Основы построения телекоммуникационных систем и сетей

Глава 10. Системы связи с подвижными объектами

назад | вперёд

 

10.1. Введение

В последние два десятилетия мы являемся свидетелями бурного развития систем и сетей связи с подвижными объектами. В первую очередь здесь следует назвать системы и сети персональной связи, сотовые наземные системы общего пользования, спутниковые системы связи. В течение первого десятилетия с начала 80-х годов были разработаны, практически построены и введены в коммерческую эксплуатацию аналоговые системы первого поколения. Принято считать, что первая сотовая сеть связи общего пользования начала работать в Японии в 1979 г. Коммерческая эксплуатация аналогичной сети в скандинавских странах начата в 1981 г., в США - в 1983 г.

В течение 90-х годов было создано и введено в эксплуатацию второе поколение цифровых систем и сетей связи с подвижными объектами. По имеющимся данным число мобильных телефонов в мире в 2004 г. превысило число стационарных. В настоящее время ведутся активные исследования и разработки технологии аналогичных систем третьего и четвертого поколений, которые войдут в нашу жизнь в этом тысячелетии.

Характерной особенностью систем второго и третьего поколений является стремление разработчиков обеспечить потребителю максимально широкий набор услуг, начиная от передачи очень коротких цифро-буквенных сообщений и даже просто звуковых сиг­налов вызова до передачи движущихся изображений и предоставления возможности мобильного доступа к обширным базам данных в глобальном масштабе. Эта цель может быть успешно достигнута при одном обязательном условии: системы и сети должны обладать большой пропускной способностью, обеспечивать передачу цифровых данных с высокой скоростью вплоть до нескольких мегабит в секунду. Это означает, что разработчики подобных систем должны обеспечить практическую реализацию потенциальных возможностей используемых в технике связи физических явлений и принципов.

В общем случае, согласно классификации по рекомендациям МСЭ, подвижные службы и службы радиоопределения разделяют на:

    · сухопутную подвижную службу,  за исключением  подвижных систем электросвязи общего пользования IMT-2000;
    · систему IMT-2000;
    · морскую и авиационную подвижные службы;
    · службу радиоопределения;
    · подвижные спутниковые службы и спутниковые службы радиоопределения.

Сухопутная подвижная служба охватывает:

    · беспроводные телефоны и беспроводные системы связи;
    · сотовые сухопутные подвижные системы электросвязи (ССПСЭ);
    · системы транкинговой радиосвязи.

В марте 1994 г. на Первой всемирной конференции по развитию электросвязи, проводимой МСЭ, была заявлена идея создания глобальной информационной инфраструктуры (ГИИ) для формирования глобального информационного сообщества (ГИС). «Улучшить жизнь каждого человека, дав ему новые услуги. Создать необходимую инфраструктуру для экономического роста» - так определены основные цели создания ГИИ. Для ГИИ сформулированы общие принципы концепции, выделены главные направления развития и сделаны определённые шаги по реализации. Созданы региональные и глобальные сообщества и инфраструктуры. В развитых странах образуются национальные информационные структуры с четкой ориентацией на развитие ГИС. В июле 2000 г. Россия присоединилась к Хартии глобального информационного сообщества.

Спутниковая связь играет важную роль в создании ГИИ. Для построения глобальной сети электросвязи могут быть задействованы все спутниковые системы связи, пригодные для предоставления услуг электросвязи конечным пользователям. Это фиксированные и подвижные спутниковые службы, широкополосные и узкополосные, глобальные и региональные, существующие и запланированные. Все они могут быть объединены в рамках глобальной персональной подвижной спутниковой связи. Ведущую роль здесь играют спутниковые сети, предназначенные для глобального или регионального охвата абонентов, использующих портативные переносные терминалы.

Сотовые сухопутные подвижные системы электросвязи подразделяют по поколениям. Первое поколение – это системы аналоговых стандартов. Второе поколение представлено системами цифровых стандартов. Наконец, IMT-2000 рассматривается сегодня как стандарт подвижной системы электросвязи третьего поколения. Примеры стандартов приведены в табл. 10.1.

Таблица 10.1.

Стандарт

Полное наименование стандарта

Диапазон частот, МГц

Год ввода

Аналоговые стандарты

NMT 450

Nordic Mobile Telephony

450

1981

AMPS

Advanced Mobile Phone System

800

1983

TACS

Total Access Communication System

900

1985

NMT-900

Nordic Mobile Telephony

900

1986

Цифровые стандарты

GSM-900

Global System for Mobile Communication

900

1991

D-AMPS

Advanced Mobile Phone Service

800 и 1800

1991

DCS-1800

Digital Cellular System

1800

1992

PDC

Personal Digital Cellular

800/900 и 1500

1994

CDMA

Code Division Multiple Access

800 и 1800

1995

Для нашего времени характерно широкое распространение систем второго поколения и активное внедрение систем третьего поколения. Системы первого поколения постепенно снимаются с эксплуатации.

