Цифровые сотовые системы с CDMA.

Системы CDMA, вначале предназначавшиеся для использования в военных целях, находят все более широкое применение при создании сотовых систем, систем персональной радиосвязи PCS и сетей беспроводного доступа абонентов к АТС (WLL).

Преимущества CDMA по сравнению с цифровыми ССПС, использующими TDMA (например, GSM): более высокая емкость системы; меньшая вероятность “блокировки” вызова (отказа в соединении абонентов); уменьшение мощности излучения и потребляемой мощности; сокращение количества базовых станций при охвате той же территории; снижение расходов на аренду земли и зданий.

CDMA упрощает планирование системы, так как позволяет повторное использование одной и той же частоты в каждом секторе каждой соты, а также обеспечивает более широкую зону покрытия по сравнению с системами TDMA (меньшее количество сот).

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

Эта технология развивает ССПС с кодовым разделением каналов по стандарту IS-95 (Сdma One) с целью приведения ее параметров в соответствие с требованиями 3G.

В системах Сdma One для передачи сигналов используются радиоканалы с шириной полосы 1,25 МГц и повышение скорости передачи первоначально планировалось за счет расширения полосы частот параллельным использованием нескольких (трех и более) радиоканалов. Отсюда в названии технологии появилось словосочетание “Multi-Carrier” – многочастотная.

Но необходимые скорости передачи можно обеспечить и на одной частоте при использовании более совершенных систем кодирования и модуляции. Стандарт, описывающий это решение, получил название CDMA2000 1x RTT, где элемент “1x” указывал на использование одного типового радиоканала шириной 1,25 МГц. При сохранении совместимости с СdmaOne эта технология обеспечила повышение скорости передачи данных до 153 кбит/с. На основе этого стандарта компания Lucent Technologies создала модификацию для диапазона 450 МГц - IMT-MC-450 или CDMA2000 1x 450.

Изначально Сdma2000 (IMT-MC) разделили на две фазы - 1X и 3X. К первой фазе применяется название IS-95C. Вторую позже назвали 1X-EV (evolution), разделив на две фазы:

- cdma2000 1X EV-DO (1x EVolution-Data Only) - “эволюция 1x для передачи только данных” ( скорости до 2,4 Мбит/с);

- cdma2000 1X EV-DV (1x EVolutio-Data and Voice) - “эволюция 1x – данные и речь” (скорости до 5 Мбит/с).

Стандарт cdma2000 1X EV-DO (принятый TIA в 2000 г.) иначе называют стандартом д 3G IMT-MC. Стандарт 1xEV-DV полностью соответствует всем требованиям 3G.

Системы IMT-MC-450 находят применение на железнодорожном транспорте, в частности, в системах управления движением поездов.

6. Системы беспроводного широкополосного доступа

Базовыми стандартами систем широкополосного беспроводного доступа являются стандарт IEEE 802.11 (Radio-Ethernet, Wi-Fi) и стандарт IEEE 802.16, (WiMAX).

Эти стандарты применяются в сетях третьего (3G) и четвертого (4G, IEEE 802.16) поколений, отличающихся от сетей второго поколения 2G (например, GSM) и переходного поколения 2,5G ( например, GPRS) гораздо большей скоростью передачи и более широким набором предоставляемых услуг, высокого качества.

Системы беспроводного широкополосного доступа, как элемент интегрированных телекоммуникационные сети, сочетающих различные виды трафика являются достаточно эффективным решением для сетей железнодорожного транспорта, метрополитенов, монорельсовых транспортных систем и т.д.

Степень эффективности увеличивает совместное использование технологии Radio-Ethernet и технологии излучающих кабелей, которые обеспечивают расширение зоны уверенного приема в условиях, не способствующих распространению радиоволн: в метрополитенах, шахтах, транспортных туннелях, металлические судах, сооружениях с металлическим каркасом и т.п. (рис.8).

Рис.8

Преимущество излучающих кабелей и в том, что из-за излучения маломощного сигнала, уменьшается взаимное влияние с близлежащими системами на тех же частотах, что позволяет многократно использовать частотный диапазон.

Излучающие кабели используются в широком частотном диапазоне и могут применяться для расширения зоны приема для многих телекоммуникационных систем железнодорожного транспорта.

