночную площадь, т.е. ведет к сильным помехам. Но даже если решится увеличить число каналов, следует иметь в виду, что их число все равно не бесконечно.

Б. Другой недостаток – это невозможность расширения зоны обслуживания.

Построение однозоновой системы практически не зависит от рабочего диапазона частот и определяется требованиями к числу каналов, минимально возможным разносом частот приема и передачи, а также шагом сетки приемных и передающих частот. Также важно назначение системы, т.е. какой стандарт, выбран для работы в системе (SmarTrunk, MPT-1327, LTR и т.п.) будет ли организовано подключение к телефонной сети общего пользования (ТфОП) и предполагается ли дальнейшее расширение системы по числу каналов или зоне обслуживания.

Для упрощения систему можно разделить на две части: антенно-фидерные устройства и базовое приемопередающее и коммутационное оборудование.

Возможные варианты построения антенно-фидерного тракта.

А.Наиболее простой и дешевой станции (БС) системы, в которой каждый передатчик и каждый приемник имеет свою антенну. Он относительно дешев, по этому получил распространение на заре развития транкинговых систем. Приемлем только для малоканальных (на 1-2 канала) систем с малым радиусом обслуживания, поскольку трудно установить рядом много антенн.

Поскольку разнести антенны в пространстве на необходимое расстояние довольно сложно, приходится использовать малоэффективные, уменьшающие радиусы действия, антенны и включать на выходе передатчиков дополнительные устройства, для устранения интермодуляционных помех. Обычно это полосовые фильтры на основе объемных резонаторов. Если шаг сетки частот достаточно мал (<200 – 300 Кгц ), приходится дополнять фильтры изоляторами или использовать специализированные полосовые фильтры с изоляторами. Фильтрующие устройства (преселекторы) необходимы и на входах приемников, чтобы они не “забились” сигналами передатчиков.

Если применять качественные фильтрующие устройства, стоимость такого варианта построения резко возрастает, т.е. теряется единственное его преимущество. К тому же развивать систему можно, только устанавливая дополнительные антенны. Поэтому в настоящиее время этот вариант не используется.

Б.Технически значительно лучший способ, позволяющий оптимизировать число антенн и оптимальный по соотношению цена / качество для систем имеющих четыре – шесть каналов.

В этом варианте каждый передатчик работает на свою антенну, а приемники работают на одну антенну через распределительную панель с преселектором и предварительным усилителем (для компенсации затухания в антенном кабеле и преселекторе). В результате появляется возможность применять высокоэффективные многоэлементные вибраторные антенны или фазированные антенные решетки и устанавливать предварительный усилитель непосредственно у антенны с дистанционным питанием по коаксиальному кабелю, что позволяет получить наилучшее соотношение сигнал / шум.

Применение только одного селектора минимизирует стоимость системы при достаточно высоких параметрах.

В этом случае, как и в первом варианте нужны дополнительные фильтрующие устройства на выходе передатчиков для устранения интермодуляционных помех. Требования к ним аналогичны описанным выше. Так как каждый передатчик работает на свою антенну, снижаются требования к подбору их частот, т.е. шаг сетки частот передачи может быть большим или нерегулярным. Но при шаге менее 200 – 300 Кгц могут потребоваться изоляторы в тракте передатчика. Они обеспечат необходимую степень развязки и устранят интермодуляцию, но это может сильно повысить стоимость системы.

 

Из недостатков можно отметить необходимость размещения достаточно большого числа антенн, то может оказаться затруднительным при необходимости установки их на мачте и работе в диапазоне VHF. Тем не менее, это один из самых популярных вариантов для систем емкостью до 4 каналов и работе в диапазонах VHF и UHF.

 

Многозоновая система.

Для решения этой проблемы было предложено разделить предполагаемую территорию обслуживание на несколько зон большого или малого радиуса действия.… А.Как открытый стандарт, он позволяет снизить цены на продукцию за счет… Б. Модульный принцип построения позволяет плавно улучшать систему от простой однозоновой до многозоговой с

Линейные многозоновые системы.

Для построения многозоновых систем используется кабельная или радиорелейная линия связи со сквозным телефонным каналом. Причем зоновое… Первых предназначен для одно-, двухканальных систем с небольшой нагрузкой. Его…  

Построение крупных межрегиональных систем.

  Контрольные вопросы  

Рис. 21 Структура суперкадра

 

 

Рис. 22 Структура маркера отбоя

 

Контрольные вопросы

 

1.Что нормирует протокол МРТ 1327 и приведите его структуру? 2.Приведите протокол формата кода синхронизации в цифровых системах

PMR и PAMR и протоколы используемые в радиоинтерфейсах подвижной и базовой станций?

3.Приведите основные характеристики стандарта EDACS и EDACS ProtoCall. 4.Приведите и поясните обобщенную модель РПС стандарта APCO - 25 и модель радиоинтерфейса Um и что он регламентирует? 5.Приведите и поясните окончательную структуру суперкадра стандарта APCO - 25

Лекция 4

Транкинговая система связи стандарта TETRA

Транкинговые стандарты TETRAPOL и IDEN

 

Транкинговая система связи стандарта TETRA

 

Несомненным лидером среди цифровых транкинговых стандартов является стандарт TETRA. Прежде всего, это объясняется следующими преимуществами:

- стандарт TETRA является открытым стандартом, что привлекает большое количество производителей оборудования, обеспечивает адекватный уровень цен и независимость от конкретного производителя. Спецификации стандарта доступны для участников ассоциации "Меморандум" о взаимопонимании и содействии стандарту TETRA (TETRAMoU). Это является принципиальным моментом для происхождения требований COPM;

- стандарт TETRA является единственным цифровым транкинговым стандартом, разработанным Европейским институтом телекоммуникационных стандартов ETSI;

- высокой спектральной эффективностью, позволяющей организовать четыре логических соединения на одном частотном канале, за счет использования технологии компрессии речевого потока с высокой степенью сжатия данных и технологии TDMA (временного разделения каналов), и обеспечивающий оптимальное построение сети связи с интенсивным трафиком на ограниченной территории;

- стандарт TETRA предоставляет широкие возможности по передаче данных в режимах коротких сообщений (SDS), коммутации каналов и коммутации пакетов, что позволяет организовать доступ к сети Интернет (IP over TETRA) с использованием таких приложений как телеметрия, мониторинг мобильных объектов, передача видео изображений, электронная почта, передача файлов, WAP и т.д.;

- стандарт TETRA разрабатывался с учетом требований служб общественной безопасности и правоохранительных органов, поэтому особое внимание уделено таким аспектам обеспечения безопасности связи как шифрование информации, аутентификация абонентов, защита от несанкционированного доступа. По заявке Ассоциации европейской полиции (Schengen Group) в стандарт введены такие услуги как: вызов, санкционированный диспетчером; приоритетный доступ; приоритетный вызов; избирательное прослушивание; дистанционное прослушивание и динамическая перегруппировка и ряд других;

- стандарт TETRA обеспечивает высокую оперативность связи, характеризуемую малым (менее 0,5 сек) временем установления канала связи между корреспондентами. Предусмотрен также режим открытого канала, когда для группы абонентов может быть выделен логический канал связи и доступ в канал обеспечивается без установочной процедуры;

- стандарт TETRA обеспечивает так называемый режим прямой связи (DMO) между корреспондентами без использования базовых станций, что особенно важно для служб общественной безопасности. При этом станция может находится в режиме "двойного наблюдения" (Dual Watch), одновременно готовая принять вызов как по транкинговому каналу так и по каналу DMO;

- проекты стандарта TETRA легко масштабируются из системы с малым количеством базовых станций и радиоканалов в крупную систему ведомственного и федерального уровня.

План развития "TETRA Фаза 2", принятый в конце 2000 года, позволит обеспечить полное перспективное взаимодействие между стандартом TETRA и другими официальными стандартами - GSM, GPRS и UMTS.

Стандарт TETRA подразделяется на две спецификации:

- TETRA Voice + Data (TETRA V + D);

- TETRA Packet Data Optimized (TETRA PDO).

 

TETRA V + D является стандартом на интегрированную систему передачи речи и данных. TETRA PDO - стандарт ориентированный только на передачу данных.

Рабочие частоты стандарта TETRA находятся в диапазоне от 150 МГц до 900 МГц в стандартной сетке частот с шагом 25 кГц. Разнос частот передачи и приема равен 10 МГц. Радиосигнал передается с использованием относительно фазовой модуляции типа П/4 -DOPSK с постоянной огибающей. Для передачи речи в стандарте TETRA V + D используется кодекс алгоритмов CELP и скоростью передачи 4,8 кбит/с. До модулятора к речевому потоку добавляется корректирующий код, затем осуществляется межблочное перемежение и полная пропускная способность одного канала составляет 7200 бит/с.

В стандарте TETRA PDO скорость передачи данных составляет 28,8 кбит/с, и может производиться по схемам "точка - точка" и "точка - многоточие". Данный стандарт также обеспечивает поддержку протокола Х25 для пользовательских приложений. Предусмотренный в спецификации шлюз с ISDN и PDN обеспечивает возможность взаимодействия с внешними системами передачи данных.

Использование стандарта TETRA не накладывает ограничений на архитектуру сети связи, а применение модульного принципа построения позволяет реализовывать разнообразные конфигурации сетей с различной географической протяженностью.

Сеть TETRA состоит из базовых мобильных станций, устройства управления BTS, контролеров BTS и дистанционных пультов, терминалов ТОЭ регистрирующих время в эфире, вызова и отказы.

Для сетевого обслуживания и межсистемного взаимодействия используются следующие специализированные интерфейсы:

- Air Interface - радиоинтерфейс между BTS и МS;

- Direct Mode Operation - интерфейс прямого соединения между двумя MS;

- Terminal Equipment - интерфейс между MS и терминалом ПД;

- Inter System Interface - межсистемный интерфейс для объединения неосновных систем (включая разных фирм изготовителей) в единую сеть;

- LIN - Connected Stistion Interface - интерфейс для подключения ДП к базовому оборудованию;

- Network Management Center Interface - интерфейс для подключения ТОЭ;

- Gateway to PABX, PSTN, ISDN, PDN - интерфейс для подключения к УАТС, ТФОП, ЦСИС.

 

Стандарт TETRA позволяет использовать MS в качестве ретранслятора для расширения зоны обслуживания. Система использующий этот стандарт может функционировать в следующих режимах:

- режим транкинговой связи, в этом случае вся территория обслуживания покрывается BTS. При этом канал управления может быть выделенный частотный или распределенный. В первом случае из всех выделенных частотных каналов BTS, один предназначается для обмена служебной информацией. Во втором случае служебная информация передается либо в специально выделенном временном канале (одной из 4 - х каналов, организуемых на одной частоте), либо в контрольном кадре мультикадра (одном из 18).

Каналы для передачи сообщений могут организовываться следующими тремя способами:

1.Транкинг передачи. В этом способе канал выделяется только на время одной транзакции (период передачи приема), для следующий транзакции может быть выделен новый канал.

2.Транкинг сообщений. Канал присваивается в начале передачи и освобождается в конце.

З.Квазитранкинг передачи. Канал предоставляется как и в транкинге передач, однако освобождается с некоторой задержкой, что позволяет уменьшить количество сигналов управления.

- режим с открытым каналом. В этом случае устанавливается соединение "точка -многоточие", т.е. группа пользователей организуют связь, без установочной процедуры. Кроме того, любой абонент может, присоединившись к группе и использовать канал в любой момент. При этом используется режим работы "двухчастотный симплекс".

- режим непосредственный (прямой) связи. Данный режим позволяет устанавливать между терминалами двух и многоточечное соединение по радиоканалам, не связанными с КУ сетью, без передачи сигналов через BTS.

Стандарт TETRA позволяет работать MS в режиме "двойного наблюдения" (Dual Watch), что позволяет обеспечивать прием сообщений об абонентов, работающих как в режиме транкинговой, так и прямой связи. Кроме того, в данном стандарте речь и данные могут передаваться одновременно с одного терминала по разным логическим каналам.

Службы речевой связи, по которым передается речевой сигнал, могут работать в следующих режимах:

- речевая связь с индивидуальным вызовом абонентов, в этом случае обеспечивается коммутируемые двухчастотные соединения между двумя MS или между MS и стационарным терминалом для обеспечения прямой двухсторонней связи в режиме дуплекса или двухчастотного симплекса;

- многосторонняя речевая связь позволяет организовывать групповой вызов абонентов;

- циркулярная связь с широковещательным вызовом, т.е. односторонняя передача речевой информации от вызывающей стороны нескольким вызывающим абонентами.

Речевая связь может быть организована как открытой, так и защищенной при помощи шифрования информации.

В стандарте ПД может организовываться в следующих режимах:

- ПД с коммутации цепей. Данный режим аналогичен речевому обмену. Скорость определяется числом временных интервалов, выделенных для связи, и классом защиты от ошибок;

- Коммутируемые пакеты данных. Транслируются по виртуальным цепям или в виде дейтаграмм;

- Короткие сообщения (до 2048 бит). Передается оперативно, независимо от передачи речи и данных;

Стандарт TETRA представляет также ряд дополнительных услуг, к которым относятся: вызов санкционированный диспетчером; приоритетный доступ; приоритетный вызов и т.д. В стандарте предусмотрено два уровня безопасности передаваемой информации - стандартный низкий - шифруется радиоинтерфейс и высокий, обеспечивается сквозное шифрование от источника до получателя.

Защита радиоинтерфейса обеспечивается аутентификацией абонента и инфраструктуры, конфиденциальности трафика за счет потока псевдоимен и специфицированного шифрования информации. Кроме того, возможно переключение информационных каналов и КУ в процессе ведения сеанса связи.

Сеть стандарта TETRA состоит из следующих основных элементов:

- базовая приемопередающая станция (BTS);

- устройство управления BTS (BCF) - элемент сети с возможностями коммутации, который управляет несколькими BTS и обеспечивает доступ к внешним сетям ISDN, PSTN, PDN, PABX, а также используется для подключения ДП и терминалов ТОЭ;

- контролер BTS - элемент сети с большими по сравнению с BCF коммутационными возможностями;

- ДП устройство, подключаемое к контролеру BTS по проводной линии и обеспечивающее обмен информацией между диспетчером сети и другими пользователями сети;

- мобильная станция - MS;

- стационарная радиостанция (FRS - Fixed Radio Station) - используется абонентами в определенных местах;

- терминал ТОЭ подключается к УУ базовой станции (BCF) и предназначается для контроля за состоянием системы, проведения диагностики неисправностей, учета тарификационной информации и т.д.

Стандарт TETRA, используя модульный принцип построения оборудования, позволяет реализовывать сети с различными иерархическими уровнями и различной географической протяженностью (от локальных до национальных). Применение распределенной функции управления базы данных и коммутацией, позволяет организовать быструю передачу вызовов и сохранять ограниченную работоспособность и при потере связи с ее отдельными элементами.

Национальные и региональные сети TETRA, как правило, реализуются на основе сравнительно небольших подсетей, которые соединяются между собой при помощи межсистемного интерфейса ISI. Подсети представляют собой автономную и самосогласующуюся сеть с возможностью централизованного управления. Один из вариантов построения сети национального или регионального уровня приведен на рис. 23.

В каждой подсети свои функции управления и коммутации, а также возможность централизованного управления сетью более высокого уровня. Структура построения подсети зависит от трафика и требований к эффективности установления связи. Варианты конфигураций наиболее сложны при необходимости резервирования каналов, а простейшая, включает только один модуль BCF.

В сетях стандарта TETRA предусматриваются различные способы обеспечения отказоустойчивости, в частности, используются несколько маршрутов соединения сетей регионального уровня за счет соединения контролеров BTS. В свою очередь для региональных сетей предусматривается взаимное копирование БД в контролерах BTS.

Информационный обмен в системах стандарта TETRA обеспечивается с помощью телесервисных служб. При этом речь и данные могут передаваться одновременно с одного терминала по различным логическим каналам.

 

 

Рис.23 Вариант построения сети национального или регионального уровня

 

Сетевые процедуры предоставляют абонентам основные услуги при работе в сети, а оператору - возможность эффективного управления, и обеспечиваются стандартизированными службами TETRA. Основные сетевые процедуры включают: регистрацию местоположения абонента; роуминг; повторное установление связи; аутентификацию абонентов; автоматические отключение/подключения абонента при отсутствии связи, отключение абонента оператором сети; управления потоком данных. Набор конкретных сетевых процедур используемых в сети, определяются оператором.

Стандарт TETRA предусматривает и дополнительные услуги, обеспечиваемые вспомогательными службами стандарта, которые предоставляются абонентам при включении в список доступных услуг.

Дополнительные услуги условно делятся на специализированные (введенные в стандарт по заявке служб общественной безопасности и правоохранительных органов) и стандартные (предназначенные для всех пользователей, включая коммерческих операторов сетей). Пользоваться этими услугами по соглашению могут все.

К специализированным услугам относятся: вызов, санкционированный диспетчером; приоритетный вызов; приоритетный доступ; избирательное прослушивание; дистанционное прослушивание; динамическая перегруппировка; идентификация вызывающей стороны.

К стандартным услугам относятся: выбор зоны; идентификация номера абонента; сообщение о вызове; изменение маршрута прохождения вызова; вызов с использованием списка абонентов; адресация с использованием коротких номеров; ожидание вызова; удержание вызова; завершение вызова для занятого абонента; передача управления групповым соединением; подключение вызова; ограничение установления вызова; подключение к соединению в течение сеанса связи; информация об оплате.

Радиоинтерфейс стандарта TETRA V + D предполагает использование метода TDMA. При этом на одной несущей частоте организуется четыре разговорных канала. Кадр длительностью 56,67 мс делится на четыре временных интервала - слота, а последовательность из 18 кадров образует мультикадр длительностью 1,02с, причем один кадр является контрольным. 60 мультикадров образуют гиперкадр (рис. 24).

Каждый слот в кадре содержит 510 бит, из них 432 являются информационными (два блока по 216 бит). Для управления излучаемой мощностью, в начале слота передается пакет РА состоящий из 36 бит. За ним передается первый ИБ (216 бит), далее синхропоследовательность SYNC (36 бит) и второй ИБ (216 бит). Соседние слоты разделяются 6 битами GP, что соответствует длительности 0,167 мс.

 

 

Рис.24 Структура гиперкадра

 

 

Транкинговые стандарты TETRAPOL и IDEN

Фирма Matra Communications создала форум TETRAPOL в 1987 г., для выполнения контракта с французской жандармерией на создание сети цифровой радиосвязи Rubic (запущена в эксплуатацию в 1994 г.). Под эгидой этого форума была разработана спецификация TETRAPOL PAS (Rublicly Available Specifications), определяющая стандарт цифровой транкинговой радиосвязи.

В стандарте предусматривается выделенный КУ и частотный метод разделения каналов. Возможно построение однозоновой и многозоновой сети с различной конфигурацией, а также организация прямой связи между MS без использования инфраструктуры сети и ретрансляции сигналов на фиксированных каналах.

Сети связи на основе стандарта TETRAPOL имеет возможность работы в диапазоне частот от 70 до 520 МГц, которая в свою очередь подразделяется на поддиапазоны ниже 150 МГц (VHF) и выше 150 МГц (UHF). Для этих поддиапазонов, большая часть интерфейсов общая. Отличие состоит лишь в использование различных методов помехоустойчивого кодирования и кодового перемежения.

Дуплексный разнос каналов приема и передачи в стандарте составляют 10 МГц, а частотный разнос между соседними каналами 12,5 или 10 кГц. В дальнейшем возможен разнос равный 6,25 кГц. При разносе 12,5 кГц в сети организуется 400, а при разносе 10 кГц до 500 радиоканалов. При этом в каждой зоне можно использовать до 24 каналов.

Передача в стандарте организуется кадрами длиной 160 бит и длительностью 20 мс, что соответствует скорости передачи информации в канале 8000 бит/с. Далее 200 кадров объединяются в суперкадр длительностью в 4 сек. Окончательному формированию кадра предшествует сверточное кодирование, перемежение, скремблирование и дифференциальное кодирование.

В системах стандарта TETRAPOL используется модуляция GMSK, а для преобразования речи применяется кодек с алгоритмом речепреобразования RPCELP (Regular Pulse CELP анализ через синтез), скорость преобразования составляет 6000 бит/с.

Предусматривается три основных режима связи:

- транкинговая связь - абоненты взаимодействуют между собой через BTS, которые распределяют каналы связи между абонентами. Сигналы управления при этом передаются по специально выделенным для каждой BTS частотным каналам;

- прямая связь, в этом случае обмен информацией между MS производится на прямую без участия BTS;

- ретрансляция связи, взаимодействие абонентов осуществляется через РТ имеющий фиксированный канал передачи и приема информации.

 

В сетях стандарта TETRAPOL поддерживается передача речи и данных. При речевой связи возможно: широковещательный вызов, вызов установки открытого канала, ГВ, ИВ, множественный вызов с использованием списка абонентов, аварийный вызов.

При передачи данных предоставляется ряд услуг прикладного уровня, поддерживаемых заложенными в радиотерминалах функциями, такими как межабонентский обмен сообщениями в соответствии с протоколом Х.400, доступ к централизованным БД, доступ к фиксированным сетям в соответствии с протоколом ТСР/IP, передача факсимальных сообщений, видеоизображении, сигналов персонального вызова, коротких сообщений, статусных вызовов, поддержка режима передачи получаемых с помощью приемников GPS данных о местоположение объекта, пересылка файлов.

Стандарт предусматривает также стандартные сетевые процедуры, к которым относятся динамическая перегруппировка, аутентификация абонента, роуминг, приоритетный вызов, управление передатчиком абонента, управление "профилем" абонента (дистанционное изменение параметров абонентского радиотерминала) и др.

Кроме того, стандарт представляет также ряд дополнительных услуг, к числу которых относятся приоритет доступа, приоритетный вызов, приоритетное сканирование, вызов, санкционированный диспетчером, переадресация вызова, подключение к вызову и

т.д.

Стандарт TETRAPOL ориентирован для использования в правоохранительных органах и поэтому предусмотрены механизм обеспечивающий безопасность связи. К таким механизмам относятся автоматическая реконфигурация сети, динамическая перегруппировка, переназначения каналов связи диспетчером сети (ДС), управление доступов в систему, сквозное шифрование информации, аутентификация абонентов, использование временных идентификаторов абонентов, имитация активности РА и т.д.

Сети, построенные на основе стандарта TERTAPOL широко используются в странах Европы.

Компания Motorola в начале 90-х годов разработала технологию IDEN (Integrated Digital Enhanced Network) и первая коммерческая система на ее базе была внедрена в США компанией NEXTEL в 1994 г. Технология IDEN является корпоративным стандартом с открытой архитектурой и предназначена для реализации интегрированных систем, обеспечивающих все виды подвижной радиосвязи: диспетчерской связи, мобильной телефонной связи, передачи текстовых сообщений и пакетов данных.

Диспетчерские сети подвижной радиосвязи IDEN позволяет организовывать групповые и индивидуальные вызова, а также обеспечить режима ожидания при занятости вызываемого абонента. Количество групп в IDEN может составлять до 65535, при этом время установления связи группового вызова в полудуплексном режиме не превышает 0,5с.

В сетях IDEN телефонная связь полностью дуплексная, а связь может организовываться по любым направлениям и имеется возможность голосовой почты. Кроме того, возможно передавать и принимать на абонентские терминалы текстовые сообщения и данные, причем в коммутационном режиме со скоростью 9,6 кбит/с, а в пакетном до 32 кбит/с. Пакетный режим ПД поддерживает протокол ТСР/IP.

Система IDEN основана на базе технологии TDMA и в частотном канале шириной 25 кГц организуется 6 речевых канала. Кадр длительностью 90 мс разбивается на 6 интервалов длительностью 15 мс.

Речевой сигнал в системе преобразуется по алгоритму типа VSELP, что позволяет передавать информацию в канале со скоростью 7,2 кбит/с. Суммарная скорость в радиоканале с учетом помехоустойчивого кодирования и добавления управляемой информации составляет 64 кбит/с. Для организации такой скорости в канале с полосой 25 кГц используется 16 - позиционная квадратурная модуляция М16 - QAM.

Частотный диапазон, используемый в системе, стандартный для Америки и Азии и равен 805 - 821, 855- 866 МГц.

Стандарт IDEN позволяет разместить в полосе 1 МГц до 240 информационных каналов, что является наиболее высокой спектральной эффективностью среди рассматриваемых стандартов цифровой транкинговой связи. Однако, из-за малой мощности абонентских терминалов (0,6Вт для носимых и 3Вт для мобильных) размеры зон покрытия BTS меньше, чем в сетях других стандартов.

Архитектура сетей IDEN близка к транкинговым и сотовым системам и позволяет обслуживать большое количество абонентов и интенсивный график. Система позволяет создавать до 1000 виртуальных сетей, в каждой из которых может быть до 65500 абонентов, объединенных при необходимости в 255 группы. При этом каждая из групп абонентов может использовать свою зону связи, обеспечиваемую данной системой.

 

Контрольные вопросы

 

1.Назначение и из каких устройств состоит сеть стандарта TETRA?

2. В каких режимах может функционировать и какими способами могут

организовываться каналы для передачи сообщений в стандарте ТЕТРА? 3.В каких режимах могут работать службы речевой связи и как может

организовываться ПД? 4.Приведите вариант построения сети национального или регионального уровней и

дайте пояснение.

5. Приведите структуру гипокадра для радиоинтерфейса стандарта TETRA V + D.

Лекция 5

Рекомендации по выбору стандартов цифровой транкинговой радиосвязи.

Перспективы развития цифровых транкинговых стандартов в мире

 

Рекомендации по выбору стандартов цифровой транкинговой радиосвязи.

 

В настоящее время процесс развертывания сетей транкинговой радиосвязи во всем мире характеризуется внедрением цифровых систем.

Практически все ведущие мировые поставщики оборудования, системные интеграторы и операторы, а также многие крупные потребители услуг транкинговой радиосвязи переходят к цифровым системам. Основное соперничество на рынке стандартов, ориентированных не только на обычных корпоративных пользователей, но и на представителей правоохранительных органов и служб общественной безопасности, ведут TETRA, APCO 25 и TETRAPOL.

Если задаться целью предложить как можно больше критериев, по которым можно проводить сравнение цифровых стандартов, то окажется, что таких критериев чрезвычайно много. Однако целесообразно рассматривать те критерии, которые действительно важны для потребителей услуг транкинговой радиосвязи. (Например, вряд ли пользователя волнует используемый метод модуляции сигнала или алгоритм речепреобразования, однако, для него крайне важны такие показатели, как дальность связи и качество воспроизведения речевого сигнала).

Все показатели цифровых стандартов, которые можно рассматривать в качестве критериев для сравнения, с определенной долей условности можно разбить на две группы: эксплуатационно - технические и организационно - экономические.

Под эксплуатационно - техническими критериями понимается обобщенные технические показатели, которые определяются параметрами систем связи, такие, как дальность и оперативность связи, степень безопасности связи, спектральная эффективность, набор услуг связи (как стандартных, так и специальных, ориентированных на использование правоохранительными органами и службами общественной безопасности). Каждый из этих критериев является комплексным, т.е., в свою очередь, складывается из нескольких показателей или зависит от определенного набора параметров.

Дать четкое определение организационно - экономическим критериям достаточно сложно, гораздо проще просто их перечислить. К их числу можно отнести стоимостные показатели систем связи, возможности выделения ресурсов радиочастотного спектра и перспективы развития и распространения в мире каждого из стандартов. По сравнению с эксплуатационно-техническими показателями, эти критерии имеют большую неоднозначность и гораздо более высокую степень субъективизма при их оценке. При этом организационно - экономические показатели в определенной степени зависят от технических, например, на стоимостные показатели существенно влияют дальность связи и спектральная эффективность.

Эксплуатационно - технические критерии. Обобщенные сведения о системах стандартов TETRA, APCO 25, TETRAPOL и их основные технические характеристики представлены в таблице 1.