На рис.10.1 представлена классификация сетей подвижной связи Российской. В них включены наземные и спутниковые сети подвижной связи общего пользования, с помощью которых абонентам сети предоставляются различные услуги электросвязи, включая связь с абонентами телефонной сети общего пользования (ТФОП). Абоненты получают доступ в свою сеть с помощью подвижных абонентских терминалов, которые будем называть абонентскими станциями (АС), по радиоканалу между АС и базовой станцией (БС). Так организована сеть доступа. Между БС создается транспортная сеть с помощью радиолиний или кабельных линий связи. Сети доступа и транспортные сети вместе образуют сеть подвижной связи.

Взаимодействие с ТФОП возможно на любом иерархическом уровне: местном, внутризоновом и междугородном.

Наземные сети подвижной связи рассматриваются как основа сетей подвижной связи общего пользования. В тех регионах РФ, где возможен доступ одновременно в обе сети (наземные и спутниковые), абоненту преимущественно предоставляется канал связи через наземную сеть, а при выходе из зоны обслуживания наземной сети – через спутниковую сеть.


Рис. 10.1. Классификация сетей подвижной связи Российской Федерации

Спутниковые сети подвижной связи в первую очередь должны предоставлять услуги международной и междугородной связи. При этом спутниковые сети также могут поддерживать внутризоновую и местную связь. Спутниковые сети подвижной связи РФ классифицированы по видам используемых орбит искусственных спутников Земли (ИСЗ).

Наземные сети разделяют на федеральные и региональные. На основе аналогового стандарта NMT-450 и цифрового стандарта GSM-900, которые были приняты в качестве федеральных, в РФ организованы две федеральные сети. Абоненты этих сетей могут связываться друг с другом через ТФОП.

Нижняя строчка рис.10.1 отражает классификацию сетей по методу территориального планирования. Федеральные стандарты используют сотовый принцип деления территории.

Региональные сети рассматриваются как дополнение или временное замещение федеральных сетей, но при условии, что они не будут сдерживать развитие последних. Каждая региональная сеть обслуживает только своих абонентов.

В качестве региональных выступают сотовые сети стандартов AMPS/D-AMPS, радиальные и радиально-зоновые сети, включая транкинговые. Несколько радиальных линий связи можно объединить через центральную коммутационную станцию в радиально-зоновую структуру. Транкинговая сеть организуется на базе специальных систем радиосвязи, обеспечивающих многостанционный доступ к небольшому числу радиоканалов с ограниченным выходом в ТФОП либо без выхода в эту сеть, и используется в первую очередь для обслуживания абонентов ведомственных сетей.

К региональным наземным сетям относятся также сети персонального радиовызова (СПРВ). Персональный радиовызов (пейджинг) – это услуга электросвязи, заключающаяся в односторонней передаче коротких сообщений на ограниченной территории по радиоканалу. Региональные СПРВ должны включаться в ТФОП на местном уровне. Региональные СПРВ могут быть объединены в федеральные. Существуют стандарты для общеевропейской СПРВ.

В рассматриваемую классификацию сетей подвижной радиосвязи не включены беспроводные телефоны и беспроводные системы электросвязи - сухопутные подвижные службы, обеспечивающие связь в радиусе нескольких сотен метров. В беспроводных системах используется микросотовая и пикосотовая структура. Одна из основных областей их применения - это организация сети доступа для расширения возможностей сотовой региональной и федеральной сети.

Сотовые структуры принято классифицировать по размерам сот: макросотовые с радиусом R < 500 м, микросотовые с радиусом 100 м ≤ R ≤ 500 м и пикосотовые, для которых радиус R < 100 м.

Согласно концепции развития в России сотовых систем подвижной связи общего пользования на период до 2010 г., приоритетным направлением развития являются федеральные сети. Предполагается, что региональные аналого-цифровые сети стандарта AMPS/ D-AMPS будут существовать только до 2010 года.

Основные услуги, предоставляемые абоненту в сетях подвижной связи, подразделяются на два типа: транспортные услуги и услуги связи.

Конкретно набор возможных услуг любого типа определяется стандартом. Так, транспортные услуги для систем второго поколения, как правило, включают: передачу речи; синхронную, асинхронную и пакетную передачи данных со скоростью не выше 9,6 кбит/с и др.

