Классификация и основные характеристики систем связи с подвижными объектами

Учебное пособие написано в соответствии с программой учебной дисциплины «Системы связи с подвижными объектами».

В учебном пособии рассмотрены основные характеристики систем связи с подвижными объектами, которые используются или предполагаются к использованию при организации железнодорожной радиосвязи.

Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений железнодорожного транспорта и может быть полезно специалистам, занимающимся разработкой, проектированием и эксплуатацией систем железнодорожной радиосвязи.

СОДЕРЖАНИЕ

2. Классификация и основные характеристики систем связи с подвижными объектами

1. Многостанционные системы. Cистемы сухопутной подвижной радиосвязи. Методы многостанционного доступа FDMA, TDMA, CDMA.

Наземные и спутниковые службы радиосвязи делятся на фиксированные, радиовещательные, подвижные, радиоопределения и т. п. Наиболее интересна для железнодорожного транспорта подвижная служба — служба радиосвязи между стационарной и подвижными радиостанциями или между подвижными радиостанциями.

Используем определения (ГОСТ 12252-86 «Радиостанции с угловой модуляцией сухопутной подвижной службы. Типы, основные параметры технические требования и методы измерений»).

Стационарная – радиостанция подвижной службы, не предназначенная для работы во время движения и устанавливаемая в помещениях, специальных контейнерах или на открытом воздухе.

Подвижная – радиостанция подвижной службы, предназначенная для использования во время движения или во время остановок в неопределенных пунктах. Подвижные радиостанции делятся на мобильные, носимые и переносные.

Мобильная– радиостанция, предназначенная для установки на подвижных объектах.

Носимая – радиостанция, имеющая собственный источник питания и предназначенная для переноски в рабочем состоянии.

Переносная - радиостанция, имеющая собственный источник питания, предназначенная для работы во время остановок и переносимая или перевозимая в нерабочем состоянии.

Портативная– носимая радиостанция массой, как правило, до 1 кг.

Подвижная служба делится на воздушную, морскую и сухопутную. Именно системы сухопутной подвижной радиосвязи (ССПР) станут предметом нашего рассмотрения. Эти системы, как и воздушные, и морские (в том числе и спутниковые) являются системами со многими доступами. В них единая общая линия связи используется для обмена информацией между многими абонентами, имеющими к ней свободный доступ.

Системы со многими доступами по методу формирования группового сигнала (методу объединения абонентских сигналов) делятся на многоканальные (рис.1), использующие централизованное формирование группового сигнала и предполагающее наличие центрального передатчика, и на многостанционные (рис.2), использующие независимое формирование группового сигнала, когда предполагается наличие у абонента собственного передатчика (радиостанции). Вообще говоря, многоканальные системы могут считаться частным случаем многостанционных систем.

Рис.1

Рис.2

Основными методами разделения абонентами полосы частот общего частотного тракта многоканальной и многостанционной систем являются: частотное (абонентские полосы частот не перекрываются, но абонентские сигналы могут совпадать по времени), временное (абонентские полосы частот могут совпадать, но в любой момент времени передается лишь один абонентский сигнал), кодовое (абонентские сигналы могут перекрываться и по частоте, и по времени появления, но различаются по форме их представления).

Едва ли не самым главным критерием при классификации современных ССПР как раз и является определение метода многостанционного (множественного) доступа к передающей среде. Название метода многостанционного доступа нередко определяет целый класс ССПР, определяет стандарт, по которому реализуется система.

Основными методами многостанционного доступа (позволяющего множеству пользователей делить между собой общий частотный тракт системы) являются многостанционные доступы с частотным разделением (МДЧР), временным разделением (МДВР) и кодовым разделением (МДКР). В англоязычной литературе соответственно: множественный доступ с частотным разделением (Frequency Division Multiple Access — FDMA); множественный доступ с временным разделением ( Time Division Multiple Access — TDMA); множественный доступ с кодовым разделением (Code Division Multiple Access — CDMA).

Рассмотрим основные методы многостанционного доступа.

FDMA начал использоваться в чистом виде в аналоговых ССПР, а в комбинации с другими методами многостанционного доступа используется практически во всех ССПР, поскольку предполагает разделение выделенной для системы полосы частот на участки каждого канала. Например, в стандарте сотовой системы AMPS (Advanced Mobile Phone Service) ширина полосы канала составляет 30 кГц, а в стандарте TACS (Total Access Communication System) — 25 кГц. Такой же частотный разнос между каналами используется в большинстве радиостанций систем железнодорожной технологической радиосвязи (поездной, станционной, ремонтно-оперативной и т. п.). Практически все они реализуют FDMA в чистом виде.

TDMA является основой большинства цифровых систем радиосвязи, в которых каналами служат временные отрезки (интервалы), формируемые на несущих в пределах определенных участков спектра. Сотовый стандарт GSM-900 — разновидность TDMA, ставшая основным стандартом сотовой связи в Европе. Восемь телефонных сигналов в результате временного уплотнения образуют общий сигнал полосой 200 кГц. В каждый момент времени канал может занимать только один абонент.

Первый TDMA-стандарт IS-54 позволил увеличить число каналов в системе в 3 раза по сравнению с аналоговой технологией стандарта EIA-553.

Принципы CDMA достаточно детально разработаны давно, в том числе и отечественными учеными, и широко использовались в армейских системах связи. Применение их в гражданских ССПР долгие годы сдерживалось отсутствием техники и технологии малогабаритных, малопотребляющих и многофункциональных устройств формирования широкополосных (сложных, составных, многомерных, псевдошумовых) сигналов (ШПС). Полоса ШПС значительно превышает полосу частот, необходимую для обычной передачи, например, в узкополосных ССПР с FDMA.