Рассматривая технические характеристики и функциональные возможности представленных стандартов транкинговой связи, можно отметить, что все стандарты имеют высокие (относительно данного класса систем подвижной радиосвязи) технические показатели. Стандарты позволяют использовать в своих системах дуплексные радиостанции. В средствах радиосвязи данных стандартов используются эффективные методы речепреобразования и помехоустойчивого кодирования информации. Все стандарты обеспечивают высокую оперативность связи и достаточную спектральную эффективность.

 

Таб.1

 

№	Характеристика стандарта (системы) связи	ТETRA	APCO 25	TETRAPOL
	Разработчик стандарта	ETSI	APCO	Matra Communications (Франция)
	Статус стандарта	Открытый	Открытый	Корпоративный
	Основные производители радиосредств	Nokia, Alcatel, Motorola, OTE	Motorola, E.F.Jonson Inc., Transcrypt, ADI Limited	Matra, Nortel,CS Telecom,Siemens
	Возможный диапазон рабочих частот, МГц	Теоретически 150-900; выделено в Европе для служб общественной безопасности 380-395/390­395	138-174; 406-512; 746-869	70-520
	Разнос между частотными каналами, кГц		12,5; 6,25	12,5; 10
	Эффективная полоса частот на один речевой канал, кГц	6,25	12,5; 6,25 (для фазы II)	25; 12,5
	Вид модуляции	p/4-DQPSK	C4FM (12,5 кГц) CQPSK (6,25 кГц)	GSMK (BT=0,25)
	Метод речевого кодирования и скорость речепреобразования	CELP (4,8 кбит/с)	IMBE (4,4 кбит/с)	RPCELP (6 кбит/с)
	Скорость передачи информации в канале, бит/с	7200 (28800- при передаче 4-х информационных каналов на одной физической частоте)
	Время установления канала связи, с	0,2 с - при индив. вызове (min) 0,17 с - при групповом вызове (min)	0,25 - в режиме прямой связи; 0,35 - в режиме ретрансляции; 0,5 - в радиоподсистеме	не более 0,5
	Метод разделения каналов связи	МДВР (с использованием частотного разделения в многозоновых системах)	МДЧР	МДЧР
	Вид канала управления	Выделенный или распределенный (в зависимости от конфигурации сети)	выделенный	выделенный
	Возможности шифрования информации	1) стандартные алгоритмы; 2) сквозное шифрование	четыре уровня защиты информации	1) стандартные алгоритмы; 2) сквозное шифрование

 

 

С технической точки зрения, основные различия между стандартами TETRA, с одной стороны, и APCO 25 и TETRAPOL - с другой, определяются методом разделения каналов связи. Для стандарта TETRA это многостанционный доступ с временным разделением каналов связи (M^tP или FDMA). Рассмотрим, как это основное различие, а также другие технические параметры влияют на основные эксплуатационно - технические показатели.

Дальность связи. Под которой обычно понимают максимальное расстояние между двумя радиостанциями, на котором обеспечивается устойчивая связь с требуемым качеством. При этом устойчивая связь считается тогда, когда отношение проведенных сеансов связи к общему числу попыток выхода на связь речевого сигнала, при котором сохраняется заданная разборчивость.

Дальность связи зависит от большого количества факторов, которые можно разделить на 3 основные группы:

- факторы, определяемые условиями применения средств связи (высота установки антенн, рельеф местности, помеховая обстановка и т.д);

- факторы, определяемые техническими параметрами, реализованными в аппаратуре связи (мощность передатчиков, чувствительность приемного тракта, коэффициент усиления антенны и т.д.);

- факторы, определяемые непосредственно заложенными в стандарте принципами построения каналов связи (ширина полосы канала связи, скорость информации в канале, способ модуляции сигнала, алгоритм речевого кодирования, методы помехоустойчивого кодирования).

Естественно, что корректно сравнивать стандарты цифровой транкинговой радиосвязи можно только по последней группе факторов, т.к. другие группы зависят или от условий эксплуатации, или определяются качеством производства радиосредств. Следует понимать, что принципиально системы с FDMA обеспечивают большую дальность связи (при прочих равных параметрах) по сравнению с системами с TDMA. Это объясняется меньшей энергией сигнала на один бит информации. Известно, что энергия сигнала Ec определяется как

Е_с = Р_с*Т_с

 

где Р_с - мощность, а Т_с - длительность сигнала.

 

Понятно, что при уменьшении длительности сигнала (времени передачи одного информационного бита для цифровой системы) пропорционально уменьшается энергия. Например, для систем TETRA, с четырьмя информационными каналами на одной физической частоте эквивалентная мощность на бит информации в 4 раза меньше, чем в системах с FDMA, что равносильно снижению дальности связи ориентировочно на 40%.

Другим фактором, влияющим на снижение дальности связи в системах с TDMA по сравнению FDMA - системами, является устойчивость канала связи при многолучевом распространение сигнала, возникающим в условиях плотной городской застройки, или холмистой местности из-за отражения сигнала от зданий и других преград, и приводящим к появлению радиоэха. Отраженный сигнал оказывает тем большее влияние, чем больше его отношение к длительности сигнала. Поэтому уменьшение длительности информационного бита в системах с TDMA ухудшает качество приема в условиях многолучевости. (Принципиально можно добиться компенсации задержки сигнала, однако это требует применения различных типов приемников для различных условий распространения сигнала).

Во многих источниках приводятся данные о приблизительно двукратном снижении дальности связи в системах с TDMA, по сравнению с системами с частотным разделением каналов связи. Например, по официальным данным Международного союза электросвязи (см. "Project 25/TETRA Comparison", Radio Resource International, 1/2000) радиус действия базовой станции TETRA для носимой радиостанции составляет 3,8 км в условиях пригорода, 17,5 км для мобильной станции в условиях сельской местности. Зона действия в этих условиях базовых станций системы APCO 25 с частотным разделением каналов в 2 раза больше (7,6 и 3,5км соответственно).

Оперативность связи. Основным параметром, характеризующим оперативность связи, является время установления соединения (канала связи ) между абонентами. Если рассматривать время установления канала связи в пределах зоны действия одной базовой станции, то все стандарты имеют близкие показатели, в пределах от 0,2 до 0,5 с. Однако, преимущество стандартов, использующих FDMA (TETRAPOL, APCO 25), состоит в том, что минимальная длительность установления соединения сохраняется на более обширной территории, т.к., дальность связи для этих стандартов больше. Для абонентов сетей стандарта TETRA, в среднем, выше вероятность оказаться в разных зонах обслуживания. При этом вызов будет проходить через коммутатор, что неизбежно увеличит время установления соединения. Кроме того, существует опасность, что в зоне вызываемого абонента заняты все каналы ретранслятора, и даже в случае вытесняющего вызова потребуется время на разрыв одного из текущих соединений. Таким образом, в целом, можно сказать, что статистически время установления соединения для передачи речевых сообщений в сетях стандартов TETRAPOL и APCO 25 меньше, чем в стандарте TETRA.

Вместе с тем, большое значение в сетях подвижной радиосвязи приобретает скорость передачи данных, которая также является показателем оперативности связи. Для стандарта TETRA она может достигать 28,8 Кбит/с (при использование всех четырех временных интервалов для передачи массива данных). Для стандартов FDMA она в несколько раз меньше: для TETRAPOL - 8000 бит/с , для APCO 25 - 9600 бит/с

Безопасность связи. Понятие безопасности связи включает в себя требование по обеспечению секретности переговоров (исключение возможности извлечения информации из каналов связи кому - либо кроме санкционированного получателя) и защиты от несанкционированного доступа к системе (исключение возможности захвата управления системой и попыток вывести ее из строя, защита от "двойников" и т.п.).

Если сравнить сами стандарты, а не системы и комплексы технических средств на их основе, то можно сказать, что все стандарты обладают сравнимой степенью, как защиты информации, так и защиты от несанкционированного доступа. Они обеспечивают возможность применения стандартных алгоритмов защиты информации, а также возможность использования оригинальных алгоритмов, разработанных пользователями сетей радиосвязи.

Спектральная эффективность. Основным показателем спектральной эффективности системы связи является эффективная полоса частот на один речевой канал, определяющая какое количество каналов связи можно разместить в отведенной для развертывания сети связи фиксированной полосе частот. Из таблицы 1 видно, что по этому показателю TETRA имеет преимущество по сравнению со стандартами с частотным разделением каналов. Стандарт APCO 25 также декларирует эффективную полосу частот, равную 6,25 кГц, однако это будет достигнуто только во второй фазе реализации проекта.

Набор услуг связи. Функциональные возможности, предоставляемые системами стандартов цифровой транкинговой радиосвязи, приведены в таблице 2.

Рассматривая функциональные возможности представленных стандартов транкинговой связи, можно сказать, что они обеспечивают сравнимый уровень услуг связи. Все стандарты позволяют строить различные конфигурации сетей связи, обеспечивают разнообразные режимы передачи речи и данных, связь с телефонными сетями общего пользования (ТФОП) и фиксированными сетями. Стандарты позволяют использовать в своих системах дуплексные радиостанции. Некоторое преимущество имеют более отработанные стандарты Tetrapol и TETRA, в которых реализованы режимы "двойного наблюдения" и открытого канала, крайне полезны для служб общественной безопасности. Однако, учитывая быстрое развитие стандартов и постоянное расширение функций систем связи, вполне возможно, что в скором времени такие же возможности будут предоставляться и APCO 25.

Выполнение специальных требований к системам радиосвязи служб общественной безопасности. Информация о наличие некоторых специфических услуг связи, ориентированных на использование представителями служб общественной безопасности, представлена в таблице 3. Здесь также можно отметить, что стандарты TETRA, APCO 25, TETRAPOL обеспечивают сравнимый уровень специальных услуг.

Интересную дополнительную услугу, о наличие которой в других стандартов, кроме стандарта TETRAPOL, сведений нет, предоставляет вспомогательная служба имитации активности радиоабонентов. В данном режиме осуществляется поддержка постоянного трафика в выбранной зоне. При перерыве в ведение переговоров базовая станция периодически посылает по каналам связи сигналы, которые трудно отличить от информационных. Такая услуга существенно затрудняет возможности злоумышленников, занимающихся контролем трафика конкретного абонента или группы абонентов, которые, в частности, могут быть сотрудниками правоохранительных органов.

Таб.3

 

Организационно - экономические критерии. Наличие ресурсов радиочастотного спектра (РЧС) для развертывания системы радиосвязи является важнейшим критерием выбора той или оной системы. В данном случае наиболее перспективны стандарты, которые обеспечивают возможность построения сетей связи в наиболее широком диапазоне.

Системы TETRA теоретически обеспечивают возможность работы в очень широком диапазоне (150- 900 МГц). Вместе с тем, пока производители предлагают в основном оборудование, функционирующие только в диапазоне, выделенном в Европе для построения сетей TETRA - 380 - 385/390 - 395 и 410 - 470 МГц, хотя сейчас уже есть сведения о проектах систем в диапазоне 800 МГц.

Системы APCO 25 в соответствии с функциональными и техническими требованиями обеспечивают возможность работы в любом из диапазонов, отведенных для подвижной радиосвязи.

Стандарт TETRAPOL ограничивает верхнюю частоту своих систем на уровне 520 МГц. Реально большинство действующих систем используют диапазон 380- 400 МГц.

Важным критерием сравнения стандартов является частотный ресурс, необходимый для развертывания сети связи с одинаковым количеством абонентов и одинаковой зоной радиопокрытия. Здесь не может быть однозначного ответа. С одной стороны, стандарт TETRA имеет лучшую спектральную эффективность, с другой - TETRAPOL и APCO 25 обеспечивают больший радиус зоны обслуживания базовой станции. Поэтому для систем TETRA меньшие ресурсы радиочастотного спектра будут требоваться для сетей радиосвязи с очень интенсивным трафиком, а преимущества TETRAPOL и APCO 25 будут проявляться для сетей связи с невысоким трафиком и широкой зоной охвата.

Экономическая эффективность. На сегодняшний день оборудование систем цифровой радиосвязи стоит значительно дороже по сравнению с аналоговыми системами. Как правило, стоимости заключенных контрактов являются коммерческой тайной, однако следует помнить, что при развертывании системы любого из представленных стандартов цифровой радиосвязи, обслуживающей несколько сотен абонентов, речь идет не о тысячах, а о миллионах долларов. Судя по рекламной информации зарубежных фирм, стоимость абонентских радиостанций, работающих в цифровых стандартах, может колебаться в пределах от 800 до 4 тыс. долларов, причем существенная доля стоимости может определяться наличием модулей или программных средств защиты информации.

Сравнение экономической эффективности систем различных стандартов нельзя рассматривать в отрыве от категории системы подвижной радиосвязи. Для создания сетей связи с небольшой нагрузкой, широким территориальным охватом и числом каналов в пределах 10 более оптимальным вариантом (в т.ч. и по стоимости) является использование систем МДЧР, к которым относятся APCO 25 (Фаза I) и TETRAPOL . Это объясняется большим радиусом зон обслуживания систем МДЧР по сравнению с МДВР - системами. По оценкам, приведенным в техническом отчете стандарта TETRAPOL PAS, стоимость базового оборудования многозоновой сети радиосвязи, реализованого на основе МДВР по отношению к системе с частотным разделением каналов (при одинаковой стоимости единицы оборудования) будет на 30 - 50 % выше.

Однако, для сетей связи с интенсивным трафиком и числом каналов в одной зоне более 15, предпочтительно использование систем с временным разделением каналов, к которым относятся TETRA.

Следует отметить, что стандарт APCO 25 (Фаза II) будет обладать универсальностью, обеспечивая возможность строить системы как с частотным, так и с временным разделением каналов.

Перспективы развития систем данных стандартов в мире. Если сравнить стандарты цифровой транкинговой радиосвязи по количеству эксплуатирующихся сетей, числу пользователей, суммарной зоне покрытия, то несомненное лидерство здесь принадлежит стандарту TETRAPOL. В настоящее время в мире развернуто более 35 крупных сетей радиосвязи в 21 стране, которые обслуживают около 0,5 млн. абонентов. Зона покрытия работающих сетей связи составляет 600 000 км². Следует отметить, что стандарт TETRAPOL пользуется популярностью во всех регионах: кроме Европы сети радиосвязи развернуты в Юго-Восточной Азии, на Ближнем и Средним Востоке, в Латинской Америке, т.к. первая сеть связи была введена в эксплуатацию в 1994 г., можно сказать, что стандарт, в достаточной степени, отработан, и пользователи в гораздо меньшей степени рискуют столкнуться с ошибками в программном обеспечении стационарного оборудования. Несмотря на то, что стандарт является корпоративным, стандарт TETRAPOL поддерживается большим количеством крупных производителей оборудования.

По количеству существующих проектов сетей связи стандарт TETRA не уступает TETRAPOL, однако большинство проектов находится в начальной стадии: опытной эксплуатации пилотных сетей или развертывания систем связи. Пока практически все сети связи сосредоточены в Европе. Пожалуй, стандарт TETRA поддержан наибольшим количеством ведущих производителей, причем не только европейских. Свои системы на базе стандарта TETRA выпустили такие ведущие компании, как Motorola (система Dimetra), Nokia (Nokia TETRA), OTE Marconi (ELETTRA).

Стандарт APCO 25 только начинает свой переход в стадию развертывания сетей связи. Пока реально выпускается оборудование системы ASTRO компании Motorola. Существуют проекты нескольких сетей в США, заключен первый контракт на поставку оборудования в Европу (система связи британской таможни).

При выборе стандарта радиосвязи обязательно необходимо учитывать информацию о том, является ли стандарт открытым или корпоративным (закрытым).

Корпоративный стандарт TETRAPOL является собственностью его разработчика - компании Matra. Приобретение оборудования возможно только у ограниченного круга производителей.

Открытые стандарты, к которым относятся TETRA и APCO 25, обеспечивают создание конкурентной среды, привлечение большого количества производителей базового оборудования, абонентских радиостанций, текстовой аппаратуры для выпуска совместных радиосредств, что способствует снижению их стоимости. Доступ к спецификациям стандартов предоставляется любым организациям и фирмам, вступившим в соответствующую ассоциацию. Пользователи, выбирающие открытый стандарт радиосвязи, не попадают в зависимость от единственного производителя и могут менять поставщиков оборудования. Открытые стандарты пользуются поддержкой со стороны государственных структур, крупных компаний многих стран мира, а также поддержаны ведущими мировыми производителями элементной и узловой базы. Все это позволяет говорить о том, что открытые стандарты с большей вероятностью, в перспективе, завоюют рынок систем транкинговой радиосвязи.

 

Контрольные вопросы

 

1.Перечислите цифровые стандарты транкинговой радиосвязи и приведите основные характеристики.

2.Что понимается под эксплуатационно - техническими и организационно -

экономическими критериям? 3.Дайте понятия критерия «дальность связи», «оперативность связи» и «безопасность

и спектральная эффективность связи». 4.Какой набор услуг обеспечивают стандарты цифровой транкинговой радиосвязи. 5.Какие перспективы развития систем цифровых транкинговых стандартов в мире?

 

СИСТЕМЫ СОТОВОЙ ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ

Лекция 6

Принцип построения и частотное планирование ССПС

Стандарты сотовых систем подвижной радиосвязи

Особенности построении цифровых ССПС

 

 

Принцип построения и частотное планирование ССПС

 

В соответствии с принципами построения ССПС, территория обслуживания с радиусом Rо условно разделяется на ячейки, имеющие радиус описанной окружности R (рис.25). Идеальная форма ячейки - круг, однако для простоты расчета полей и взаимных влияний за основу взят правильный шестигранник. Реально, из-за рельефа местности, строений и других факторов, ячейка имеет форму неправильного круга.

Рис.25 Территория обслуживания ССПС

 

Подвижные абоненты, находящиеся в ячейках, обслуживаются BTS, которые представляют свободный частотный канал, каждой MS при поступление вызова от нее. Все BTS с помощью коммутационной системы могут соединяться друг с другом, а также имеют выход в обычную ТЛФ сеть. Коммутационная система может быть либо сосредоточенной в виде ЦС, либо распределенной, что позволяет снизить первоначальные затраты на этот вид обслуживания. В последнем случае узлы коммутации устанавливаются на BTS. Каждой BTS, оснащенный приемопередающей аппаратурой, предоставляется набор частотных каналов, причем на всех BTS, которые разделены защитным интервалом D, одни и те же каналы используются повторно - это основной принцип ССПС, который определяет высокую частотную эффективность системы. Смежные BTS, использующие различные частотные каналы, образуют группу из С станций (рис.26).

Величина С является частотным параметром системы (кластер), так как определяет минимально возможное число каналов ССПС. Если на каждой BTS набор состоит из L каналов с шириной полосы Fk, то общая ширина полосы ССПС в направлении передачи составит Fc=FklC. Количество BTS (L) на территории обслуживания радиусом Ro приближенно определяется как

 

 

Рис.26 Группа смежных станций

Тогда число активных абонентов на всей территории обслуживания определяется как N=Ll, а эффективность использования спектра частот как

 

G=N/Fc=L/F_kС = 1,21 Ro ²/F_kCR²

 

т.е. она не зависит от числа каналов в наборе l и возрастает с уменьшением радиуса ячейки R. Отсюда следует, что чем меньше радиус R ячейки, тем чаще можно повторять частоты, т.е. их одновременное использование. Кроме того, следует выбирать меньшее значение частотного параметра С.

При шестиугольной форме ячеек, имеет место оптимальное соотношение между величиной С и защитным интервалом D (интервал между ячейками с повторяющимися частотами).

C=(D/R)2/3

Рассмотренная схема двухмерного покрытия территории несколько отличается от схемы линейного расположения ячеек одной длиной цепью. Линейное… Опыт эксплуатации и расчеты показывают, что уменьшение R и отношения D/R в… Величина D/R определяется заданным уровнем взаимных помех, при малых значениях D/R требуется принимать специальные…

Цифровые ССПС стандарта GSM.

В соответствии с рекомендациями СЕРТ 1980г., для подвижной связи стандарта GSM выделен спектр частот в диапазоне 862 - 960 МГц. При чем для…   Таблица 5 Основные характеристики стандарта GSM

B=F-T

При цифровой передачи сообщений в виде двоичных символов, длительность ШПС T и скорость передачи связаны соотношением:

Следовательно, база сигнала B = F/Cхарактеризует расширение спектра ШПС

относительно спектра сообщения, которое в свою очередь может осуществляться двумя методами или их комбинацией:

1) прямым расширением спектра частот;

2) скачкообразным изменением частоты несущей.

По первому методу узкополосный сигнал умножается на псевдослучайную последовательность (ПСП) длительностью T, которая в свою очередь состоит из N бит длительностью каждая. Тогда база ШПС (Рис. 4.1) численно равна количеству элементов ПСП. B = T/τ _o = N

Рис.4.1 Формирование ШПС методом прямого расширения спектра частот

 

При скачкообразныном изменении частоты несущей, производится быстрая перестройка выходной частоты синтезатора в соответствии с законом формирования ПСП (Рис.4.2).

 

Рис.4.2 Формирование ШПС методом скачкообразного изменения несущей частоты

 

Для приёма ШПС используется оптимальный приёмник, который для сигнала с известными параметрами вычисляет корреляционный интеграл:

здесь X(t) - входной сигнал, представляющий сумму исходного сигнала u(t) и шума u_ш(t).

 

Далее значение Z сравнивается с порогом Z₀. Вычисление корреляционного интеграла осуществляется с помощью коррелятора или согласованного фильтре (Рис.4.3).

 

 

Рис. 4.3 Корреляционный приемник ШПС

 

Функции коррелятора состоит в «сжатии» спектра широкополосного входного сигнала путем умножения его на эталонную копию u(t) с последующей фильтрацией в полосе 1/Т. Это позволяет увеличить отношение сигнал\шум на выходе коррелятора в В раз по отношению ко входу.

При поступлении на коррелятор входного сигнала x(t) и опорного u(t), амплитуда выходного сигнала уменьшается и становится равным «0» при сдвиге равной длительности элемента ПСП. Изменение амплитуды выходного сигнала коррелятора определяется видом корреляционной функции. При отсутствии сдвига между входной и опорной ПСП она называется автокорреляционной функцией АКТ, а при наличие сдвига взаимно корреляционной функцией ВКФ. Структура М-последовательности с N=15, вид её периодической АКФ(б) и апериодической АКФ(в), т.е. периодически не продолжающейся во времени, приведена на рис. 4.4.

 

Рис. 4.4 Структура М-последовательности с N=15 (а), периодическая АКФ (б)

и апериодическая АКФ (в)

 

Из приведенного следует, что выбирая ансамбль сигналов с «хорошими» автокорреляционными и взаимокорреляционными функциями, путём корреляционной обработки (свертки ШПС), можно обеспечить разделение сигналов, что и является основным принципом построения систем с кодового разделение каналов связи.

На практике, в сотовых системах связи, в основном используются ШПС получаемые путем прямого расширения спектра, а различие каналов определяется формой псевдослучайной последовательности, которая используется для расширения полосы спектра частот. Сформированный таким образом радиосигнал, называется фазоманипулированным ШПС.

Выбор вида ПСП зависит от взаимных и автокорреляционных характеристик ансамбля сигналов, его объема, простоты реализации устройств формирования и «сжатия» (свертки) сигналов в приемнике. Перечисленным условием наиболее удовлетворяют линейные М-последовательности и их сегменты, а для расширения объема ансамбля сигналов часто используют составные ПСП с добавлением последовательности Уолша.

Основной проблемой создания систем ССПС стандарта CDMA, является реализация малогабаритных, малопотребляющих и многофункциональных устройств «сжатия» ШПС. К настоящему времени эта проблема успешно решается различными фирмами, в частности, по предложению американской формы Qualcomm, в США принят стандарт IS-95 для систем ССMС с CDMA. Европе в разных программы RACE, разработаны проект CODI T (code Division testbed), основная цель которого возможность использования в стандарте CDMA для третьего поколения CCПС ИМТS/FPLMTS.

 

Особенности стандарта IS-95

 

CCПС с CDMA стандарта IS-95 была разработана фирмой Qualcomm. Основная цель разработки состояла в увеличении емкости ССПО по сравнению с аналоговыми не менее чем на порядок. Технические требования к системе CDMA сформулирована Ассоциацией промышленности связи (TIA) в следующих стандартах:

 

IS-95 - CDMA радиоинтерфейс

IS-96 - CDMA речевые службы

IS-97 - CDMA подвижная станция

IS-98 - CDMA базовая станция

IS-99 - CDMA служба передачи данных.

 

Система рассчитана для работы в диапазоне 800 МГц, выделенной для сетей ССПС стандартов AMPS/DAMPS. Скрытность связи является технологической особенностью CDMA, поэтому шифрование сообщений не требуется.

Стандарт IS-95 использует прямое расширение спектра частот на основе 64 последовательностей функций Уолша. Речевые сообщения преобразуются по алгоритму CELP со скоростью преобразования 8000 бит/с, а в канале, с учетом дополнительных символов для повышения помехоустойчивости, 9600 бит/с. Система допускает режимы работы на скоростях 4800, 2400 и 1200 бит/с. При передачи "вниз" в системе используется сверточние кодирование со скоростью 1/2, а «вверх » 1/3 . Кроме того применяется перемежение передаваемых сообщений, а на приёме декодер Витерби с мягким решением.

Канал связи стандарта CDMA Qualcomm занимает полосу 1,25 МГц, а основные характеристики и технические параметры приведены в таблице 4.1.

На приёме отраженные сигналы, приходящие с разными задержками, обрабатываются раздельно, а затем осуществляется весовое сложение. Такая процедура приёма значительно снижает отрицательная влияние эффекта многолучевости.

Для раздельной обработки сигналов, в каждом канале приёма параллельно работают 4 коррелятора на BTS и 3 на MS. Кроме того, параллельно работающие корреляторы позволяют осуществлять мягкий режим «Эстафетной передачи» (Soft Handoff) при пересечении сот. Происходит это за счет управления MS двумя или более BTS. Транскодер, входящий в состав основного оборудования, проводит оценку качества приёма сигналов от двух BTS последовательно кадр за кадром (рис. 4.5).

 

Таб.4.1 Основные характеристики и технические параметры стандарта CDMA Qualcomm

 

 

Рис. 4.5 Принципы склеивания лучших кадров, принимаемых разными базовыми станциями

Выбор результирующего сигнала, как процесс определения лучшего кадра, формируется путем непрерывной коммутации и последующего «склеивания» кадров, принимаемых разными базовыми станциями, участвующими в «Эстафетной передаче», что обеспечивает мягкий режим. При этом обеспечивается высокое качество приема речевых сообщений и устраняются перерывы в сеансах связи имеющих место в сотовых сетях связи других стандартов.

Обобщенная структурная схема стандарта CDMA приведена на рис.4.6.

Рис.4.6 Структурная схема сети сотовой подвижной радиосвязи CDMA

 

Как видно, основные элементы приведенной схемы, аналогичны используемым в ССПС аналогового и цифрового стандартов. Отличие состоит лишь в наличии устройства оценки качества и выбора кадра (SU Selection Unit). Кроме того, между BTS управляющие разными контроллерами (BSC), вводится линия передачи между SU и BSC (Inter BSC Soft handoff), для реализации мягкого режима «Эстафетной передачи».

Протоколы установления связи используют, логические каналы, которые в CDMA подразделяются на прямые (forward), обратные (Reverse), передача «вверх». Структура таких каналов стандарта IS-95 приведена на рис.4.7.

 

Рис.4.7 Структура каналов связи в стандарте CDMA IS-95

 

Прямой пилотный канал служит для синхронизации MS с сетью и контроля за сигналами BTS по времени, частоте и фазе.

Канал синхронизации используется для идентификации BTS, уровня излучения пилотного сигнала, фазы ПСП BTS. После завершения перечисленных этапов синхронизации, начинаются установления соединением.