В системах второго поколения пользователю могут быть предоставлены основные и дополнительные услуги связи. Основные услуги связи: телефонная связь, экстренные вызовы, передача коротких сообщений, факсимильная связь. Услуга экстренного вызова позволяет устанавливать абонентской станции речевую связь с ближайшим центром экстренной службы. К дополнительным услугам связи относятся:

    · услуги по распознаванию номера;
    · переадресация и перенаправление вызова;
    · услуги завершения связи (вызов на удержании, вызов с ожиданием и т.п.);
    · конференц-связь;
    · услуги по учету стоимости переговоров;
    · услуги группового соединения;
    · услуги по ограничению вызовов и др.

В условиях конкурентной борьбы за абонента операторы круп­ных сетей стараются внедрять новые услуги. В последнее время была введена такая услуга, как подключение абонента на условиях предоплаты, услуга WAP – доступ в сеть Интернет непосредственно с мобильного терминала.

Качественную передачу информационных сигналов в сетях подвижной связи обеспечивает ее собственная система управления. Информация, служащая для управления системой, называется сигнальной информацией. В качестве эталонной системы для передачи сигнальной информации используется эталонная модель OSI (Open System Interconnection – открытая система взаимных соединений). В этом контексте открытой называется система, которая может взаимодействовать с другими в соответствии с заранее определенными протоколами. Модель задает набор стандартных процедур, устанавливающих правила обмена сигнальной информацией между терминалами, процессорами, сетями. Благодаря взаимному использованию этих процедур каждая система оказывается открытой для других систем.

Для управления сетями подвижной связи используют систему общеканальной сигнализации ОКС 7, которая разработана и развивается в соответствии с эталонной моделью OSI. Система ОКС 7 содержит подсистему сетевых услуг и подсистемы пользователя, различные для разных стандартов.

10.2. Общие принципы построения сотовой сухопутной подвижной системы электросвязи

Основные понятия. Главные элементы сотовой сухопутной подвижной системы электросвязи (ССПСЭ) – это центр коммутации подвижной службы (ЦКПС), а также станции (БС и АС). Все БС соединены со своим ЦКПС стационарными линиями связи (кабельными, радиорелейными и др.), а асе ЦКПС сети – стационарными линиями с транзитными коммутаторами ТФОП и обмениваются информацией по общему каналу сигнализации ОКС 7.

Сотовые сухопутные подвижные системы электросвязи строят на основе частотно-территориальных планов (ЧТП). При составлении ЧТП обслуживаемую территорию разделяют между базовыми станциями. Если на БС используется всенаправленная антенна, то граница территории, которую обслуживает одна БС, – окружность, в центре которой располагается БС (рис.10.2, а). Границы трех соседних окружностей пересекаются в одной точке. Соединив точки пересечения окружностей, уточним границы территории, которую обслуживает каждая БС. Получается шестиугольник – сота.

Итак, сота – это территория, обслуживаемая одной БС при всенаправленных антеннах. Каждая БС поддерживает радиосвязь с абонентскими станциями, находящимися в своей соте. Во избежание взаимных помех, соседние БС работают на разных частотах. Каждой соте присваивается частотная группа и для всей ССПСЭ составляется частотно-территориальный план.

Основой ЧТП является кластер. Кластер образован совокупностью соседних сот, в которых используются разные частотные группы. Частотные группы внутри кластера не повторяются. Число таких сот в кластере называется его размерностью. Все частотные каналы системы делят между БС, входящими в один кластер.

На рис.10.2 показаны фрагменты сотовых структур, построенных на базе кластера размерностью 3 (Nкл =3). Цифрами на рис.10.2,а обозначены частотные группы.

                                                              а                                                            б

Рис. 10.2. Сотовые структуры: а – регулярная; б – секторная

Сотовая структура может быть двух типов:

    • регулярная, использующая всенаправленные антенны (рис.10.2, а);
    • секторная на основе направленных антенн (рис.10.2 , б).

В качестве направленных антенн на БС используются секторные антенны. Получили распространение секторные антенны с шириной главного лепестка ДНА (a), равной 60, 90 или 120°. На рис.10.2,б показаны соты с секторными антеннами при a = 120°. В этом случае сота делится на три сектора А, В, С. В каждом секторе устанавливается своя БС, причем в центре соты. Каждая БС работает на своей частоте. Частотные группы обозначены 1А, 1В, ....

Как правило, в центре соты устанавливается несколько антенн. Это может быть три передающие антенны, две – шесть приемных (для разнесенного приема) и две антенны радиорелейных линий (РРЛ). Место размещения БС получило название «сайт» (от англ. site - местоположение).