Для любого сигнала может быть определена “база” B = FT, где F — ширина спектра сигнала, T — его длительность.

В случае МДКР (CDMA) каждому передаваемому сообщению ставится в зависимость своя ортогональная двоичная псевдослучайная последовательность, которой затем несущая манипулируется по фазе или частоте. Псевдослучайная последовательность с периодом повторения T содержит N бит (рис.3). Каждый элемент последовательности имеет длительность τ₀. Таким образом, “база” ШПС B = T /τ₀= N. Число N характеризует степень расширения базы по сравнению с узкополосными сигналами FDMA, для которых В = 1.

Рис.3

Итак, в CDMA применяется технология расширенного спектра. При этом все абоненты одновременно используют один и тот же выделенный участок частотного диапазона.

При CDMA количество телефонных разговоров на несущую теоретически неограниченно, поскольку сигналы абонентов, отличающиеся по виду псевдослучайной последовательности, могут наращиваться неограниченно за счет увеличения ее длины.

Первый международный стандарт (IS-95) применения CDMA регламентировал делеие радиоспектра на несущие полосы с шириной 1,25 МГц (ср. с шириной полосы 25 кГц при FDMA).

При CDMA используется значительно более широкая полоса частот, чем при обычной передаче. Известны два способа ее использования — метод прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum — DSSS) и метод частотных скачков (Frequency Hopping Spread Spectrum — FHSS).

При кодировании по методу DSSS (рис.4) вся используемая широкая полоса частот также делится на несколько подканалов (в стандарте Radio-Ethernet 802.11 их предусмотрено 11). Каждый передаваемый бит сообщения превращается по заранее зафиксированному алгоритму в последовательность из 11 бит, и эти 11 бит передаются одновременно и параллельно по всем 11 подканалам. При приеме полученная последовательность битов декодируется по такому же алгоритму. У другой пары приемник-передатчик используется другой алгоритм кодирования-декодирования, и таких алгоритмов может быть очень много.

Рис.4

При этом достигается защита передаваемой информации от подслушивания (у чужого DSSS-приемника другой алгоритм, и он не сможет декодировать информацию от не своего передатчика). Но важнее другое: благодаря 11-кратной избыточной передачи можно использовать сигнал очень малой мощности (по сравнению с мощностью обычного узкополосного сигнала).

При передаче ШПС значительно улучшается отношение сигнал/шум. Причем способность приемника выделить слабый сигнал еще более увеличивается благодаря 11-кратной избыточности.

DSSS-устройства не создают помех обычным узкополосным большой мощности, так как последние принимают ШПС за шум. И напротив, обычные устройства не мешают широкополосным, так как “шумят” каждый только в своем узком канале и не заглушают весь ШПС.

Благодаря ШПС можно использовать один участок радиоспектра дважды: обычными узкополосными устройствами и поверх них — широкополосными.

При кодировании по методу FHSS (рис.5) используемая полоса делится на несколько подканалов (по стандарту 802.11 их 79). Каждый передатчик за определенный промежуток времени совершает некоторое количество скачков с одного частотного канала на другие. Стандарт 802.11 не определяет их частоту (в каждой стране задается своя). Скачки в передатчике и приемнике происходят синхронно в заранее зафиксированной псевдослучайной последовательности, известной обоим. Не зная последовательности переключений, нельзя осуществить прием. Другая пара передатчик-приемник использует иную последовательность переключений. В одной полосе частот и на одной территории обслуживания последовательностей может быть много.

Рис.5

CDMA обеспечивает высокую скрытность передаваемой информации и защиту от несанкционированного доступа. При CDMA информация делится на триллионы бит, что является основным препятствием для интерференции и перехвата.

Высокая пропускная способность системы CDMA обеспечивается даже при коэффициенте повторного использования частот равном единице (то есть при использовании одной несущей на всей территории обслуживания), в результате чего отсутствует необходимость частотного планирования.

Получают применение и мультимедийные цифровые системы W-CDMA (широкополосной CDMA). В отличие от узкополосной CDMA с полосой частот 1,15 МГц, широкополосная CDMA имеет полосу свыше 5 МГц и обеспечивает передачу данных, а также аудио-, видео- и мультимедийные услуги.

Помимо трех основных методов многостанционного доступа FDMA, TDMA, CDMA и их комбинаций используется ряд других, менее распространенных методов.

Один из них — многостанционный доступ с пространственным разделением (SDMA), использующий интеллектуальных антенные системы.

Рассмотрим сначала направленные свойства антенн.

Характеристика направленности – зависимость амплитуды напряженности поля (или ей пропорциональной величины) от направления в пространстве. Направленные свойства (пространственная избирательность) передающей антенны увеличивают интенсивность излучения в заданном направлении, напряженность Е электрического поля полезного сигнала в точке приема при заданной мощности излучения, уменьшают мощность передатчика при фиксированном отношении сигнал/шум (С/Ш). Направленные свойства приемной антенны уменьшают уровень помех на входе приемника, если направление прихода помехи и сигнала не совпадают.

Диаграмма направленности – изображение на плоскости характеристики направленности и является результатом измерения напряженности Е в точках, равноудаленных от антенны. Геометрическим местом таких точек является сфера.

Положение точки М на сфере (рис.6) определяется радиусом r =ОМ (наклонной дальностью), углом места δ (или дополняюшим его до девяноста градусов зенитным углом θ) и азимутальным углом φ.

Характеристику направленности в сферической системе координат представляет поверхность f(θ,φ) при r=const, а пространственная диаграмма направленности - поверхность объема (рис.7). Она может иметь несколько максимумов и минимумов. Первые минимальные или нулевые значения напряженности Е вокруг направления главного излучения определяют границу, так называемого, главного лепесткадиаграммы.