По каналу вызова осуществляется вызов MS. По получению вызывного сигнала MS передает сигнала подтверждения на BTS. После этого с BTS передается информация об установления соединения и назначения канала связи.

Полностью канал начинает функционировать только после получения MS всей системной информации (частота несущей, тактовая частота, задержка сигнала по каналу синхронизации).

Прямой канал трафика служит для передачи речевых сообщений и данных, а также управляющей информации с BTS на MS.

В том случае, если MS не использует канал трафика, то для организации связи с BTS служит обратный канал доступа. По этому же каналу осуществляется установочные вызова и ответов на сообщения, передаваемые по каналу вызова и запрет на регистрацию в сети. Канал вызова и доступа совмещается (объединяются).

По каналу обратного трафика передаются речевые сообщения и управляющая информация с MS на BTS.

Количество каналов на BTS составляет 64, из которых 2 канала используются для синхронизации, 7 - для персонального вызова (Paging), остальные 55 - для передачи речевых сообщений.

Все 64 канала BTS используют одну и тоже ПСП. Для разделения каналов при передаче применяют 64 взаимно ортогональных последовательностей Уолша. По этой причине отсутствуют взаимные помехи между каналами передачи одной BTS. Однако имеет место помехи, создаваемые соседними BTS работающими в этой же полосе радиочастот и используемые ту же самую ПСП, но с другим циклическим сдвигом.

При передаче с MS также используются ортогональные последовательности Уолша, но не для разделения каналов, а для повышения помехоустойчивости. Для этого в каждой группе из 6 бит информационного сообщения, при передаче, ставится в соответствии одна из 64 ортогональных последовательности Уолша. Разделение сигналов MS обеспечивается путем использования ПСП с разными циклическими сдвигами.

Формирования сигнала на подвижной станции приведена на рис.4.8, а структурная схема приемной базовой станции на рис. 4.9.

 

Рис. 4.8 Формирование сигнала подвижной станции

 

 

Рис. 4.9 Структурная схема приемника базовой станции

 

Уровень помех создаваемые соседними BTS и другими MS определяют верхний порог пропускаемый способности сети стандарта CDMA.

Для расчета количество активных абонентов в соте системы CDMA, предполагают, что все k активных абонента в соте работают в общей полосе частот F, а скорость передачи сообщений постоянна и равна С. При этом чувствительность приемника BTS равна Pq, а уровень фонового шума - Р_ш.

При заданных исходных условиях, отношение сигнал/шум на входе приемника BTS определяется выражением:

 

здесь, (k-1)*Po - уровень сигнала от других активных станции.

 

В свою очередь, отношение энергии одного бита E₀ информационного сигнала к спектральной плотности шума N₀ определяется выражением:

 

 

Тогда k - 1 = B / (E₀/N₀), при условии, что уровни сигналов от всех MS на входе BTS приблизительно равны и минимальны, близки к P₀. Отсюда следует, что регулировка уровня мощности сигналов MS должно быть очень точной и в большом диапазоне.

В стандарте IS-95 уровень мощности сигнала MS регулируются в диапазоне 84дБ с шагом 1 дБ, что позволяет минимизировать уровень сигнала на входе BTS. Это в свою очередь уменьшает уровень взаимных помех в системе и повышает ее емкость.

Следующем недостатком системы CDMA Qualcomm является необходимость использования одинаковых по размерам сот на всей сети, так как в противном случае возникают взаимные помехи от сигналов подвижных станции, которые находятся в соседних сотах разного размера. Кроме того, это приводит и к проблемам с «эстафетный передачей».

Одним из методов снижения взаимных помех в системе с CDMA, следовательно и увеличение емкости сети, является применение прерывистой передачи речи на основе использования детектора активности речи и вокодера с алгоритмом CELP, а также переменной скорости преобразования аналогового речевого сигнала в цифровой.

Передача сообщений в стандарте IS-95 осуществляется кадрами, а используемая технология приема позволяет анализировать ошибки в каждой информационном кадре. При этом, если количество ошибок превышает допустимое, то этот кадр стирается (frame erasure). В свою очередь, «частота стирания битов» определяется отношением E0/N0. При увеличение количество активных абонентов в соте, из-за взаимных помех отношений E0/N0 снижается, а частота ошибок увеличивается. Общие нормы на величину таких ошибок еще не принята и поэтому различные фирмы производители принимают свои допустимые значение частоты ошибок. Например, фирма Qualcomm считает допустимую величину ошибок равной трем процентам, при этом емкость системы CDMA увеличивается в 20...30 раз по сравнению с системой AMPS. В свою очередь фирма Motorola считает допустимые число ошибок равной один процент, тогда емкость системы CDMA увеличивается по сравнению с AMPS только в 15 раз.

По данным фирмы Motorola, при отношении E0/N0=7... 8 дБ и допустимой частоте ошибок в один процент на трехсекторной соте можно организовать до 60 активных каналов.

 

Особенности MS стандарта IS-95

Разработанная для стандарта IS-95 MS двухрежимная,т.е. позволяющая помимо сети CDMA поддерживать связь и с существующими сетями аналоговых стандартов с частотной модуляцией (AMPS). Это дает существенные преимущества абонентам CDMA, так как позволяют использовать MS и там, где существующие аналоговые сотовые сети обеспечивают радиопокрытие. Особенностью таких MS является добавление к существующим станциям аналоговых стандартов функций цифровой обработки сигналов. В стандарте IS-95 фирмы Qualcomm, эти функции реализованы в трех заказных СБИС, конструктивно объединенных в одном устройстве. Структурная схема подвижной станции CDMA приведена на рис. 108.

Рис. 4.10 Структурная схема подвижной станции CDMA

 

Особенности BTS стандарта IS-95

 

В данном стандарте BTS могут работать как с антеннами с круговой диаграммой направленности , так и секторными , обычно 120-градусными. Структурная схема BTS стандарта CDMA приведена на рис.4.11.

Здесь предполагается использование в сотах антенн с круговой диаграммой направленности оборудование, включая канальные блоки, цифровые универсальные, а также могут быть сконфигурированные как информационный или служебный каналы. Для синхронизации работы сети применяют приемник глобальной системы место определения - GPS, куда входит также опорный тактовый генератор и формирователь секундных импульсов.

Сигнал промежуточной частоты, сформированный в блоке цифровой обработки, поступает в приемопередающий блок, где преобразуется в радиочастотный сигнал несущей частоты. Далее он усиливается в усилителе мощности и через радиочастотный фильтр поступает на передающую антенну.

 

 

Рис.4.11 Структурная схема базовой станции CDMA

 

На приеме, сигнал с приемной антенны выделяется радиочастотным фильтром, усиливается в малошумящем усилителем и затем преобразуется в сигнал промежуточный частоты, который подается на блок цифровой обработки. Тракты приема и передачи разделены, т.е. отсутствует сумматоры мощности, что исключает потери мощности при сложении.

Требуемые режимы и алгоритмы работы BTS обеспечивает контроллер соты. Кроме того, контроллер формирует статистическую информацию о работе соты, а также управляет объединением портов канальных блоков для передачи сообщений по цифровой линии к контроллеру сети и центру коммутации подвижной связи.

 

Безопасность и конфиденциальность связи в стандарте IS-95

 

Применение сложного радио интерфейса в стандарте К-95,основанного на передаче сообщений кадрами с использованием канального кодирования и перемежения с последующим «расширением» передаваемых сигналов с помощью составных ШПС, с формированных на основе 64 видов последовательностей Уолша и псевдослучайных последовательностей с количеством элементов 2 и (2⁴²-1), позволяют обеспечить высокую степень безопасности передаваемых сообщений. Кроме того, безопасность связи обеспечивается также применением процедуры аутентификации и шифрования сообщений.

Для процедуры аутентификации в MS хранится один ключ А и один набор общих секретных данных как при работе в режиме с частотным разделением каналов, так и в режиме CDMA. Аутентификация осуществляется путем передачи «цифровой подписи» состоящей из 18 бит, которая передается в начале сообщения в ответе MS на запрос сети при поиске станции и добавляется к регистрационному сообщению или пакету данных передаваемых по каналу доступа. Предусматривается возможность смены аутентификационного набора общих секретных данных.

Шифрование сообщений, подлежащих передачи по каналу связи, осуществляется в соответствии с стандартом IS-54. Кроме того, возможен режим «Частный характер связи», для этого предусматривается секретная маска в виде длинного кода, аналогичная описанной в стандарте IS-54.

Наивысшая конфиденциальность связи обусловлена многоступенчатым кодированием, расшифровка которого потребует попросту нескольких весьма напряженных лет упорного труда. Так, если сигналы аналоговых стандартов можно прослушать самыми простыми измерительными приемниками, которые свободно продаются в магазинах, то для прослушивания с эфира сигналов стандартов GSM и DAMPS поставляется уже более совершенная аппаратура радиоконтроля.

Что касается обнаружения из эфира сигналов технологии CDMA, то из-за их повышенной криптостойкости и скрытности под шумами эта задача является архисложной. Интересно, что совокупность таких качеств, как криптостойкость, помехоустойчивость и помехозащищенность в сочетании с пониженным расходом емкости аккумуляторной батареи было бы целесообразным применять технологию CDMA для нужд силовых структур и ведомств.

 

Контрольные вопросы

 

1.В чем состоит основной принцип CDMA?

2.Приведите основные характеристики и технические параметры стандарта CDMA и как обеспечивается мягкий режим «Эстафетной передаче»?

З.Приведите структурную схему сети сотовой подвижной радиосвязи стандарта CDMA и поясните её.

4.Приведите и поясните структуру каналов связи в стандарте CDMA IS-95 и формирование сигнала подвижной станции в стандарте CDMA IS-95.

5.Приведите структурную схему приемника базовой станции и поясните её.

6.В чем состоят особенности MS стандарта IS-95. 7.В чем состоят особенности BTS стандарта IS-95.

8.Как обеспечивается безопасность и конфиденциальность связи в стандарте IS-95.

Лекция 10-2

4.2. Радиолинии пакетной связи

 

При осуществлении пакетной связи обмен информацией проводится в соответствии с протоколом АХ.25, представляющим собой переработанную специально для радиосетей версию протокола Х.25 кабельных коммутационных сетей. Протоколы обмена содержат семь уровней. Процедуры работы по радиоканалу описываются во втором уровне, который реализуется специальным контроллером пакетной связи (TNC), размещенным между компьютером и приемопередатчиком [25].

Протокол обмена АХ.25 обеспечивает многостанционный (множественный) доступ канала связи с контролем занятости. Все станции считаются равноправными. Прежде чем включиться в работу TNC станции проверяет, свободен ли канал и, если канал занят, то проверка осуществляется до тех пор, пока он не окажется свободным, и лишь поле этого станция включается на передачу.

При пакетной связи сообщения передаются блоками - ядрами. Кроме информации в кадре содержатся данные о назначении кадра, адресах отправителя, получателя и ретранслятора, через которые должно пройти сообщение, а также данные о контрольной сумме, позволяющей проверить правильность принятых кадров.

Формат кадров. Каждая законченная часть информации представляет собой кадр. Он имеет определенный формат.

Каждый кадр (рис. 4.2) начинается с уникальной последовательности бит 01111110, которая называется флагом и позволяет распознать начало кадра. Далее идут адресное поле размером от 14 до 70 байт, управляющее - 1 байт, информационное - от 0 до 256 байт, контрольное - 2 байта.

 

 

 

Рис. 4.2

При использовании сетевого третьего уровня протокола образуется дополнительное идентификационное поле, которое выступает как часть информационного поля. Заканчивается кадр также флагом.

Флаговое поле. Как уже было отмечено, флаговое поле представляет собой уникальную последовательность бит 01111110. Если далее в кадре встретится такая же последовательность, то для того, чтобы корреспондент ее не принял за признак окончания пакета, после пятого бита вставляется ноль.

Адресное поле (рис. 4.3). Оно может содержать от двух до десяти радиолюбительских позывных. Простейший случай - два позывных, если два корреспондента работают между собой непосредственно. Если эти корреспонденты находятся вне зоны радиовидимости, то они могут использовать станции других операторов в качестве ретранслятора. В одной линии их может быть до восьми. Позывные ретрансляторов также входят в адресное поле. Таким образом, оно делится на три подполя: получателя, отправителя и ретранслятора. Позывные, занесенные в него, могут состоять не более чем из шести символов. Если позывной состоит менее чем из шести символов, то он дополняется соответствующим количеством пробелов.

Рис. 4.3

После позывного в каждом подполе идет вторичный идентификатор станций. Это некоторое число от 0 до 15. Оно обозначает, что оператор имеет несколько станций пакетной связи, аппаратуру BBS, а также NET/ROM. Обычно сам оператор работает с позывным без номера или с номером один. К позывному "почтового ящика" и узловой станции дополнительно прибавляются цифры от двух до девяти, а при прохождении сигнала транзитом через NET/ROM - от 10 до 15 в зависимости от того, через сколько узловых станций прошел пакет.

Число идентификатора в двоичном виде занимает четыре бита со второго по пятый в байте, следующем после каждого позывного. На рис. 4.3 эти биты обозначены как SSID (SECONDARY STATION IDENTIFIER). Первый бит этого байта используется как признак конца адресного поля. Если он обозначен единицей, то это признак последнего байта адресного поля. Для шестого и седьмого битов нет определенного назначения, и они могут использоваться в локальных сетях по договоренности пользователей. Восьмой бит в подполе отправителя и получателя устанавливается в ноль. В подполе ретранслятора его обозначают единицей, если пакет прошел через ретранслятор, и нулем, если нет.

Установление бита ретранслятора необходимо для того, чтобы ретрансляторы, находящиеся в зоне радиовидимости друг друга, следовали очередности передачи пакетов через себя и выполняли эту процедуру строго в порядке, заданном отправителем пакета.

Управляющее поле. В нём содержится информация кадра, которая используется для определения назначения сообщения. Все кадры пакета можно разделить на три основных типа: I -информационные кадры, содержащие символьную или цифровую информацию; S - служебные, подтверждающие, что кадр принят, или содержащие запрос на выдачу очередного информационного кадра; ненумерованные кадры - запрос на соединение-разъединение. К этому типу относятся и сигналы маяков.

Кроме того, в этом поле записан номер отправляемого кадра или при подтверждении о получении сообщения номер следующего кадра, который готов принимать TNC корреспондента. Подобная нумерация введена потому, что через канал может подряд передаваться несколько кадров от одного до семи , и она может помочь разобраться при сбое. Если произойдет ошибка в каком-либо из кадров, то контроллер получателя сообщит контроллеру отправителя о том, что он готов к приёму того номера кадра, который еще не принят или был принят с ошибкой. Например, одна станция отправила другой подряд четыре пакета и при приеме третьего произошла ошибка, в этом случае контроллер получателя сообщит отправителю: "готов к приему третьего пакета".

Информационное поле. В нем размещается поле, информация объемом 256 байт, представленная в кодах, которая при приеме корреспондентами отображается на экране дисплея ЭВМ.

Иногда первый бит информационного поля выступает в качестве самостоятельного подполя - идентификатора протокола. Это происходит в случае использования третьего (сетевого) уровня при прохождении пакета через NET/ROM.

Контрольное поле служит для проверки правильности радиообмена. Оно представляет собой шестнадцатиразрядное число, которое подсчитывается с помощью полинома X¹⁶+X¹⁵+X²+1 в соответствии с алгоритмом HDLC (Hiqht Level Data Link Central Procedures).

TNC отправителя просчитывает контрольную сумму по всему кадру и помещает ее в конец кадра. На приемном конце по тому же алгоритму она просчитывается вновь и сверяется с суммой, помещенной в конце кадра. Если эти два числа совпадают, то кадр считается принятым верно.

Существуют два способа подсчета контрольной суммы: аппаратный и программный. При аппаратном способе кадр проходит через некоторое устройство (сумматор), в результате чего в его регистре оказывается записанным число, которое и является контрольной суммой. При программном способе подсчет контрольной суммы выполняется с помощью специальной про­граммы. При этом кадр сначала полностью принимается в оперативную память, а затем производится подсчет. Первый способ реализует высокое быстродействие, но требует дополнительных аппаратных средств. Второй способ имеет низкое быстродействие, но дополнительных аппаратных затрат не требует.

Структура станции (рис. 4.4) пакетной связи, реализующая протокол АХ.25, содержит компьютер, модем TNC, приемопередатчик и антенно-фидерное устройство А. При работе на станции пакетной связи оператор набирает информацию на клавиатуре, а получает ответы в виде символов на экране монитора. Информация, передаваемая оператором, может быть командой для TNC или текстом.

После нажатия на клавишу компьютер определяет код, соответствующий этой клавише, и посылает его по последовательному каналу. Обмен по этому каналу происходит побайтно. Вид передаваемого байта показан на рис. 4.5. Некоторые параметры, которые характеризуют передаваемый байт, могут быть различными, но необходимо, чтобы параметры, установленные в

Стартовый бит Стоповые биты

 

Рис. 4.4

 

TNC и в компьютере, совпадали. Их характеризуют следующие параметры: длина информационного слова (7 или 8 бит), наличие проверки на четность или нечетность, стартовый бит (один), стоповым бит (один, полтора или два), скорость обмена (50, 75, 150, 300, 1200, 2400, 4800 или 9600 бит/с).

 

Рис. 4.5

Уровни напряжений, используемых в данном интерфейсе: единица - от +З до +12 В, ноль - от -3 до -12 В. Информация в направлении от компьютера передается по линии TXD, а в обратном направлении - по линии RXD. Кроме того, существуют еще две дополнительные линии CTS и RTS, по которым подается сигнал о готовности компьютера или TNC к приему очередного байта. Преждечем передать байт по линии TXD, компьютер проверяет линию CTS. Если на ней уровень сигнала характеризует готовность TNC к приему байта, то компьютер посылает его, если нет, то ожидает изменения уровня. Аналогичную процедуру производит TNC с использованием линии RXD для передачи информационного байта и линии RTS для проверки готовности.

Последовательность нескольких байт, поступивших в TNC, может быть либо командой, либо информацией, предназначенной для отправления по радиоканалу. В первом случае команда декодируется и исполняется, во втором - формируется кадр в соответствии с протоколом АХ.25 и переводится из стандартного кода в код NRZ-1 (Nопе Return to Zeroinverted). В этом стандарте предусмотрено, что перепад физического уровня сигнала происходит в том случае, если в последовательности передаваемых бит встречается ноль. Временная диаграмма, поясняющая этот процесс, показана на рис. 4.6, где показана исходная посылка, и она же в виде кода NRZ-1.

Обычно модем конструктивно выполняется в одном корпусе с TNC. Его цифровую часть, как правило, называют ассемблером-дизассемблером кадров. Ассемблер-дизассемблер кадров и модем связаны между собой четырьмя линиями: TXD - для передачи кадров в коде NRZ-I, RXD - для приема кадров в коде NRZ-1, РТТ -для включения модулятора и DCD, по которой подается сигнал с демодулятора о занятости канала.

РИС. 4.6

Модем представляет собой совокупность двух устройств: модулятора и демодулятора. Перед отправлением пакета ассемблер-дизассемблер кадров включает модем с помощью сигнала на линии РТТ и по линии TXD посылает кадр в коде NRZ-1. Модулятор производит заполнение полученной последовательности двумя звуковыми частотами. Единица соответствует частоте F1, а нуль - частоте F2. Сигнал, промодулированный звуковой частотой, по линии MIC поступает на микрофонный вход передатчика.

При приеме кадров последовательность импульсов, заполненных звуковой частотой, с выхода приемопередатчика по линии EAR поступает на вход демодулятора. Демодулятор производит обратный процесс: из последовательности импульсов звуковой частоты выделяет огибающую, которая и представляет собой кадр в виде кода NRZ-1. Этот кадр поступает в ассемблер-дизассемблер пакетов. При появлении в канале сигнала, промодулированного одной из частот F1 или F2, специальный детектор формирует на выходе сигнал, свидетельствующий о занятости канала.

Сигнал РТТ кроме включения модулятора выполняет еще одну функцию - управляет транзисторным ключом, который переключает приемопередатчик с приема на передачу.

В пакетной связи используются два типа модемов: для коротких и ультракоротких волн. На коротких волнах используется однополосная модуляция, а скорость передачи по радиоканалу 300 бит/с, при этом разнос звуковых частот, соответствующих нулю и единице, должен составлять 200 Гц. В Европе приняли стандарт, по которому установлено, что нулю соответствует частота модуляции 1350 Гц, а единице - 1650 Гц.

На ультракоротких волнах (УКВ) работают на скорости передачи 1200 бит/с при разносе частот 1000 Гц. Так как в диапазоне УКВ используется частотная модуляция, то частоты строго фиксированы. Принято, что нулю соответствуют 1200 Гц, а единице - 2200 Гц.

Встроенный в модем контроллер осуществляет функции управления радиостанцией. Процесс управления передачей в последовательной линии RS 232 происходит по протоколу АХ.25 сигналами RTS/CTS. В модемах имеются микросхемы ПЗУ с прошивками установок протокола АХ.25 (табл. 4.1). Протокол АХ.25 передачи данных обеспечивает помехоустойчивое кодирование и полную достоверность передаваемой информации за счет того, что выполняется следующее:

- радиосредства постоянно контролируют занятость эфира и осуществляют передачу пакетов данных только при отсутствии в эфире сигналов и помех;

- если проверка правильности передаваемой цифровой информации дает отрицательный результат, то производится повтор передачи "испорченного" радиопомехой пакета данных.

Таблица 4.1
Установки	Описание установок и их параметров
Ax25l2v2 ON OFF	Версии протокола AX25 LEVEL2 TNC использует версию 2.0 TNC использует версию 1.0
Ackprior ON OFF	Приоритетный доступ к каналу — включен —выключен
ACKTime N	Время передачи данных в канал В десятках миллисекунд (14 - по умолчанию)
Autolf ON OFF	Символ перевода строки Посылается после символа возврата каретки Не посылается
Awlen N	Количество разрядов данных в слове 7 или 8 (8 - по умолчанию)
AXDelay N	Задержка включения речевого репитера 0 - 180 в десятках миллисекунд (0 - по умолчанию)
AXHang N	Время зависания речевого репитера 0 - 20 в сотнях миллисекунд (0 - по умолчанию)
Beacon every N after N N	Позволяет посылку флага, передается первый фрейм Посылает флаг через регулярные интервалы Однократно после пакетной пассивности 0-250 в десятках секунд (0 - по умолчанию, убирает флаг)
BBSmsgs OFF ON	Отображение определенных сообщений Выключено Включено
Bkondel ON OFF	Отображение и удаления символа на дисплее Если удален символ, то BACKSPACE, SPACE Если удален символ, то BACKSLASH, \
Btext пробел text	Достаточная порция данных пакета флага Данные отсутствуют Любая комбинация символов до 120 символов Флаг не посылается, если Btext 0
Budlist OFF ON	Игнорирование отображения фреймов от станции — из LCALLS списка — не из LCALLS списка
Cbell OFF ON	Возможность звукового сигнала Отсутствует Имеется
Check N	Время задержки соединения-рассоединения 0 - 250 в десятках секунд (12 - по умолчанию)
CLKadj N	Корректирующий фактор программы отсчета реального времени 0 - 65535 (0 - по умолчанию, коррекция не проводится) Относительная тактовая частота = 100 - (9,16667/N)
CMSg OFF ON	Возможность посылки сообщения, установленного CTEXT Оператор готов к работе, но сообщение не посылается Оператор не имеет возможности вести беседу
Продолжение табл. 4.1
Установки	Описание установок и их параметров
Cmdtime N	Время перерыва прозрачного режима 0 - 250 в единицах секунд (1 - по умолчанию)
CMSGDisc OFF ON	Возможность прерывания связи другим TNC Невозможно Возможно
Cpactime OFF ON	Возможность использования разрывов между пакетами в диалоге Не используются Используются
CR ON OFF	Символ CR возврата каретки в пакетах в диалоговом режиме Добавляется к пакетам Не добавляется к пакетам
Ctext пробел text	Посылка пакета в диалоговом режиме Отсутствие сообщения До 120 символов и пробелов
CANline N	Возможность вычеркивания строк в CONVERSE режиме 0 - $7F код ASCII для символа убираемой входной строки ($18)
CALSet N	Калибровка тональных частот TNC 0 - 65535 (87 - по умолчанию) N = (525000/F)+1 для модуляцииJ4 = (262500/F)+1 для демодуляции
CANPac N	Изменение командного символа стирания пакета редактирования 0 - $7F код ASCII командного символа ($19 - по умолчанию)
COMmand N	Переход из диалогового в командный режим 0 - $7F код ASCII для символа ввода командного режима ($03)
CONPerm OFF ON	Возможность соединения текущих потоков Поток может быть подсоединен к (рассоединен от) другим станциям TNC всегда поддерживает происходящие соединения
CONOk ON OFF	Реакция TNC на запрос по радио на сообщение Запросы на соединение будут приняты Запросы на соединение не будут приняты
CONMode CONVERS TRANS	Установка режима после соединения Устанавливает диалоговый режим Устанавливает прозрачный режим
CONStamp OFF ON	Отметка по времени сообщений о состоянии соединения Не маркируется временными отметками Маркируется временными отметками
DAYUsa ON OFF	Формат представления даты дисплея TNC Стандарт США MM/DD/YY Стандарт европейский DD/MM/YY
DEAdtime N	Время ожидания приоритетного квитирования (33 - по умолчанию)

Продолжение табл. 4.1 Установки Описание установок и их параметров
NULf OFF ON	Передача символов NULL ($00) Не посылается к терминалу следом за символом LR Посылается к терминалу следом за символом LR
NULLs N	Количество символов NULL после CR или LR 0 - 30 (0 - по умолчанию)
Paclen N	Максимальное количество байтов данных в пакете 0 - 255 (128 - по умолчанию) Значение 0 эквивалентно 256
PARity N	Контроль четности для перемещения данных терминала 0 - 3 (3 - по умолчанию) 1 - по нечетности, 3 - по четности, 0 и 2 - нет контроля
PASs N	Выбор кода символа для прохода входной редактирующей команды 0 - $7F ($16 - по умолчанию)
PASSAll OFF ON	Реакция TNC на нарушения в пакетах, например, из-за помех, шумов TNC принимает только пакеты с ненарушенным CRC TNC принимает пакеты с нарушенными CRC-полями
PACTime AFTER EVERY N	Пакетная пауза прозрачного режима Пауза после N*10 мс после момента отсутствия входных данных Пауза через каждые N*10 мс 0 - 250 в сотнях миллисекунд (AFTER 10 - по умолчанию)
Retry N	Разрешение на повторы передачи пакетов 0 - 15 (10 - по умолчанию) количество повторов
REDisplay N	Изменение входного редактирующего символа отображения строки 0 - $7F ($12 - по умолчанию)
RESptime N	Минимальная задержка для посылки подтверждающего пакета 0 - 250 в сотнях миллисекунд (5 - по умолчанию)
RXblock OFF ON	Формат данных, посылаемых к терминалу Стандартный формат для данных TNC Формат RXBLOCK для данных абонента (случай почтового ящика)
Screenln N	Ширина экрана или листа терминала 0 - 255 символов (80 - по умолчанию)
SLOts N	Номер слота 0 - 127 (3 - по умолчанию)
STOp N	Выбор символа установления паузы выдачи выходных данных от TNC к терминалу 0 - $7F ( $13 - по умолчанию ) Если 0, то TNC реагирует только на установки ПЗУ

Заключение

 

В рамках настоящего учебного пособия, состоящего из трех частей, невозможно было достаточно подробно изложить все аспекты, принципы построения и номенклатуру существующих телекоммуникационных систем. Поэтому авторы ограничились изложением лишь общих вопросов построения наиболее используемых и перспективных систем радиосвязи, реализующих основные тенденции развития телекоммуникаций - глобализацию и персонализацию предоставления услуг связи.