При шестиугольной соте удобно использовать кластер размерностью 7. В этом случае можно выбрать разные частотные группы в одной центральной соте и шести пограничных сотах. На рис.10.3 приведен фрагмент ЧТП для сети с использованием кластера размерностью 7. Точки соответствуют местам установки базовых станций. Цифрами обозначены номера частотных групп. Утолщенными линиями выделен центральный кластер. Пунктиром показаны пути прихода интерференционных помех на АС, которая находится на границе соты 1 центрального кластера, от БС, работающих на совпадающих частотах. ЧТП составляют так, чтобы уровень интерференционных помех не превышал допустимых значений, что позволяет многократно повторять кластер и реализовать достоинства сотовых систем. Например, если в подвижной системе используется 119 частотных каналов (Nч = 119) и кластер размерностью 7 (Nкл = 7), то число частотных каналов, содержащихся в частотной группе в одной соте, определяется по формуле Nчк = Nкл / Nкл = 119/7 = 17.

Основное достоинство любых сотовых систем – эффективное использование выделенной полосы частот за счет многократного повторения кластера на территории. Такой подход позволяет обслуживать большое число абонентов при ограниченном частотном ресурсе спектра.

В зависимости от радиуса соты r0 различают макросоты с r0≥0,5 км, микросоты с r0<0,5 км и пикосоты, радиусом несколько десятков метров. Макросоты предназначены для обслуживания абонентов в быстро передвигающемся транспорте, микросоты и пикосоты целесообразны при медленном перемещении абонентов. Микросоты были реализованы впервые в системах беспроводных телефонов. Пикосоты служат для обслуживания абонентов в городских районах с большой плотностью населения и в закрытых зонах (подземные гаражи, вокзалы, универмаги).

Область обслуживания ЦКПС разделяется на зоны обслуживания. Например, в стандарте NМТ-450 область обслуживания одного ЦКПС содержит 16 зон, в каждой зоне находится до 128 БС, всего в области обслуживания одного ЦКПС может быть до 1024 БС. Адрес (номер) зоны обслуживания базовая станция непрерывно передает по каналу управления. Этот номер принимается абонентской станцией и записывается в ее память. АС оценивает принимаемый сигнал и при необходимости инициирует процедуру обновления информации о своем местоположении, которое определяется с точностью до зоны, а не до соты. Деление на зоны уменьшает время поиска абонентской станции.


Рис. 10.3. Фрагмент ЧТП с Nкл = 7:
М1-М6 - мешающие базовые станции с частотной группой 1

Ведение абонента. При включении АС выполняется определение ее местоположения и выделение для нее рабочих частот. При пересечении станцией границы соты сеть передает абонента другой БС, при этом на АС производится автоматическая смена рабочих частот. Ведение абонента включает несколько функций. Одна из них – эстафетная передача АС от одной БС к другой при движении абонента с включенной АС. Другая функция – переключение частотных каналов внутри одной соты, например, при поражении сигнала рабочего канала помехой. Наконец, при перегрузке соты ЦКПС может передавать абонентскую станцию другой БС, имеющей свободные частотные каналы. Процедура «ведение абонента» часто называется процедурой эстафетной передачи (ПЭП). Ее называют также хэндовер или хэнд-офф (от англ. handover или амер. hanhd-off). Решение о выполнении ПЭП обычно принимает ЦКПС на основании результатов измерений, сделанных на АС и БС. На станциях измеряются уровни принимаемых сигналов, отношение сигнал-шум в канале и другие параметры. Эти результаты передаются на ЦКПС по каналам управления. Измеренные параметры используются также для регулирования мощности АС.

Роуминг. Если АС находится вне области обслуживания своего ЦКПС, то при ее включении выполняется процедура роуминга. Эта процедура предусматривает определение местоположения АС вне «собственной» зоны обслуживания и предоставление абонентской станции каналов связи при перемещении абонентов в пределах сети. Роуминг возможен между ЦКПС сети и между странами. Роуминг бывает автоматический и заказной.

Каналы трафика и управления.В ССПСЭ предусмотрены две основные категории каналов:

    · каналы трафика (или линейные каналы), предназначенные для передачи речи и данных (англ. аббревиатура ТСН);
    · каналы управления, которые используются для сигнализации и управления, включая ведение абонента (англ. аббревиатура ССН).

Наличие каналов для ведения абонента отличает ССПСЭ от неподвижных систем радиосвязи с сотовой структурой, например от цифровых радиорелейных линий (ЦРРЛ) со структурой «точка – много точек».