Рис.6 Рис.7

Коэффициент направленного действия(КНД) Dхарактеризует способность антенны концентрировать электромагнитное поле в определенном направлении. КНД – отношение квадрата напряженности поля, излучаемого антенной в данном направлении (обычно в главном) к усредненному по всем направлениям значению квадрата напряженности поля. КНД показывает во сколько раз надо увеличить излучаемую мощность при замене направленной антенны на абсолютно ненаправленную гипотетическую антенну, чтобы получить одинаковую напряженность поля в точке приема. Здесь не принимается во внимание мощность, подводимая к антенне и ее к.п.д. η. КНД может принимать значения от единицы (для ненаправленной антенны) до десятков тысяч.

Коэффициент усиления G показывает во сколько раз надо увеличить входную мощность при замене реальной направленной антенны с потерями на абсолютно ненаправленную гипотетическую антенну без потерь, чтобы сохранить величину напряженности поля в точке приема G = ηD.

Связанными называют два или несколько вибраторов (антенн), расположенные на небольшом (d≤λ/4) расстоянии, заметно влияющие друг на друга (аналогия со связанными колебательными контурами). Поле одного вибратора наводит в другом ЭДС. Поле в точке приема, созданное системой вибраторов, является результатом сложения полей отдельных вибраторов с учетом фаз этих полей (определяемых как разностью хода лучей от вибраторов до точки приема, так и разностью фаз токов в них). Изменение диаграммы направленности системы двух симметричных полуволновых вибраторов (рис.8) показано на рис.9 при изменении сдвига фаз токов в вибраторах.

Рис.8

Рис.9

Антенные решетки – системы вибраторов, предоставляющие большие КНД. Различают решетки синфазные (токи в вибраторах имеют одинаковые фазы) и переменнофазные (фазы токов изменяются от вибратора к вибратору по определенному закону).

На рис.10 приведены примеры диаграмм направленности для линейной, двумерной и объемной решеток.

Рис.10

Вернемся теперь к методу SDMA.

Интеллектуальные антенные системы известны давно, однако их реализация в коммерческих системах стала выгодна после появления дешевых сигнальных процессоров, способных реализовать алгоритмы управления диаграммой направленности.

Интеллектуальная антенная система состоит из антенн, объединенных электронной схемой с фазовыми и амплитудными анализаторами. В результате анализа ими принимаемых сигналов, в различных элементах антенны, вычисляется направление оптимального приема. Сигнальный процессор в реальном масштабе времени формирует суммарную диаграмму направленности антенн в направлении на источник излучения с учетом частоты принимаемого сигнала и некоторых других параметров.

На рис.11 приведена зависимость вероятности блокировки вызова p от нагрузки в сети. При граничном значении 0,01 вероятности блокировки вызова использование адаптации диаграммы направленности позволяет увеличить нагрузку в системе до шести раз по отношению к обычной TDMA [2].

10–1 10–2 TDMA 10–3 SDMA 10–4     10–5 0 5 10 15 20 25 30 Нагрузка, Эрл

Рис.11

2. Основные принципы реализации цифровых систем сухопутной подвижной радиосвязи

В большинстве цифровых ССПР в чистом виде или в комбинации с FDMA используется TDMA.

При реализации многостанционного доступа с временнымразделением каналов МДВР (TDMA) в каждом из частотных каналов создается N каналов с временным разделением. В системе GSM, например, N = 8 (рис.12. [2]).

Рис.12

Т_к=4,615 мс

Start Stop

1 временной интервал = 156,25 битам (15/26 = 0,577 мс)

Длительность 1 бита = 48/13 = 3,69 мкс

ТВ — Tail Bits — концевая комбинация

GP — Guard Period — защитный интервал

Рис. 13

Иерархию TDMA кадров иллюстрируем примером GSM [2] (рис.13). Отметим большую длительность Тг= 3 ч 28 мин 53 с 760 мс (12533,76 с) гиперкадра, который делится на 2048 суперкадров.

Для организации различных каналов связи и управления используются два вида мультикадров: 26- и 51-позиционные.

Каждый TDMA-кадр имеет номер (NF) от O до NFmax, где NFmax= (26x51x 2048) – 1 = 2715647. Необходимость такого огромного гиперкадра диктуется требованиями криптографической защиты (NF используется как входной параметр).

TDMA-кадр делится на восемь временных позиций с периодом Т₀=120/26:8 = 576,9 мкс (номер TN= 0 – 7). Физический смысл временных позиций (“окон”) — время модуляции несущей цифровым информационным потоком.

В окнах размещаются пакеты (длительностью 0,564 мс). Скорость передачи информации по радиоканалу 270,833кбит/с. TDMA-кадр содержит 156,25 бит. Длительность информационного бита 3,69 мкс.

При TDMA абоненту выделяется не только частотный канал, но и один из канальных интервалов. Он должен вести передачу строго в отведенном временном интервале, что бы не создавать помех в других каналах. Поэтому работа осуществляется в виде “вспышек” строго в отведенном канальном интервале.

Временная маска огибающей (нормативный шаблон изменения мощности излучения) для сигналов, излучаемых во время вспышки на интервале TDMA-кадра, приведена на рис.14. О степени сложности задач, решаемых при TDMA, свидетельствует увеличение мощности излучения за 18 мкс на 70 дБ (в 10 млн. раз).