Приведенный в пособии материал свидетельствует о том, что за
последние годы системы радиосвязи по существу превратились в
высокоразвитые интеллектуальные пространственно-

распределенные структуры массового обслуживания, использующие сетевые принципы построения, и их дальнейшее совершенствование и развитие связывают с решением ряда задач, главными среди которых являются задачи обеспечения глубокой интеграции всех видов связи и задачи надежного обеспечения необходимого трафика в условиях существенного возрастания объемов информационных потоков и числа абонентов. Решение первой группы задач неразрывно связано с необходимостью совершенствования методов частотно-территориального планирования, методов обеспечения электромагнитной совместимости, создания эффективных универсальных протоколов обмена информацией между различными системами. Решение второй группы задач в условиях существенной нестационарности и случайного характера трафика, а также ограниченности ресурса системы требует использования оптимальных методов сетевых технологий, совершенствования маршрутизаторов и других сетевых элементов и устройств.

Понятно, что решение этих, а также большинства других задач, связанных с совершенствованием и дальнейшим развитием радиосистем связи, возможно лишь на основе использования и совершенствования цифровых методов и устройств обработки информационных потоков. Вот почему цифровые системы связи уже в настоящее время не только успешно конкурируют с аналоговыми, но и начинают все больше и больше заполнять мировое информационное пространство.

 

 

Лекция 11-12

Основные положения концепции ССПС 3G

Сравнение возможностей предоставляемых услуг всех поколений ССПС Стандарты CDMA-2000

 

Основные положения концепции ССПС 3G

 

Главное отличие 3G от эксплуатируемых сейчас сетей второго поколения (2G) -передача большого объема информации на высоких скоростях. Это переводит связь на новый качественный уровень. С одной стороны, абонент получает в свое распоряжение полноценный доступ в Интернет, видеоконференц-связь и прочие блага. С другой -оператор начинает зарабатывать не только за счет предоставления услуг связи, как это происходит сейчас, но и за счет разнообразного контента - полезной информации и сервисов.

Возможности сетей 3G открывают новые горизонты в использовании мобильной связи, причем как частным абонентам, так и крупным корпорациям. Изменится само понятие мобильного телефона, он станет многофункциональным устройством, предназначенным для всех случаев жизни.

Помимо уже упоминавшихся услуг доступа в Интернет и видеоконференц-связи, клиенты 3G смогут воспользоваться удаленным доступом к корпоративной сети. Третье поколение сотовой связи в корне изменит такое понятие, как мобильная работа. Сотрудник сможет выполнять свои задачи в любом месте, даже не выходя из дома. Представьте себе, что вы находитесь в поезде, который мчит вас в незнакомый город, и при этом проводите видеоконференцию со своими коллегами или получаете всю информацию о незнакомом месте, включая подробную карту местности, да к тому же все время остаетесь на связи с коллегами и родными.

Важным элементом услуг 3G станет мобильная электронная коммерция, когда оплатить товары и услуги можно будет с помощью мобильного телефона. Он тем самым превратится в виртуальный кошелек. Кроме того, телефон может стать и персональным мобильным доктором -разработчики всерьез задумываются о запуске такой услуги, как удаленная медицинская диагностика. Безопасность человека и жилища тоже поднимется на новый уровень: 3G позволяет предоставлять услуги, основанные на определении местоположения абонента. И вы никогда не заблудитесь в незнакомом городе. Можно будет наблюдать за домом или офисом, получая изображение от установленной в помещении камеры прямо на дисплей мобильного телефона.

Придумать массу полезных решений на основе сетей 3G не сложно. Скажем, крупную мерчандайзинговую компанию заинтересует возможность снабдить своих торговых агентов телефонами 3G в комплекте с мини-ПК. Благодаря чему они, приехав в любой магазин, смогут с помощью телефона 3G подключиться к локальной сети компании, посмотреть запасы на складе и заказать необходимое количество товара.

В настоящее время в Международном союзе электросвязи (МСЭ) завершается процесс стандартизации новых технологий, участие в которой принимали многие региональные и национальные организации Европы, Северной Америки и Азиатско-Тихоокеанского региона. После ряда безуспешных попыток выработать и согласовать единые требования к системам 3-го поколения МСЭ решил подойти к этой проблеме с других позиций. Суть новой концепции состоит в сохранении идеи глобального роуминга, но лишь в качестве идеологической основы для объединения существующих аналоговых и цифровых сетей с системами, базирующимся на новом семействе стандартов 3-го поколения, которое получило обозначение IFS (IMT-2000 Family of Systems). Приняв как данность не один, а семейство стандартов и отказавшись тем самым от принципа глобального международного стандарта, МСЭ активизировал свои усилия на их гармонизации.

Для начала рассмотрим основные стандарты сотовой связи, на основе которых строиться сети связи третьего поколения.

Стандарт CDMA - Code Division Multiple Access - множественный доступ с кодовым делением. В CDMA системах каждый голосовой поток отмечен своим уникальным кодом и передается на одном канале одновременно со многими другими кодированными голосовыми потоками. Принимающая сторона использует тот же код для выделения сигнала из шума. Единственное отличие между множественными голосовыми потоками это уникальный код. Канал, как правило, очень широк и каждый голосовой поток занимает целиком всю ширину диапазона. Эта система использует наборы каналов шириной 1.23МГц. Голос кодируется на скорости 8.55кбит/с, но определение голосовой активности и различные скорости кодирования могут урезать поток данных до 1200бит/с. В системах CDMA могут установливаться очень прочные и защищенные соединения, несмотря на экстремально низкую величину мощности сигнала, теоретически - сигнал может быть слабее чем уровень шума.

WCDMA (Wideband Code Division Multiple Acces) - Широкополосный многостанционный доступ с кодовым разделением каналов. Сети WCDMA надстраиваются над существующими сетями GSM. При этом сети работают параллельно: старые пользователи сети используют сеть GSM, а новые в зависимости от ситуации -GSM либо WCDMA. Абонентский терминал автоматически переключается между сетями, причем возможно переключение с одной сети на другую без обрыва связи. Главным преимуществом WCDMA перед GSM является высокая скорость передачи данных - теоретически до 2 Мбит/с, реально достижимая 384 Кбит/с (для сравнения максимальная теоретически достижимая скорость GPRS 115 Кбит/с, расчетная 64 Кбит/с, а практически достижимая 48 Кбит/с). Кроме того, возможна мобильная видеотелефонная связь и загрузка полноценных аудио и видеофайлов на мобильный терминал. Поддержка WCDMA увеличивает стоимость телефона. На сегодняшний день сети третьего поколения работают в России в тестовом режиме на ограниченной территории.

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), Универсальная Система Мобильных Телекоммуникаций - это один из стандартов, разрабатываемый Европейским Институтом Стандартов Телекоммуникаций (ETSI) для внедрения 3G в Европе. Сегодня основным фактором, определяющим развитие мобильной связи, является голосовая телефония. Появление GPRS и EDGE, а затем переход к UMTS открывают дорогу ко многим дополнительным возможностям помимо голосовой связи. UMTS - это высокоскоростная передача данных, Мобильный Интернет, различные приложения на основе Интернета, интранета и мультимедиа. Ключевой технологией для UMTS является Широкополосный Многостанционный Доступ с Кодовым Разделением (WCDMA). Эта революционная технология радиодоступа, выбранная в сентябре 1998 года Европейским Институтом Стандартов Телекоммуникаций, поддерживает все мультимедийные услуги 3G. Системы WCDMA/UMTS включают усовершенствованную базовую сеть GSM и радиоинтерфейс по технологии WCDMA. Скорость передачи в радиоканале для мобильного абонента достигает 2 Мбит/с. WCDMA предназначена для использования в системах, работающих в частотном диапазоне 2 ГГц, который позволит в полной мере использовать все преимущества этой технологии. Например, всего одна несущая WCDMA шириной 5 МГц обеспечит предоставление смешанных услуг, требующих скоростей передачи от 8 кбит/с до 2 Мбит/с. А мобильные терминалы, совместимые с WCDMA смогут в соответствии с рекомендациями ITU работать сразу с несколькими услугами.

 

Сравнение возможностей предоставляемых услуг всех поколений ССПС

 

Поколения мобильной связи: "первое" (1G), "второе" (2G, 2.5G), "третье" (3G). Cравнение возможности всех поколений приведено в таблице 15.

В наборе услуг третьего поколения добавляются видеотелефон, видеоконференции, видео-почта, высокоскоростной доступ в Интернет, TV/видео плеер, удаленная медицинская диагностика, обучение, автомобильная и городская навигации, видео/фото съемка. Существенно возрастает скорость передачи данных.

Таб.15

 

Поколе ние	1G	2G	2.5G	3G
Время использ ования	80-90 гг.	до 2000	2001-2002	с 2003
Услуги	□ Телефон □ (аналогов ая передача речи)	□ Телефон (цифровая передача речи) □ Прием/отпр авка коротких электронны х сообщений □ Игры □ Голосовая почта □ Интернет	□ Телефон (цифровая передача речи) □ Конференции □ Прием/отправка длинных электронных сообщений □ Прием/отправка звуков, картинок □ Прием/отправка факсов □ Голосовая почта □ Интернет □ Услуги, основанные на местонахождении клиента □ Мобильный банкинг □ Радио/MP3 Плеер, Караоке □ Мульти-игры □ Фото съемка	□ Телефон (цифровая передача речи) □ Видеотелефон □ Конференции □ Видеоконференции □ Прием/отправка электронных сообщений □ Прием/отправка звуков, картинок □ Прием/отправка факсов □ Голосовая почта □ Видео почта □ Высокоскоростной доступ в Интернет □ Услуги, основанные на местонахождении клиента □ Мобильный банкинг □ Радио/УП^ Плеер, Караоке □ Мульти игры □ TV/Видео Плеер □ Удаленное медицинская диагностика, обучение □ Автомобильная навигация, городская навигация Видео/фото съемка
Переда ча данных		от 9.6Кбит/с до 14.4Кбит/с	от 57.6Кбит/с до 115Кбит/с	от 144КБит/с до 2Мбит/с_

 

Стандарты CDMA-2000

 

CDMA-2000 - это беспроводный радиодоступ, который, как определил ITU IMT-2000, поддерживает третье поколение услуг сотовой связи 3G.

Изначально, при разработке cdma-2000 закладывались следующие условия:

- полное соответствие объема и качества услуг связи требованиям ITU к 3G;

- уменьшение риска и защита капиталовложений операторских компаний;

- облегчение работы операторским компаниям по развертыванию сетей.

Сотовые сети cdma-2000 полностью совместимы с цифровыми сетями cdmaOne (IS-95), что и обеспечивает простой и недорогой переход к новому поколению беспроводной связи и, тем самым, обеспечивает защиту капиталовложений операторских компаний.

Сотовые сети cdma-2000 предлагают значительное улучшение качества звука и увеличение емкости звуковых каналов при высокой скорости и мультимедийности передачи данных. Эволюционный переход к cdma2000 подразделяется на две фазы, известные как 1X и 3X. Чтобы реализовать эволюционный переход к IMT-2000 в полосе частот 1,25 МГц рассматривается еще одна фаза развития стандарта 1XEV, которая позволяет расширить возможности cdma2000 свыше 1X. На состоявшемся этим летом в Гонконге Конгрессе CDMA были приняты требования к этому стандарту, ранее собранные операторами всего мира и обобщенные CDG.

CDMA-2000 1X. Сети cdma-2000 1X функционируют в той же полосе частот, что и сети cdmaOne, но они обладают в 2 раза большей пропускной способностью голосовых каналов и скоростью передачи данных в 144 Кбит/с. Сети cdma-2000 1X и cdmaOne полностью совместимы, их следует рассматривать как дальнейшее усовершенствование одной сети другой. TIA опубликовал cdma-2000 1Х как стандарт IS-2000. Название 1Х происходит от технического термина 1XRTT, который относится к сетям cdma-2000, занимающим в спектре частот полосу 1,25 МГц. 1Х означает технологию радиопередачи в полосе 1,25 МГц. 1Х может занимать полосу 1,25 МГц в различных участках частотного спектра.

CDMA-2000 1XEV. Данный стандарт является дальнейшим усовершенствованием стандарта 1Х. С его помощью достигается наиболее эффективное использование частотного спектра, увеличивается пропускная способность передачи данных, достигается наивысшая скорость передачи информации от 2 до 5 Мбит/с все в той же полосе частот 1,25 МГц. При этом снижается риск и защищаются капиталовложения операторских компаний. Определившиеся потребности операторов в 1XEV указывают на два этапа усовершенствования. В ходе первого этапа для более эффективного способа передачи информации потребуется достижение скорости передачи данных более 2,4 Мбит/с. В ходе реализации второго этапа достигаются скорости передачи звука и данных в реальном масштабе времени. г.

CDMA-2000 3X. Это вторая фаза стандарта cdma-2000. Усовершенствования в данной фазе обеспечивают увеличение скорости передачи информации свыше того, что достигнуто в 1Х, до 2 Мбит/с с использованием многоканальной системы передачи. Название 3Х происходит от термина 3XRTT, то есть используется три канала по 1,25 МГц для предоставления услуг 3G.

CDMA 450 - стандарт связи третьего поколения. Он утвержден Международным союзом электросвязи, поддерживающим все направления развития CDMA 2000, включая стандарт CDMA 2000 1x EV-DO. Последний позволяет передавать данные в сети с огромной скоростью - до 2, 4 Мб/с.

На сегодняшний день 14 коммерческих сетей стандарта CDMA 450 работают в Узбекистане, России, Румынии, Беларуси, Чехии, Грузии, Латвии и других странах. Готовятся к запуску в эксплуатацию еще несколько сетей. Сейчас стандартом CDMA 450 только в Узбекистане пользуется более 1.000.000 абонентов. Ведущие компании ­производители мобильных терминалов предлагают на выбор потребителю более 15 моделей телефонов.

Стандарт CDMA 450 может быть внедрен даже в такой узкой полосе частот, как 1, 8 МГц. Его преимущество - эффективное использование частотного спектра, а также возможности высокоскоростной передачи данных. А использование более низкого частотного диапазона позволяет расширить зону покрытия: соты, работающие с диапазоном 450 МГц, в два раза превышают зону покрытия базовой станции, работающей в более высоком частотном диапазоне. Поэтому решение CDMA 450 привлекательно для операторов, развертывающих беспроводную связь в сельских регионах, районах с небольшой плотностью населения.

Решение CDMA 2000 в диапазоне 450 МГц может быть основой для предоставления универсальных услуг телекоммуникаций. К примеру, передаче не только голоса, но и данных на всей территории Узбекистана, особенно в удаленных сельских районах. В таком случае связь будет не просто доступной, она распространится на территории, где подобные услуги еще не предоставляются населению из-за высокой стоимости развертывания сети мобильной или фиксированной связи.

Для малонаселенных и труднодоступных районов стандарт CDMA 450 экономически выгоден и является альтернативой традиционной проводной телефонии. Данное решение выгодно для оператора и его абонентов еще и по той причине, что оно предлагает все основные преимущества технологии CDMA 2000, а именно: создает возможность дальнейшего внедрения новых услуг третьего поколения. Например, определение местоположения абонента (LBS). Также возможны мультимедийные услуги, которые уже работают в сети отдельных оператора и технология Рush-to-Таlktm ("нажми и говори", то есть использование телефона в режиме, похожем на пользование рацией).

CDMA 450 - идеальное решение для различных сетевых нужд. Концепция универсальных услуг телекоммуникаций предполагает оказание услуг связи любому пользователю в любом населенном пункте, в заданный срок, с установленными качеством и уровнем цен. Кроме того, на основе CDMA 450 могут быть построены сети спецсвязи в интересах государственных органов. Возможности стандарта CDMA 2000 по высокоскоростной передаче данных представляют для операторов в диапазоне 450 МГц реальный интерес и являются альтернативой широкополосному DSL-доступу.

CDMA 450 позволяет упростить доступ населения к информации (в частности, через Интернет), особенно в удаленных районах, куда стоимость проведения кабеля неоправданно высока.

Использование системы CDMA 450 может стать выгодным решением для систем диспетчерской связи или систем специального назначения, таких как TETRA. Применение функции Рush-to-Таlktm в сочетании с высокой скоростью доступа системы CDMA 450 позволяет быстро и качественно решать задачи полиции, скорой помощи, пожарной охраны и спецслужб.

Использование технологии CDMA 2000, особенно в диапазоне 450 МГц, может существенно облегчить создание системы "электронного правительства". Этот стандарт -превосходный выбор для создания и работы различных приложений в поле зрения Правительства, государственной безопасности. Ведь технология, помимо перечисленных преимуществ, обеспечивает высокую степень защиты информации при передаче с помощью аутентификации, кодирования и обеспечения цельности данных.

Все это делает CDMA 450 идеальным стандартом для применения в различных проектах для Правительства, а также для охраны правопорядка и обеспечения безопасности.

Концепция 4G

В сотовой связи смена поколений выражена четко:

- 1G (первое поколение) — аналоговая связь;

- 2G (второе поколение) - цифровой связи с коммутацией каналов;

- 3G (третье поколение) - предусматривает наряду с коммутацией каналов и пакетную передачу данных.

О мобильной связи 3G много говорят как о символе прогресса, однако вперед вырывается уже следующее поколение сотовой связи, именуемое 4G.

К семейству 4G, как правило, относят технологии, которые позволяют передавать данные в сотовых сетях со скоростью выше 100 Мбит/сек. В широком понимании 4G - это название сотовых систем связи, аккумулирующих принципиально новые концепции мобильной связи, такие как пакетная коммутация, многоуровневая модуляция, адаптивная модуляция и кодирование, динамическое распределение частотно-временного ресурса между абонентами сети, IP-интерфейсы, многоантенное разнесение при приеме и передаче, гарантированное поддержание заданного качества соединения и др. В системах связи четвертого поколения передача данных становится основным видом сервиса, а передача голоса реализуется по принципу IP-телефонии на канале передачи данных.

Международный союз телекоммуникаций определяет технологию 4G как технологию беспроводной коммуникации, которая позволяет достичь скорости передачи данных до 1 Гбит/с в условиях движения источника или приемника и до 100 Мбит/с в условиях обмена данными между двумя мобильными устройствами. Пересылка данных в 4G осуществляется по IPv6. Это заметно облегчает работу сетей, особенно если они различных типов. Для обеспечения необходимой скорости используются частоты 40 и 60 GHz.

Создатели приемопередающего оборудования для 4G применили испытанный в цифровом вещании прием — технологию мультиплексирования с ортогональным разделением частот OFDM. Такая методика манипулирования сигналом позволяет значительно уплотнить данные без взаимных помех и искажений. При этом происходит разбиение по частотам с соблюдением ортогональности: максимум каждой несущей волны приходится на тот момент, когда соседние имеют нулевое значение. Этим исключается их взаимодействие, а также более эффективно используется частотный спектр — не нужны защитные «противоинтерференционные» полосы.

Для передачи сигнала применяется модуляция со сдвигом фазы (PSK и ее разновидности), при которой пересылается больше информации за отрезок времени, или квадратно амплитудная (QAM), более современная и позволяющая выжать максимум из пропускной способности канала. Конкретный тип выбирается в зависимости от требуемой скорости и условий приема.

Сигнал разбивается на определенное количество параллельных потоков при передаче и собирается при приеме.

Для уверенного приема и передачи на сверхвысоких частотах планируют применять так называемые адаптивные антенны, которые смогут подстраиваться под конкретную базовую станцию. Но в условиях города таким антеннам в определении правильного направления могут помешать замирания сигнала — его искажения, возникающие в процессе распространения. Здесь выручает еще одна особенность OFDM — стойкость к замираниям (для разных типов модуляции есть свой запас на замирания).

Возможна и работа в условиях отсутствия прямой видимости, что так мешает телефонам стандарта GSM. Недостатки ODFM — чувствительность к доплеровским искажениям и требовательность к качеству электронных компонентов.

В настоящее время в качестве основных кандидатов для построения сотовых систем 4G рассматриваются технологии WiMAX и LTE (рис.11.1), обладающие низкой стоимостью инфраструктуры за счет использования сетей IP, экономией радиочастотного ресурса, высоким качеством связи в городских условиях. Основой физического уровня WiMAX является пакетная передача, адаптивная многоуровневая модуляция и технология OFDMA для организации множественного доступа. Именно эти технологии, в первую очередь, позволяют реализовать революционные возможности по передаче данных

Наиболее технически развитые страны сейчас активно переходят на использование 3G, а во многих сетях уже применяется технология, получившая обозначение 3,5G. В коммерческой эксплуатации уже более 90 соответствующих сетей. Но, по мнению аналитиков телекоммуникационной индустрии, ряд стран, где недавно пришли к необходимости внедрять сети третьего поколения, теперь предпочтет «перескочить» на поколение вперед, начав частичную эксплуатацию 4G.

Еще в 2005 году японская компания NTT DoCoMo сообщила об успехах в работе над новым стандартом беспроводной связи — были проведены удачные эксперименты по передаче данных на скорости 100 Мбит/сек по беспроводным каналам сети 4G. Таким образом, вопреки всем ожиданиям оказалось, что NTT DoCoMo опережает конкурентов по меньшей мере на четыре года. Но только во второй половине 2006 года крупные национальные и международные операторы начали официальное сотрудничество для разработки стандарта 4G.

Рабочая группа Next Generation Mobile Network Cooperation (NGMNC) собрала вместе GSM- и CDMA-операторов со всего мира, чтобы определить их требования к мобильным сетям четвертого поколения. Основными членами группы стали Sprint Nextel, T-Mobile, Vodafone, KPN и Orange, к ним присоединились NTT DoCoMo и China Mobile. Это объединение открыло предприятие в Великобритании, которое в июле 2007 года начала разработку полномасштабной сети с пакетной коммутацией данных. Одной из технологических задач группы является подготовка плавного перехода на 4G со всех 3G-технологий включая UMTS и EV-DO. По словам участников NGMNC, запуск коммерческих сетей на базе нового стандарта намечен на 2010 год.

В Китае, однако, придерживаются других взглядов на развитие технологий сотовой связи. 28 января 2007 года после нескольких месяцев испытаний была официально запущена в шанхайском районе Чангнинг в эксплуатацию первая в мире сеть мобильных коммуникаций четвертого поколения. Система обеспечивает скорость беспроводной передачи данных в 100 Мбит/с, что сопоставимо со скоростью, которую позволяют достичь оптоволоконные технологии, либо медные кабели на коротких расстояниях. Нужно заметить, что исследовательский проект по переходу от 3G к 4G был запущен Китаем еще в 2001 году. Запуск действующей системы обошелся в $19,2 млн. Широкое внедрение 4G, как пологают, начнется в 2008 года в Пекине.

В Европе также готовятся к запуску первые сети мобильной связи четвертого поколения. О своем участии в проекте LTE (Long-Term Evolution) заявили крупные европейские операторы T-Mobile International, Orange и Vodafone Group, а также производители мобильного оборудования Alcatel-Lucent, Nokia Siemens Networks, Nortel Networks и Ericsson. Тестовый запуск LTE начался в мае 2007 года, а в коммерческую эксплуатацию первые сети предполагаются запустить в 2009-2010 годах. Эксперты полагают, что к этому сроку можно развернуть сети 4G, но покрытие базовых станций будет скорее «очаговым».

Специалисты также уверены, что вряд ли услуги 4G станут популярными у европейских абонентов в ближайшие годы. Ведь даже сейчас, через пять лет после запуска первых сетей третьего поколения 3G в Европе, они используются менее чем на половину своих возможностей. Аналитики связывают это с завышенными тарифами на услуги связи третьего поколения. Таким образом, важную роль в успехе 4G будет играть ценовая политика европейских операторов. Ведь, на самом деле, далеко не все пользователи заинтересованы в высокоскоростном мобильном Интернете и связанным с ним услугах — большинству нужна обычная голосовая связь. Учитывая проблемы 3G, влияние технологий связи четвертого поколения на рынок телекоммуникационных услуг в Европе станет заметным лишь к 2020 году, прогнозируют пессимисты.

Сейчас в США оператор мобильной связи Nextel рассматривает возможность отказаться от 3G в пользу системы 4G компании Flarion, которая интенсивно раскручивает свое детище. «Проверка жизнеспособности 4G охватит 150 базовых станций в крупнейших городах юга Америки», — сообщает Nextel, расширяя область тестирования. А вот испанская Telefonica не собирается полностью отказываться от внедрения сетей третьего поколения, а только ограничивает масштабы их применения для того, чтобы сконцентрироваться на «прыжке через одно поколение». Только если в Новом Свете востребованы решения компании Flarion, то здесь отдают предпочтение разработкам IPwireless, что очень удобно в сложившейся обстановке, так как используется задел от внедрения 3G.

На Украине в конце 2007 года сразу четыре компании объявили о начале предоставления услуг связи четвертого поколения в нескольких крупных городах. Данные операторы получили лицензии и начали предоставление услуг по технологии Mobile WiMAX. Услуги 4G сегодня в Украине могут предоставляться именно по технологии WiMAX. Остальные технологии прогнозируют появление на рынке лишь в 2009-2010 годах. В Украине среди компаний мобильной связи конкурентным преимуществом обладают CDMA-операторы, поскольку для предоставления услуг нового поколения им не нужно приобретать лицензии на новые частоты: новое оборудование работает на тех же частотах.

В Узбекистане оператор Super iMax к середине 2010 года планирует оказывать услуги мобильной сети WiMax (Wave-2) по всей территории страны. С сентября 2008 года он начал оказывать услуги мобильного широкополосного беспроводного доступа в Интернет по технологии WiMax в Ташкенте. Мобильная сеть действует на основе технологий южнокорейской Posdata, осуществившей поставку трех базовых станций, абонентских устройств и систем управления сетью, поддерживающих работу в диапазоне частот 2.3 Ггц. Сеть фиксированного WiMax построена на базе оборудования BreezeMAX 3500 израильской Alvarion. Компания начала коммерческую эксплуатацию фиксированной сети в четырех регионах страны - Ташкентской, Андижанской, Ферганской и Самаркандской областях.

Эксперты отмечают, что на пути введения в эксплуатацию сетей 4G есть ряд проблем. Во-первых, на рынке нет абонентских устройств. Такие телефоны, если бы существовали, потребляли бы слишком много энергии и не могли бы долго работать на аккумуляторах (сейчас подобные проблемы есть и у 3G-устройств). Во-вторых, скоростной доступ в Интернет и видеосервисы потребуют больших по размеру и более качественных дисплеев, чем те, которые устанавливаются в телефоны сейчас.

Однако главная проблема все же носит принципиально иной характер. Дело в том, что капиталовложения в развертывание сетей четвертого поколения должны быть намного солиднее, чем в 2G и даже в 3G. Между тем, инвесторы, в том числе и венчурные, пока осторожничают — они не уверены в должной экономической отдаче от 4G-проектов. К тому же, некоторые производители предлагают «скрестить» 4G и беспроводные широкополосные сети. В разных ситуациях пользователь будет иметь возможность выбирать наиболее подходящие способы подключения. Но в любом случае в основном варианте использования 4G технология Wi-Fi получит грозного конкурента.

Новые возможности в передаче огромных объемов данных, которые предоставляются технологиями группы 4G, уже сейчас заставляют поставщиков мобильного контента задуматься о расширении своего бизнеса. Если сегодня основным товаром на этом рынке являются мелодии и простенькие игры, то появление 4G сделает намного более актуальным мобильное телевидение, видео по запросу (Video-On-Demand, VOD), «продвинутые» игры и т.п. Кроме того, благодаря 4G станут возможны мобильные видеоконференции (видеочаты) и мобильные peer-to-peer-сети.

По прогнозам исследовательской компании Screen Digest, к 2011 году во всем мире будет насчитываться по меньшей мере 140 млн подписчиков сервисов мобильного телевидения. Ежегодный совокупный доход этого рынка через пять лет достигнет показателя в 4,7 млрд евро. Аналитики полагают, что потенциально сервисы мобильного ТВ могут приносить гораздо большую прибыль, чем игры и музыка для сотовых аппаратов.