Передача сигналов между БС и ЦКПС. Все БС соединены со своим ЦКПС стационарными линиями связи. На рис.10.4 показан фрагмент сети, в которой БС соединены с помощью ЦРРЛ. На каждой БС установлена всенаправленная антенна для связи с АС и две направленные антенны РРЛ. Частоты ЦРРЛ обозначены f1,…,f4.


Рис. 10.4. Фрагмент сети, в которой БС соединены цифровыми радиорелейными линиями


10.3. Функциональные схемы систем связи с подвижными объектами

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

На функциональной схеме ССПСЭ аналогового стандарта (рис.10.5) для каждой АС можно указать опорный центр коммутации (ЦКПС-О), в ОРМ которого зарегистрирована рассматриваемая АС. Когда эта АС оказывается в зоне обслуживания любого другого ЦКПС, сведения о ней записываются в ВРМ. Все такие центры коммутации для рассматриваемого абонента являются ЦКПС визитера (ЦКПС-В).


Рис. 10.5. Функциональная схема ССПСЭ аналогового стандарта

Центр коммутации подвижной службы обеспечивает соединение между абонентами сети, а также выход в ТФОП; отслеживает местоположение АС в своей области обслуживания; управляет процедурой эстафетной передачи АС, а также переключением частотных каналов при нарушении связи из-за помех или неисправностей; выполняет функции центра эксплуатации и технического обслуживания сети; начисляет оплату абонентам. На рис.10.5 показана установленная линия связи между абонентами сети ТФОП и ССПСЭ. В ТФОП показаны местный коммутатор (МК) и транзитные коммутаторы (ТК), ТА – телефонный аппарат. В варианте 1 (сплошные линии) вызов к АС проходит по линии ТА, МК, ТК1, ТК2, ЦКПС-О, ЦКПС-В, БС, АС.

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

Функциональная схема ССПСЭ цифрового стандарта. Рассмотрим ССПСЭ стандарта GSM (рис.10.6). Схема содержит подсистему базовых станций (ПБС); сетевую подсистему (СПС) и подсистему эксплуатации и технического обслуживания (ПЭТО), а также АС. В АС входит абонентское оборудование (АО) и абонентский идентификационный модуль (АИМ) (SIM-карта). Пока не установлен этот модуль, не выполняются соединения АС с вызывающим и вызываемым номером. Подсистема базовых станций содержит: базовые приемопередающие станции (БПС); контроллер БС (КБС) и оборудование транскодирования (ТКО). В составе СПС показаны: ЦКПС, ОРМ, ВРМ, центр аутентификации (ЦА), регистр идентификации оборудования (РИО). ПЭТО содержит центр эксплуатации и технического обслуживания (ЦЭТО) и центр управления сетью (ЦУС). Подсистема базовых станций выполняет функции радиосвязи. Все БС в зоне ПБС соединены линиями связи с контроллером. Каждая БПС обслуживает одну соту. Содержит несколько приемо­передатчиков (до 16) – по одному для каждого частотного канала. Каждой БПС стандарта GSM доступны все 124 частотных канала, что позволяет реализовать метод скачкообразной перестройки частоты в стандарте GSM. Один из способов переключения частоты состоит в переключении модулирующего сигнала на входе передатчика. В этом случае число частот, используемых для скачкообразной перестройки, определяется числом приемопередатчиков БС.

Контроллер БС управляет несколькими БПС. Основное назначение контроллера – правильное распределение радиоканалов между БС и АС и определение необходимости их переключений при передвижении. Другая его задача – управление конфигурацией БПС и загрузка программного обеспечения. Контроллер обеспечивает передачу вызова на АС, контролирует соединения, выполняет согласование скоростей передачи для речи, данных и сигналов вызова, кодирование и декодирование, сигналов. Количество приемопередатчиков, которые может обслужить один контроллер, может быть более 100. Оборудование транскодирования включа­ется между КБС и ЦКПС и служит для согласования скоростей цифровых потоков. В ТКО образуется стандартный первичный цифровой поток (ПЦП) из цифровых сигналов базовых станций. ТКО может размещаться вместе с КБС. Как известно, ПЦП образуют 32 сигнала, каждый со стандартной скоростью 64 кбит/с. Номинальная скорость передачи ПЦП:

В1 = (30 + 2) • 64 = 2048 кбит/с.