Рис.14

В современных цифровых ССПР очень часто используется механизм медленных скачков по частоте (SFH — Sic Frequency Hopping)в процессе сеанса связи, главное назначение которых — обеспечение частотного разнесения при многолучевом распространении. Метод SFH повышает надежность связи при медленном движении абонентских станций. Сообщение в выделенном окне в каждом следующем TDMA-кадре передается на новой фиксированной частоте. Время перестройки частоты составляет единицы миллисекунд. В процессе скачков сохраняется дуплексный разнос 45 МГц между каналами приема и передачи. Параметры последовательности переключения частот (частотно-временная матрица и начальная частота) назначаются каждой подвижной станции в процессе установления канала.

Комбинированная FDMA/TDMA схема организации каналов в стандарте GSM приведена на рис.15. На этом рисунке канал 1 — 890—890,2 МГц и 935—935,2 МГц, канал 2 — 890,2—890,4 МГц и 935,2—935,4 МГц, канал 123 — 914,6—914,8 МГц и 959,6—959,8 МГц, канал 124 — 914,8—915,0 МГц и 959,8—960,0 МГц.

Схема использования SFH приведена на рис.16 (MS-подвижная станция).

Рис.15

f1

fi

fк

Рис.16

Выигрыш от SFT, дБ

Количество частот

Рис.17

На рис.17 приведены зависимости выигрыша в отношении сигнал/помеха от количества перестраиваемых частот при SFH для переключения частот по случайному закону (сплошная кривая) и с периодическим повторением цикла переключения (штриховая кривая).

При организации дуплексной подвижной связи возникает проблема разделения каналов передачи и приема. При FDMA, традиционно используется метод частотного разделения, когда передатчик и приемник радиостанции работают на разных частотах, дуплексный разнос которых обеспечивает исключение мешающего влияния передатчика на собственный приемник.

В цифровых ССПР нашло применение временное дуплексное разделение режимов передачи и приема (Time Duplex Difference — TDD). Принцип TDD иллюстрирован диаграммами для трех разновидностей пакетной передачи в цифровых системах беспроводных телефонов: СТ2 (рис.18), DCT-900 (рис.19) и DECT (рис.20).

Рис. 18

Рис.19

Рис.20

При комбинированной FDMA/TDD (см. рис.18) режимы передачи от абонента А к абоненту В и в противоположном направлении разделены во времени и осуществляются в одном частотном канале (с полосой 100 кГц для СТ2). В случае TDMA/TDD (см. рис.19 и 20) временные “окна” на рабочей частоте для восьми (DCT-900) и двенадцати (DECT) каналов, чередуются в использовании для режимов передачи и приема (на рисунках «трубка», использует четвертую временную позицию).

Цифровизация подвижной связи позволила сделать принципиально новый шаг в развитии ССПР — для GSM были приняты концепция интеллектуальной сети и модели открытых систем (OSI), одобренные ISO. Концепция построения интеллектуальной сети теперь применяется в процессе создания всех цифровых ССПС. Структура уровней в модели OSI применительно к стандарту GSM приведена на рис.21.

Рис.21

3. Обработка речи в цифровых системах сухопутной подвижной радиосвязи

Процессы обработки речи в цифровых ССПР осуществляются в рамках системы прерывистой передачи речи (Discontinuous Transmission — DTX). Передатчик включается тогда, когда абонент начинает разговор и отключается в паузах и по окончании разговора. Система DTX управляется детектором активности речи (Voise Activity Detector — VAD) — обнаружителем речи ОР, который обнаруживает интервалы активности даже при соизмеримости уровней речи и шума. В состав DTX входит устройство формирования комфортного шума в паузах речи (для повышения разборчивости), интерполятор фрагментов речи, потерянных из-за ошибок в канале (рис.22), речевой кодек.

При выборе речевого кодека стандарта GSM были предъявлены требования: высокое качество речи, низкая скорость передачи (не выше 16 кбит/с), малая задержка при преобразовании речи, устойчивость к ошибкам в канале, незначительное снижение качества речи при каскадном соединении кодеков и т.п.

Рис.22

Были предложены 20 кодеков девяти европейских стран. В результате рассматривались кодеки.

- RPE - LPC - Regular - Pulse Excitation/Linear Predicative Coding (Германия, Philips) — кодек с регулярным импульсным возбуждением и линейным кодированием с предсказанием;

- MPE - LTP - Multi - Pulse Excitation/Long - Term Prediction (Франция, IBM) — кодек с многоимпульсным возбуждением и долговременным предсказанием;

- SBC - APCM - Sub - Band Coding/Block - Adaptive PCM in 14 Sub - Bands (Швеция, ELLEMTEL) — 14-полосный подполосный кодек с адаптивной ИКМ;

- SBC - ADPCM - Sub - Band Coding/Adaptive - Differ PCM in 6 Sub - Bands (Англия, British Telecom Research) — шестиполосный подполосный кодек с адаптивной дифференциальной ИКМ.

На графиках (рис.23) приведены характеристики кодеков по шкале MOS: кривая 1 — RPE - LPC; кривая 2 — MPE - LPС; кривая 3 — SBC - APCM; кривая 4 — SBC- ADPCM; кривая 5 — ЧМ.

Рис.23

Для стандарта GSM был выбран RPE-LPC кодек с долговременным прогнозирующим устройством от MPE-LTP кодека, что позволило снизить скорость речепреобразования с 14,77 (MPE-LTP) до 13 кбит/с (RPE/LTP).

Уменьшение скорости до 13 кбит/с достигается за счет применения: LTP — долговременного предсказания, RPE — регулярного импульсного возбуждения.

При кодировании с (кратковременным) линейным предсказанием запоминаются последовательности по 160 отсчетов речевого сообщения, которые обрабатываются, с целью получения восьми коэффициентов фильтрации и возбуждающего сигнала (модель речевых органов человека).