Объем рынка мобильных игр в настоящее время составляет порядка 1,6 млрд евро, причем 50% из этой суммы приходится на Южную Корею и Японию. К 2011 году этот рынок увеличится ненамного и будет оцениваться в 2 млрд евро. Причиной столь незначительного роста специалисты Screen Digest называют стремление сотовых операторов сфокусироваться на музыкальных и телевизионных мобильных сервисах, а не на играх. На рынке музыкального мобильного контента в течение следующих пяти лет, напротив, будет наблюдаться взрывной рост. Объем рынка в сравнении с показателями 2006 года увеличится в 8 раз и составит 1,47 млрд евро. Одним из основных факторов роста станет доступность подписных сервисов, которые предлагают пользователям не только аудиотреки, но и сопутствующие (в том числе мультимедийные) материалы. Хотя к 2011 году большинство музыкальных композиций сотовые абоненты будут, как и сегодня, загружать на мобильники с персональных компьютеров.

В Узбекистане в конце 2008 года началось тестирования оборудования кампании Хвуйвей по запуску мобильного телевидения.

 

 

Контрольные вопросы

1. В чем состоят основные положения концепции ССПС 3 G?

2. Приведите основные характеристики технологии WCDMA. 3.Сравнените возможности предоставляемых услуг всех поколений ССПС. 4.Приведите разновидности стандартов CDMA-2000.

5. В чем состоит особенности стандарта CDMA 450?

6.Концепция 4G

7.Этапы внедрения 4G

8. Существующие проблемы внедрения 4G

Спутниковые системы персональной радиосвязи

 

Лекция 13-14-15-16

 

Принципы организации связи и орбиты ИСЗ

Многостанционый доступ в спутниковых системах связи

Бортовая и земная аппаратура систем связи через ИСЗ

Энергетический расчет и качественные показатели спутниковых систем связи

Спутниковые сети VSAT и персональной радиосвязи

 

 

Искусственные спутники Земли связного назначения широко используются для передачи различных сообщений, организации ТВ, телефонных, телеграфных и других каналов связи.

Основной принцип создания спутниковых систем связи заключается в размещении ретрансляторов на ИСЗ. Следовательно, спутниковая система связи представляет собой РРЛ (радиорелейные линии) с одной промежуточной станцией, размещенной на ИСЗ (рис.1.5). При построении спутниковых систем связи используются идеи и принципы, реализуемые в РРЛ.

По способу ретрансляции сигнала спутниковые системы делят на системы с пассивной и активной ретрансляцией. Система, которая работает без бортовой аппаратуры, называется системой связи с пассивным спутником, или системой с пассивной ретрансляцией. В этом случае сигналы, посланные с Земли, отражаются поверхностью ИСЗ обратно без предварительного усиления. В качестве пассивных спутников могут использоваться как специальные отражатели различной формы (в виде сферических баллонов, объемных многогранников и др.), так и естественный спутник Земли - Луна. При достаточном усилении земных антенн и высокой чувствительности приемника земной станции (ЗС) этот метод радиосвязи может найти применение в системах с малой пропускной способностью. Пропускная способность подобных систем связи при современном уровне техники не превышает двух - трех телефонных сообщений.

Система радиосвязи при наличии бортовой аппаратуры называется системой с активной ретрансляцией сигнала, или системой с активным спутником. При этом энергоснабжение бортового ретранслятора осуществляется от солнечных батарей, находящихся на ИСЗ. Активная ретрансляция является основной в современных системах передачи.

В настоящее время под спутниковым ТВ и радиовещанием понимается как передача ТВ сигналов (со звуковым сопровождением), так и радиовещательных звуковых сигналов от одного или нескольких земных передатчиков, связанных с центрами формирования ТВ и радиопрограмм, через ИСЗ на сеть земных приемных установок и распределение этих программ с целью доведения их до абонентов (телезрителей или радиослушателей) с помощью наземных средств связи (ретрансляторов различной мощности, СКТВ, средств коллективного и индивидуального приема). Как правило, в зоне обслуживания связным ИСЗ располагается сеть приемных ЗС различных типов. Для обеспечения высокого качества принимаемых ТВ и звуковых сигналов в спутниковых системах связи из-за очень больших расстояний между ЗС и ИСЗ принимают следующие меры:

1) увеличивают мощность передатчика ЗС до 5... 10 кВт;

2) усложняют приемопередающие антенны ЗС;

3) используют малошумящие усилители (смесители на входе приемников);

4) повышают эффективность приема с ЧМ за счет увеличения девиации частоты.

Классификация и основные показатели ССС. В основу классификации ССС, ориентированных на предоставление услуг радиотелефонной связи и передачи данных, положены следующие признаки:

• Тип используемых орбит. По этому признаку все ССС делятся на два класса — системы с космическими аппаратами (КА) на геостационарной орбите (GEO) и на негеостационарной орбите. В свою очередь, негеостационарные орбиты подразделяются на низкоорбитальные (LEO), средневысотные (MEO) и эллиптические (HEO). Кроме того, низкоорбитальные системы связи подразделяются по виду предоставляемых услуг на системы передачи данных на базе little LEO, радиотелефонные системы big LEO и системы широкополосной связи mega LEO (в литературе используется также обозначение Super LEO).

•Принадлежность системы к службе. В соответствии с Регламентом радиосвязи различаются три основные службы:

- фиксированная спутниковая служба (ФСС) - служба радиосвязи между ЗС, расположенными в определенных фиксированных пунктах, при использовании одного или нескольких спутников;

- подвижная спутниковая служба - между подвижными ЗС с участием одного или нескольких ИСЗ;

- радиовещательная спутниковая служба (РВСС) - служба радиосвязи, в которой сигналы спутниковых ретрансляторов предназначены для непосредственного приема населением. При этом непосредственным считается как индивидуальный, так и коллективный прием на сравнительно простые и недорогие установки с абонентским качеством.

•Статус системы. Зависит от назначения системы, степени охвата обслуживаемой территории, размещения и принадлежности наземных станций. В зависимости от статуса ССС можно разделить на международные (глобальные и региональные), национальные и ведомственные (таб.7.1).

 

Таб.7.1 Системы, использующие КА на GEO-, MEO- и LEO-орбитах

 

Показатель	GEO	MEO	LEO
Высота орбиты, км	36 000	5000-15 000	500-2000
Количество КА в ОГ		8-12	48-66
Зона покрытия одного КА (угол радиовидимости 50), % от поверхности Земли		25-28	3-7
Время пребывания КА в зоне радиовидимости (в сутки)	24 ч	1,5-2 ч	10-15 мин
Задержка при передаче речи, мс
Региональная связь		80-130	20-70
Глобальная связь		250-400	170-300
Время переключения, мин
с одного спутника на другой	Не требуется		8-10
с одного луча на другой	10-15	5-6	1,5-2,0
Относительный максимальный доплеровский сдвиг	6*10-8	66*10-6
Угол радиовидимости КА на границе зоны обслуживания		15-25	10-15

 

Орбиты ИСЗ

Геостационарная. Большинство существующих ССС используют наиболее выгодную для размещения спутников геостационарную орбиту, основными достоинствами которой являются возможность непрерывной круглосуточной связи в глобальной зоне обслуживания и практически полное отсутствие сдвига частоты, обусловленного доплеровским эффектом.

Геостационарные спутники, располагаясь на высоте примерно 36 тыс. км и двигаясь со скоростью вращения Земли, как бы "зависают" над определенной точкой земной поверхности, которая располагается на экваторе (так называемой подспутниковой точкой). В действительности положение геостационарного КА на орбите не является неизменным: он испытывает незначительный "дрейф" под воздействием ряда факторов, вызывающих деградацию орбиты. При этом изменение положения орбиты за год может достигать 0,92^о. Основными параметрами, определяющими угловой разнос между соседними КА, являются пространственная избирательность бортовых и наземных антенн, а также точность удержания КА на орбите.

Связь через геостационарный КА не имеет перерывов в обслуживании, обусловленных взаимным перемещением спутника и наземной станции, а система из трех спутников обеспечивает охват практически всей территории земной поверхности. Орбитальный ресурс современных геостационарных КА также достаточно высок и составляет около 15 лет (табл.7.1).

Однако такие системы имеют ряд недостатков, главный из которых — задержка сигнала. Спутники на геостационарных орбитах оптимальны для систем радио- и телевизионного вещания, где задержки в 250 мс (в каждом направлении) не сказываются на качественных характеристиках сигналов. Системы радиотелефонной связи более чувствительны к задержкам, а поскольку суммарная задержка в системах данного класса составляет около 600 мс (с учетом времени обработки и коммутации в наземных сетях), даже современная техника эхоподавления не всегда позволяет обеспечить связь высокого качества. В случае "двойного скачка" (ретрансляции через наземную станцию-шлюз) задержка становится неприемлемой уже более чем для 20% пользователей.

Архитектура геостационарных систем ограничивает возможность повторного использования выделенных полос частот, а следовательно, их спектральную эффективность. Зона охвата геостационарных КА не включает в себя высокоширотные районы (выше 76,5^о с.ш. и ю.ш.), т. е. действительно глобальное обслуживание не гарантируется. Следует также отметить, что геостационарные КА могут обеспечить услуги персональной связи лишь в том случае, если формируемые ими на поверхности Земли зоны обслуживания примерно одинаковы с зонами, образуемыми низкоорбитальными спутниками.

Бурное развитие спутниковой связи, особенно в последнее десятилетие, привело к тому, что на геостационарной орбите стало очень "тесно" и возникли проблемы с размещением новых КА. Дело в том, что в соответствии с существующими международными нормами орбитальный разнос между геостационарными КА должен составлять не менее 1^о. Это означает, что на орбите можно разместить не более 360 спутников. Что же касается сокращения углового разноса между точками стояния КА на орбите, то на современном уровне развития техники это невозможно из-за взаимных помех (рис.7.1).

Рис.7.1 ИСЗ на геостационарной орбите.

Примечания.

Н/п - неприменимо,

* здесь и далее в скобках указаны год начала реализации проекта и число участвующих в нем стран.

 

 

Средневысотные. Спутники на средневысотных орбитах первыми начали разрабатывать компании, традиционно выпускающие геостационарные КА. Средневысотные системы обеспечивают более качественные характеристики обслуживания подвижных абонентов, чем геостационарные, поскольку в поле зрения абонента одновременно находится большое число КА. За счет этого появляется возможность увеличить минимальные углы видимости КА до 25^о — 300^о .

Например, радиовидимость двух спутников в системе ICO обеспечивается в течение 95% суточного времени, причем хотя бы один из ее КА виден под углом более 300^о. А это, в свою очередь, позволяет снизить дополнительный энергетический запас радиолинии, необходимый для компенсации потерь на распространение в ближней зоне (при наличии в ней деревьев, зданий и других преград).

Однако при выборе местоположения негеостационарной орбитальной группировки (ОГ) необходимо учитывать природные ограничения — это пространственные пояса заряженных частиц, захваченных магнитным полем Земли, так называемые радиационные пояса Ван-Аллена (рис.7.2). Первый устойчивый пояс высокой радиации начинается примерно на высоте 1,5 тыс. км и простирается до нескольких тысяч километров, его "размах" составляет примерно 300 км по обе стороны от экватора. Второй пояс столь же высокой интенсивности (10 тыс. имп./с) располагается на высотах от 13 до 19 тыс. км, охватывая около 500 км по обе стороны от экватора.

Рис.7.2 Уровни радиации в зонах Ван-Аллена: GN - географический север; MN - магнитный север; - относительное расстояние, где Rз (радиус Земли) = 6371 км, R - высота

 

Трасса средневысотных спутников проходит между первым и вторым поясами Ван-Аллена, т. е. на высоте от 5 до 15 тыс. км. Зона обслуживания каждого КА существенно меньше, чем геостационарного, поэтому для глобального охвата с однократным покрытием наиболее населенных районов Земного шара и судоходных акваторий необходимо создать ОГ из 8—12 спутников. Суммарная задержка сигнала при связи через средневысотные спутники составляет не более 130 мс, что позволяет использовать их для радиотелефонной связи.

 

Таким образом, средневысотные спутники выигрывают у геостационарных по энергетическим показателям, но проигрывают им по продолжительности пребывания КА в зоне радиовидимости наземных станций (1,5—2 ч).

Вместе с тем, орбитальный ресурс средневысотных КА лишь незначительно меньше, чем у геостационарных. Период обращения спутника вокруг Земли для средневысотных круговых орбит составляет около 6 ч (при высоте 10 350 км), из которых в тени Земли КА находится лишь несколько минут. Это позволяет значительно упростить технологические решения, используемые в бортовой системе электропитания, и, в конечном счете, довести срок службы КА до 12—15 лет.

Системы со средневысотными КА обеспечивают лучшие, чем GEO-КА, характеристики обслуживания абонентов благодаря следующим особенностям. Они имеют большие углы радиовидимости, в зоне радиовидимости находится большее число спутников, а задержка при проведении сеансов связи составляет максимум 130 мс.

Структура систем на средневысотных орбитах (ICO, Spaceway NGSO, "Ростелесат") различается незначительно. Во всех этих системах орбитальная группировка создается примерно на одной и той же высоте (10 352—10 355 км) со сходными параметрами орбит (табл.7.1).

Низкие круговые. В зависимости от величины наклонения плоскости орбиты относительно плоскости экватора различают низкие экваториальные (наклонение 0^о), полярные (наклонение 90^о) и наклонные орбиты. Системы с низкими наклонными и полярными орбитами существуют уже около 30 лет и применяются в основном для научно-исследовательских целей, дистанционного зондирования, навигации, метеорологических наблюдений, фотографирования поверхности Земли. Для организации мобильной и персональной связи эти системы стали использоваться только в последние 5 —7 лет. Сегодня наиболее интенсивно осваиваются низкие наклонные и полярные орбиты высотой 700—1500 км, а также экваториальные высотой 2 тыс. км.

Спутники на низких орбитах обладают значительными преимуществами перед другими КА по энергетическим характеристикам, но проигрывают им в продолжительности сеансов связи и времени активного существования КА. Если период обращения спутника составляет 100 мин, то в среднем 30% времени он находится на теневой стороне Земли. Аккумуляторные бортовые батареи испытывают приблизительно 5 тыс. циклов зарядки/разрядки в год, вследствие чего срок их службы, как правило, не превышает 5—8 лет.

Выбор диапазона высот от 700 до 2 тыс. км для низкоорбитальных систем неслучаен. С одной стороны, на орбитах высотой менее 700 км плотность атмосферы относительно высока, что вызывает колебания эксцентриситета и деградацию орбиты (постепенное снижение высоты апогея). Кроме того, уменьшение высоты орбиты приводит к увеличению числа штатных маневров для сохранения заданной орбиты, а следовательно, к повышению расхода топлива.

С другой стороны, на орбитах выше 1,5 тыс. км, где располагается первый радиационный пояс Ван-Аллена, длительная работа электронной бортовой аппаратуры практически невозможна, если не использовать специальных методов защиты от радиационного излучения. Применение же этих методов ведет к существенному усложнению бортовой аппаратуры и увеличению массы КА.

Однако чем меньше высота орбиты, тем меньше мгновенная зона обслуживания, а следовательно, для глобального охвата требуется значительно большее количество спутников. Если низкоорбитальная система должна обеспечить глобальную связь с непрерывным обслуживанием, то необходимо, чтобы в орбитальную группировку входило не менее 48 КА. Период обращения спутника на этих орбитах составляет от 90 мин до 2 ч, а максимальное время пребывания КА в зоне радиовидимости не превышает 10—15 мин (таб.7.1).

Эллиптические. Основными параметрами, характеризующими тип эллиптической орбиты, являются период обращения спутника вокруг Земли и эксцентриситет (показатель эллиптичности орбиты) (рис.7.3).

Рис.7.3 ИСЗ на эллиптической орбите.

 

В настоящее время используются несколько типов эллиптических орбит с большим эксцентриситетом — Borealis, Archi-medes, "Молния", "Тундра" (таб.7 3). Все указанные орбиты являются синхронными, т.е. спутник, выведенный на такую орбиту, вращается со скоростью Земли и имеет период обращения, кратный времени суток.

 

Таб.7.3 Типы эллиптических орбит и их основные параметры

Для спутников на эллиптической орбите характерно то, что их скорость в апогее значительно меньше, чем в перигее. Следовательно, КА будет находиться в зоне видимости определенного региона в течение более длительного времени, чем спутник, орбита которого является круговой.

Так, выведенный на орбиту КА "Молния" (апогей 40 тыс. км, перигей 460 км, наклонение 63,5^о) обеспечивает сеансы связи продолжительностью 8—10 ч, причем система всего из трех спутников поддерживает глобальную круглосуточную связь.

Эллиптические орбиты с более низким апогеем, например Borealis (апогей 7840 км, перигей 520 км) или Archimedes (апогей 26 737 км, перигей 1000 км), предназначены для обеспечения региональной связи.

КА с более низким апогеем выигрывают у спутников на высокоэллиптических орбитах по энергетическим характеристикам, проигрывая им в продолжительности сеансов. Для обеспечения непрерывной круглосуточной связи с использованием синхронно-солнечных орбит Borealis потребуется не менее 8 КА (расположенных в двух орбитальных плоскостях по четыре спутника в каждой плоскости). Они позволят обслуживать абонентов при углах радиовидимости КА не менее 25^о.

Системы с КА на эллиптических орбитах также не лишены "природных" ограничений. Постоянство местоположения КА на эллиптической орбите обеспечивается только при двух значениях наклонения плоскости орбиты к экватору — 63,4^о и 116,6^о. Это объясняется воздействием неоднородностей гравитационного поля Земли, из-за которого большая ось эллиптической орбиты испытывает вращательный момент, что приводит к колебаниям широты подспутниковой точки в апогее. Другой фактор, влияющий на выбор параметров эллиптических орбит, связан с необходимостью учитывать опасные воздействия радиационных поясов Ван-Аллена, которые неизбежно пересекает КА во время своего движения по орбите.

Службы спутниковой связи. Следует отметить, что деление на службы связи, введенное Регламентом Радиосвязи, уже не соответствует реальной структуре современных ССС. Процесс персонализации (т. е. максимального приближения средств связи к конечному пользователю) привел к тому, что границы между традиционными службами ФСС и ПСС или ФСС и РСС постепенно начали стираться. Например, персональные наземные станции удаленных пользователей, работающие в Ku- или Ka-диапазонах, формально относятся к классу ФСС (работа в полосах частот, выделенных для ФСС), но по своему назначению и выполняемым функциям они ближе всего к ПСС. Поэтому следует отдельно рассматривать системы, предоставляющие услуги персональной и широкополосной связи. ОТСЮДА

Фиксированная. Системы ФСС предназначены для обеспечения связи между стационарными пользователями. Первоначально они разворачивались исключительно для организации магистралей большой протяженности и региональной (зоновой) связи. Такие системы на базе терминалов типа VSAT используются в сетях электронной коммерции, обмена банковской информацией, оптовых баз, торговых складов и др. Кроме того, в системах ФСС все чаще применяется оборудование персональной связи и интерактивного обмена информацией (в том числе через Internet). Для систем ФСС выделены следующие диапазоны частот: C (4/6 ГГц), Ku (11/14 ГГц) и Ka (20/30 ГГц).

К разряду ФСС относят также связь по фидерным линиям, которые формируют высокоскоростные каналы между наземными станциями (центральными, сопряжения и др.). Эти каналы работают в тех же диапазонах частот.

Услуги ФСС предоставляют пять крупных международных организаций и около 50 региональных и национальных компаний. К наиболее значительным коммерческим системам фиксированной связи относятся Intelsat, Intersputnik, Eutelsat, Arabsat и AsiaSat. Среди них бесспорным лидером является международная система Intelsat, орбитальная группировка которой охватывает четыре основных региона обслуживания — Атлантический (AOR), Индийский (IOR), Азиатско-Тихоокеанский (ATR) и Тихоокеанский (POR). За 30 лет существования системы Intelsat создано 8 поколений спутников, из которых каждое последующее существенно превосходит предыдущее.

В настоящее время услуги Intelsat обеспечивают спутники четырех последних поколений (серий Intelsat-5, -6, -7/7A, -8). Пропускная способность этих КА составляет от 12 до 35 тыс. телефонных каналов, т. е. через 25 спутников системы Intelsat передаются примерно 2/3 международного телефонного трафика. Наземный сегмент включает в себя около 800 крупных станций, размещенных в 170 странах мира.

Международная организация Intersputnik в настоящее время использует российский космический сегмент (он состоит из КА типа "Горизонт" и "Экспресс"), арендуя около 30 ретрансляторов на 8 КА. В 1999 г. запущен КА нового поколения (LMI — Lockheed Martin Intersputnik) для обслуживание Евро-Азиатского региона (75^о в.д.), Америки (83^о з.д.), Евро-Африканского (3^о в.д.) и Азиатско-Тихоокеанского (130^о в.д.) регионов (в скобках приведены точки стояния КА).

Серьезную конкуренцию системам Intelsat и Intersputnik составляют международные коммерческие спутниковые системы PanAmSat и Orion, которые обеспечивает непрерывное покрытие основных регионов Земного шара. К наиболее крупным региональным системам относятся Eutelsat (Европа и Северная Африка), Apstar, Asiasat, Optus, Palapa (Aзиатско-Тихоокенский регион) и Arabsat (Арабские страны).

Подвижная. Системы ПСС появились около 30 лет назад (первая глобальная система мобильной радиотелефонной связи и геостационарный КА Marisat разработаны компанией Comsat в середине 70-х гг.), т. е. значительно позднее, чем системы ФСС. Причиной тому были низкая энерговооруженность подвижных объектов и более сложные условия их эксплуатации (влияние рельефа местности, ограничения по размерам антенн и др.).

Обычные стационарные наземные станции обеспечивают устойчивую связь при рабочих углах радиовидимости даже 5^о, а надежную связь для подвижных абонентов можно гарантировать лишь при значительно более высоких значениях. Большие углы радиовидимости КА позволяют снизить энергетический запас радиолинии, предназначенный для компенсации потерь, которые обуславливаются замиранием при распространении радиоволн в ближней зоне со сложным рельефом местности.

Первоначально мобильные наземные станции разрабатывались как системы специального назначения (морские, воздушные, автомобильные и железнодорожные) и были ориентированы на ограниченное число пользователей. Мобильные ССС первого поколения строились с использованием геостационарных КА с прямыми (прозрачными) ретрансляторами и имели низкую пропускную способность. Для передачи информации применялись аналоговые методы модуляции.

Подсистемы ПСС создавались в основном для сетей, имеющих радиальную или радиально-узловую структуру с большими центральной и базовыми станциями, которые обеспечивали работу с подвижными наземными станциями. Потоки в сетях с предоставлением каналов по требованию были невелики, поэтому в них применялись преимущественно одно- или малоканальные наземные станции. Обычно такие сети предназначались для создания ведомственных и корпоративных сетей связи с удаленными и подвижными объектами (судами, самолетами, автомобилями и т. д.), для организации связи в государственных структурах, в районах бедствия и при чрезвычайных ситуациях. Качественный скачок в развитии ПСС произошел не только в связи с внедрением цифровых методов передачи речи и данных (как это принято обычно считать), но и благодаря появлению первых проектов спутниковых систем на базе КА на негеостационарных орбитах (низких круговых и средневысотных). Орбиты таких спутников близки к поверхности Земли, что дает возможность использовать вместо традиционных наземных станций дешевые малогабаритные терминалы и небольшие антенны. Применение низко- и среднеорбитальных группировок не только позволяет решить проблему перегруженности геостационарных орбит, но и существенно расширяет сферу телекоммуникационных услуг спутниковых сетей, обеспечивая пользователей глобальной персональной связью с помощью терминала "телефонная трубка".

Сейчас в мире насчитывается более 30 национальных и международных (региональных и глобальных) проектов, использующих КА на низких орбитах. Наиболее известны Globalstar, Iridium, Orbcomm (США), а также российские "Гонец" и "Сигнал".

Однако переход на низкоорбитальные системы нельзя считать генеральной тенденцией развития мобильной спутниковой связи. Столь же важным фактором в эволюции соответствующих систем станет освоение средних высот. И здесь особо интересны системы связи на средних (ICO) и эллиптических (Ellipso) орбитах. Правда, несмотря на все достоинства последних, традиционные системы, использующие КА на геостационарных орбитах, не собираются сдавать свои позиции, о чем говорят последние разработки, например для Inmarsat и Intelsat.

Отличительными особенностями систем ПСС второго поколения являются:

•применение цифровых технологий для передачи речи и данных, повышения качества и надежности связи, расширения спектра услуг;

•интеграция с традиционными наземными системами подвижной связи (в первую очередь — с цифровыми сотовыми);

•совместимость и взаимодействие сетей подвижной спутниковой радиосвязи с телефонной сетью общего пользования (ТфОП) на любом иерархическом уровне (местном, внутризоновом, междугороднем);

•многообразие типов абонентских терминалов различных категорий — стационарные, портативные, мобильные, необслуживаемые, приемные и т. д.

Регламентом радиосвязи для систем ПСС выделены диапазоны частот до 1 ГГц, а также полосы частот в диапазонах L (1,5/1,6 ГГц) и S (1,9/2,2 и 2,4/ 2,5 ГГц). В перспективе разработчики систем ПСС намерены использовать более высокочастотные диапазоны Ka (20/30 ГГц) и EHF (40—50 ГГц).

В настоящее время сохраняется деление систем ПСС по видам передаваемой информации на сети радиотелефонной связи (Inmarsat-A, -B и -M, AMSC, MSAT, Optus, AceS) и системы передачи данных (Inmarsat-C, Omnitracs, Euteltracs, Prodat).

Изо всех систем ПСС наиболее мощная орбитальная группировка принадлежит международной системе Inmarsat, которая охватывает четыре региона — Атлантический восточный (AOR-E), Атлантический западный (AOR-W), Индийский (IOR) и Тихоокеанский (POR). Каждый из них обслуживается одним действующим КА и имеет по 1 —2 резервных спутника. Сеть Inmarsat обеспечивает покрытие практически всей поверхности Земли, за исключением приполярных районов.

На первых этапах создания Inmarsat связь организовывалась через арендуемые у других организаций спутники Маrisat, Marecs и Intelsat-5MSC. Сейчас орбитальная группировка Inmarsat состоит из шести спутников Inmarsat (четыре КА типа Inmarsat-2, два — типа Inmarsat-3) и нескольких спутников старого поколения (типа Маrisat и Intelsat-5MCS).

Определенную конкуренцию Inmarsat составляют системы радиотелефонной связи AMSC и MSAT (предоставляют свои услуги в Северо-Американском регионе), ACeS и Optus (Азиатско-Тихоокеанский регион).

Особое место в системах передачи данных занимают сети на базе спутников, называемых little LEO, которые предназначены для передачи данных со скоростью от 1,2 до 9,6 кбит/с. Их отличительными особенностями являются используемый диапазон частот (до 1 ГГц) и легкие КА (50—250 кг). Кроме того, к бортовой аппаратуре little LEO не предъявляются жесткие требования по времени доставки сообщений.

Чтобы осуществить передачу данных, достаточно одного спутника с электронным "почтовым ящиком" на борту. С каждым следующим витком он будет появляться над новым районом Земного шара, обеспечивая глобальное покрытие. Однако качество такого обслуживания будет определяться количеством КА в системе: для передачи данных в режиме электронной почты необходимы от 6 до 48 КА.

Системы этого класса имеют следующие особенности:

• данные передаются в пакетном режиме (короткие сообщения) с предоставлением каналов по требованию или в режиме группового опроса;

• возможно применение легких и портативных терминалов с ненаправленными антеннами;

• возможен групповой вывод КА на орбиту за счет их малого веса;

• низкие тарифы по сравнению с другими системами передачи данных.