Рис. 10.6. Функциональная схема ССПСЭ стандарта GSM

В стандарте GSM скорость передачи сигнала в одном речевом канале В1GSM = 13 кбит/с. В транскодере с помощью добавочных битов эта скорость увеличивается до величины В1TKO = 16 кбит/с. Таким образом в полосе одного канала стандартной ИКМ передают сигналы четырех речевых каналов, всего речевых каналов в транскодере NTKO = 30 • 4 = 120. Оставшиеся два стандартных цифровых канала занимает сигнальная информация. Например, один канал – информация ОКС 7 и один канал – информация управления по протоколу Х.25.

Сетевая подсистема выполняет соединение неподвижных и подвижных пользователей с помощью коммутационных средств и баз данных. В системе стандарта GSM функционально разделены ЦКПС и регистры ОРМ и ВРМ. ЦКПС обеспечивает включение подвижного абонента в общие и выделенные сети связи (через выходы 1, 2, 3). Кроме того, центр выполняет коммутацию радиоканалов, а также обеспечивает непрерывность связи при перемещении АС. Как правило, один ВРМ присоединен к одному ЦКПС. Этот регистр – база данных, временно содержащая информацию о подвижных пользователях, находящихся на территории, которой он управляет. ВРМ по­зволяет правильно определить местоположение АС. Данные о местоположении АС постоянно обновляются. В СПС входят: ЦА – база данных, используемых при аутентификации абонента (ключи и алгоритмы аутентификации и др.) и РИО – база данных, содержащая сведения о подвижных устройствах, позволяющие предотвращать несанкционированное использование АО (угон, кража).

Сотовая сухопутная подвижная система электросвязи стандарта GSM территориально разделяется на зоны действия ЦКПС, которые, в свою очередь, делятся на зоны действия контроллеров БС, называемые зонами местоположения (ЗМ). ЦКПС отслеживает  местоположение АС с помощью регистров. ВРМ позволяет вызывать АС, пока она находится в зоне действия, определенного контроллера. Когда АС перемещается в ЗМ другого контроллера, он ее регистрирует, и в ВРМ записывается новый адрес ЗМ.

Входящие вызовы поступают к ЦКПС* – центру коммутации, обладающему шлюзовой функцией, который по номеру вызываемого абонента находит его ОРМ. Последний обращается к ВРМ, который «находит» АС. Шлюзовой ЦКПС* имеет интерфейс с внешними сетями связи. Здесь, как и в случае аналоговых систем, шлюзовую функцию можно установить для каждого ЦКПС. Все ЦКПС в сети соединены линиями связи (ВОЛС, РРЛ, спутниковыми). На рис.10.6 они показаны двойными линиями.

Подсистема эксплуатации и техобслуживания построена по иерархическому принципу и состоит из центра эксплуатации и технического обслуживания (ЦЭТО) и центра управления сетью (ЦУС). ЦЭТО позволяет выполнять дистанционный контроль, управление элементами сети и конфигурацией сети, техническое обслуживание, целостность и обновление сети, сбор данных по трафику, загрузку программного обеспечения. Пунктирные линии на рис.10.6 указывают основные блоки схемы, которые обслуживает ЦЭТО.

ЦУС организуют для сетей большой площади. Он служит для надзора за сетью в целом, за анализом характеристик и т.п.

Система стандарта GSM подчиняется принципам эталонной модели OSI. Она имеет три общих внутрисистемных интерфейса:

    1) радиоинтерфейс Um между БС и АС;
    2) интерфейс А между ЦКПС и ПБС;
    3) интерфейс Abis между БПС и КБС.

Положение внутрисистемных интерфейсов отражено на рис.10.7. В данном контексте интерфейс – это точка соединения реально существующих устройств. Благодаря данным интерфейсам оператор системы может соединять аппаратуру разных производителей. Информационные потоки, проходящие через один интерфейс, могут принадлежать различным протоколам.

Кроме этих внутрисистемных интерфейсов система GSM имеет интерфейсы между сетью и внешним оборудованием и интерфейсы для выхода во внешние сети: в сети подвижной связи общего пользования, в ТФОП, в цифровые сети с интеграцией служб (ЦСИС) и др.

Функциональная схема ССПСЭ стандарта DCS-1800 аналогична рассмотренной схеме стандарта GSM. Функциональная схема системы стандарта D-AMPS отличается от схемы стандарта GSM только тем, что имеет всего один общий интерфейс - радиоинтерфейс.