Сочетание технологии Radio-Ethernet и технологии излучающих кабелей находят применение в системах связи Нью-Йоркского метро, Лондонского подземного транспорта, Пекинской транспортной системе.

Оно нашло применение и в системах связи Московской монорелсовой транспортной системы и Бутовской линии Московского метрополитена.

В качестве других приложений можно отметить системы мониторинга за пациентами в больничных комплексах, обеспечивающие свободу передвижения, системы записи данных вдоль скоростных магистралей и системы связи на судах и буровых платформах.

Стандартом IEEE 802.11 определен подуровень протокола управления доступом к среде MAC (Medium Accsess Control - нижний подуровень канального уровня), взаимодействующий с тремя типами протоколов физического уровня различных технологий передачи – по радиоканалам в диапазоне 2,4 ГГц с широкополосной модуляцией с прямым расширением спектра (DSSS) и перескоком частоты (FHSS) , а также с помощью инфракрасного излучения. Предусмотрены два значения скорости передачи данных - 1 и 2 Мбит/с.

В основу стандарта 802.11 положена сотовая архитектура, причем сеть может состоять как из одной, так и нескольких ячеек. Каждая сота управляется базовой станцией, называемой точкой доступа (Access Point, AP), которая вместе с находящимися в пределах радиуса ее действия рабочими станциями пользователей образует базовую зону обслуживания (Basic Service Set, BSS) Точки доступа многосотовой сети взаимодействуют между собой через распределительную систему (Distribution System, DS), представляющую собой эквивалент магистрального сегмента кабельных ЛС. Вся инфраструктура, включающая точки доступа и распределительную систему образует расширенную зону обслуживания (Extended Service Set).

Стандартом предусмотрен также односотовый вариант беспроводной сети, который может быть реализован и без точки доступа, при этом часть ее функций выполняются непосредственно рабочими станциями.

В качестве примера реализации точки доступа сети, отвечающей стандарту IEEE 802.11b со скоро­стью передачи данных 11 Мбит/с рассмотрим точку доступа ORINOCO АР-1000, которая имеет двухслотовую архитектуру и имеет возможность поддержки встроенным портом 100-ме­габитного Ethernet.

Точка доступа АР-1000 обеспечивает:

- переход на новые радиотехнологии, осуществляемый заменой радиокарты:

-удвоение сетевой ёмкости за счет при­менения двух радиокарт с возможностью работы каждой из них на разных частотах;

- невысокие затраты на сетевое управление (программное обес­печение, ра­ботающее в среде Windows и ис­пользующее протокол SNMP);

- защиту от несанкционирован­ного доступа.

Характеристики точки доступа АР-1000 представлены в табл.7.

Таблица 7

Метод доступа к общему каналу коллизионный, но, в отличие от кабельного Ethernet, в Radio-Ethernet имеется фаза предварительного резервирования канала и коллизии абонентов допускаются только при резервировании (когда идет “соревнование” за занятие канала), а в процессе передачи данных коллизии невозможны. Такой метод называется CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance).

Стандартом предусматриваются варианты топологиисети: “точка-точка”, “точка-многоточка”, “каждый с каждым”.

Целый ряд задач, связанных с автоматизацией производственных и транспортных процессов требует сбора информации мобильными абонентами и высокоскоростной ее передачи на удаленный сервер. При этом положение мобильного абонента может быть произвольным в пределах фиксированной производственной зоны. Для реализации подобных сетей целесообразно использовать точки доступа, подключенные к стационарной сети предприятия (например, аэропорта (рис.9) или морского порта (рис.10)) в количестве, обеспечивающем радиопокрытие требуемой площади, и беспроводные сетевые адаптеры с интерфейсом PC card, ISA или PCI, в зависимости от наличия соответствующего интерфейса в компьютере мобильного абонента.

Рис.9

Рис.10

Стандарт IEEE 802.16 может решать задачи, возникающие при асимметричном трафиком, которые ранее решались путем заказа выделенных линий. Внедрение стандарта позволяет отказаться от выделенных каналов, используя исключительно беспроводными средствами.

Продвижением стандарта 802.16 занимается консорциум WiMAX (World Interoperability for Microwave Access), куда входят Fujitsu, Intel и Nokia.