Системы группы little LEO ориентированы на глобальный мониторинг перевозки грузов со сквозным контролем от пункта загрузки до пункта назначения. Они могут определять географические координаты подвижных объектов (долгота, широта, универсальное время, UTC), осуществлять сбор данных об окружающей среде, а также обеспечивать связь с подвижными объектами (судно, автомобиль, вагон, самолет), в том числе двусторонний обмен данными.

В настоящее время развернуты орбитальные группировки двух таких систем — Orbcomm (США) и "Гонец-Д1" (Россия).

Радиовещательная спутниковая служба предназначена для приема телевизионных и радиовещательных программ и является главной службой систем непосредственного телевизионного вещания (НТВ), спутникового телевизионного вещания и спутникового непосредственного радиовещания.

В настоящее время все системы телерадиовещания строятся на базе спутников на геостационарной орбите. В этой области телекоммуникаций, где основное требование к системе — сплошное покрытие обслуживаемых территорий, преимущества ССС перед другими средствами связи проявляются в наибольшей степени.

Одним из важных направлений развития телерадиовещания является интерактивное телевидение, которое позволяет удовлетворить индивидуальные запросы пользователей путем трансляции по спутниковым каналам заказных телепрограмм, а также предоставления возможностей интерактивного обмена в процессе телепередач. В таком случае пользователь из пассивного потребителя вещательной информации превращается в активного участника программы.

Еще одно перспективное направление — прямое спутниковое вещание на компьютеры (служба Direct PC), позволяющее передавать по радиоканалам телевизионные изображения со скоростью до 30 Мбит/с и информацию Internet со скоростью до 400 кбит/с.

Персональная и широкополосная связь обеспечивается многими ССС — как геостационарными (таб. 7.4), так и с КА на более близких орбитах (таб.7.5).

Таб.7.4 Системы высокоскоростной передачи данных с КА на геостационарной орбите

 

Системы big LEO ориентированы на предоставление персональной радиотелефонной и пейджинговой связи в глобальном масштабе. Общей тенденцией развития таких систем является объединение в общую сеть радиотелефонных спутниковых и сотовых сетей различных стандартов (GSM, AMPS, CDMA и др.), а также предоставление максимально возможного набора услуг (передача данных, телексов, факсимильных коротких сообщений, определение местоположения и пр.).

 

Таб. 7.5 MEO- и LEO-системы радиотелефонной и широкополосной связи (диапазон частот выше 1 ГГц)

 

Обслуживание абонентов этих сетей осуществляется в масштабе реального времени, что достигается за счет применения корректируемых орбитальных группировок из 48 - 66 спутников. Для связи с абонентами используются L- и S-диапазоны частот. Масса спутников составляет 300 - 700 кг. Реальная пропускная способность стволов КА, как правило, не превышает 1200 эквивалентных телефонных каналов на КА (пропускная способность эквивалентного телефонного канала — 2,4 кбит/с). К системам big LEO относятся сети Iridium и Globalstar.

Системы с КА на средневысотных орбитах (MEO) являются одним из основных конкурентов сетей класса big LEO. Они ориентированы на один и тот же рынок услуг — глобальную радиотелефонную и пейджинговую связь. Однако если для обеспечения глобальной связи в системах big LEO без межспутниковых линий требуются 150 - 210 наземных станций сопряжения (Globalstar), то в системах MEO достаточно 10 – 12 станций. Пропускная способность систем данного класса эквивалентна 3 - 4,5 тыс. телефонных каналов со скоростью передачи 2,4 кбит/с, что выше, чем в известных низкоорбитальных системах.

Системы широкополосной связи, использующие LEO-, MEO- и GEO-орбиты, предназначены для передачи высококачественной речи, высокоскоростных потоков данных, мультимедийной информации, для доступа в Internet, а также предоставления других видов услуг, пока недоступных абонентам систем ПСС.

Принято считать, что главная услуга широкополосных сетей - обмен данными в интерактивном режиме. По прогнозам, через 10 - 15 лет рынок средств широкополосной связи будет столь же масштабным, что и существующий рынок средств узкополосной связи. Более того, судя по анонсированным характеристикам намеченных к внедрению ССС, они смогут удовлетворить 20 - 30% потребностей этого рынка. Однако реально действующие ССС не обладают пропускной способностью, которая может обеспечить хотя бы минимальные потребности рынка.

Для систем широкополосной связи наиболее характерны два вида обслуживания — персональная связь и организация широкополосных магистралей в сетях различного назначения (в том числе транкинговых или сотовых). Первый тип услуг обеспечивает связь в режиме реального времени с предоставлением каналов по требованию (bandwidth-on-demand) и скоростью передачи информации до 2 - 10 Мбит/с.

Ко второму виду услуг относится передача высокоскоростных потоков информации (155,52 Мбит/с), характерных для сетей синхронной цифровой иерархии (SDN). Конечно, речь идет не о замене волоконно-оптических каналов, а лишь о расширении их возможностей для связи с удаленными пользователями или для разрешения проблемы "последней мили", особенно в труднодоступных районах. Высокоскоростную передачу данных предполагается реализовать в системах, использующих КА как на геостационарной орбите, так и на средневысотных.

 

Многостанционый доступ в спутниковых системах связи

 

Многостанционный доступ, это одновременная работа большого числа земных станций через один спутниковый ретранслятор. Он позволяет создать сеть связи, в которой можно организовать как магистральную сеть связи, так и систему связи каждый с каждым. В магистральной сети возможна как одно, так и многоканальная система связи с центром. В общем случае эта задача аналогичная решению задачи в сети ТЛФ связи, т.е. абонент имеет свободный и практически независимый доступ в сеть и с помощью набора номера управляет соединением.

Как и наземные сети, ССС используют различные виды доступа, которые можно разделить на три группы. Первые две - классические методы многостанционного доступа с частотным (FDMA) и временным (TDMA) разделением каналов. К третьей относятся методы, основанные на технологии кодового разделения каналов (CDMA).

Основные требования к системам многостанционного доступа:

1.Эффективное использование мощности ретранслятора.

2.Максимально возможное использование полосы частот ретранслятора.

3.Допустимый уровень переходных помех.

4.Гибкость системы с помощью управления сетью связи при перераспределении каналов и изменении трафика с учетом экономических факторов. Для обеспечения гибкости целесообразно обеспечить работу с незакрепленными каналами, т.е. такие, которые временно образуются по требованию абонента для соединения любых пар земных станций. Естественно, что это приводит к усложнению оборудования.

Возможно многоадресное и одноадресное построение группового сообщения. При многоадресном построении каждый из n земных станций передает в одном стволе все сообщения, предназначенные остальным n - 1 станциям. На приеме эти станции выделяют из группового сигнала "свои" сообщения. Такое построение требует наличие на каждой станции n - 1 комплекта приемного оборудования. При одноадресной системе передачи каждая станция занимает "свои" каналы в n - 1 стволах ретранслятора, предназначенных каждой определенной станции. На приеме все сигналы данной станции оказываются в одном стволе, что существенно уменьшает объем приемного оборудования. Однако при этом существенно усложняется передающее оборудование.

Возможно смешанное построение стволов. В этом случае на ретрансляторе происходит преобразование многоадресного построения в одноадресное.

В системах на базе геостационарных КА наиболее часто используется FDMA, при котором частотный спектр каждого канала разделен на участки определенной ширины. Для защиты от внутрисистемных помех между каналами предназначены интервалы, обеспечивающие разграничение частот соседних каналов с заданной точностью. Для сети с достаточно высокими энергетическими показателями линий связи применение FDMA позволяет создать наиболее простое абонентское оборудование с малым энергопотреблением.

Недостатком данного метода является низкая пропускная способность каналов связи. Кроме того, величина частотной неопределенности вследствие доплеровского сдвига, требует увеличивать защитный интервал, что ведет к значительным энергетическим потерям, особенно при использовании низкоорбитальных КА.

Mногостанционный доступ с временным разделением каналов (TDMA) применяется в системах Iridium, Orbcomm, ICO, "Гонец" и др. Высокая пропускная способность линии связи обеспечивается при сочетании метода TDMA с пространственным разделением каналов при разнесенном приеме, а современная техника позволяет одному КА формировать одновременно 100 и более узких лучей. Следует отметить, что проверенные временем технологии FDMA и TDMA гораздо проще реализовать в БРТК, чем CDMA, поэтому соответствующие ретрансляторы намного дешевле.

Такие преимущества технологии CDMA, как невысокая пиковая мощность абонентского оборудования и сравнительно низкие требования к динамике регулирования мощности передачи, делают ее особенно привлекательной для организации персональной подвижной радиосвязи c использованием терминалов типа "телефонная трубка". Одно из основных достоинств CDMA - возможность "мягкого" переключения при "передаче" абонента с одного спутника на другой. Метод CDMA пригоден и для обеспечения так называемого разнесенного приема (прием информации осуществляется через разные КА с последующим когерентным сложением или автоматическим выбором лучшего по качеству принимаемого сигнала), поддерживаемого, например, системой Globalstar.

Первой из коммерческих спутниковых систем, в которой была успешно опробована технология CDMA, является система Omnitracs, обеспечивающая контроль за грузоперевозками. Дальнейшее развитие эта технология получила в американских системах Globalstar, Starsys, Ellipso, а также в проектах систем 3-го поколения SAT-CDMA (Южная Корея), SW-CDMA и SW-CTDMA (ESA).

Известно, что техническая реализация разделения каналов на наземной станции обходится дешевле, чем на борту спутника, поэтому в системах, основанных на технологии CDMA, как правило, предполагается использование прозрачных ретрансляторов.

Система Aloha. Протокол множественного доступа Aloha разработан в Гавайском университете в начале 1970-х годов. В этой системе ЗС используют передачу пакетов по общему спутниковому каналу. В любой момент времени каждая ЗС может передавать только один пакет. Однако в этом случае могут возникнуть коллизии, так как одновременно могут передаваться на ретранслятор пакеты двух ЗС. Возникает требующая разрешения конфликтная ситуация.

В соответствии с первым вариантом Aloha, известной под названием «чистая система Aloha», ЗС могут начать передачу в любой момент времени. Если через определенное время распространения она получают «положительную квитанцию» (передача прошла успешно), то заключают, что избежали конфликтной ситуации. В противном случае ЗС знают, что произошла коллизия (произошло наложение или может был какой-либо другой источник шума) и необходимо повторить передачу (т.е. получают отрицательную квитанцию). Если ЗС сразу же после прослушивания повторят свои передачи, то наверняка опять попадут в конфликтную ситуацию. Требуется некоторая процедура разрешения конфликта для того, чтобы ввести случайные задержки при повторной передаче, и разнести во времени вступающие в конфликт пакеты.

По второму варианту в системе Aloha время делится на отрезки - окна, длина которых равна длине передаче одного пакета (предполагается, что все пакеты имеют одну и ту же длину). Если теперь потребовать, чтобы передача пакетов начиналась только в начале окна (время привязано к спутнику), то получится двойной выигрыш в эффективности использования спутникового канала, т.к. наложения при этом ограничиваются длиной одного окна (вместо двух, как в «чистой системе Aloha»). Такая передача называется синхронной системой Aloha (рис.7.4).

Рис.7.4 Период уязвимости для системы Aloha

 

По третьему варианту резервируются временные окна по требованию ЗС. В системе Aloha предусмотрено также назначение приоритетов для ЗС с большой интенсивностью нагрузки.

 

Лекция 20

 

Бортовая и земная аппаратура систем связи через ИСЗ

 

Структура бортового ретрансляционного комплекса (БРТК) определяется его назначением, или масштабностью охвата территорий (глобальная либо региональная связь), методом обработки информации на борту КА, количеством ретрансляционных каналов (приемных, передающих или приемопередающих), скоростью информационного обмена, а также выбранными техническим решениями и используемыми технологиями. В состав БРТК могут входить не только абонентские ретрансляторы (предназначенные для формирования "потребительских" лучей), но и ретрансляторы фидерных и/или межспутниковых линий (служебная связь).

По своему назначению и выполняемым функциям все ретрансляционные комплексы подразделяются на три типа: прозрачные, регенеративные и комбинированные.

Прозрачные ретрансляторы (bent pipe) обеспечивают прием и преобразование входных сигналов без их обработки на борту. Вместе с тем существуют ретрансляторы, также называемые прозрачными, но имеющими в своем составе один или несколько канальных процессоров или высокочастотную полнодоступную матрицу для коммутации каналов. Поэтому однозначно провести границу между прозрачным и регенеративным типами ретрансляторов практически невозможно.

Принцип действия регенеративных ретрансляторов, которые определяются как ретрансляторы с обработкой сигналов на борту (OBP, On Board Processing), основан на ремодуляции, т.е. приеме сигналов на одной частоте, их демодуляции и повторной модуляции на новой несущей. Использование таких ретрансляторов позволяет одновременно обслуживать большое количество терминалов, обеспечивая большую гибкость формирования каналов и оперативное соединение терминалов с применением разнообразных протоколов. В комбинированных ретрансляторах может выполняться обработка только определенных сигналов (какой-то части всех каналов), например соответствующих заданной несущей частоте.

Прозрачные. Большинство коммерческих ретрансляторов, используемых для передачи широкополосных и узкополосных сигналов (Intelsat, Eutelsat, Inmarsat и др.), строятся по традиционной, наиболее простой и распространенной, схеме организации связи без обработки (bent pipe - "прямая дыра"). В каждом ретрансляторе может быть установлено несколько комплектов приемо-передающей аппаратуры, подключенной к одной или разным антеннам. Отдельный приемо-передающий канал спутниковой связи называется стволом, или транспондером (transponder).

В современных геостационарных связных космических комплексах число стволов может достигать 50 и более, что позволяет реализовать высокую пропускную способность ретранслятора. В качестве примера в таб.7.6 приведены основные показатели ретрансляционных комплексов для геостационарных КА.

Таб.7.6 Основные показатели ретрансляционных комплексов GEO-КА

 

 

Основным достоинством прозрачных ретрансляторов является простота аппаратной реализации, поскольку в них осуществляется только групповое преобразование сигнала на промежуточной частоте без демодуляции и фильтрации каналов. Однако им присущ и ряд недостатков. Дело в том, что при работе нескольких наземных станций в широкой полосе частот неизбежно возникают нелинейные эффекты, приводящие к подавлению более слабого сигнала сильным, а также интермодуляционные помехи из-за преобразования паразитной амплитудной модуляции в фазовую и др.

Для уменьшения величины нелинейных эффектов, в прозрачных ретрансляторах используются передатчики, работающие в квазилинейном режиме. Вместе с тем эта мера не всегда оказывается недостаточной, так как при появлении в рабочей полосе даже одного сильного "мешающего" сигнала возможен отказ ретрансляционного ствола в целом.

Выход из этого положения возможен путем разделении всей полосы ствола на ряд парциальных каналов. Этот метод, получивший название "один канал на несущую" (SCPC, Single Cannal Per Carrier), широко применяется в сетях VSAT, поскольку он позволяет оперативно перераспределять трафик между наземными станциями.

Несмотря на перечисленные недостатки ретрансляторов типа bent-pipe они используются в современных системах связи с КА не только на геостационарной, но и на других орбитах, так как простоты в реализации.

Новым техническим решением при создании прозрачных ретрансляторов с SCPC является применение в них высокочастотной коммутируемой матрицы, выполненной на базе СВЧ интегральных схем и переключателей на PIN-диодах, обеспечивающих малую потерю мощности. Управление работой такого коммутатора осуществляется с помощью бортового процессора, а резервирование - за счет введения дополнительных рядов и столбцов матрицы.

Комбинированный. В ретрансляторе с одним канальным процессором принятый сигнал разделяется на выходе приемника на N каналов, в каждом из которых осуществляется прозрачное преобразование сигналов. Отличие такого БРТК от "абсолютно" прозрачного ретранслятора заключается в том, что в нескольких или одном канале устанавливается канальный процессор. Одно из преимуществ данного решения -простота модернизации существующего прозрачного ретранслятора до комбинированного, поскольку каналы с обработкой сигналов "вставляются" в обычный ретрансляционный ствол. Кроме того, возможно применение каналов с различными скоростями передачи, разными алгоритмами кодирования и т.п.

Регенеративные.

Ретрансляторы с пакетной коммутацией. Высокая эффективность передачи сигналов в системах спутниковой мобильной связи достигается при использовании в БРТК коммутаторов, которые чаще всего реализуются на базе технологии ATM или IP. Выбор конкретного протокола зависит от архитектуры системы и типа орбитальной группировки. Так, ATM-коммутатор больше всего подходит для сетей с топологией "звезда", использующих КА на геостационарной или низких орбитах (система SkyBridge).

Важное преимущество пакетной обработки - возможность использования асимметричных каналов на линиях "вверх" и "вниз", т.е. поддержка интерактивного режима.

Наиболее сложным является ретранслятор с пакетной обработкой информации на борту и маршрутизацией. Такие типы ретрансляторов применяются в системах с межспутниковыми линиями связи и узловой топологией, построенных на основе КА типа big LEO (Iridium) или mega LEO (Teledesic). В них динамическое перераспределение каналов (маршрутизация) осуществляется непосредственно в ретрансляторе и базируется на протоколе IP (Iridium).

Ретрансляторы с обработкой информации в нереальном времени. В спутниковых системах с КА типа little LEO для удаленных пользователей, оказавшихся вне зон обслуживания региональных станций (например, на борту морского судна), предусматривается возможность связи с другими абонентами системы через космический "почтовый ящик".

Связь в режиме электронного "почтового ящика" организуется следующим образом. Абонент может передать свое сообщение, когда в зоне радиовидимости появляется хотя бы один КА. Спутник примет это сообщение и запишет его в бортовое ЗУ ("почтовый ящик"). Информация будет отправлена получателю, как только данный КА достигнет его региона. Транспортные протоколы обеспечивают сборку пакетов, принадлежащих одному сообщению, в абонентском терминале независимо от маршрута их доставки и числа задействованных при транспортировке этих пакетов КА и наземных станций сопряжения.

Такие типы ретрансляторов обычно используются в спутниковых системах передачи данных: "Гонец", Orbcomm, Cospas-Sarsat и др. От систем, осуществляющих перенос информации на борту КА, требуется не непрерывность связи, а надежность доставки сообщения, поэтому их орбитальная группировка может состоять из небольшого числа КА. Временные характеристики обслуживания в такой системе определяются параметрами абонентских линий (таб.7.7).

Таб.7.7 Основные характеристики абонентских линий систем с КА little LEO *

 

 

Разнообразные виды связи и услуги, которые должно обеспечивать оборудование наземного сегмента, предопределили огромное число технических решений, необходимых для реализации конкретных задач. Унифицироваться могут лишь устройства определенного класса, но поскольку таковых немало, то "глобальная" унификации не возможна. Вместе с тем следует отметить, что цена оборудования наземного сегмента гораздо ниже космического.

Номенклатура наземных станций и терминалов обширна, так как чрезвычайно широк ассортимент предоставляемых услуг (передача речи, данных, видео и т. п.) и различное назначении ЗС и как следствие разнообразие их конструктивных исполнений (стационарные, портативные, автомобильные, железнодорожные, морские, самолетные). Кроме того, наземные станции различаются по своей роли в структуре наземного сегмента: магистральные, VSAT-станции, а также узлы сопряжения и координирующие станции, которые обеспечивают организацию связи в регионе. В зависимости от способа организации связи наземные станции подразделяются на приемопередающие, приемные и передающие станции (радиомаяки и радиобуи). В свою очередь, приемные станции подразделяются на приемные телевизионные станции индивидуального и коллективного пользования и пейджеры.

Для потребителей услуг связи наибольший интерес представляют абонентские ЗС, структуру которых определяют главным образом два признака. Первый - тип используемой орбиты (GEO, MEO, mega LEO, big LEO и little LEO), соответствующий степени удаленности ЗС от ретранслятора. Второй признак указывает на принадлежность земной станции к одной из трех спутниковых служб: фиксированной -- ФСС, телерадиовещательной -- РСС или подвижной -- ПСС.

Основываясь на этих признаках выделяют шесть основных классов наземных станций (рис.7.5).

Рис.7.5 Классификация земных станций

 

Фиксированная связь. Первые спутниковые системы связи относились к службе ФСС. Станции данного класса работают через геостационарные спутники в С (6/4 ГГц), Ku (14/11 ГГц) и Ka (20/30 ГГц) диапазонах частот и должны удовлетворять требованиям Регламента радиосвязи на земные станции службы ФСС. Использование следящих остронаправленных антенн и мощных передатчиков позволяет обеспечить высокую пропускную способность их спутниковых радиолиний. В зависимости от назначения и мощности потоков передаваемой информации ЗС фиксированной связи принято разделять на два подкласса: магистральные и VSAT.

Магистральные станции. Основная задача служб ФСС -- организация международной, магистральной и зоновой связи, и главная роль в организации этой связи принадлежит магистральным ЗС, которые формируют прямые многоканальные линии связи между периферийными АТС и радиальные каналы "центр--периферия".

Этот тип станций работает с многоствольными геостационарными спутниками. В настоящее время через магистральные станции передается около 50% международного телефонного трафика. Однако, по прогнозам аналитиков, к 2010 г. удельный вес этих ЗС снизится до 40%, что отражает растущую конкуренцию с ВОЛС на рынке магистральных средств связи.

Главными характеристиками магистральных ЗС являются диаметр параболического зеркала и добротность приемного оборудования, так как именно они определяют сложность, стоимость и "границы" использования станции (таб.7.8).

 

Таб.7.8 Характеристики наземных станций Intelsat

В отличие от бортовых антенн, у которых форма диаграммы направленности должна быть "согласована" с обслуживаемой земной поверхностью (глобальный, узкий, профилированный луч и т. п.), антеннам магистральных ЗС не свойственны подобные требования, так как они ориентируются строго на определенный КА. Стоимость наземной станции и ее основные эксплуатационные параметры определяются размерами используемой антенны. Чем больше диаметр антенны, тем выше ее стоимость и пропускная способность.

Так, в системе Intelsat первоначально использовались станции с диаметром антенн 30м и добротностью G/T=40,7 дБ/К в диапазоне частот 4--6 ГГц. По мере совершенствования КА и увеличения мощности излучения основные показатели были снижены до 16--18м (диаметр антенны) и 35 дБ/К (добротность). Цена такой станции около 8 млн долл., но при уменьшении диаметра антенны до 5 м стоимость ЗС снижается до 2 млн долл.

 

В состав каждой магистральной земной станции обычно входит приемопередающая антенная система с дуплексером, аппаратура наведения, многоствольные приемное и передающее устройства, а также каналообразующая аппаратура (рис.7.6).

Рис.7.6 Структурная схема магистральной ЗС

 

Приемное устройство осуществляет предварительное усиление сигналов с помощью входного малошумящего усилителя (МШУ) и их преобразование на промежуточную частоту. Конструктивная особенность магистральных ЗС - расположение МШУ не в основном помещении, а рядом с облучателем антенны, что позволяет снизить потери в фидерном тракте и за счет этого увеличить чувствительность станции. В современных МШУ, работающих в С- и Ku-диапазонах (ширина полосы частот от 500 МГц до 1 ГГц), эквивалентная шумовая температура составляет 50-150 К, коэффициент усиления 30 - 40 дБ.

На выходе усилителя мощности (при необходимости усиления до 0,5--3 кВт) применяются либо клистроны, либо лампы бегущей волны (ЛБВ). Основное достоинство клистронов - высокая стабильность и невысокий уровень шума, в то время как ЛБВ обеспечивает большую (по сравнению с ними) полосу пропускания. В усилителях мощностью 0,5 - 1 кВт обычно используют ЛБВ, а в более мощных (1 - 3 кВт) -клистроны. Современные усилители мощности оснащены средствами защиты от сбоев в системе электропитания и автоматического восстановления работоспособности.

VSAT. В настоящее время для создания корпоративных спутниковых сетей на базе геостационарных КА используются малые станции, так называемые VSAT (Very Small Aperture Terminal), которых во всем мире уже насчитывается более 250 тыс. VSAT-сети действуют не только в США, европейских и азиатских странах. В России собственные корпоративные VSAT-сети имеют крупные организации, такие как РАО "Газпром", РАО "ЕЭС России", МПС и Центробанк РФ.

Сети VSAT объединяют географически удаленных пользователей в единую цифровую сеть связи. Но, в отличие от глобальных ССС, вся зона обслуживания сетей VSAT разделена на узкие парциальные зоны, каждая из которых обслуживается одним узким лучом.

При современных энергетических показателях бортовых комплексов VSAT-станции могут быть весьма невелики, а размер их антенн 0,5 - 0,6 м (Ka-диапазон) и 1 - 1,5 м (Ku-диапазон). Такие терминалы могут размещаться вблизи рабочих мест пользователей. Наземные станции с диаметром антенны менее 0,5 м называются USAT (Ultra Small Aperture Terminal).

ССС, использующие технологию VSAT, отличают не только высокие экономические показатели (по сравнению с типами ССС на базе геостационарных КА), но и богатые возможности управления сетью (распределение нагрузки, установление приоритетов, изменение конфигурации сети, дистанционное управление периферийными станциями), а также высокое качество работы каналов связи.

Станции VSAT-сетей не требуют постоянного обслуживающего персонала, а скорость передачи в такой сети может быть достаточно велика. Они поддерживают разнообразные протоколы обмена, в том числе и для передачи телефонии и видеоинформации.

Средние мировые цены на оборудование VSAT-сетей примерно таковы: базовая станция - 1 млн долл., наземная на восемь каналов - 15 тыс. долл., а одноканальная - 12,7 тыс. долл.

Подвижная связь. В системах подвижной связи, использующих геостационарные КА, чаще всего применяются наземные станции, работающие в L-диапазоне и ориентированные на передачу телефонии и данных. (В пределах зоны обслуживания спутника связь обеспечивается в масштабе реального времени.) На судах, автомобилях, поездах, самолетах устанавливаются станции, в которых предусмотрено автоматическое слежение за спутником. Типовой комплект пользовательской аппаратуры включает приемопередатчик (размером не больше "дипломата" и массой до 5 кг), следящую антенную систему и интерфейсное оборудование (как правило, для факсимильной связи). Терминал комплектуется различными типами антенн, по выбору пользователя. CCC, которые обеспечивают услуги подвижной связи, немало, и число их продолжает расти.

Рассмотрим наиболее популярные (по виду услуг) спутниковые системы подвижной связи.

Inmarsat. Наземный сегмент ССС Inmarsat состоит из береговых (БЗС), координирующих (КСС) станций, эксплуатационного контрольного центра (ЭКЦ), а также абонентских станций морского, авиационного и наземного исполнения.

Эксплуатационный контрольный центр - мощная земная станция для приема и обработки информации о состоянии всех элементов системы и контроля характеристик космического сегмента. В ее функции входит обеспечение ввода в эксплуатацию новых технических средств Inmarsat (КА и ЗС).

Береговые станции поддерживают связь между КА системы Inmarsat и абонентами, в том числе и по международным и национальным телефонным и телеграфным сетям. Мобильные абоненты Inmarsat не могут связаться друг с другом непосредственно; их соединение предусмотрено только через береговую станцию. В каждой подспутниковой зоне Inmarsat работают несколько стандартных БЗС, одна из которых выполняет функции координирующей.

Координирующая станция осуществляет мониторинг ССС в данном регионе, распределяет трафик ретранслятора между береговыми станциями, а также передает сообщения вызова морским судам на основной (1537,750 МГц) или резервной (1538,475 МГц) частоте и выполняет ретрансляцию специальных сообщений.

Каждая БЗС Inmarsat имеет закрепленную за ней несущую, которую уплотняют 22 телеграфных канала. Телефонные каналы за конкретными станциями не закреплены, а находятся в "общем пользовании", но БЗС имеют выход в национальные и международные сети телефонной и телексной связи. Диаметр параболической антенны БЗС 12 - 15 м. Стоимость береговой станции в зависимости от комплектации составляет 1 --2,5 млн долл.

