Алгоритма и скорости передачи

Для обеспечения совместимости вокодерных устройств организациями стандартизации в области телекоммуникаций установлен ряд стандартов (табл. 13.1).

Качество передачи сигнала методами параметрического компандирования зависит как от вида применяемого алгоритма, так и используемой скорости передачи. Оценка качества передачи речевого сигнала оценивается различными субъективными методами, основанными на усреднении оценок, данных различными группами слушателей. Зависимость средней субъективной оценки (mean opinion score — MOS) от вида алгоритма и скорости передачи показаны на рис. 13.12.

Современная телевизионная (ТВ) система — это совокупность оптических, электронных и радиотехнических устройств, которые принимают и передают на расстояние информацию о пространственно-излучательных характеристиках подвижных цветных объектов.

Общие принципы телевещания

Изображение объекта преобразуется в электрический сигнал, который передается по каналу связи и в месте приема преобразуется в оптическое изображение (рис. 14.1).

Рис. 14.1. Структурная схема системы телевизионного вещания

Упрощенная схема одного из типов передающих трубок (видикона) приведена на рис. 14.2. В стеклянном вакуумном баллоне трубки расположены два электрода — электронный прожектор и мишень. Прожектор создает электронный луч, направленный в сторону мишени. Поперечное сечение луча формируется фокусирующей системой (ФС). Направление луча, определяющее место его встречи с мишенью, задается отклоняющей системой (ОтС). Источник питания G, прожектор, электронный луч, мишень и нагрузка R_н образуют электрическую цепь. Мишень имеет два слоя. Первый является прозрачным для света и обладает постоянной электропроводимостью. Второй, обращенный к прожектору, изготавливается из вещества, обладающего внутренним фотоэффектом. Движущееся изображение проецируется на мишень при помощи объектива. При этом отдельные участки мишени будут освещены по-разному, а потому вследствие внутреннего фотоэффекта будут иметь разную электропроводность. Ток в цепи будет пропорционален электропроводности участка мишени, которого в данный момент касается электронный луч. Отклоняющая система трубки обеспечивает безинерционное перемещение электронного луча по горизонтали и вертикали. Тем самым обеспечивается последовательное преобразование лучистой энергии, отраженной от участков подвижного изображения, в сигнал, который принято называть видеосигналом.

Аналогично видикону работает и трехкомпонентная цветная передающая трубка (ЦПТ). Световой поток от передаваемой сцены делится светоразделительной оптикой (СРО) на 3 основные компоненты. Трехкомпонентная ЦПТ преобразует уровни световых интенсивностей каждой компоненты в соответствующие уровни электрических сигналов.

Для передачи по каналу кодирующее устройство формирует сигнал яркости U_y и два цветоразностных сигнала U_r-y и U_в-y. В целях поддержания синхронизма развертки изображения в канал связи передаются сигналы синхронизации U_си.

Декодирующее устройство восстанавливает исходные сигналы и формирует сигнал развертки, которые синтезируют передаваемую сцену на экране телевизионной трубки.

Рис. 14.2. Передающая телевизионная трубка (видикон)

Упрощенная схема, поясняющая устройство приемной телевизионной трубки (кинескопа), приведена на рис. 13.3. Слой люминофора нанесен на внутреннюю поверхность широкой части стеклянного баллона. Электронный луч создается прожектором, формируется и ускоряется специальными электродами (на рисунке не показаны). Интенсивностью электронного луча управляет видеосигнал. Луч направляется на люминофор и высвечивает поэлементно строку за строкой. Движение луча по горизонтали и вертикали задается отклоняющей системой (ОтС).

Поскольку интенсивность луча изменяется в соответствии с изменением сигнала, яркость свечения каждой строки будет изменяться. Ввиду большой скорости перемещения луча по строкам и определенной инерционности зрения человек наблюдает на экране цельное оптическое изображение.

Принцип работы цветного кинескопа аналогичен рассмотренному. Для передачи каждого из трех цветов применяются три отдельные электронные пушки.

Рис. 14.3. Приёмная телевизионная трубка (кинескоп)

В ТВ под кадром понимают совокупность элементов, на которые разбивается изображение. Геометрическое место последовательно передаваемых эле­ментов в кадре называют телевизионным растром.

В ТВ системах растр строится по принципу линейно-строчной развертки.

На время обратного хода луча в полном ТВ сигнале вводятся гасящие импульсы, в пределах которого передается синхронизирующая информация.

Параметры полного ТВ сигнала определяются свойствами зрения:

- угол разрешения зрения 1,5...2ʹ;

- число градаций яркости 70...90;

- критическая частота мерцаний 48...50 Гц;

- трехкомпонентная теория зрения. В соответствии с данной теорией любой цвет может быть представлен в виде композиции красного (R — red), зеленого (G — green) и синего (B — blue). Чувствительность человеческого глаза данным цветам различна. Сигнал яркости (используемый в совместимых цветных ТВ системах) может быть получен как

U_Y = 0,3U_R + 0,59U_G + 0,11U_B ;

- более низкая разрешающая способность для цветных элементов — в 4 раза меньше, чем к изменению яркости (мелкие цветные элементы воспринимаются как черно-белые).

Наибольший объем информации содержит сигнал яркости и, в основном, определяет полосу ТВ сигнала. Для передачи цветоразностных сигналов требуется полоса примерно в 4 раза уже, чем яркостного сигнала.

Для сокращения полосы ТВ сигнала применяют чересстрочную развертку, при которой полный кадр изображения передается и воспроизводится за два поля. В первом поле развертываются нечетные строки растра, во втором — четные. Два поля образуют один кадр с полной четкостью.