Рис. 10.7. Интерфейсы стандарта GSM:
а – радиоинтерфейс Um; б – интерфейс Abis; в – интерфейс A

Транкинговые системы радиосвязи (ТСР) являются развитием систем низовой полудуплексной радиосвязи и по ряду признаков могут быть соотнесены с сотовыми системами связи. В отличие от обычных систем с постоянно закрепленными частотными каналами в ТСР применяется динамическое распределение каналов. Термин транкинг, принятый в сфере профессиональной радиосвязи, означает метод свободного доступа большого числа абонентов к ограниченному числу каналов (пучку, стволу или, по зарубежной терминологии, – транку). Поскольку в какой-либо момент времени не все абоненты активны, необходимое число каналов значительно меньше общего числа абонентов.

Когда радиоабонент транкинговой системы осуществляет вызов, система назначает ему один из имеющихся свободных каналов. При этом статистика активности обычно такова, что небольшого количества выделенных каналов достаточно для обслуживания значительного числа абонентов.

В отличие от обычных систем радиосвязи ТСР характеризуются следующими признаками:

    • экономное использование радиоспектра;
    • наличие одной или нескольких базовой радиостанций и системы управления;
    • возможность выхода в другие сети, в частности в телефонную сеть общего пользования;
    • увеличение зоны обслуживания путем создания многозоновой сети;
    • передача данных и телеметрической информации;
    • множество сервисных возможностей.

Перечисленные выше признаки характерны и для сотовых систем связи.

Однако в отличие от сото­вых транкинговые системы в первую очередь ориентированы на задачи, связанные с оперативным управлением. Список потребителей здесь чрезвычайно широк – подразделения железных и автомобильных дорог, предприятия энергетического комплекса, администрации всех уровней, учреждения городского хозяйства, правоохранительные органы, отряды МЧС, коммерческие структуры и т.д.

В сравнении с сотовыми системами к преимуществам ТСР, позволяющим отдать им предпочтение при организации оперативной связи, следует отнести:

    • гибкую систему вызовов – индивидуальный, групповой, вещательный, приоритетный, аварийный и др.;
    • гибкую систему нумерации – от коротких двух- или трехзначных до полноценных городских номеров;
    • малое время установления соединения – менее секунды, против нескольких секунд в сотовых системах;
    • возможность работы в группе;
    • наличие (в ряде систем) режима непосредственной связи между двумя абонентскими радиостанциями без участия базовой;
    • экономичность – по стоимости оборудования и по эксплуатационным расходам ТСР в несколько раз экономичнее сотовых систем.

Сравнивая сотовые и транкинговые системы, необходимо отметить, что при внешней структурной схожести они существенно отличаются по ряду функциональных особенностей и системных возможностей. Если первые ориентированы на потребителей обычных телефонных услуг и окупаются в регионах с высокой плотностью населения (порядка тысячи и более абонентов в зоне), то вторые, прежде всего, являются средством оперативной и производственно-технологической связи и рентабельны при на порядок меньшем числе абонентов.

Следует заметить, что сами термины «сотовые» или «транкинговые системы» малоинформативны с точки зрения выявления их отличий. Так, в сотовых системах используется метод динамического распределения каналов, т.е. транкинг, и наоборот, современные многозоновые транкинговые системы содержат ряд «родовых» признаков сотовых систем. Эти термины сложились исторически и обозначают системы мобильной радиосвязи, которые развивались своими путями, решая разные задачи.

Для более полного представления о функциональных возможностях ТСР перечислим основные типы вызовов, поддерживаемые большинством стандартных протоколов:

    • индивидуальный вызов для связи между двумя абонентами;
    • групповой вызов для связи между несколькими абонентами одновременно;
    • вещательный вызов для предварительно выбранной группы, когда абоненты могут только слушать сообщение, но не могут отвечать;
    • конференц-вызов для подключения к разговору третьего абонента во время разговора двух абонентов;
    • переадресация вызова:  вызовы, адресованные абоненту, автоматически переадресуются заранее назначенному третьему абоненту;
    • приоритетный вызов применяется для сокращения времени ожидания при занятости системы; такие вызовы обслуживаются вне общей очереди;
    • срочный (аварийный) вызов имеет наивысший приоритет, связь  устанавливается немедленно путем прерывания уже установленных соединений;
    • статусная связь – посылка коротких текстовых сообщений любому другому абоненту или диспетчеру;
    • передача блоков данных применяется для связи между компьютерами или другими системами обработки цифровой информации;
    • диспетчерская связь – вызовы на специально сконфигурированные диспетчерские пульты;
    • исходящие и входящие вызовы для абонентов телефонной сети обеспечивают взаимодействие радиоабонентов с абонентами ведомственной сети или сетью общего пользования.