На подвижных объектах могут быть использованы разные типы абонентского оборудования Inmarsat, различающиеся по специфическим требованиям, которые обобщены в виде Стандартов Inmarsat.

Euteltracs. Первой коммерческой системой связи, ориентированной на обеспечение транспортных перевозок в Европе, стала ССС Euteltracs. По своей архитектуре и видам обслуживания европейская система Euteltracs идентична американской Omnitracs, предоставляющей аналогичные услуги в Северной Америке и Мексике. Она обеспечивает передачу групповых и индивидуальных (в том числе аварийных и экстренных) сообщений длиной не более 1900 символов.

В состав наземного сегмента Euteltracs входят: центральная станция (ЦС), станция маршрутизации (СМ), спутниковые диспетчерские пункты (СДП) и мобильные связные терминалы (МСТ, Mobile Communication Terminal) (рис.7.7).

Рис.7.7. Схема организации диспетчерской связи в системе Euteltracs

 

Информационный обмен осуществляется через центральную станцию, расположенную во Франции, вблизи которой находится станция маршрутизации, являющаяся фактически почтовым ящиком ЦС. Маршрутизатор анализирует все принимаемые сообщения и выдает разрешение на установление соединения. С помощью спутниковых диспетчерских пунктов устанавливается непосредственная связь с абонентами, причем предварительно всегда делается запрос статуса исходящих и входящих сообщений, накопившихся у абонента.

К станции маршрутизации сообщений подключен стационарный диспетчерский центр, связанный с СМ через телефонную сеть общего пользования (ТфОП) или сеть передачи данных (СПД). Диспетчерский центр наделен правами запросить копию любого сообщения и определить местоположение любого абонента сети.

Мобильный терминал Euteltracs оснащен DSP-процессором и обеспечивает все функции обработки сигналов, включая демодуляцию и установление соединения. Передаваемый сигнал излучается остронаправленной антенной с коэффициентом усиления 19 дБи. Уровень мощности боковых лепестков антенны не превышает 12 дБ. Линейный тракт приемника содержит МШУ и преобразователь частоты. Выходная мощность передатчика 1 Вт. Помехозащищенность сигналов обеспечивается за счет их широкополосной передачи в полосе 1 МГц и скачкообразной перестройки частот в полосе от 5 до 48 МГц. Сигналы, относящиеся к полосе частот 1 МГц, скачкообразно перестраиваются в полосе 48 МГц.

Стоимость терминалов 4-6 тыс. долл., абонентная плата составляет 40 - 50 долл./мес.

Система Euteltracs способна обслуживать 45 тыс. транспортных средств на территориях не менее 15 европейских стран, включая Россию. Сегодня клиентами этой ССС являются транспортные компании Совтрансавто, Интертрансэкспедиция и др.

Дальнейшее наращивание пропускной способности Euteltracs может быть осуществлено за счет оснащения КА дополнительными ретрансляторами.

Prodat -- передача данных на суше. Исследования, проведенные Европейским космическим агентством (ЕКА), подтвердили, что требования к наземным, морским и самолетным терминалам ССС существенно различаются. Для мобильных средств связи морского и воздушного базирования определяющим фактором, ухудшающим условия приема сигналов, является сильная многолучевость, а на наземные устройства наибольшее влияние (вплоть до перерывов связи со спутником) оказывают помехи, обусловленные глубокими замираниями вследствие затухания радиоволн в рельефе местности или при движении в туннелях.

Созданная EKA система Prodat (рис.7.8) ориентируется только на использование ее терминалов на сухопутных транспортных средствах, а ее протокол передачи данных оптимизирован по критериям минимизации типичных помех для спутниковой связи с объектами, находящимися на суше.

Рис.7.8 Структурная схема ССС Prodat

 

Prodat базируется на достаточно простой централизованной архитектуре, которая обеспечивает связь мобильных терминалов (рис.7.9) со спутником и с различными наземными сетями (телефонными, телексными и др.).

Рис.7.9 Терминалы ССС Prodat

 

Система Prodat использует два диапазона частот: С-диапазон (4,2 ГГц для приема и 6,4 ГГц для передачи) для связи с центральной станцией и L-диапазон (1631,5—1660,5 МГц на линии "вверх" и 1530--1559 МГц на линии "вниз") для связи между мобильными терминалами. В прямом канале (от центра управления к мобильному терминалу) информация передается в режиме временного разделения каналов -- TDMA (32 канала, в каждом из которых данные передаются со скоростью 1500 бит/c); вид модуляции -- BPSK. В обратном используется кодовое разделение каналов для широкополосных сигналов (SS-CDMA); вид модуляции -- OQPSK. Скорость передачи данных в обратном канале -- 600 бит/с, размер передаваемого сообщения -- 384 бит (восемь блоков по 48 бит); помехоустойчивое кодирование реализовано на основе коротких блочных кодов Рида -­Соломона. В перспективе планируется увеличить скорость передачи до 9,6 кбит/с.

Терминал Prodat оснащен встроенным GPS-приемником, однако позволяет использовать и другие навигационные системы, например "Глонасс" и Loran-C . Данные о местоположении могут передаваться как в автоматическом режиме (с заданной периодичностью), так и по запросу. Базовая конфигурация мобильного терминала Prodat включает в себя три основных блока: внешний радиочастотный (ODU) с антенной, внутренний связной (IDU) и оконечное устройство пользователя. Малогабаритная всенаправленная антенна имеет круговую правостороннюю поляризацию. Масса антенны 180 г, высота 130 мм, диаметр 105 мм. Она может устанавливаться как на крыше автомобиля, так и в кабине водителя. Блок ODU, содержащий радиочастотные модули, может размещаться как внутри, так и снаружи транспортного средства и соединяется с антенной полутораметровым кабелем. Блок IDU состоит из микропроцессора и аппаратуры передачи данных, соединяемых с внешним электронным блоком кабелем длиной 5 м.

Оконечным устройством пользователя служит специальная 60-клавишная клавиатура с встроенным ЖК-дисплеем (восемь строк по 40 знаков) и малогабаритным принтером. Размеры клавиатуры 220 х 210 х 90 мм, масса 1,5 кг. Дополнительно терминал может быть оснащен малогабаритной пятикнопочной клавиатурой (массой не более 150 г), предназначенной для передачи "стандартных сообщений" (коротких сообщений, хранящихся в памяти микро-ЭВМ). Основные параметры терминала Prodat: ЭИИМ 13 дБВт, добротность (G/T) -24 дБ/К. Масса блока ODU 4,3 кг, размеры 250 х 110 х 113 мм. Рабочий диапазон температур от - 20 до +600С. Масса блока IDU 4,5 кг, размеры 335 х 170 х 85 мм. Рабочий диапазон температур от 0 до +500С. Напряжение питания от источника постоянного тока 24 В. Потребление терминала в режиме приема - не более 25 Вт.

 

Энергетический расчет и качественные показатели спутниковых систем связи

Гипотетическая эталонная цепь Земля- Спутник - Земля, содержит один модулятор и один демодулятор. При передаче ТВ, отношение размаха сигнала (от уровня белого, до уровня черного) к визометрическому напряжению шумов должно быть не менее 61 дБ в 80% времени, 57 дБ в 99% и 49 дБ в 99,9% времени любого месяца. Отношение сигнал/помеха для источников питания должно быть больше 30 дБ, а для других периодических помех - не менее 50 дБ.

При передаче псофометрическая мощность шума в точке с нулевым относительным уровнем не должна превышать 10000 пВт в среднем за любой час. Допускается превышение среднеминутного значения шума величиной 10000 пВт не более чем в 20% времени любого месяца и 50000 пВт не более чем в 0,3% времени любого месяца. Превышение не взвешенным шумом 106 пВт допускается не более чем в 0,03% времени любого месяца. Допустимое время запаздывания группового времени распространения в системах с ИСЗ должно быть не более 300 мс.

Спутниковая система связи состоит из двух участков Земля-ИСЗ и ИСЗ- Земля. Расчет аналогичен расчету РРС прямой видимости содержащей два интервала. Однако в спутниковых системах необходимо учитывать особенности аппаратурных отличий на этих участках, а также разных энергетических потенциалов и шумов на этих участках.

Отношение сигнал/шум на входе приемника земной станции (Рс/Рш)вх

Мощность сигнала на входе приемника Рс связано с мощностью передатчика соотношением

 

где: G_пер, и G_пр - коэффициент усиления антенн; - потери в антенно-фидерном тракте;

- потери в свободном пространстве на расстоянии R; U - добавочные потери в реальном пространстве.

 

Или можно записать:

Для всей линии с ИСЗ

Для участка Земля – Спутник

Для системы связи через ИСЗ можно приближенно считать, что:

1. 2.

3.

4.

Поэтому можно записать

 

1. Шумовая температура земного приемника определяется:

2. Мощностью собственных шумов приемного устройства и мощностью шумов антенно-волноводного тракта.

3. Мощностью шумов антенны, определяемая воздействием на нее теплового излучения Земли от атмосферы.

4. Мощностью шумов радиоизлучения Солнца и других космических источников

 

Таким образом

где: Т_пр - определяется входными цепями и типом малошумящей УСВЧ; Т_АФТ - определяется как

где: Т₀=290 К - абсолютная температура;

Т_АТМ - является функцией угла места и частоты. Уменьшение угла места резко увеличивают шумы атмосферы, поэтому Т_косм - определяется яркостной температурой источника Т_я

 

 

Если угловые размеры источника излучениязначительно меньше ширины диаграммы направленности антенны,то

 

Т_косм зависит от области неба, в которую направлена антенна и определяется по специальным картам. Наиболее интенсивным источником шумов является Солнце.

 

Шумовая температура бортового приемника ИСЗ определяется как:

где: Т_з - эквивалентная шумовая температура;

b - коэффициент, определяющий, что космические шумы принимаются только

бортовыми лепестками бортовой антенны; Т_пр._бор - шумовая температура входного устройства бортового приемника.

Как правило велико, однако увеличивая энергетические параметры земного

оборудования можно считать, что большое значение Тсе несущественным.

 

Лекция 21

Спутниковые сети VSAT

 

Благодаря прогрессу в области микроэлектроники и радиотехники на мировом рынке появились малогабаритные и относительно недорогие земные станции, получившие название VSAT (Very Small ApertureTerminal), которые не является мобильными, а скорее быстро-развертываемые. В основе технологии VSAT лежит использование мощных бортовых ретрансляторов диапазона 11/14 ГГц. с антенной диаметром 1-3 м обеспечивающие следующие виды связи: телефонную, обмен данными между ЭВМ, факсимильную. Максимальная скорость передачи информации до 64 кбит/с. Любая такая станция согласуется практически со всеми стандартами цифровой передачи данных - из них можно собрать систему, объединяющую от двух до нескольких сотен абонентов.

Все действующие в настоящее время сети или системы VSAT можно разделить на односторонние (широковещательные) и интерактивные. Первые предназначены для распространения различной информации большому числу абонентов, а вторые - для организации информационного обмена между абонентами.

Услуги и технологии интерактивных сетей VSAT (или просто сетей VSAT) представляют наибольший интерес в плане своей технической реализации и более важны для экономического развития крупномасштабных предприятий и регионов.

В настоящее время сети VSAT используются для обмена информацией между земными станциями (ЗС), для связи удаленных абонентов с сетями передачи данных, а также в системах сбора и распределения информации. Применение аппаратуры типа VSAT особенно эффективно в труднодоступных районах, где организация других видов связи затруднена. Английская компания Communications System провела исследования и опубликовала статистический отчет о производстве и реализации аппаратуры VSAT. Согласно результатов исследований к 2010 г. на международных линиях спутниковой связи до 50 % терминальных устройств будет обслуживаться аппаратурой данного типа. Наибольший спрос на аппаратуру типа VSAT наблюдается в США, однако, с каждым годом численность пользователей аппаратуры VSAT за пределами США неуклонно возрастает.

Принципы построения спутниковых сетей VSAT. Системы односторонней связи позволяют осуществлять передачу из центрального пункта во множество отдаленных точек, где антенны настроены только на прием (примером является сеть «IntelnetI» на основе терминалов VSAT для передачи данных в широковещательных целях). В свою очередь, сети интерактивной связи используются для передачи речи и данных. Односторонняя передача видеоизображения может быть легко добавлена в интерактивную сеть.

Для снижения затрат пользователя на оплату ресурса спутникового транспондера построение сетей VSAT основано на разделении нескольких спутниковых каналов между многими пользователями. Сети VSAT базируются на самых современных технологиях построения спутниковых сетей и состоят из двух взаимно независимых сетей передачи данных (AA/TDMA и BOD), основанных на разных принципах разделения ресурса спутникового транспондера.

Структура спутниковой сети VSAT изображена на рис.7.10.

Сеть AA/TDMA основана на технологиях временного уплотнения канала передачи данных TDM (Time Division Multiplexing) и TDMA (Time Division Multiply Access). Технология AA/TDMA обеспечивает организацию пользовательских сетей передачи данных с протоколами Х.25 и TCP/IP. Допускается создание полностью независимых (без внешнего доступа) сетей с размещением консоли управления сетью непосредственно у пользователя. Пользователям сети может быть предоставлен доступ к сети Internet. Модуль VSAT, обеспечивающий функции AA/TDMA (AA/TDMA IDU), имеет три синхронных интерфейса RS232 (1,2 - 19,2 Кбит/с) с поддержкой протокола X.25 и интерфейс Ethernet (10Base5) для подключения компьютерных сетей с протоколом TCP/IP.

Сеть BOD обеспечивает передачу данных через спутниковые каналы связи на различных скоростях, определяемых требованиями пользователя.

Рис.7.10 Структура спутниковой сети VSAT

 

Построение сети BOD (Bandwidth On Demand) основано на технологии SCPC (Single Carrier Per Channel), обеспечивающей двухстороннюю передачу голосовых и факсимильных сообщений с качеством, соответствующим стандарту дальней связи. Сеть BOD поддерживает режимы передачи данных и голосовых сообщений PAMA (многостанционный доступ с постоянным предоставлением канала) (рис.7.11) и DAMA (многостанционный доступ с предоставлением канала по требованию) (рис.7.12).

 

 

Рис.7.11 Соединение в режиме РАМА

 

В режиме PAMA обеспечивается многостанционный доступ с постоянным предоставлением канала передачи данных (со скоростью передачи до 2048 кбит/с) и передача голосовых сообщений.

Сеть BOD поддерживает как динамичные соединения в режиме DAMA (канал «по требованию»), так и соединения в режиме DAMA по расписанию.

Рис.7.12 Соединение в режиме DAMA

а) в режиме «по требованию»; б) в режиме по «расписанию»

 

Динамичный процесс DAMA инициируется запросом на установление связи, будь то голос, факсимильное сообщение или данные, поступившие из порта пользователя. Первичный DAMA-контроллер принимает или отклоняет запросы в зависимости от наличия требуемой полосы частот на КА ретрансляторе. Процессор DAMA по запросу назначает частоты, а также регулирует эквивалентную изотропно-излучаемую мощность несущей в зависимости от параметров запрашиваемого соединения.

Соединение DAMA по расписанию назначается один раз в указанное в таблице расписания Системы Управления Сетью время определенного дня либо каждый день в одно и то же время и может быть использовано для соединения «Точка - Многоточие» или «Точка - Точка».

Топология сетей VSAT. Выпускаемое оборудование ориентировано на три базовые топологии сетей VSAT.

Топология «Звезда» («Star»). Данная топология сети обеспечивает многоточечную связь между центральной управляющей станцией (ЦУС или HUB) и удаленными терминалами VSAT.

Весь обмен данными между абонентскими терминалами в сети осуществляется только через ЦУС (рис.7.13). В результате сигнал от терминала VSAT1 до терминала VSAT2 проходит путь VSAT1 - КА - ЦЗС - КА - VSAT2, при котором имеет место «двойной скачок», и время распространения достигает 0,6 с. Это обстоятельство накладывает ограничение на организацию телефонных каналов и других видов информации, чувствительных к задержке, однако, допустимо для многих приложений, связанных с передачей данных. Поэтому задачи сбора и двухсторонней передачи данных между удаленными станциями и центром являются приоритетными, а качественная телефонная связь является дополнительной услугой, реализуемой только между центром и отдельной удаленной станцией (выход в сети общего пользования и организация международных соединений приводит к ухудшению качества речи).

а б

 

Рис.7.13 Топология спутниковой сети VSAT типа «Звезда» («Star») а) общая схема; б) схема взаимодействия элементов сети

 

Примерами сетей такого типа может служить сеть «M-Tel», принадлежащая американской компании M-Tel и внедренная в США для работы в диапазоне Ku сети «Nextar 1» компаниями Racal Milgo и Sky Networks.

Сети типа «звезда» статичны, используются для связи из одной точки в большое число точек и работают особенно хорошо в ситуациях, когда необходима связь между множеством отдаленных станций и центральной станцией. Как правило, данные сети асимметричны - более высокоскоростные каналы направлены от узловой станции (ЦУС) к удаленным ЗС VSAT, низкоскоростные - в обратном направлении.

Характерной особенностью сети типа «звезда» являются относительно низкая канальная скорость и неравномерность трафика, создаваемого удаленными VSAT станциями. Примером оборудования такого типа является оборудование компании Теасот. C другой стороны, в сетях типа «Star» в качестве дополнительного сервиса нередко предлагается организация распределения ТВ информации. Например, подобное решение предлагает компания Shiron.

Топология «Каждый с каждым» («Mesh»). Топология сети «Mesh» предусматривает соединение VSAT станций за один «скачок», а ЦЗС (или выделенная станция сети) в данном случае обеспечивает организацию вызова и соединения. Задержка сигнала при этом уменьшается в два раза и составляет не более 0,3с, что практически не ощущается при передаче сообщений, требующих режима реального времени.

Сеть типа «Mesh» в общем случае подразумевает равноправную связь удаленных станций между собой. По сравнению с топологией «Star» в этом случае резко возрастает число направлений связи. Если в сети «Star» число направлений связи равно числу станций сети N, то в данном случае число связей составляет N *(N —1)/2 (рис.7.14). Таким образом, сеть типа «Mesh» обладает большими функциональными возможностями. Кроме задач, решаемых в сети типа «Star», имеется возможность организовать качественную телефонную связь, видеотелефон и даже сеть видеоконференций. Построение такой сети обычно актуально для организации работы больших корпораций, имеющих территориально распределенные отделения, и для телефонизации удаленных и труднодоступных узлов.

Для сетей типа «Mesh» характерны различные модификации технологии многостанционного доступа DAMA.

а б

 

Рис.7.14 Топология спутниковой сети типа «Каждый с каждым» («Mesh») а) общая схема; б) схема взаимодействия элементов сети

 

Топология «Точка-точка» (Point-to-point). Топология «Точка-точка» обеспечивает двустороннюю связь между двумя удаленными VSAT терминалами на основе закрепленной полосы частот космического сегмента с использованием магистральных линий преимущественно большой и средней пропускной способности (рис. 7.15).

 

 

Рис.7.15 Топология спутниковой сети типа «Точка-точка» (схема взаимодействия элементов сети)

 

Такая схема связи наиболее эффективна при большой загрузке каналов (не менее 30­40 %). Преимуществом такой архитектуры является простота организации каналов связи и их полная прозрачность для различных протоколов обмена. Кроме того, такая сеть не требует системы управления.

Для организации сетей VSAT наиболее часто используются сети с топологией типа «Каждый с каждым» и «Звезда» (рис.7.16).

Рис.7.16

Многостанционный доступ в спутниковых сетях VSAT. Организация передачи информации в спутниковых сетях VSAT базируется на трех основных методах разделения каналов при многостанционном доступе, а именно: частотном разделении (FDMA), временном разделении (TDMA), кодовом разделении (CDMA). Для оптимизации пропускной способности и стоимости сети в каждом конкретном случае используется сочетание этих методов.

Сеть типа «Star» ориентирована, в первую очередь, на обеспечение услуг, связанных с передачей данных, для которых задержка сигнала не столь принципиальна. Наиболее распространенный способ для решения этих задач - TDM/TDMA. Исходящие потоки от каждой VSAT станции разделены во времени и транслируются на ЦЗС. С целью минимизации арендуемой полосы частот используются различные протоколы «Aloha». Основная задача состоит в том, чтобы исключить коллизии, то есть наложение информации, передаваемой разными VSAT станциями в данный момент времени на одной частоте. При этом, чем совершеннее протокол «Aloha», тем больше задержка информации.

На ЦЗС сигналы коммутируются и мультиплексируются в единый цифровой поток TDM (транслируемый через КА ретранслятор), который доступен для приема любой абонентской станцией сети.

В том случае, когда трафик достаточно устойчив во времени, используется технология SCPC/PAMA. Такое решение обеспечивает в реальном масштабе времени не только передачу данных, но и телефонную связь между VSAT и ЦУС. Сочетание SCPC/PAMA и TDM/TDMA позволяет реализовать сеть по схеме двухуровневой звезды, в которой закрепленные каналы РАМА являются магистральными.

При организации сети «Mesh» актуальна другая задача. Необходимо обеспечить связь каждого абонента с каждым за один скачок. Наиболее распространенной является технология DAMA. Она предусматривает выделение ресурсов сети каждому абоненту только на время их активного взаимодействия. При этом возможны два основных варианта. Первый из них и наиболее распространенный - SCPC/DAMA, при котором выделяется частотный канал по требованию абонента. Во втором варианте TDMA/DAMA предусматривается динамическое распределение временных слотов в кадре TDMA по запросу абонента.

Запрос выделения канала для абонентской станции может быть реализован различными методами. Например, на ЦЗС формируются дежурные каналы, которые обеспечивают только режим запроса и назначения информационного канала для абонента, что обычно имеет место при использовании технологии SCPC/DAMA. Другой метод предусматривает организацию выделенного канала, работающего в режиме TDM/TDMA. Число дежурных каналов либо пропускная способность канала TDM/TDMA выбираются в зависимости от допустимой вероятности отказа в соединении в часы наибольшей нагрузки сети.

 

Спутниковые системы персональной радиосвязи

 

В последнее время аппараты сотовой, транкинговой и пейджинговой связи РУз стали привычными, ожидается, что и, терминалы персональной спутниковой связи будут широко распространены. Тогда произойдет объединение наземных и спутниковых систем в глобальную систему связи, т.е. персональная связь станет возможной в глобальном масштабе. Путем набора ТЛФ номера можно будет обеспечить досягаемость абонента в любой точке мира. Однако для этого необходимо, чтобы спутниковые системы связи успешно выдержали испытания и подтвердили заявленные технические характеристики и экономические показатели в процессе коммерческой эксплуатации.

Системы персональной спутниковой связи по сравнению с наземными подвижными системами радиосвязи могут обеспечивать связью абонентов за пределами зоны обслуживания местной подвижной сети радиосвязи, т.к. они не имеют ограничений по привязке к конкретной местности Земли. Спутниковые системы связи по представляемым услугам подразделяются на три основных класса:

- системы пакетной передачи данных (доставка циркулярных сообщений, автоматизированный сбор данных о состояние различных объектов и т.д.);

- системы ( речевой) радиотелефонной связи;

- системы для определения местонахождения (координат) потребителей.

Пакетная передача данных предназначается для цифровой передачи любой информации. Скорость передачи данных в таких системах составляет от единиц до сотен килобайт в секунду, отсутствует непрерывность обслуживания, а оперативность доставки определяется требованиями пользователей (Н., "электронная почта")

В спутниковых системах радиотелефонной связи, как правило, используют цифровую передачу сообщений соответствующую международным стандартам. Причем, задержка сигнала при трансляции от передатчика до приемника не должна превышать 0,3 с, а переговоры во время сеанса связи не должны прерываться. Для обеспечения перечисленных требований при радиотелефонной связи в спутниковой системе необходимо учитывать:

- спутники должны оснащаться высокочастотной системой ориентации для удержания луча их антенны в заданном направлении;

- количество спутников в системе должно быть достаточным, для обеспечения сплошного и непрерывного покрытия зоны обслуживания;

- для обеспечения достаточного количества каналов связи должны применяться многолучевые антенные системы, работающие на высоких частотах (более 1,5 ГГц), что

значительно усложняет конструкцию антенн и космических аппаратов (КА);

- непрерывность связи через спутник обеспечивается оснащением многолучевыми антенными системами и наличием большого количества узловых (шлюзовых) станций с дорогим коммуникационным оборудованием.

Местоположение или координаты абонентов на Земле определяют, используя аппаратуру двух типов:

- стандартную навигационную аппаратуру (GPS систем ГЛОНАСС/НАВСТАР, которая обеспечивает высокую точность определения координат потребителя;

- специальную навигационную аппаратуру, которая по сигналам спутников персональной связи и (или) шлюзовых станций позволяет определять координаты потребителя, но с меньшей точностью.

В случае использования специальной навигационной аппаратуры координаты абонента можно определять следующими способами:

- по сигналам 4-х спутников персональной связи;

- по сигналам шлюзовых наземных станций;

- по сигналам спутников и шлюзовых станций.

 

Современный уровень спутниковых систем персональной связи и дальнейшее развитие осуществляется благодаря внедрению новых технических решений, к которым относятся:

- обработка сигнала на борту спутника ретранслятора;

- создание перспективных сетевых протоколов обмена информацией;

- разработка недорогих портативных пользовательских терминалов с малым энергопотреблением;

- микроминиатюризация функциональных узлов коммутационного оборудования;

- создание мощных солнечных батарей и уменьшение массы спутников;

- разработка специализированных ЭВМ на специализированных БИС;

- применение эффективного и прогрессивного метода многостанционного доступа с кодовым делением каналов CDMA.

В спутниковых системах персональной связи используются спутники, находящиеся на различных орбитах.

 

Особенности орбит при организации персональной связи через ИСЗ

 

Орбиты связных КА классифицируют по трем признакам:

- форма орбиты;

- периодичность прохождения над точками земной поверхности;

- наклонение орбиты.

По форме орбиты подразделяются на следующие типы:

- круговые, которые трудно реализуются на практике и требуют периодичной коррекции бортовыми двигателями;

- близкие к круговым, которые наиболее широко используются в связных КА, высота апогея и перигея у таких орбит отличаются на несколько десятков километров;

- эллиптические, высота Н_а (апогея) и Н_п (перигея) значительно различаются (например: Н_а = 38000 - 40000 км, а Н_п = 400 - 500 км).

 

Виды орбит, используемые в спутниковых системах связи.

- геостационарные, круговые экваториальные орбиты с периодом обращения КА, равным периоду обращения Земли (Т = 23 ч. 56 мин); Н_а = Н_п = 36000 км. КА находится постоянно над определенной точкой экватора Земли и имеет большую площадь обзора.

По периодичности прохождения КА над точками земной поверхности различают следующие типы орбит:

- синхронные орбиты, которые делятся на изомаршрутные и квазимаршрутные: изомаршрутные орбиты характеризуются тем, что проекции орбиты КА на земную поверхность (трассы) совпадает ежесуточно, а у квазимаршрутных - один раз в несколько суток;

- несинхронные орбиты характерны тем, что трассы, соответствующие любым двум оборотам КА вокруг Земли, не совпадают.

По наклонению орбиты, над которой понимается угол между плоскостями экватора Земли и орбиты КА (рис.115). Угол отсчитывается от плоскости экватора к плоскости орбиты против часовой стрелки и может меняться от 0^о до 180^о. По этому признаку различают следующие типы орбит:

- прямые орбиты (наклонение a < 90^о );

- обратные орбиты (наклонение a > 90^о );

- полярные орбиты (наклонени a = 90^о );

- экваториальные орбиты.

При a = 0^о, КА двигается по направлению вращения Земли с запада на восток и называется геостационарной, при a = 180^о, КА двигается против направления вращения Земли с востока на запад.