В РФ и Европе частота полей принята 50 Гц, в США — 60 Гц.

Жидкокристаллические дисплеи (мониторы и телевизоры)

Жидкокристаллический дисплей (ЖК-дисплей, ЖКД, Liquid crystal display, LCD) или жидкокристаллический монитор (ЖК-монитор) — плоский дисплей на основе жидких кристаллов, а также монитор на основе такого дисплея.

Жидкие кристаллы впервые были обнаружены австрийским ботаником Райнитцером (Reinitzer) в 1888 г., но только в 1930 году исследователи из британской корпорации Marconi получили патент на их промышленное применение. Впрочем, дальше этого дело не пошло, поскольку технологическая база в то время была еще слишком слаба.

Первый настоящий прорыв совершили ученые Фергесон (Fergason) и Вильямс (Williams) из корпорации RCA (Radio Corporation of America). Один из них создал на базе жидких кристаллов термодатчик, используя их избирательный отражательный эффект, другой изучал воздействие электрического поля на нематические кристаллы. И вот в конце 1966 г. корпорация RCA продемонстрировала прототип LCD-монитора — цифровые часы.

Значительную роль в развитии LCD-технологии сыграла корпорация Sharp. Она и до сих пор находится в числе технологических лидеров. Первый в мире калькулятор CS10A был произведен в 1964 г. именно этой корпорацией. В октябре 1975 г. уже по технологии TN LCD были изготовлены первые компактные цифровые часы.

Во второй половине 70-х начался переход от восьмисегментных жидкокристаллических индикаторов к производству матриц с адресацией каждой точки. Так, в 1976 г. Sharp выпустила черно-белый телевизор с диагональю экрана 5,5 дюйма, выполненного на базе LCD-матрицы разрешением 160´120 пикселов.

Третий этап в развитии LCD-технологии начался в 80-х годах, когда в устройствах стали применяться STN-элементы с повышенной контрастностью. Затем на смену им пришли многослойные структуры, позволяющие устранить ошибки при воспроизведении цветного изображения. Примерно тогда же появились активные матрицы на базе технологии a-Si TFT. Первый прототип монитора a-Si TFT LCD был создан в 1982 г. корпорациями Sanyo, Toshiba и Cannon. Впоследствии метод объединения 29-дюймовых активных панелей позволил корпорации Sharp создать экран с диагональю 40 дюймов.

Рис. 14.4. «Вертикально закрученная» структура жидких кристаллов (типа «веер»)

Жидкие кристаллы — это органические вещества, проявляющие одновременно свойства кристалла и жидкости, и которые способны под напряжением изменять величину пропускаемого света. ЖКД представляет собой две стеклянные или пластиковые пластины, между которыми находится суспензия. Кристаллы в этой суспензии расположены параллельно по отношению друг к другу, тем самым они позволяют свету проникать через панель. При подаче электрического тока расположение кристаллов изменяется, и они начинают препятствовать прохождению света (рис. 14.4 и рис. 14.5).

Рис. 14.5. Стеклянные подложки тонкоплёночного транзистора и цветного фильтра

На рис. 14.6 показан нормальный «белый» режим работы ЖКД. Свет может проходить через слои жидких кристаллов, пока к ним не приложено никакой разности потенциалов, и молекулы жидких кристаллов будут изменять ориентацию световой плоскости в соответствии с их собственными углами. Однако при подаче напряжения жидкокристаллические молекулы будут «закручивать» и «выпрямлять» свет, направляющийся к верхнему поляризационному фильтру. Поэтому свет не сможет пройти сквозь активную область ЖКД, и эта область будет темнее окружающих зон.

Во всём ЖКД можно управлять каждой из ячеек (пиксель) индивидуально, но при увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растёт число требуемых электродов. Поэтому практически везде применяется адресация по строкам и столбцам.

Проходящий через ячейки свет может быть естественным — отражённым от подложки (в ЖКД без подсветки). Но чаще применяют искусственный источник света, кроме независимости от внешнего освещения это также стабилизирует свойства полученного изображения.

Рис. 14.6. Реакция ЖК-суспензии при подаче напряжения между электродами

Существует несколько основных технологий при изготовлении ЖКД, которые различаются геометрией поверхностей, полимера, управляющей пластины и фронтального электрода. Большое значение имеют чистота и тип полимера со свойствами жидких кристаллов, примененный в конкретных разработках.

Важнейшими характеристиками ЖКД являются:

- Разрешение — горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в пикселях. В отличие от ЭЛТ-мониторов, ЖК-мониторы имеют одно фиксированное разрешение, остальные достигаются интерполяцией;

- Размер точки (размер пикселя) — расстояние между центрами соседних пикселей. Оно непосредственно связано с физическим разрешением;

- Соотношение сторон экрана (пропорциональный формат) — отношение ширины к высоте (5:4, 4:3, 3:2 (15÷10), 8:5 (16÷10), 5:3 (15÷9), 16:9 и др.);

- Видимая диагональ — размер самой панели, измеренный по диагонали. Площадь дисплеев зависит также от формата: монитор с форматом 4:3 имеет большую площадь, чем с форматом 16:9 при одинаковой диагонали;

- Контрастность — отношение яркостей самой светлой и самой тёмной точек при заданной яркости подсветки. В некоторых мониторах используется адаптивный уровень подсветки с использованием дополнительных ламп, приведённая для них цифра контрастности (так называемая динамическая) не относится к статическому изображению;

- Яркость — количество света, излучаемое дисплеем, обычно измеряется в канделах на квадратный метр;

- Время отклика — минимальное время, необходимое пикселю для изменения своей яркости;

- Угол обзора — угол, при котором падение контраста достигает заданного, для разных типов матриц и разными производителями вычисляется по-разному, и часто не подлежит сравнению. Некоторые производители указывают в технических параметрах своих мониторов углы обзора такие как: CR 5:1 — 176°/176°, CR 10:1 — 170°/160°. Аббревиатура CR (contrast ratio) обозначает уровень контрастности при указанных углах обзора относительно перпендикуляра к экрану. При углах обзора 170°/160° контрастность в центре экрана снижается до значения не ниже чем 10:1, при углах обзора 176°/176° не ниже чем до значения 5:1;

- Тип матрицы — технология, по которой изготовлен ЖК-дисплей.