Для сокращения избыточности последовательности по 160 отсчетов разбиваются на четыре блока по 40 отсчетов. Каждый блок воспроизводится в отдельных последовательностях (первый занимает 1-й, 5-й, ..., 37-й отсчеты; второй 2-й, 6-й, ... , 38-й и т. д.). Выбирается последовательность с наибольшей энергией (наилучшим образом представляющую исходную последовательность), устраняется избыточность и уменьшается скорость передачи – краткосрочное предсказание,которое не может быть использовано для долгих гласных звуков, захватывающих соседние блоки.

Для сокращения избыточности при произнесении долгих гласных используется долгосрочное предсказание, при котором запоминаются переданные последовательности (по 15 мс), с которыми сравниваются текущие последовательности. Из переданных выбирается последовательность, наиболее коррелированная с текущей (наиболее «похожая» на нее) и передается только разница между ней и текущей последовательностью. Достигается дальнейшее сокращение объема передаваемой информации.

4. Способы использования частотного ресурса систем сухопутной подвижной радиосвязи

Важнейшей характеристикой ССПР является степень использования выделенного частотного ресурса. Существует множество способов повышения спектральной эффективности системы — числа абонентов, обслуживаемых в единице полосы частот, например, в полосе 1 МГц:

– сужение полосы частот, занимаемой радиоканалом (например, в радиостанциях железнодорожной технологической радиосвязи диапазона 160 МГц с угловой модуляцией разнос между соседними каналами последовательно уменьшался с 250 до 50, а затем и до 25 кГц);

– применение вокодерной техники, снижение скорости речепреобразования в цифровых системах (если в системах электросвязи усложнение аппаратуры ради снижения скорости ОЦК 64 кбит/с нецелесообразно, то острый дефицит частотного ресурса ССПР приводит к созданию речевых кодеков со скоростями 13, 11,2, 8 и 4,8 кбит/с);

– распределение частотного ресурса между различными службами через концентраторы;

– использование адаптивных систем с автоматической регулировкой мощности излучения передатчика в обратной зависимости от уровня сигнала, принимаемого от корреспондента;

–освоение более высокочастотных диапазонов (на примере железнодорожной технологической радиосвязи можно отметить последовательное освоение диапазонов 2, 40, 160, 330, 450 МГц; в перспективе GSM-R 900 МГц).

Одним из основных методов повышения спектральной эффективности ССПР является совершенствование способа использования частотного ресурса. По способу использования частотного ресурса ССПР делятся на: системы с частотами, закрепленными за абонентами; системы со свободным доступом к общему частотному ресурсу (транкинговые); системы с пространственно разнесенным повторным использованием частот (сотовые).

Все используемые на железнодорожном транспорте системы технологической связи с подвижными объектами относятся к первому типу систем (хотя при разработке комплексной системы “Транспорт” планировалось создание подсистем, относящихся ко второму типу).

История ССПР начинается с разработки систем с “большими зонами”, когда один или несколько одновременно работающих каналов выделялись для всей территории обслуживания (например, для города). При этом использовалось наиболее простое решение — закрепление за абонентом или группой абонентов фиксированной рабочей частоты. Однако один канал может обеспечить связь без блокировок при 20—40 абонентах. Поэтому в системах с “большими зонами” начал использоваться принцип равнодоступных каналов, когда “базовая” станция работает на всех используемых рабочих частотах, образующих “ствол” (‘’trunk’’) рабочих каналов, а подвижная станция — на любом из каналов ствола, действующих в данной зоне обслуживания. В качестве примера транкинговой ССПР можно привести систему “Алтай”, успешно эксплуатировавшуюся в нашей стране на протяжении десятков лет в диапазонах 160 и 330 МГц.

Однако по мере роста числа подвижных абонентов наращивание стволов в ССПР с “большими зонами” обслуживания (а в системе “Алтай”, например, таких стволов по восемь каналов было 22) существенно ухудшает электромагнитную обстановку и становится малоэффективным, что вызвало появление систем с “малыми зонами” обслуживания, с сотовой структурой.

Рассмотрим подробнее современные способы использования частотного ресурса в транкинговых и сотовых ССПР.

Системы со свободным доступом к общему частотному ресурсу (транкинговые). В транкинговых системах применяются методы автоматического распределения каналов: Message Trunking и Transmission Trunking.

Message Trunking — метод, при котором канал закрепляется за пользователем на время всего радиообмена.

Transmission Trunking — метод, при котором канал закрепляется за пользователем на время одной передачи, что обеспечивает более рациональное использование частотного ресурса, так как, во-первых, пользователь не занимает систему в перерывах между сообщениями и, во-вторых, возможно определение канала в перерывах между передачами.

По методу поиска свободного канала транкинговые ССПР делятся на:

- системы с последовательным (сканирующим) поиском, которые характеризуются значительным временем установления канала и предназначены для использования при небольшом (пять-восемь) числе каналов в стволе;

- системы с выделенным каналом управления (Control Channel), по которому передается вся служебная информация, необходимая для функционирования системы и управления радиостанциями пользователей).

Существуют транкинговые ССПР со совмещенным каналом управления, когда для передачи сигналов управления используется участок информационной полосы звуковых частот, расположенный, как правило, ниже спектра речевого сигнала (в системах LTR — ниже 150 Гц).

Системы с пространственно разнесенным повторным использованием частот (сотовые).Схема использования частотного ресурса в любой сотовой системе подвижной связи (ССПС) приведена на рис.24.

Рис.24

Территория обслуживания разбивается на отдельные небольшие по площади ячейки (соты, микрозоны) с базовыми станциями BS, связанными соединительными линиями с центром коммуникаций подвижной связи MSC, который через транзитные TE и местные LE телефонные станции осуществляет соединение абонентов ССПС с абонентами ТФОП. Передатчики BS обладают малой мощностью излучения (небольшим радиусом действия). Поэтому возможно повторение рабочих частот (групп рабочих частот) через несколько сот.