Рис.115

Следующей особенностью орбиты КА является прецесся, которая обусловлена несферичностью Земли и неравномерностью распределения ее массы, что приводит к изменению (прецессии) плоскости орбиты КА (изменению линии апсид, т.е. линии, соединяющей апогей и перигей). Скорость названных прецессий зависит от формы орбиты, высота апогея и перигея, а так же наклонения. В конечном итоге прецессия плоскости орбиты приводит к смещению восходящего и нисходящего узлов относительно первоначального положения в момент вывода КА на орбиту. Величина прецессии зависит от напряженности гравитационного поля Земли. Увеличение гравитационной напряженности приводит к "спрямлению" орбиты вблизи экватора за счет увеличения скорости движения КА в направлении экватора. При этом КА, движущийся по прямой орбите, начинает отклоняться влево по ходу движения, к КА, движущийся по обратной орбите - наоборот, вправо по ходу движения, т.е. в первом случае прецессия идет в западном направлении, а во втором - в восточном.

По высоте орбит связных КА подразделяются:

- низкоорбитальные группировки (700 - 1500 км);

- средневысотные орбиты (5000 - 15000 км);

- геостационарные космические системы (36000 км).

Диапазоны высот низкоорбитальной группировки обусловлен тем, что ниже 700 км плотность атмосферы высока и происходит уменьшение эксцентриситета, а так же постепенное снижение высоты апогея. В свою очередь, уменьшение высоты орбиты приводит к повышенному расходу топлива и увеличению частоты маневров для поддержания заданной орбиты. На высотах выше 1500 км располагается первый радиационный пояс ВАН АЛЛЕНА, в котором невозможна работа бортовой электронной аппаратуры.

Системы, использующие КА на низких орбитах, имеют лучшие энергетические характеристики радиолиний, чем КА, находящиеся на средневысотных и геостационарных орбитах. Однако уступают им в продолжительности активного существования КА, т.к. при периоде обращения КА на низких орбитах около 100 мин., почти 30 мин., приходится в область тени и бортовые аккумуляторы испытывают от солнечных батарей приблизительно 5000 циклов заряда/разряда в год. Для средневысотных орбит период составляет около 6 часов, а на область тени приходится только несколько минут. Следующим недостатком КА, находящийся на низкой орбите, является то, что он попадает в зону прямой видимости абонента только на 8 - 12 мин. Потому для обеспечения непрерывности связи любого абонента необходимо иметь много КА, которые последовательно при помощи шлюзовых станций или межспутниковых каналов связи обеспечивали непрерывную связь.

Средневысотные орбиты находятся между первым и вторым радиоционными поясами Ван Аллена. Время распространения сигнала в системах, использующие КА на таких орбитах, составляет порядка 130 мс, что незаметно для человеческого слуха. Кроме того, зона прямой видимости спутника - ретранслятора и абонента меньше, чем при использовании низкоорбитальных КА и поэтому количество спутников уменьшается для обеспечения непрерывности связи. С увеличением высоты орбиты увеличивается время и размеры зоны обслуживания и, следовательно, требуется меньшее число спутников для охвата одной и той же территории.

В настоящее время в спутниковых системах для решения задач персональной радиосвязи применяют КА, находящиеся на низких (круговых или близких к круговым), средневысотных (круговых или эллиптических) и геостационарных орбитах.

 

Структура спутниковых систем персональной связи

Любая спутниковая система связи (рис. 11 6) включает следующие составляющие:

- космический сегмент, который состоит из нескольких спутников - ретрансляторов;

- наземный сегмент - включающий центр управления системой, центр запуска КА, командно - измерительные станции, центр управления связью и шлюзовые станции;

- абонентский (пользовательский) сегмент, служащий для организации связи с персональных спутниковых терминалов;

- узловые (шлюзовые) станции спутниковых систем сопряжения с наземными сетями связи.

Рис.116 Структура спутниковой системы связи

 

Расположение спутников-ретрансляторов на орбитах и использование частот, обеспечивающих отсутствие взаимных помех друг другу, решается в рамках Международного консультативного комитета по радио (МККР) и Международного комитета по регистрации частот (МКРЧ). Для спутниковых систем выделены следующие полосы, которые приведены в таб.16.

 

Таб.16 Полосы частот, выделенные для спутниковых систем

 

Космический сегмент

Спутники - ретрансляторы входящие в космический сегмент, образуют космическую группировку и, как правило, размещаются равномерно на определенных орбитах. Спутники - ретранслятор состоит из следующих основных элементов:

- центральный процессор;

- радиоэлектронное оборудование бортового ретрансляционного комплекса (БРТК);

- антенные системы;

- системы ориентации и стабилизации;

- двигательная установка;

- система электропитания (аккумуляторы и солнечные батареи). Обобщенная структурная схема спутника-ретранслятора приведена на рис. 117.

 

 

Рис.117 Общая структурная схема спутника-ретранслятора

Необходимое число спутников в низкоорбитальной группировке, для надежного охвата всей территории Земли, составляет обычно несколько десятков (в проекте Teledesic число спутников приближается к тысяче). Как известно с увеличением высоты орбиты уменьшается необходимое количество спутников, т.к. увеличивается время и зона видимости, что в свою очередь снижает стоимость орбитальной группировки. Однако при этом усложняются и становятся более дорогими персональные спутниковые терминалы из-за увеличений расстояний. Таким образом, при выборе спутниковой системы персональной связи необходим компромисс между числом и стоимостью орбитальной группировки с одной стороны и сложностью, соответственно и стоимостью персонального спутникового терминала - с другой.

 

Наземный сегмент центра запуска КА и управление системой

 

Центр запуска КА определяет программу запуска и после запуска производит измерения траектории на активном участке полета, которые транслируются в центр управления системой, для последующий корректировки. Затем управление КА передается центру управления системой, которое осуществляется при помощи командно -измерительных станций по следующей программе:

- разворачиваются солнечные батареи КА;

- кратковременно включаются корректирующие двигатели для перевода КА на основную орбиту;

- снимается телеметрическая информация для контроля состояния бортового оборудования КА.

Центр управления системой ЦУС на основе телеметрической информации, поступающий от каждого КА орбитальной группировки, осуществляет слежение за КА, расчет их координат, сверку и коррекцию времени, диагностику работоспособности бортовой аппаратуры, передачу служебной информации и т.д. Состоит ЦУС, как правило, из территориально разнесенных командно-измерительных станций, что позволяет обеспечить с достаточно высокой оперативностью:

- контроль запуска и точность вывода КА на заданную орбиту;

- контроль состояния каждого КА;

- контроль и управление орбитой отдельно КА;

- контроль и управление КА в нештатных режимах работы;

- вывод КА из состава орбитальной группировки.

Передачу служебной информации на КА осуществляют через территориально-разнесенные основные и резервные станции командно-измерительной системы.

 

Центр управления связью и шлюзовые станции

 

В состав шлюзовых станций входит не менее трех приемопередающих комплексов со своими следящими параболическими антеннами. Необходимость нескольких приемопередающих комплексов связано с обеспечением непрерывности связи при переходе от одного КА к другому. Например, если первый комплекс вступает в связь с i -м КА, то второй комплекс с i +1 -м КА. Затем первый комплекс, после ухода из зоны видимости i -го КА, вступает в связь с i +2 -м КА, а второй комплекс после ухода из зоны i + 1-го КА, вступает в связь с i + 3-м КА и т.д. Третий комплекс находится в резерве.

Основное назначение шлюзовой станции состоит в организации дуплексной телефонной связи, передачи факсимильных сообщений и данных больших объемов. Для выполнения этих функций в состав шлюзовых станций входят быстродействующие ЭВМ с банком данных персональных терминалов, а так же коммутационное оборудование (интерфейс связи) для соединения с различными наземными системами связи.

Центр управления связью осуществляет через национальные шлюзовые станции анализ и контроль связи, а так же управление.

 

Персональный пользовательский сегмент

 

Спутниковые системы персональной связи предназначены для оказания следующих видов услуг:

- связь между собой абонентов, имеющих персональные спутниковые терминалы;

- дуплексную связь абонентов персональных спутниковых терминалов с абонентами

 

телефонной сети общего назначения, пейджинговых и сотовых сетей, а так же частных каналов связи, при условии их подключения к интерфейсам связи шлюзовых станций;

- определения местоположения (координат) абонентов ССПС.

При организации ССПС применяют переносные персональные спутниковые терминалы (весом до 700 г) и мобильные терминалы (весом до 2,5 кг). Данные терминалы способны устанавливать связь между абонентами за 2 с, как и, в системе сотовой связи.

Существующие спутниковые терминалы подразделяются на следующие типы:

- портативные терминалы (спутниковой ТЛФ);

- переносные персональные терминалы;

- мобильные терминалы для автотранспортных, авиа - и морских средств;

- малогабаритные пейджинговые терминалы;

- терминалы для коллективного пользования.

ССПС работает в диапазоне 137 - 900 МГц и 1970 - 2520 МГц, что практически соответствует диапазону частот сотовой связи 450 - 1800 МГц. Мощность передатчика при спутниковой связи невелика (например, для спутникового терминала системы Iridium 15 - 400 мВт) и не превышает мощности сотового радиотелефона. Следует отметить, промышленные образцы персональных спутниковых терминалов еще дорабатываются, однако спектр предоставляемых услуг достаточно широк, а форма приближается к обычному сотовому радиотелефону.

Все более широкое распространение в последнее время получают системы связи на основе технологии VSAT (система связи с малыми спутниковыми терминалами) с антеннами диаметром до 2,5 м. Скорость передачи информации в VSAT - терминалах может колебаться от 64 Кбит/с до 2048 Кбит/с, а сам терминал устанавливается в непосредственной близости от рабочего места пользователя.

Глобальные спутниковые системы связи представляют стандартный набор услуг:

- телефонную связь;

- передачу факсимильных сообщений;

- передачу данных;

- персональный радиовызов (пейджинг);

- определение местоположения абонента;

- глобальный роуминг.

Все эти услуги реализуются в режиме предоставления канала по запросу, причем время его предоставления не превышает 2 секунд.

 

Низкоорбитальные системы спутниковой связи

Как уже отмечалось, к низкоорбитальным спутникам LEO (Low Earh Orbit) относятся КА, высота орбит которых находится в пределах 700 - 1500 км и группировка содержит от одного до нескольких десятков малых спутников массой до 500 кг. Для большего охвата территории Земли применяют орбиты КА лежащие в различных плоскостях.

Достоинством низкоорбитальных систем спутниковой связи является возможность предоставления услуг персональной связи, включая радиотелефонный обмен с использованием малогабаритных дешевых спутниковых терминалов расположенных практически в любой точке Земли. Причем в регионах с низкой плотностью населения и слабо развитой телекоммуникационной сетью она является безальтернативной.

Следующим достоинством низкоорбитальных спутниковых систем связи, является то, что непрерывно излучаемая мощность радиотелефона (50 мВт), не превышает требований биологической защиты человека от излучения СВЧ. Эффективный прием сигнала такой мощности спутником, расположенным на геостационарной орбите, усложняет КА, требует использования больших антенн и точного позицианирования. У спутника расположенного на низкой орбите, длина радиолинии намного меньше и поэтому менее остро стоит вопрос усложнения КА и возможно применение более простых и дешевых антенн.

В начале внедрения спутниковых систем связи, низкие орбиты практически не использовались. Однако в настоящее время на рынке телекоммуникаций 35% услуг предоставляется низкоорбитальными спутниковыми системами. Наиболее известными их них являются системы Iridium и Globalstar, кроме того, различными фирмами заявлено около 40 различных проектов по созданию низкоорбитальных систем, которые оцениваются как вполне реализуемые.

Спутниковая система связи Iridium. Проект Iridium основан на широком международном сотрудничестве в составе компании Motorola Jnc и ведущих фирм Японии (DDI), США (Sprint, Lockheed и Raytheon), Россия (Государственный космический научно - производственный центр им. М.В. Хруничева) и др. В начале предполагалось, что космический сегмент будет состоять из 77 КА, однако по ряду причин, число КА в космической группировке уменьшили до 66 (в таблице Менделеева 77 -м элементов является Iridium).

Оптимальная разность углов между плоскостями орбит орбитальной группировке, для обеспечения минимального расстояния между соседними КА, выбрана равной 27^о ( рис.118).

Орбиты являются квазиполярными с наклонением i = 86,4^о, число плоскостей - 6, в каждой плоскости по 11 КА, высота орбит равна 780 км, угловое расстояние между КА, находящимися в одной плоскости - 32,7^о и период обращения КА вокруг Земли - 100 минут.

Спутниковая система связи Iridium создана для организации глобальной подвижной персональной связи по принципу "каждый с каждым" на основе межспутниковой связи и предоставляет следующие виды услуг:

 

 

Рис.118 Структура спутниковой системы связи Iridium

- дуплексная радиотелефонная связь;

- факсимильная связь;

- передача данных;

- связь между абонентами, имеющие персональные терминалы;

- связь абонентов общей телефонной сети с пользователями персональных спутниковых терминалов;

- передача сигналов оповещения на пейджер;

- определение местоположения (координат) абонентов.

 

Перечисленные услуги оказываются с использованием переносных малогабаритных (вес до 700 г) и мобильных (вес до 2,5 кг) персональных терминалов, которые регистрируются в национальной шлюзовой станции путем присвоения кодового номера и первоначального территориального размещения.

Каждый КА низкоорбитальной группировки формирует 48 лучей излучения, с сотой на Земле для любого луча диаметром 640 км. Общий диаметр подспутниковой зоны составляет примерно 4500 км. А вся группировка формирует квазисплошную подспутниковую зону, покрывающая всю поверхность Земли. Подспутниковая зона формируется с помощью расположенных на КА по шесть антенных фазированных решеток (АФАР), которые в свою очередь формируют восемь лучей. Благодаря применению таких направленных многолучевых антенн, рабочие частоты в системе используются многократно. Частоты в диапазоне 1616,0 ? 1626,5 МГц повторяются в системе более 150 раз. Диапазоны частот радиолиний системы Iridium приведены в таблице 17.

 

Таб.17 Диапазоны частот радиолиний системы Iridium

В системе Iridium формат многостанционного доступа сочетает временное разделение каналов для каждой соты и частотное разделение для смежных сот (FDMA). Цифровой речевой сигнал передается при помощи ФМ-4, т.е. речевая информация в цифровом виде сжимается в 2 раза. Информация о сжатии и сигналы циклической и тактовой синхронизации передаются по каналу управления, использующая 4 радиоканала на радиолинии "КА - абонент". Вероятность ошибочного приема, при передачи радиотелефонной информации 10-3, а цифровых данных 10-6. Орбитальная группировка КА системы формирует на поверхности Земли около 2150 сот, пропускная способность составляет 3835 дуплексных ТЛФ каналов.
Межспутниковые связи в орбитальной группировке КА осуществляются путем организации радиолиний каждого КА с двумя КА, находящимися в одной орбитальной плоскости с ними, и двумя КА в соседних (слева и справа) орбитальных плоскостях. Для этого на каждом КА имеются четыре щелевые антенные решетки с коэффициентом усиления 35 дБ и управляемой диаграммой направленности с точность до ± 5°. Используемая полоса частот имеет ширину 200 МГц в диапазоне 26,18 - 23,38 ГГц и разбита на 8 отдельных частотных полос образующие отдельные каналы связи со скоростью 25 Мбит/с.

Шлюзовые станции состоят из 3 приемопередающих комплексов, содержащих быстродействующие ЭВМ, где хранится банк данных о персональных терминалах и коммутационном оборудовании для связи с ТЛФ сетью общего пользования. В работе постоянно находится два приемопередающих комплекса, которые поочередно поддерживают связь с КА, находящимися в прямой видимости, а третий - резервный.

 

Система спутниковой связи Globalstar. Орбитальная группировка системы Globalstar состоит из 48 низкоорбитальных спутников - ретрансляторов, которые размещены на 8 круговых орбитах по шесть на каждый, на высоте 1400 км. Наклонение орбиты i = 52°, позволяет максимально часто обслуживать абонентов в средних широтах, а полярные области (выше 70° с.ш. и ю.ш) космическим сегментом не обслуживаются (рис.119).

Рис.119. Орбитальная группировка системы Globalstar

Межспутниковые связи в системе отсутствуют, однако предусматривается постоянное двукратное покрытие земной поверхности, что позволяет:

- обеспечить непрерывность связи при переходе из зоны действия различных лучей одного спутника и зоны действия других спутников;

- значительно повысить надежность связи с подвижными абонентами благодаря устранению эффекта затемнения приемной антенны терминала складками рельефа местности.

Характеристики системы Globalstar приведены на рис.120. Система рассчитана на обеспечение ТЛФ, факсимильной и пейджинговой связи, определения местоположения (координат) абонентов, а так же передачу сигналов служебной (командной) информации. Передача сигналов осуществляется кодовым разделением сигналов (CDMA) с применением широкополосных шумоподобных сигналов (ШПС). Для формирования ШПС используются последовательности Уолша, которые формируются одним источником, но со сдвигом относительно пилот - сигнала. Пилот-сигнал передается нулевой последовательностью функции Уолша (все знаки нули). Применение ШПС позволяет суммировать отраженные от посторонних объектов сигналы с основным с помощью многоканальных приемников, что повышает помехозащищенность системы. Кроме того, это позволяет осуществлять "мягкий" переход абонента из зоны действия одного луча в зону действия другого без потери связи (рис. 121).

Рис.120 Характеристики системы Globalstar

 

Как видно из рисунка, в отличие от систем с временным или частотным разделением каналов, при переходах связь абонента поддерживается двумя лучами до тех пор, пока уровень сигнала одного из них не станет ниже определенного значения. Такой алгоритм позволяет избежать щелчков при переходах, что присуще другим системам и повысить вероятность безобрывной связи. Скорость передачи цифрового потока в канале переменная (1200 - 9600 бит/с), что совместно с приемником CDMA предопределяет высокую пропускную способность, а так же возможность передачи сигналов служебной (командной) информации в паузах речи. Спутники - ретрансляторы системы позволяют определять координаты абонента с точностью 10 км, если определять координаты с участием шлюзовых станций, то точность достигнет 300 м.

Рис. 121 Алгоритм работы системы Globalstar

 

Абонентские терминалы, как правило, универсальные, с предоставлением услуг связи и определением местонахождения объекта и подразделяются на два типа: -мобильные; -стационарные.

Мобильные терминалы портативные и совмещены с подвижными станциями сотовой связи, которые в свою очередь могут быть следующих вариантов: - двухмодульный вариант - Globalstar (GS) и AMPS;

- двухмодульный вариант - GS и GSM;

- двухмодульный вариант - GS и PCS;

- трехмодульный вариант - GS, AMPS и CDMA;

- стандартный абонентский терминал - только для GS.

Мощность портативных абонентских терминалов 0,6, а стационарных - 3 Вт. Межспутниковые связи в системе Glodalstar отсутствуют, поэтому большое количество шлюзовых станций (до нескольких сот). В состав шлюзовой станции входят четыре идентичных приемопередающих комплекса со своей следящей параболической антенной диаметром 3,4 м.

Основными функциями шлюзовых станций являются организация и поддержание ТЛФ и пейджинговых каналов, каналов передачи данных, а так же обеспечение определения координат подвижных объектов. Кроме того, измеряют уровень сигнала, принимаемого от каждого абонента и сравнивают его с пороговым, а затем передают на абонентский терминал команду на увеличение или уменьшение его мощности.

Орбитальное построение системы Globalstar адаптировано для территории США и Западной Европы. Кроме рассмотренных низкоорбитальных спутниковых систем подвижной радиосвязи существует множество других проектов типа "Гонец", "Глобсат" и т.д., которые находятся в стадии проработки.

 

Среднеорбитальные системы спутниковой связи

В среднеорбитальных системах спутниковой связи МЕО, КА находятся на орбитах высотой 5000 - 15000 км. У таких спутников время видимости доходит до нескольких часов и поэтому количество КА можно уменьшить до 10 - 12, и кроме того, увеличить углы, под которыми их "наблюдают" абонентские терминалы. Масса спутников составляет около 1000 кг. Из таких МЕО систем наиболее известными являются Inmarsat, Odyssey, ELLIPSO. Особенностью архитектуры МЕО - системы является то, что помимо орбитальной группировки спутников и абонентских терминалов, имеются комплексы радиочастотного, линейного, коммутационного оборудования шлюзовых станций, предназначенных для соединения мобильных или неподвижных абонентов ССПС с абонентами ТЛФ сети общего пользования и других наземных сетей и служб, в том числе сотовые системы радиосвязи.

Системы спутниковой связи INMARSAT. Международная организация морской спутниковой связи Inmarsat, первую систему Inmarsat -A ввела в эксплуатацию в 1982 г. и предназначалась для обеспечения надежной связью морских судов, находящихся в плавании. Затем этой системой стали пользоваться так же сухопутные и воздушные службы. Услуги предоставляются на коммерческой основе и включают глобальную радиотелефонную, телексную, факсимальную связь, обмен данными и персональный радиовызов. В 1993 году, систему Inmarsat было решено строить на основе использования МЕО и GEO орбитальных группировок. В мае 1994 г. после всестороннего анализа было принято решение положить в основу системы связи концепцию МЕО и провести дальнейшее исследования с целью разработки перспективной системы Inmarsat-P.

Проектируемая система Inmarsat-P предполагает использовать 10 КА, размещенных на двух средневысотных орбитах (10300 км) с наклонением i = 45° и обладать возможностью:

- глобальной рабочей зоной;

- высокими углами возвышения спутников и большим числом спутников, одновременно находящихся в поле зрения наблюдателя;

- продолжительным сроком службы спутников;

- приемлемой сложностью управления орбитальной группировкой;

- разумной стоимостью проекта (2.4 мрд.$).

В настоящее время система Inmarsat состоит из 5 постоянно действующих спутников

- ретрансляторов, размещенных на геостационарной орбите, что позволяет полностью обслуживать акватории Атлантического, Тихого и Индийского океанов.

 

Системы связи с использованием геостационарных спутников

 

Персональная спутниковая система связи может быть реализована и с помощью спутников - ретрансляторов, расположенных на геостационарной орбите GEO. Высота орбиты GEO составляет 35875 км, а скорость перемещения КА совпадает со скоростью вращения Земли, поэтому спутник - ретранслятор "зависает" над заранее выбранными точками Земли, что позволяет:

- обеспечить непрерывность во время сеанса связи;

- охватить 95% поверхности Земли системой, состоящей из 3 КА на GEO;

- возможность функционирования системы без организации межспутниковой связи.

Недостатком орбиты GEO является длительная задержка (300 мс) между передачей и приемом сигнала. Такая задержка сигнала при передачи данных совершенно незаметна, однако при ТЛФ связи она чувствуется очень сильно и при высоких требованиях к каналу связи может быть неприемлема. Системы персональной связи на основе GEO орбит потенциально могут предоставить услуги, сравнимые с услугами низкоорбитальных систем, если формируемые на поверхности Земли соты будут примерно одинаковы. При этом размеры бортовой антенны КА, необходимые для формирования узкой диаграммы направленности, должны быть большими, но в пределах возможностей современных технологий, что является определяющим фактором при оценке экономической эффективности разрабатываемых проектов.

Одной из успешно функционируемых подобных систем является спутниковая система связи "Ямал", предназначенная для развития телекоммуникационных сетей в северных районах России, богатых залежами нефти и газа, а так же осуществления оперативной связи с другими странами мира. В 1997 году на GEO орбиту были запущены два малых связных КА "Ямал" на позиции 19° з.д. и 75° в.д. Для обеспечения полного покрытия территории России и стран СНГ спутниковая группировка дополняется одним КА "Экспресс", который находится на той же орбите. КА представляет собой ретранслятор, оснащенный двумя многолучевыми антеннами для приемной и передающей систем. Передача вверх осуществляется в диапазоне 4 ГГц, а вниз - на 6 ГГц. Межзональное обслуживание предусмотрено на основе многолучевых связей, что позволяет наземным станциям связываться между собой.

Наземный сегмент системы "Ямал" уже насчитывает более 30 шлюзовых станций, которые обеспечивают более 250 каналов передачи ТЛФ сообщений и данных. На шлюзовых станциях используют параболические антенны диаметром 4 -5 м, для ведомственных сетей ТЛФ связи и передачи данных антенны диаметром 3,5 м. Система позволяет транслировать телевизионные сигналы в стволе с полосой пропускания 34 МГц. В случае цифровой передачи ТВ - сигналов с сжатием информации по стандарту MPEG -2, в одном стволе можно передавать одновременно 4 программы телевидения.

Кроме рассмотренной системы "Ямал", в настоящее время действует спутниковая система "Банкир" и разрабатывается концепция построения системы спутниковой персональной связи на основе GEO "Comsat".

Японская фирма Spase Communication Reasearch Corporation предложила в персональных спутниковых системах использовать КА 26500...40000 диапазон. При этом предполагается использовать на борту КА многофункциональный процессор, а для коммутации каналов - многолучевую антенну. Технические решения по реализации аппаратуры найдены и уже созданы опытные экземпляры недорогих абонентских терминалов, работающих в КА-диапазоне. Применение КА диапазонов значительно уменьшает размеры антенн и аппаратуры как наземной, так и бортовой станции "Вверх" предлагается использовать метод разделения каналов FDMA, а "Вниз" - TDMA, что позволит обеспечить эффективное использование бортового ретранслятора в обоих радиолиниях.

"Вверх" выделен диапазон - 50.4 - 51.4 ГГц; "Вниз" выделен диапазон - 39,5 - 40,5 ГГц. Скорость передачи "Вниз" должна составить 64 Кбит/с, а "Вверх" - более 144 Кбит/с. Метод модуляции выбран с минимальным частотным сдвигом (MSK или GMSK), а разнос каналов передачи информации 150 кГц.

 

Контрольные вопросы

 

1.Как обеспечивается персональная и широкополосная спутниковая связь? 2.Многостанционый доступ в ИСЗ.

3.Особенности бортового оборудование спутниковых систем связи.

4.Особенности оборудования ЗС спутниковых систем связи.

5.Поясните систему Aloha.

6. Поясните, что понимается под прозрачными ретрансляторами.

7.Поясните, что понимается под комбинированными и регенеративными

ретрансляторами.

8.Особенности ЗС при фиксированной связи.

9.Особенности ЗС при подвижная связи.

10.Как производится энергетический расчет в спутниковых системах связи.

11 .Принципы организации связи и орбиты ИСЗ.

12.Особенности систем связи через ИСЗ и выбор диапазона

рабочих частот.

13.Качественные показатели и энергетический расчет

спутниковых систем связи.

14.Многостанционый доступ в ИСЗ.

15.Особенности оборудование спутниковых систем связи.

16.Поясните принципы построения спутниковых систем персональной радиосвязи.

17.Приведите структуру построения спутниковых систем персональной связи.

18.Приведите обобщенную структурную схему спутника-ретранслятора.

19.Поясните работу наземного, пользовательского сегмента и какие задачи выполняют центра запуска КА, управление системой и связью, шлюзовые станции.

20.Поясните работу низкоорбитальных среднеорбитальных и геостационарных системы спутниковой связи.

 

 

Литература

1.Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. М.:

Эко- Трендз Ко, 1997.-238 с.

2.Андрианов В.И., Соколов А.В. Средства мобильной связи. ВНУ-Санкт- Петербург, 1998.- 256 с.

З.Невдяев Л. CDMA: IS-95. Сети, 2000, № 3

4.Невдяев Л. Стандарты 3G. Сети, 2000, № 6

5.Ибраимов Р.Р. Мобильные системы связи. Учеб. пос., ТУИТ, 2004.

6.Спутниковая связь и вещание. /Под общ.ред. Л.Я.Кантора. М.: Радио и связь, 1997

7.Аболиц А. Персональная спутниковая связь. РС Week/RE, 1997.

8.Невдяев Л. Спутниковые системы. http://www.osp.ru/

9.Замарин А.И. и др.Спутниковые сети VSAT. Информация и космос №3,2004. Ю.Овчинников А.М. Сравнение стандартов цифровой транкинговой радиосвязи. st.ess.ru/publications/articles/ovchinkv2/ovchkv2.htm