В настоящее время ЖК-мониторы являются основным, бурно разви­вающимся направлением в технологии мониторов. К их преимуществам можно отнести: малые размер и масса в сравнении с ЭЛТ. У ЖК-мониторов, в отличие от ЭЛТ, нет видимого мерцания, дефектов фокусировки лучей, помех от магнитных полей, проблем с геометрией изображения и четкостью. Энергопотребление ЖК-мониторов в зависимости от модели, настроек и выводимого изображения может, как совпадать с потреблением ЭЛТ сравнимых размеров, так и быть существенно — до пяти раз — ниже. Энергопотребление ЖК-мониторов на 95 % определяется мощностью ламп подсветки или светодиодной матрицы подсветки (backlight — задний свет) ЖК-матрицы.

Вместе с тем, ЖК-мониторы имеют и некоторые недостатки, часто принципиально трудноустранимые, например:

§ в отличие от ЭЛТ, ЖК-мониторы могут отображать чёткое изображение лишь в одном («штатном») разрешении. Остальные достигаются интер­поляцией с потерей чёткости. Причем слишком низкие разрешения (например, 320×200) вообще не могут быть отображены на многих мониторах;

§ многие из ЖК-мониторов имеют сравнительно малый контраст и глубину чёрного цвета;

§ из-за жёстких требований к постоянной толщине матриц существует про­блема неравномерности однородного цвета (неравномерность подсветки);

§ фактическая скорость смены изображения также остаётся ниже, чем у ЭЛТ;

§ зависимость контраста от угла обзора до сих пор остаётся существенным минусом технологии;

§ ЖК-мониторы плохо защищены от повреждений. Особенно чувствительна матрица, незащищённая стеклом. При сильном нажатии возможна необратимая деградация;

§ также существует проблема дефектных пикселей. Предельно допустимое количество дефектных пикселей, в зависимости от размеров экрана, определяется в международном стандарте ISO 13406-2 (в России — ГОСТ Р 52324-2005). Стандарт определяет 4 класса качества ЖК-мониторов. Самый высокий класс — 1, вообще не допускает наличия дефектных пикселей. Самый низкий — 4, допускает наличие до 262 дефектных пикселей на 1 миллион работающих;

§ пиксели ЖК-мониторов обладают свойством деградации.

Характеристики существующих телевизионных систем

Система NTSC(National Television System Committee). Одновременная совместимая система цветного ТВ, в которой передается яркостной сигнал и расположенная в пределах его спектра поднесущая, квадратурно-модули­ро­ванная двумя цветоразностными сигналами. В приемнике осуществляется синхронное детектирование цветоразностных сигналов, для чего в пределах гасящего строчного импульса передается частота поднесущего колебания с опорной фазой.

Европейский вариант NTSC: число строк 525, частота полей 60 Гц, поднесущая цветности 4,42 МГц, ширина полосы 2´1,3 МГц, несущая звука 6,5 МГц. Американский вариант NTSC: число строк 525, частота полей 60 Гц, поднесущая цветности 3,58 МГц, ширина полосы 1,3 и 0,5 МГц, несущая звука 4,5 МГц.

Система PAL(Phase Alternated Line). Квазисмешанная совместимая система цветного ТВ с квадратурной модуляцией поднесущей. Фаза одной из квадратурных компонент поднесущей переключается на 180° от строки к строке и сигналы цветности соседних строк в приемнике суммируются.

Основные характеристики системы PAL: число строк 525, частота полей 60 Гц, поднесущая цветности 4,433 618 МГц, ширина полосы 2´1,3 МГц, несущая звука 4,5 МГц.

Система SECAM. Квазисмешанная совместимая система цветного ТВ. Поднесущие, расположенные в спектре яркостного сигнала, модулируются по частоте двумя чередующимися от строки к строке цветоразностными сигналами. В приемнике цветоразностные сигналы для каждой строки восстанавливаются сложением с использованием линии задержки.

В системе SECAM сигналы цветности чередуются с частотой строк, т.е. цветовая четкость хуже в 2 раза. Однако это не ухудшает цветовосприятия. Основные характеристики системы SECAM: число строк 625, частота полей 50 Гц, поднесущая цветности B-Y 4.25 МГц ± 230 кГц, R-Y 4.406 МГц ± 280 кГц, несущая звука 6.5 МГц.

Цифровое телевидение

Основные характеристики цифрового ТВ сигнала нормированы МСЭ-Р для 525- и 625-строчных систем. Преобразование аналогового сигнала цветного ТВ осуществляется с частотой дискретизации яркостного сигнала 13,5 МГц и цветоразностных — 6,75 МГц. Это соотношение частот дискретизации обозначается 4:2:2. Для более сложных процессов обработки предусмотрен стандарт 4:4:4. Скорость передачи цифрового ТВ сигнала даже при использовании стандарта 4:2:2 получается высокой и составляет 216 Мбит/с.