Возможный метод установления соединения приведена на рис. 25. На рис.26 приведен вариант обмена сообщениями в режиме “эстафетной передачи” подвижной станции MS от одной базовой станции к другой.

Рис.25

Рис.26

Первыми моделями повторного использования частот, которые применялись в аналоговых ССПС, были модели с круговыми диаграммами направленности (ДН) антенн базовых станций. В цифровых ССПС для сот с круговой ДН применяют модель повторного использования частот, включающую семь (рис.27) или девять сот. Модель с круговой ДН антенн предполагает передачу сигнала BS одинаковой мощности по всем направлениям, что для абонентских станций эквивалентно приему помех со всех направлений.

Рис.27

Эффективным способом снижения уровня соканальных помех (по совпадающим частотным каналам) является использование секторных антенн. В секторе направленной антенны сигнал излучается в одну сторону, а уровень излучения — в противоположном направлении сокращается до минимума. Секторизация сот позволяет более часто повторно применять частоты в сотах при одновременном снижении уровня помех.

Модель повторного использования частот в секторизованных сотах включает в себя три соты и три BS (три 120-градусные антенны с формированием девяти групп частот) (рис.28). Самую высокую эффективность использования полосы частот, т.е. наибольшее число абонентов сети в выделенной полосе частот, обеспечивает модель повторного использования частот, включающая две BS. Каждая частота используется дважды в пределах модели, состоящей из четырех BS (рис.29). Каждая из четырех BS в пределах действия шести 60-градусных антенн может работать на 12 группах частот.

Рис.28

Рис.29

В любой ССПС емкость сети зависит от количества каналов связи в соте N, которое, например, для TDMA определяется выражением

N = F/(kf),

где F — полоса частот ССПС; k — коэффициент повторного использования частот; f = Fk / n — эквивалентная полоса частот, приходящаяся на один речевой канал; Fk— полоса частот одного радиоканала; n — число временных позиций в TDMA кадре; F / f — число речевых каналов связи.

Приведем пример расчета для стандарта GSM. Общая полоса частот 25 МГц, полоса частот одного радиоканала 200 кГц, число окон в TDMA кадре 8, эквивалентная полоса частот на один речевой канал 25 кГц, число речевых каналов 1000, коэффициент повторного использования частот 3, число каналов на соту 333 - это очевидно тот максимум , который может быть реализован системой.

В табл.1 приведены значения числа каналов N на соту для ССПС при разных коэффициентах повторного использования частот.

Таблица 1

Сравнивая методы использования частотного ресурса, можно сделать вывод, что сотовые системы имеют большие возможности в плане повышения спектральной эффективности по сравнению с транкинговыми.

При анализе ССПС, чтобы учесть такие параметры, как абонентский трафик, зона покрытия и использование радиочастотного спектра используется интегральная единица Эрл/МГц/км2. Емкости некоторых систем (в Эрл/МГц/км2): DECT-500; DCS-1800-100; GSM-10; аналоговые ССПС — не более 2.

5. Классификация и стандарты систем связи с подвижными объектами

Схема классификации ССПР приведена на рис.30 (линии, проведенные от «ССПР» в верхней части схемы к обозначениям стандартов в нижней части, попадая в поле того или иного классификационного признака, определяют его принадлежность к нему стандарта).

Организации, формирующих стандарты ССПР: Международный союз электросвязи (МСЭ-ITU), Международная электротехническая комиссия (МЭК-IEC), Европейский институт стандартов в области связи (European Telecommunications Standards Institute — ETSI), Международный консультативный комитет по радиосвязи (Internationale Radiocommunication Consultative Commitee — CCIR), Группа экспертов подвижной связи (Groupe Special Mobile — GSM), Консультативная группа стандартизации кодов почтовой связи (Post Office Code Standardization Advisory Group — POCSAG), Ассоциация промышленности сотовой связи США (CTIA), Ассоциация связи США (Telecommunications Industry Association TIA), Министерство почт и телекоммуникаций Великобритании (Ministry of Post and Telecommunication), Министерство почт и связи Японии, Комитет по стандартам японского центра исследований и развития систем радиосвязи (RCR).

Классификация по способам использования частотного ресурса, способам передачи речевого сообщения, многостанционному доступу, способу поиска свободного канала рассмотрены выше. Остановимся на классификации ССПР по назначению.

Рис.30

По назначению ССПР делят на профессиональные, персонального вызова, сотовые, системы беспроводных телефонов общего пользования, системы беспроводного широкополосного доступа.

Профессиональные системы подвижной радиосвязи PMR (Private Mobil Radio), PARM (Public Access Mobil Radio) существуют более 50 лет. Отметим, что с конца 40-х годов прошлого века ведут свой отчет и относящиеся к ним системы технологической радиосвязи на железнодорожном транспорте.

Требования к профессиональным системам: обеспечение связи в заданной зоне обслуживания; высокий уровень вероятности соединения при неизвестном местонахождении подвижного абонента; взаимодействие групп абонентов и циркулярная связь; управление на различных уровнях через центры управления и без них, приоритетное соединение; информационная безопасность.

Для обеспечения совместимости сетей PMR в качестве открытого стандарта был принят разработанный в Великобритании стандарт МРТ 1327, положенный в основу европейских аналоговых транкинговых систем (согласован Великобританией, Францией, Италией, Германией).

Стандарт определяет протоколы сигнализации в сетях PMR и PAMR различных конфигурации и частотных диапазонов, виды вызовов, способ организации связи, содержание и временные характеристики протокола установления соединения. Стандарт не выдвигает требований к характеристикам оборудования, его составу, функциональным возможностям, частотному плану, размещению оборудования, алгоритмам обработки сигналов и работе контроллера.