Для потребностей железнодорожного транспорта наибольший интерес представляет стандарт 802.16е предназначенный для мобильных систем, что находит отражение в ряде испытаний на железных дорогах страны.

Стандартный полнодуплексный канал базовой станции может иметь пропускную способность 75 Мбит/с. Такой канал обеспечивает до 60 соединений Т1 и сотни соединений с абонентами, использующими DSL-подключения (при полосе 20 МГц). В последнем случае обеспечиваются качество обслуживания (QoS) на уровне “наилучшего возможного” и минимальные задержки, что важно при передаче речи (например, в режиме VoIP). Схема взаимодействия радиосетей в случае использования стандарта IEEE 802.16 показана на рис.11.

Рис.11

WiMAX в версии IEEE 802.16-2004 обеспечивает широкополосную связь на площади радиусом более 30 км с пропускной способностью, сравнимой с кабельными соединениями - до 10 Мбит/c и более в условиях плотной городской застройки, обеспечивая высокое качество связи и скорость передачи данных.

Оборудование сетей WiMAX функционирует в нескольких частотных каналах шириной 10 МГц в пределах диапазона 2 ГГц - 11 ГГц.

WiMAX, позволяет обеспечить доступ в Интернет со скоростью сетей класса T1, с производительностью и покрытием, гораздо большими по сравнению с сетями Wi-Fi. Продолжением "магистральных веток" WiMAX становятся локальные сети Wi-Fi.

Стандарт 802.16 предусматривают дальность действия до 50 километров, покрытие с возможностью работы вне прямой зоны видимости, в перспективе – пиковую скорость обмена данными до 70 Мбит/с на сектор одной базовой станции при том, что типовая базовая станция имеет до 6 секторов покрытия (рис.12).

Рис.12

Рассмотрим функциональные возможности сетей беспроводного широкополосного доступа (СБШД) на железнодорожных станциях на примере сети 4G (стандарта IEEE 802.16.e) » диапазона 1,26‑1,35 ГГц со скоростью от 10 до 64 МБит/с в режиме дуплекса.

С учетом мировых тенденций СБШД на железнодорожных станциях должна основываться на принципах:

- комплексности, унификации и совместимости проектных, технических и технологических решений;

- открытости архитектуры построения;

- обеспечения стандартных интерфейсов и протоколов;

- обеспечения двухсторонней высокоскоростной цифровой передачи данных;

- комплексного подхода к обеспечению безопасности связи и информационной безопасности сети;

- обеспечения централизованного мониторинга сети;

-обеспечения круглосуточного сервисного обслуживания оборудования;

- поэтапного создания и вводасети в эксплуатацию.

Актуальность создания СБШД обусловлена существующей потребностью в высокоскоростной беспроводной передаче больших объемов информации для обеспечения деятельности служб и предприятий железнодорожного транспорта.

СБШД на территории железнодорожных станций обеспечивает управление мобильными объектами, санкционированный высокоскоростной беспроводный доступ стационарных и мобильных пользователей к необходимым информационным ресурсам, высокоскоростную беспроводную передачу видеоинформации в режиме реального времени, а также телеметрии, решение задач обеспечения безопасности движения поездов.

Создание СБШД завершает интеграцию автоматизированных систем управления и связи, обеспечивая скоростную передачу информации по интегрированной транспортной среде, включающей каналы магистральной цифровой сети связи (МЦСС) железнодорожного транспорта.

СБШД решает задачи:

- дистанционного адресного управления мобильными абонентами на железнодорожной станции с осуществлением двухстороннего цифрового радиообмена;

- санкционированного высокоскоростного беспроводного адресного радиодоступа стационарных и мобильных пользователей железнодорожных служб к необходимым информационным ресурсам;

- высокоскоростной беспроводной передачи видеоинформации в режиме реального времени с мобильных и стационарных объектов железнодорожного транспорта;

- высокоскоростной беспроводной адресной передачи телеметрии и диагностической информации в режиме реального времени с мобильных и стационарных объектов;

- обеспечения «коврового» поля на территории железнодорожной станции);

- обеспечения необходимых интерфейсов со взаимодействующими информационными системами и системами управления;

- обеспечения архивирования системных событий и т.п.