Методами сжатия видеоданных удается снизить скорость передачи до 4% от исходной. Различными организациями проводятся работы по стандартизации методов сжатия. В настоящее время разработаны следующие стандарты:

1. Indeo (Intel Video) — разработан фирмой Intel;

2. JPEG — разработан группой экспертов в области фотографии (Joint Photographic Experts Group) для неподвижных изображений;

3. MPEG — разработан группой экспертов в области движущихся объектов (Motion Picture Experts Group) для подвижных изображений. Например, видеокадр в стандарте NTSC формата 512´400 точек 24 разряда на точку с первоначального размера 22 Мбайт может быть сжат до 0,45...17 Мбайт. В настоящее время широко применяется вторая версия стандарта.

К перспективным системам телевидения можно отнести телевидение высокой четкости и многопрограммное цифровое телевидение.

ТВ высокой четкости (ТВЧ) предполагает изменение формата изображения от 4:3 к 16:9 и увеличение числа строк свыше 1000. В Японии разработана и введена в эксплуатацию в 1989 году система 1125 строк, 60 полей. В рамках ЕС разработана система 1250 строк, 50 полей.

Передача полноформатного сигнала ТВЧ цифровыми методами (1024´768, 32 бита, 30 кадров/с) требует скорости 755 Мбит/с.

Многопрограммное цифровое ТВ (МПТВ-6-7-8) предполагает передачу по стандартным каналам сжатых цифровых сигналов нескольких ТВ программ вместо одной программы стандартного ТВ или ТВЧ. В настоящее время удается передать от 4 до 10 ТВ программ в одном стандартном ТВ канале.

Мировой рынок подвижной радиосвязи продолжает стремительно развиться. Глобальной стратегией развития подвижной радиосвязи является разработка и внедрение единых международных стандартов и создание на их основе международных и глобальных сетей общего пользования.

В настоящее время доминирующее положение на рынке подвижной радиосвязи занимают:

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

· системы сотовой подвижной радиосвязи (Cellular Radio Systems);

· системы беспроводных телефонов (Cordless Telephony).

Профессиональные системы подвижной радиосвязи

Профессиональные (частные) системы подвижной радиосвязи (PMR — Professional Mobile Radio, PAMR — Public Access Mobile Radio) исторически появились первыми. Системы, обеспечивающие взаимодействие с телефонными сетями общего пользования, получили название частных (PAMR), а не обеспечивающие такого взаимодействия — профессиональных (PMR), т.е. обеспечивающих связью замкнутую группу абонентов.

В первых профессиональных системах передатчик и приемник проектировались для работы на определенной фиксированной частоте. Каждый радиоканал был закреплен за сравнительно небольшой группой абонентов, которые использовали его как общедоступную линию связи (рис. 15.1,а). Если число абонентов превышало возможности одного канала, образовывали другую группу, за которой закрепляли другой радиоканал.

В системе с общедоступным пучком каналов (транкинговые системы) (рис. 15.1,б) всем абонентам сети доступна целая группа каналов. При поступлении вызова за парой абонентов закрепляется один из свободных в этот момент каналов. После отбоя канал освобождается и может быть предоставлен любой другой паре абонентов.

Технически это выполняется:

1. последовательным поиском радиостанцией свободного канала (например, по специальному маркерному сигналу незанятости). Однако такие сис­темы характеризуются значительным временем установления соеди­нения и могут применяться при небольшом количестве каналов (до 5...8);

2. специально выделенным общим каналом сигнализации, на который настроены все радиостанции сети в режиме дежурного приема. Такие системы являются наиболее распространенными.

Пропускная способность системы с общедоступным пучком каналов существенно выше, чем системы с закрепленными каналами.

Рис. 15.1. Профессиональные (частные) системы подвижной радиосвязи

Например, единственный канал при вероятности блокировки (т.е. непредоставления канала из-за его занятости) 10% и средней продолжительности разговора 2,5 мин на одного абонента в часы наибольшей нагрузки позволит обслужить не более двух-трех абонентов. Двадцать таких каналов, используемых порознь, позволят обслужить около 50 абонентов. При тех же условиях система с общедоступным пучком каналов, использующая те же 20 каналов, сможет обслужить уже 420 абонентов, т.е. ее пропускная способность возрастает более чем в 8 раз.

Сети профессиональной радиосвязи проектируются по аналогии с вещательными сетями: достаточно мощный передатчик работает через высоко подвешенную антенну, охватывая территорию в пределах прямой видимости радиусом до 40...50 км. При этом на площади обслуживания в 5...8 тысяч км² абонентам может быть доступно несколько десятков радиоканалов.

На изложенном транкинговом принципе действия в 60-x годах была создана отечественная система подвижной связи «Алтай», которая в модернизированном виде функционирует и по настоящее время в диапазоне 330 МГц. Хотя общие тенденции развития отечественных профессиональных систем подвижной радиосвязи отвечали современному мировому уровню, однако, они разрабатывались в соответствии со стандартами России и не были ориентированы на западные стандарты, где уже наметилась тенденция международной стандартизации и унификации оборудования.

Наиболее распространенным видом транкинговых систем являются системы с выделенным каналом управления, использующие международные стандарты MTP 1327, MTP 1317, MTP 1343 и MTP 1347, разработанные первоначально в Великобритании на диапазоны частот 174...225 МГц и распространенные позже на другие диапазоны.