Общая тенденция развития PMR (переход от аналоговых корпоративных или национальных стандартов к цифровым международным стандартам с обеспечением конфиденциальности связи и роуминга абонентов) нашла отражение в европейском стандарте на транкинговые системы подвижной радиосвязи TETRA (Trans-European Trunked RAdio), разработанного ETSI. Стандарт предусматривает: цифровую передачу речи, данных и пакетную передачу, TDMA (четыре “окна”, разнос радиоканалов 25 кГц), прямую связь абонентов без участия базовых станций.

Системы персонального вызова (СПРВ, Paging Systems) не относятся к системам связи, являясь, как правило, односторонними, но используются в сочетании с ССПР. Еще в 1980 г. в период летних Олимпийских игр в Москве использовались СПРВ Multu Tone диапазона 40 МГц. На железнодорожном транспорте в 70-х годах прошлого века применялась СПРВ “Шлейф” диапазона низких частот. В настоящее время большинство операторов СПРВ используют диапазоны 160 и 460МГц.

СПРВ в наибольшей степени из ССПР подвержены процессу стандартизации, прежде всего, - стандартизации радиоинтерфейса.

С 1978 г. для передачи сообщений по радиоканалу использовался код POCSAG. Развитие сетей СПРВ, увеличение скорости передачи, интеграция национальных сетей СПРВ в международные привели к разработке ETSI европейского стандарта ERMES (European Radio Messaging System). Меморандум о взаимопонимании (MoU) по созданию европейской СПРВ ERMES подписан администрациями связи 16 стран Европы. Первые роуминговые соглашения подписаны в 1995 г.

Фирмой Motorola разработан код FLEX. СПРВ на его основе. объединяют стандарты POCSAG, ERMES, FLEX.

Одним из направлений развития СПРВ является уплотнение сигналов УКВ-ЧМ вещания с использованием кода RDS.

Сотовые системы подвижной связи (ССПС, Celluar Radio Systems) существенно повышают спектральную эффективность и емкость подвижных сетей.

Известны девять основных стандартов аналоговых ССПС – первого поколения ССПС: HCMTS (Япония, 1979г.), NMT-450 (Скандинавия, 1981г.), AMPS(США,1983г.), Radiocom-200 (Франция, 1985 г.), RTMS-101H (Италия, 1985 г.),TAGS (Англия, 1985 г.),С-450 (Германия, 1985 г.), ETACS (Англия, 1987г.),NMT-900 (Скандинавия, 1986 г.).

Стандарт NMT-450 использовался в России в качестве федерального. Однако аналоговые ССПС не удовлетворяют современным требованиям из-за недостатков: несовместимость стандартов; ограниченная зона действия; низкое качество связи; отсутствие засекречивания передаваемых сообщений и взаимодействия с цифровыми сетями интегрального обслуживания (ISDN) и пакетной передачи данных (PDN).

В 80-е годы прошлого века появились ССПС второго поколения (цифровые ССПС) - системы стандартов: GSM (общеевропейский, принятый ETSI), D-AMPS (американский, разработанный TIA) и JDC (японский, принятый Министерством почт и связи Японии), которые отличаются своими характеристиками, но построены на единых принципах: макросотовая топология сети, временное разделение каналов и отвечают требованиям современных информационных технологий.

Меморандум о взаимопонимании по созданию европейского цифрового стандарта сотовой подвижной радиосвязи диапазона 900 МГц подписан 17-ю европейскими администрациями связи в 1982 г. Аббревиатура GSM названия на французском языке созданной специальной группы (Groupe Special Mobile) дала название стандарту. В настоящее время GSM понимается как “глобальная система подвижной связи” (Global System for Mobile Communication), поскольку GSM и ее варианты DCS 1800 и PCS 1900 приняты в Европе, Азии, Африке, Австралии и Северной Америке (около 80 стран и 140 операторов).

Стандарт D-AMPS (ADC) разрабатывался с 1987 по 1990 гг. В отличие от Европы Федеральная комиссия связи США не смогла выделить полосу частот в диапазоне 900 МГц. CTIA совместно с TIA приняли решение о совмещении в одной полосе аналоговой ССПС стандарта AMPS и цифровой ССПС с сохранением используемого в AMPS разноса каналов 30 кГц (AMPS) и кодека VSELP (скорость речепреобразования 8 кбит/с).

Первая спецификация TDMA разработана TIA в 1988 г. в соответствии с Техническими требованиями пользователей CTIA и опубликована как стандарт IS-54 на TDMA, предназначенный для увеличения емкости аналоговой ССПС стандарта EIA-53.

Разработка проекта цифрового стандарта США была завершена в 1990 г. Приняты три стандарта: IS-54 — на D-AMPS; IS-55 — на двухмодовую подвижную станцию аналоговой (AMPS) и цифровой (D-AMPS) систем; IS-56 — на базовые станции. Несмотря на то, что D-AMPS не полностью цифровое решение, он используется более 2 млн. абонентами в 14 странах мира.

В 1994г. создается стандарт США IS-136 на полностью цифровую ССПС (усовершенствованный вариант IS-54).

В США, как и в Европе (стандарт DCS 1800), создаются цифровые сети персональной связи (PCS) при переводе стандарта IS-54 в диапазон 1900 МГц. Операторы сетей PCS используют также версию стандарта GSM для диапазона 1900 МГц — DCS-1900 и стандарт CDMA IS-95.

В 1991г. RCR принимает стандарт JDC на цифровую ССПС предусматривающий: диапазоны 800/900 и 1400/1500 МГц, TDMA (три окна, разнос каналов 25 кГц), прямая связь с ISDN, кодек VSELP (скорость речепреобразования 11,2 кбит/с).