Центр управления СБШД создается один в пределах железнодорожного узла. Он предназначен для поддержания требуемого режима работы сети, осуществления ее централизованного мониторинга и администрирования, контроля работоспособности аппаратно-технических и программных средств. Эксплуатация центра управления СБШД осуществляется оператором сети.

Базовые стационарные радиосредства СБШД включают приемо-передающие станции, образующие сотовую инфраструктуру и обеспечивающие поле с требуемыми характеристиками. Эксплуатация базовых стационарных радиосредств осуществляется оператором сети.

Опорные каналы связи СБШД используют волоконно-оптические линии с пропускной способностью не менее 100 МБит/с.

В качестве коммуникационного оборудования опорной сети СБШД используется оборудование аппаратного ряда, использованного при построении МЦСС.

Эксплуатация опорных каналов и коммуникационного оборудования осуществляется оператором сети с привлечением специализированных организаций.

Оборудование пользователей СБШД включает стационарное оборудование, устанавливаемое в помещениях дежурных по станциям (ДСП), диспетчерских службах, центрах управления служб и подразделений пользователей, абонентское оборудование пользователей СБШД.

Эксплуатация оборудования пользователей сети должно осуществляться пользователями с привлечением, при необходимости оператора сети и специализированных организаций.

Возможно совмещение СБШД с системами НАВСТАР и ГЛОНАСС.

7. Системы персонального радиовызова

Система персонального радиовызова (СПРВ) — пейджинговая система предназначена для организации односторонней подвижной связи, для передачи оперативной информации на миниатюрные приемники (пейджеры). Эти системы имеют значительные преимущества в использовании частотного спектра, обслуживают большое число абонентов, пейджер имеет небольшие размеры и массу и не мешает абоненту выполнять основные производственный функции.

Системы персонального радиовызова могут выполняться в виде так называемых “петлевых” систем, состоящих из центрального устройства с передатчиком, работающим в диапазоне сверхдлинных волн (30-200 кГц), и антенны (шлейфа), располагаемой по периметру зоны обслуживания в виде петли, подключенной к передатчику. Внутри петли возможен прием на абонентский приемник. Именно так устроена система индуктивной парковой связи “Шлейф” (и ряд других индуктивных систем), разработанная для железнодорожного транспорта в 70-х годах прошлого века. Однако большинство современных СПРВ работают в диапазонах ультракоротких волн (прежде всего в диапазоне 160 МГц, хотя существуют СПРВ диапазона 450 МГц).

Современные СПРВ можно разделить на локальные, городские, региональные.

Локальные пейджинговые системы предназначены для организации связи внутри зданий и на прилегающих к ним территориях (гостиницы, больницы, аэропорты и т. п.). Они позволяют быстро передать информацию сотруднику независимо от его местонахождения, что намного повышает эффективность работы. Пейджинговый терминал управляет маломощным передатчиком с выходной мощностью до 5 Вт (иногда терминал и передатчик объединяют в одном корпусе). Для ввода сообщений в простейших моделях терминалов используют встроенную клавиатуру. Более совершенные модели позволяют подключать персональный компьютер. Все оборудование располагают у секретаря или диспетчера.

Городские пейджинговые системы. Основное отличие от локальных — больший радиус действия (десятки километров) и большее число абонентов (несколько тысяч). Как правило, это коммерческие системы, хотя до такого уровня могут вырасти и ведомственные системы крупных предприятий. Выходная мощность передатчиков 150—300 Вт. Используются эффективные антенны с большой высотой установки. Сообщения принимаются операторами по телефону и вводятся при помощи пультов, связанных между собой локальной сетью. Специальное программное обеспечение сопровождает передачу сообщений на терминал. Система может иметь специальные входы для автоматической отправки сообщений донабором DTMF без оператора, приема сообщений по электронной почте или связи с другими такими же системами.

Региональные пейджинговые системы. Городские системы достаточно просты, поскольку содержат один передатчик. Для создания такой системы, кроме основного оборудования, необходимо наличие помещений, телефонных линий в операторской и одного канала связи (физической пары или канала ТЧ) для управления передатчиком. Основной проблемой при построении многозоновой системы является интерференция сигналов соседних передатчиков. Для устранения этого эффекта применяется либо синхронное вещание (simulcast-системы), либо временное разделение.