Известны также транкинговые системы с совмещенным каналом управления, когда для передачи сигналов управления используется участок информационной полосы звуковых частот, расположенный ниже спектра частот речевого сигнала — в полосе до 150 Гц. Системы этого вида были разработаны фирмой E.F. Johnson (США) и получили обозначение LTR.

Общей тенденцией развития профессиональных систем подвижной радиосвязи является переход от аналоговых корпоративных или национальных стандартов к цифровым международным стандартам с обеспечением конфиденциальности связи и роуминга абонентов. Эти тенденции, прежде всего, связаны с внедрением общеевропейского стандарта на транкинговые системы подвижной радиосвязи TETRA, разработанного в рамках ETSI. Системы стандарта TETRA обеспечивают передачу речевых сообщений в цифровой форме, передачу данных и т.д. TETRA обеспечивает прямую связь абонентов без участия базовых станций. В Европе внедрение систем стандарта TETRA началось с 1997 года, и в первую очередь в интересах служб безопасности, полиции и охраны границ.

Однако эффективность транкинговых систем с радиальной структурой сети оказывается недостаточной для удовлетворения массового спроса на услуги подвижной связи в густонаселенных районах.

Так, для Москвы с её 10-миллионным населением обеспечение только 0,1% жителей подвижной связью при стандартных условиях качества обслуживания (средняя длительность переговоров 1,5 мин, вероятность блокировки 5%) потребует выделения примерно 250 радиоканалов или при ширине полосы одного канала в 25 кГц соответственно двух полос частот по 6,25 МГц каждая.

Проблему организации подвижной связи для густонаселенных районов удалось решить путем построения сетей подвижной связи по сотовому принципу.

Сотовые системы

Сотовая система подвижной радиосвязи (ССПС) использует большое число маломощных передатчиков, которые предназначены для обслуживания только сравнительно небольшой зоны, скажем, радиусом в 1...2 км.

Например, вместо использования единственного передатчика для обслуживания территории Москвы город можно разбить на множество небольших зон покрытия, называемых сотами. Чтобы понять, как это изменит общую картину, предположим, что все имеющиеся в распоряжении частотные каналы могут повторно использоваться в каждой ячейке сотовой структуры. Тогда требуемые для 0,1 % жителей Москвы 250 каналов можно получить, например, разделением обслуживаемой территории радиусом в 50 км на 25 ячеек радиусом по 10 км с организацией в каждой ячейке только 10 радиоканалов с одним и тем же набором частот. Приведенный пример служит только для пояснения сотового принципа.

Расчеты показывают, что из-за недопустимо большого уровня взаимных помех ячейки с одинаковым набором частот необходимо перемежать буферными ячейками с другими наборами частот. Группа ячеек в зоне обслуживания с различными наборами частот называется кластером. На рис. 15.2 показан образец сотовой структуры с типичной для аналоговых сетей размерностью кластера n = 7.

Если, например, для обслуживания абонентов в одной ячейке требуется набор из 10 частот, то для создания сотовой структуры с размерностью кластера n = 7, обслуживающей сколь угодно большую территорию, необходимо располагать набором из 70 частот.

Основной потенциал сотовой идеи заключается в том, что уровень взаимных помех зависит не от собственно расстояния между ячейками, а от отношения расстояния между ячейками к их радиусу.

Радиус ячейки зависит от мощности передатчика и, определяется разработчиком системы, который в процессе проектирования должен выбрать подходящую размерность кластера. С уменьшением радиуса ячейки возрастает количество базовых станций, приходящихся на 1 км² площади обслуживания и на 1 МГц используемой полосы частот.

Конечно, полномасштабное развертывание сотовой сети с самого начала ее ввода в эксплуатацию представляется чрезвычайно дорогостоящим. Обычно ее развертывание начинается с небольшого числа крупных ячеек, которые через некоторое время постепенно трансформируются в большее число более мелких ячеек. Такой способ преобразования называется расщеплением. Когда в некоторой ячейке нагрузка достигает того уровня, при котором существующее в ней число каналов оказывается недостаточным для поддержания установленного качества обслуживании абонентов (т.е. вероятность непредоставления канала при поступлении вызова оказывается больше установленного значения, как правило, до 5%), эта ячейка разделяется на несколько более мелких с пониженной мощностью передатчиков. При этом пропускная способность сети на территории расщепленной ячейки увеличивается в число раз, равное числу вновь образованных ячеек. Эта процедура может повторяться до тех пор, пока сеть не достигнет расчетного значения своей пропускной способности.

Рис. 15.2. Сегмент сотовой структуры

Ячейки небольших размеров требуются только в центральной части города со значительной плотностью абонентов. Ближе к окраинам плотность снижается, и размеры ячеек могут увеличиваться. Расщепление ячеек может производиться достаточно гибко как в пространстве, так и во времени. По замыслу разработчиков сотовой системы она должна явиться чрезвычайно удобным средством в руках проектировщиков для возможности повышения пропускной способности именно там и именно в то время, где и когда это необходимо.

Использование сравнительно небольших ячеек создает проблему поддержания непрерывности связи. При движении по произвольному маршруту объект (абонент ССПС) в течение одного сеанса связи может миновать несколько ячеек. В этом случае непрерывность связи обеспечивается способностью системы автоматически передавать связь с объектом тем базовым станциям, в зоне действия которых он оказывается в данный момент.

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

Реализация описанных основных принципов сотовой архитектуры:

- использование маломощных передатчиков с радиопокрытием небольших по размеру ячеек;

- повторное использование частот в пределах одной зоны обслуживания;

- поэтапное увеличение пропускной способности за счет расщепления ячеек;

- обеспечение непрерывности связи в процессе перемещения объекта от ячейки к ячейке —

привела в начале 80-х годов к созданию в ряде промышленно развитых стран Европы и Северной Америки ССПС, которые положили начало массовому внедрению услуг подвижной связи во всем мире.