Характеристики стандартов цифровых ССПС второго поколения приведены в табл.2.

Таблица 2

Рекомендации Международного союза электросвязи (ITU)IMT-2000(International Mobile Telecommunications - 2000) определили использование частотного спектра и технические особенности семейства стандартов ССПС третьего поколения, пути эволюции стандартов 2-го (2G) поколения в стандарты 3-го (3G) поколения.

Определены пять стандартов мобильной связи третьего поколения для семейства систем IMT-2000 - IFS (IMT-2000 Family of Systems), которые уже на первом этапе развертывания должны обеспечивать скорости передачи для различных степеней мобильности абонента и величины зоны покрытия:

- до 2,048 Мбит/с для стационарных и передвигающихся внутри зданий абонентов (скорость менее 3 км/ч);

- до 384 кбит/с при низкой мобильности (скорость от 3 км/ч до 12 км/ч) и локальной зоне покрытия;

- до 144 кбит/с при высокой мобильности (до 120 км/ч) и широкой зоне покрытия;

- до 64 (144) кбит/с при глобальном покрытии (спутниковая связь).

Примером создания ССПС 3-го поколения может служить IMT-MC-450 (CDMA2000 1x 450) CDMA - технология цифровой связи с кодовым разделением каналов.

Аббревиатура IMT-MC обозначает группу технологий International Mobile Telecom-munications-Multi-Carrier, входящих в семейство стандартов сотовой связи третьего поколения. Эти технологии разрабатывались для усовершенствования существующих цифровых систем сотовой связи с кодовым разделением каналов по стандарту IS-95 (другое название – cdmaOne) с целью довести их параметры до требований 3G с существенным повышением скорости передачи и сохранением совместимостипо используемым частотам с системами cdmaOne, работающими в диапазоне 800 МГц.

Системы беспроводных телефонов (Cordless Telephony СТ) составляют существенную конкуренцию сотовым системам. Создаваемые в начале для резидентного использования (в условиях квартир и офисов) они стали развиваться как системы общего пользования, поддерживающие услуги общего доступа.

Их появление связано с переходом к микросотовой структуре сетей. При радиусе сот несколько сотен метров емкость сети может быть увеличена на порядок по сравнению с использованием макросот.

В системах беспроводных телефонов микросотовая и пикосотовя топологии сетей с радиусом сот до 100 м позволяют обеспечить плотность трафика до 10000 Эрл/км2, что значительно выше, чем в ССПС.

Макросотовая и микросотовая структуры ССПС органически сочетаются. Микросоты обслуживают густонаселенные участки открытых пространств, аэропорты, вокзалы, магазины и т.п., отбирая на себя нагрузку от медленно перемещающихся абонентов, пешеходов и неподвижных автомобилей Микросотовое оборудование развивает оборудование макросотовой базовой станции с управлением единым контроллером.

Принципы построения микросотовых сетей отличаются от макросотовых. К ним относятся отсутствие частотного планирования и “эстафетной передачи” (handover).

Как и аналоговые ССПС, системы СТ первоначально развивались в национальных рамках (70-е годы прошлого века, диапазон 27—50 МГц, дальность 200—300 м).

В 1985 г. СЕРТ разработал стандарт СТ1 на системы СТ диапазона 900 МГц с использованием FDMA.

Впервые микросотовая структура была реализована в системах СТ стандарта СТ2 (Великобритания, полоса частот 864¾868 МГц), DECT (Европа, полоса частот 1880-1900 МГц), СТ2 (Япония, полоса частот 1895-1918 МГц). Она используется в Европе при реализации сетей в рамках концепции персональной связи (PCN) на основе стандарта DCS-1800 (согласованного со стандартом GSM).

Стандарт СТ2 принят за основу при создании системы Telepoint, предназначенной для одночастотной связи подвижных абонентов с абонентами фиксированной телефонной сети (дальностью до 200 м). Концепция Telepoint получила в Европе широкое распространение: система Phonepoint (British Telecom), система Zonephone (Ferranti,Великобритания), служба Birdie (Германия).

Для совместной работы абонентских аппаратов в различных системах типа Telepoint 10 стран Европы приняли единый стандарт CAI (Common Air Iinterface) — общий радиоинтерфейс. Протоколы CAI приняты ETSI и получили обозначение ETS-300.131. Основой стандарта CAI явилась спецификация MPT 1375 (1989г., Департамент торговли и промышленности Великобритании).

В 1992 г. ETSI принял стандарт ETS-300.175 на европейскую систему беспроводных телефонов DECT, предназначенную для передачи речевых сообщений и данных. В стандарте DECT используется TDMA/TDD, как и в GSM, предусматривается связь с ISDN, подключение к абонентскому аппарату терминала ввода данных, применение интеллектуальных абонентских карт. Первая система цифровых СТ - PRE-DECT или DCT-900 (Ericsson, Швеция).

Внедрение единых технологий и стандартов ограничивает несовместимость спектра, выделенного в Европе, США и Японии.

Европейское Сообщество выделило участки спектра: для стандартов: СТ2 — 864-868 МГц, DECT — 1880-1900 МГц, DCS 1800 — 1700-1880 МГц.

В США Федеральная комиссия связи (FCC) отвела полосу частот 220 МГц в диапазоне 1800-2200 МГц для системы беспроводной связи общего доступа PACS.

Японский центр исследований и разработок систем радиосвязи (RCR) выделил полосу частот в диапазоне 1900 МГц для СТ типа Telepoint - системы персональных портативных телефонов PHS (Personal Handyphone System).

В табл.3 приведены основные характеристики стандартов беспроводных телефонов.

Таблица 3