СПРВ нашли применение на железнодорожном транспорте. В 1994 г. Центральная станция связи МПС России начала предо­ставление услуг пейджинговой связи. Радиус действия в Москве и Подмосковье составил более 100 км (вступление в действие передаю­щего центра в Барыбино расширило зону приема в этом районе на 30-40 км).

В настоящее время применение СПРВ на железнодорожном транспорте стало менее актуальным в связи с широким внедрением ССПС со службами коротких сообщений (Short Message Service – SMS).

CПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Горелов Г.В., Кудряшов В.А., Шмытинский В.В. и др. Телекоммуникационные технологии на железнодорожном транспорте, Под ред.Г.В.Горелова.М.УМК МПС России, 1999 г.

2. Горелов Г.В., Таныгин Ю.И. Радиосвязь с подвижными объектами железнодорожного транспорта. «Маршрут» М.2006.

3. Горелов Г.В. Сопоставление оценок числа каналов в сотовой сети связи.// Инфор­мационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте.-2000-N4 с.12-13.

4. Горелов Г.В. ,Казанский Н.А., Неклюдов А.Б., Артемов А.А. Аналитические модели распределения по территории обслуживания абонентов сотовой системы. Телекоммуникации, №4, 2001. с.27-32.

5. Горелов Г.В., Авдеев М.А., Иванов П.А., Подворный П.В., Смагин О.С. Влияние скорости движения на дальность уверенной радиосвязи. ВКСС-Connect №04, 2005г.

6. Горелов Г.В., Подворный П.В. Оценивание качества обслуживания абонентов сети цифровой технологической радиосвязи. ВКСС-Connect №01, 2005г.

7. Горелов Г.В., Подворный П.В. Технологии беспроводного доступа в телекоммуникационных сетях железнодорожного транспорта. ВКСС-Connect № 02, 2006г.

8. Cеменов Ю.А. Стандарт широкополосной беспроводной связи IEEE 802.16. ГНЦ ИТЭФ http://grouper.ieee.org/groups/802/16/index.html.

9. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи // Технологии I электронных коммуникаций. Том 67. М.: Эко-Трендз, 1996.239 с.

10. Савонин В.Н., Моисеев С.В. Транкинговые системы связи на железных дорогах. // Автоматика, телемеханика и связь, 1996, № 4. С. 14—16.

11. Маковеева М.М.,Шинаков Ю.С. «Системы связи с подвижными объектами» «Радио и связь» М.2002, 440 с.

12. Ицкович Б.С. Железные дороги переходят на «цифру». ВКСС-Connect № 07, 2003г.

13. Уоткинс М. Новый стандарт цифровой мобильной радиосвязи для железных дорог Европы. Железные дороги мира, 2000г., №7

14. Arms J.-Ch. Signal und Draht. 1999. № 12, стр. 17-19 (Испытание системы управления движением поездов на базе радиосвязи. Железные дороги мира. №04, 2000г.)

15. Журавлев А. GSM-R – мобильная радиосвязь для железных дорог. ALcom ELECTRONICS №9, 2005г.

16. Description of the TOMSON-CSP Speech Coder for TETRA Standardisation. ETSI/STC REC 6.5 (94) 26 rev.1

17. Armando Annunziato and Davide Sorbara, TETRA radio performance evaluated via the software package TETRASIM, Mobile Networks and Applications №5, 2000.- С. 17–26.

18. Шельгов В.И. Новое в технологии TETRA, М.:. Сети и системы связи, №5, 2004.- С. 68-72.

19. Шельгов В.И. Новинки всемирного TETRA-конгресса, М.: Сети и системы связи, №4, 2005.- С. 81-84.

20. Евстратов Г.Н. Некоторые аспекты построения сетей IMT-MC-450 в России. 08.04.2004 Информационный портал CDMA.ru

21. IEEE 802.11a-1999: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications: High Speed Physical Layer in the 5 GHz Band, http://standards.ieee.org/reading/ieee/ std/lanman, select 802.11a-1999.pdf .

22. Беспроводные сети и системы связи – Стандарт IEEE 802.16 http://si.ibs.ru