Развернутые в 80-x годах ССПС относят к первому поколению. К ним относятся стандарты AMPS (США), HCMTS (Япония), NMT-450 и NMT-900 (Северная Европа), C-450 (Германия), TACS (Великобритания), ETACS (Англия, Лондон), RTMS-101H (Италия) и Radiocom-200 (Франция). Они были рассчитаны в основном на обслуживание абонентов в рамках национальных границ, использовали аналоговую ЧМ для передачи речи и внутриполосную (in-band) сигнализацию в процессе установления соединения между абонентскими терминалами и остальной сетью. Исключение составляла лишь система NMT-450 (NMT-900), которая была введена в эксплуатацию в 1981 году как международная система для четырех стран Северной Европы: Дании, Финляндии, Норвегии и Швеции.

Системы второго поколения проектировались для создания крупномасштабных сетей с учетом обеспечения международного «роуминга» — автоматическое обслуживание абонентов, приехавших со своими терминалами в другую страну. К настоящему времени разработано четыре стандарта:

1. пан-Европейский GSM;

2. два североамериканских стандарта ADC (D-AMPS) TIA IS-54 и CDMA TIA IS-95 (последний принят в США в качестве национального стандарта четвёртого поколения);

3. японский JDC.

Стандарт GSM является наиболее распространённым, его основные характеристики подробнее рассматриваются в следующей главе.

Стандарт D-AMPS разрабатывался в США с 1987 года. FCC не смогла выделить отдельную полосу частот в диапазоне 900 МГц для перспективной цифровой ССПС США. Ассоциация промышленности сотовой связи (CTIA) совместно с TIA приняли решение о совмещении в одной полосе частот аналоговой ССПС стандарта AMPS и будущей цифровой ССПС, сохранив используемый в AMPS разнос каналов, равный 30 кГц, при использовании речевого кодека VSELP со скоростью преобразования речи 8 кбит/с. Стандарт TIA IS-54 на ССПС ADC (D-AMPS) был принят в 1990 году. Несмотря на то, что D-AMPS не является полностью цифровым решением (используются аналоговые каналы управления), он оказался более прогрессивным, чем AMPS.

ССПС, использующие кодовое разделение каналов CDMA (Code Division Multiply Access), были разработаны фирмой Qualcomm (США) и развиваются фирмой Motorola. На системы CDMA TIA приняла стандарт IS-95. Основные характеристики этого стандарта рассматриваются в следующей главе более подробно.

В апреле 1991 года был принят японский стандарт цифровой ССПС JDC. Стандарт JDC рассчитан на работу в диапазонах частот 800/900 МГц и 1400/1500 МГц, использует так же как и D-AMPS временное разделение каналов с тремя временными окнами на несущую. К особенностям JDC следует отнести прямую связь с ISDN, возможность шифрования передаваемых сообщений, применение речевого кодека VSELP со скоростью преобразования речи 11,2 кбит/с, меньший, чем в D-AMPS, разнос частотных каналов — 25 кГц. В целом цифровая ССПС Японии во многом не уступает ССПС стандарта GSM и по некоторым параметрам превосходит американскую ССПС стандарта D-AMPS.

Системы беспроводных телефонов

Системы беспроводных телефонов (Cordless Telephony, CT) общего пользования составляют значительную конкуренцию сотовым системам связи. Первоначально CT-системы были ориентированы на ограниченное по территории использование в условиях квартир и офисов. Позже они стали развиваться как системы общего пользования.

В 1985 году CEPT предложила первый стандарт CT1 на систему беспроводных телефонов в полосе частот 900 МГц с 40 дуплексными каналами с ЧРК. Низкое качество связи и отсутствие секретности передачи речевых сообщений явилось основанием к разработке систем цифровых беспроводных телефонов. Новый стандарт, получивший обозначение СТ2, был разработан в Великобритании, обеспечивал конфиденциальность переговоров и лучшее, чем СТ1, качество приема речевых сообщений. В стандарте СТ2 применяется диапазон частот 864-868 МГц и организация дуплексной связи с ВРК. Стандарт СТ2 был принят за основу при создании систем Telepoint, предназначенных для общего доступа абонентов через радиоинтерфейсы, установленные в городе, к телефонной сети общего пользования. Стандарт радиоинтерфейса СТ2 был принят ETSI и получил обозначение ETS-300 131.

В 1992 году ETSI принял стандарт ETS-300 175 на общеевропейскую систему беспроводных телефонов DECT, предназначенную для передачи речевых сообщений и данных в полосе частот 1880...1900 МГц.

В США компанией Bellcore разработана система беспроводной связи общего доступа PACS для участков диапазонов частот, выделенных FCC для сетей персональной связи: 1850...1910 МГц и 1930...1990 МГц. По своему функциональному назначению PACS является близким аналогом стандарта DECT, но ориентирована на использование в рамках принятого в США распределения спектра частот и концепции развития персональной связи, отличающихся от европейских.

Система беспроводной связи, основанная на использовании портативных телефонов, получившая обозначение PHS, разработана и успешно внедряется в Японии. PHS обеспечивает двухстороннюю беспроводную связь в рамках микросотовой структуры сети. Радиоинтерфейс PHS основан на применении ВРК и временного дуплексного разделения режимов приема и передачи. Рабочий диапазон частот 1895...1918 МГц.

Рассмотрим подробнее характеристики общеевропейской системы беспроводных телефонов DECT. Стандарт DECT (Digital European Cordless Telecommunications) был опубликован ETSI в 1992 году, а первые коммерческие изделия, соответствующие этому стандарту, появились в 1993 году. Первоначально они представляли собой в основном средства для построения беспроводных УАТС, а также обычные домашние беспроводные ТА.

Позднее появились другие приложения DECT, которые начали разрабатываться еще в процессе определения стандарта. В их состав вошли: средства систем местной радиосвязи (RLL — Radio in the Local Loop); системы, обеспечивающие беспроводный доступ к ресурсам сетей общего пользования для абонентов с ограниченной мобильностью (CTM — Cordless Terminal Mobility); средства, позволяющие аппаратуре DECT работать с сотовыми сетями (например, GSM).

Рис. 15.3. Структура кадра системы DECT

Стандарт DECT разработан в соответствии с ЭМВОС. Особенностью стандарта является гарантия возможности «сосуществования» систем связи на одной территории при отсутствии координации их работы и необходимости планирования частот, что необходимо в обычных сотовых сетях.

Стандарт DECT разрабатывался для удовлетворения сложной системы радиосвязи — беспроводной учрежденческой автоматической телефонной стан­ции (УАТС). Среда беспроводной УАТС характеризуется высокой плотностью трафика и строгими требованиями к качеству и конфиденциальности связи. Системы DECT в качестве алгоритма преобразования речи используют АДИКМ со скоростью передачи 32 кбит/с, что обеспечивает качество передачи речи такое же, как у стационарных стандартных телефонных сетей.

Системы DECT работают в диапазоне 1880..1900 МГц, который разбит на 10 частотных каналов. В каждом частотном канале данные передаются циклически в 24 канальных интервалах (КИ), т.е. используется принцип ВРК. В первой половине КИ осуществляется передача от базовой станции к портативным устройствам, а во второй половине — в обратном направлении, т.е. применяется организация дуплексной связи с временным разделением (TDD). Каждый из речевых каналов использует пару КИ, что означает возможность применения 120 речевых каналов (рис. 15.3).

Рис. 15.4. Структура беспроводной УАТС, поддерживающей стандарт DECT

Способ выбора каналов, известный как непрерывный динамический выбор канала (Continuous Dynamic Channel Selection — CDCS), позволяет системам функционировать «бок о бок» при отсутствии координирования их работы. Любое из портативных устройств DECT в принципе имеет доступ к любому из 120 каналов. Когда необходимо установить соединение, портативное устройство DECT выбирает канал, обеспечивающий наиболее качественную связь. После того как соединение установлено, данное устройство продолжает анализировать диапазон, и если обнаруживается канал, гарантирующий лучшее качество связи, то переключает соединение на него. Старое и новое соединение перекрываются во времени, что обеспечивает возможность незаметного переключения. Благодаря применению CDSC в системах DECT не требуется планирования частот: решение этой проблемы, фактически, перекладывается на портативное устройство связи.

Рис. 15.5. Структура RLL-системы, соответствующей стандарту DECT

Стандарт DECT предусматривает функции защиты, такие как шифрование и аутентификацию.

В Европе DECT является обязательным стандартом. В США на основе DECT принят стандарт на средства связи, работающие в диапазоне 1850…1990 МГц, выделенных FCC для систем персональной связи (PCS).

Основные способы использования стандарта DECT показаны на рис. 15.4, рис. 15.5 и рис. 15.6.

Рис. 15.6. Взаимодействие DECT и GSM: DECT-субсегменты внутри соты GSM

Пан-Европейский стандарт GSM

В 1982 году CEPT в целях изучения и разработки общеевропейской цифровой системы сотовой связи создала рабочую группу, получившую название GSM (Group Special Mobile). В 1989 году дело создания GSM перешло к ETSI, а в 1990 году были опубликованы спецификации первой фазы GSM. К середине 1991 года стали поддерживаться коммерческие услуги GSM, а к 1993 году функционировало уже 36 сетей GSM в 22 странах, и еще 25 стран выбрали направление GSM или поставили вопрос о его принятии. Несмотря на то, что система GSM была стандартизирована в Европе, на самом деле она не является исключительно европейским стандартом. Сети GSM внедрены почти в 100 странах Европы, Ближнего и Дальнего Востока, Африки, Южной Америки и в Австралии. Акроним GSM приобрел новое значение — Global System for Mobile communications.

Система GSM представляет собой цифровую систему передачи с программным управлением, совместимой с цифровой сетью интегрального обслуживания (ISDN). В ней использованы:

- ЭМВОС;

- система сигнализации SS7;

- принципы построения интеллектуальной сети IN/1.

Элементы этой системы способны контролировать и управлять всеми основными характеристиками сигнала в процессе передачи. Система обладает достаточным «интеллектом» для обнаружения возникшего отклонения в работе, его диагностики, принятия решения и проведения необходимой коррекции.

В ней реализована большая часть возможностей ISDN плюс дополнительные возможности, связанные с особенностями сети мобильной радиосвязи: управление по радио, слежение за местоположением подвижного объекта, обеспечение функции эстафетной передачи, защита передаваемой информации и т.п. Инфраструктура сети создает и постоянно обновляет распределённые базы данных, содержащие необходимые сведения об абонентах и их местоположении, устраняет все обнаруженные неполадки, модифицирует свою конфигурацию по мере изменения нагрузки и выполняет множество других функций по эксплуатации и обслуживанию сети, тарификации, взаимодействия с другими стационарными и подвижными сетями.

Для системы GSM допустимое отношение мощностей несущей и помех в канале связи составляет 9 дБ, в аналоговых системах этот показатель, как правило, близок к 18 дБ. Выигрыш в 9 дБ объясняется известными преимуществами цифровой обработки сигналов и, в частности, использованием устройств типа:

- речевых кодеков, устойчивых к помехам в канале связи;

- эффективных цифровых модуляторов, благодаря которым основная часть энергии радиосигнала оказывается сосредоточенной в полосе частот канала связи;

- помехоустойчивых кодов в сочетании с процедурой перемежения;

- корректоров, способных обеспечить работу в условиях многолучевого распространения сигналов с предельно допустимой дополнительной задержкой отраженных лучей 16 мкс;

- перестраиваемых синтезаторов частот, позволяющих улучшить работу в условиях многолучевого распространения сигналов.

Системы GSM работают в диапазоне около 900 МГц, который разбит на два поддиапазона шириной по 25 МГц (рис. 16.1): 890...915 МГц для передачи от портативных устройств к базовой станции и 935...960 МГц для приема, т.е. используется организация дуплексной связи с частотным разделением (FDD). Каждый частотный поддиапазон разбит на 124 частотных канала с разносом между соседними 200 кГц (ширина полосы каждого частотного канала не превышает 200 кГц). Речевой канал системы GSM использует пару частотных каналов с результирующим разносом 45 МГц независимо от абсолютных значений несущих частот в обоих поддиапазонах. Наличие разноса препятствует появлению переходных помех между направлениями приема и передачи.

Рис. 16.1. Временная и частотная структура GSM

В каждом частотном канале данные передаются в 8 канальных интервалах (КИ), т.е. используется временное разделение каналов. Восемь КИ объединяются в цикл, а 26 циклов — в повторяющийся циклически сверхцикл длительностью 120 мс. Длительность КИ составляет около 600 мкс. Структура КИ показана на рис. 16.2. Конкретное портативное устройство ведет передачу сигнала базовой станции в одном из КИ. В течение остальных КИ передача не ведется (передатчик «молчит»).

В начале и конце КИ отводятся по 28 мкс на продолжительность переходных процессов, в ходе которых мощность излучения передатчика меняется (возрастает в начале и падает в конце КИ) на 70 дБ. Полезная продолжительность КИ составляет 546,12 мкс и служит для передачи 148 бит.

В одном из КИ, в котором передача не ведется, портативное устройство осуществляет прием сигнала от базовой станции, т.е. используется одна и та же антенна с разделением во времени.

Рис. 16.12. Структура канального интервала GSM

Расстояния между портативным устройством и базовой станцией в пределах соты может достигать 30 км. В результате задержка распространения сигнала может достигать 100 мкс. Такая задержка серьезно влияет на работу базовой станции, поскольку переданный КИ может частично попасть на соседний. Поэтому базовая станция может посылать команды портативному устройству на опережение передачи, чтобы сигнал поступал на базовую станцию в своем КИ.

Также базовая станция в зависимости от расстояния до портативного устройства может осуществлять регулировку излучаемой мощности последнего с целью уменьшения расхода энергоресурса.

Одной из особенностей работы систем сотовой радиосвязи является прием сигналов в условиях многолучевого распространения (на входе приемника действует совокупность сигнала непосредственно пришедшего от передатчика и сигналов, многократно отразившихся от неровностей рельефа, зданий и т.п.). Многолучевое распространение приводит к таким нежелательным явлениям, как растянутая задержка сигнала, релеевские замирания и пр.

Избежать последствий многолучевого распространения позволяет реализация способа выравнивания сигналов. Он состоит в делении полезной длительности КИ на три части, в свою очередь разделенные битами флагов (см. рис. 16.2). В середине располагается специальная легко распознаваемая синхропоследовательность, по которой производится выравнивание принятого КИ. До и после синхропоследовательности располагаются по 57 бит информационной нагрузки.

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

Система GSM предоставляет пользователям широкий ассортимент услуг, как речевых, так и неречевой природы. Помимо телефонии к речевым услугам относят вызовы спецслужб (полиция, скорая помощь, пожарные и т.п.), как правило, путем набора номера 112, который принят на Европейском континенте в качестве стандарта, и речевую почту.

Набор неречевых услуг основывается на перечне услуг ISDN и для абонентов сети GSM состоит из трех с половиной десятков наименований. Услуги по передаче данных различаются в зависимости от потенциальных корреспондентов (абоненты телефонной сети общего пользования, либо ISDN, либо специализированных сетей), от характера передаваемой информации, от режима передачи (коммутация пакетов либо каналов, сквозной цифровой канал либо с использованием телефонных модемов и пр.), от типа терминалов и т.д. Специфическими для подвижной сети являются службы коротких сообщений (SMS - Short Message Service) (исходящие, входящие и вещательные), которые по сути дела представляют собой разновидность службы персонального вызова.

Стандарт GSM принят в России в качестве федерального. С января 1996 года в Москве и области началась коммерческая эксплуатация ССПС стандарта GSM. В настоящее время основными операторами услуг мобильной связи стандарта GSM являются компании «Московские ТелеСистемы» (МТС), «ВымпелКом» («Билайн») и «Мегафон». Сеть обеспечивает автоматический роуминг со странами Европы.

По данным статистического агентства Advanced Communications & Media в августе 2011 года число пользователей сотовой связи в нашей стране составило около 225,1 миллиона человек. Число пользователей в столицах страны Москве и Санкт-Петербурге увеличилось до ~35 и ~14 миллионов соответственно. А если говорить про регионы России, то количество абонентов увеличилось до ~177 млн.