Благодаря перечисленным особенностям транкинговые системы заняли самостоятельную нишу на рынке оборудования средств радиосвязи. Многие ведущие фирмы – Motorola, Nokia, Ericsson и др. – наряду с обычными радиостанциями производят также и сотовое, и транкинговое оборудование, ориентированное на соответствующие секторы этого рынка.

Цифровые транкинговые системы предоставляют своим пользователям ряд преимуществ перед аналоговыми системами.

    • Конфиденциальность переговоров. Применение криптостойких алгоритмов скремблирования позволяет обеспечить гарантированную защиту от прослушивания информации, что очень важно для большинства пользователей транкинговой связи. При этом в отличие от аналоговых методов шифрования, качество восстановленного сигнала не ухудшается.
    • Эффективное использование радиочастотного спектра. Применение низкоскоростных кодеров речи (вокодеров) в сочетании с методами цифровой модуляции и цифровыми технологиями множественного доступа позволяет по сравнению с аналоговыми системами более эффективно использовать полосу частот.
    • Помехоустойчивая ретрансляция сигналов. В аналоговых системах промежуточные ретрансляторы усиливают радиосигнал, но не «очищают» его от помех канала. В результате при многократной ретрансляции шумы накапливаются, и качество сигнала значительно ухудшается. Наоборот, в цифровых ретрансляторах происходит восстановление сигнала, в результате чего качество связи практически не зависит от размеров зоны обслуживания.
    • Эффективная передача данных. При передаче данных по цифровым каналам нет необходимости в применении специальных модемов.

В настоящее время выпускается целый ряд цифровых транкинговых систем. Однако наибольшие перспективы связываются с применением стандарта TETRA.

Особенности стандарта TETRA. TETRA (Terrestrial Trunked Radio – наземная транкинговая связь) – наиболее полно разработанный открытый международный стандарт цифровой транкинговой связи. Разработан Европейским институтом телекоммуникационных стандартов (ETSI) и стал результатом международного сотрудничества правительственных органов, производителей оборудования, компаний, предоставляющих услуги мобильной радиосвязи, и организаций-пользователей. Основные составляющие стандарта TETRA были утверждены представителями 22 государств Европы. В настоящее время стандарт TETRA вышел за рамки Европейского региона и получает широкое распространение во всем мире.

Отличительной особенностью стандарта TETRA стало активное участие в его разработке потенциальных заказчиков, особенно силовых структур и аварийно-спасательных служб. Достоинством данного подхода к разработке стандарта стало его соответствие самым высоким требованиям с точки зрения, как эффективности, так и функциональной насыщенности систем связи, построенных на его основе.

В основу стандарта TETRA положены следующие принципы:

    • Открытость стандарта. Это позволяет выпускать совместимое оборудование различными производителями, что в конечном итоге приводит к снижению его стоимости.
    • Ориентация на обслуживание сетей с высоким трафиком. Именно такими являются типичные европейские сети.
    • Сочетание методов частотного (FDMA) и временного (TDMA) доступа.
    • Наличие режима непосредственной связи между абонентскими станциями, а также возможность абонентской радиостанции выступать в качестве ретранслятора.
    • Наличие всех видов вызовов и многообразие сервисных возможностей.
    • Мягкий режим перехода из зоны в зону (Handover).
    • Полноценный роуминг.
    • Аутентификация и шифрование.

Архитектура ТСР на основе стандарта TETRA аналогична архитектуре сетей, поддерживающих другие, в том числе и аналоговые, стандарты. Она состоит из центра коммутации, базовых станций, диспетчерских пультов, центра управления системой и абонентских радиостанций.

Стандарт определяет несколько важнейших интерфейсов:

    • Air Interface (AI) – радиоинтерфейс между базовой станцией и абонентской радиостанцией;
    • Direct Mode Operation (DMO) – интерфейс прямого соединения между двумя абонентскими радиостанциями;
    • Terminal Equipment Interface (TEI) – интерфейс между абонентской радиостанцией и терминалом передачи данных (ТПД);
    • Inter System Interface (ISI) – межсистемный интерфейс для объединения нескольких систем (возможно, от разных фирм-изготовителей) в единую сеть;
    • Line-connected Station Interface (LSI) – интерфейс для подключения  диспетчерских пультов к базовому оборудованию;
    • Network Management Centre Interface (NMCI) – интерфейс центра управления системой;
    • Gateways to PABX, PSTN, ISDN, PDN – интерфейс для подключения к внешним сетям (УПАТС, ТфОП, ЦСИО, СКП).

Радиоинтерфейс стандарта предполагает работу в сетке частот с шагом 25 кГц при размещении четырех речевых каналов в данной полосе. Стандарт регламентирует и дуплексный разнос для этих систем, который должен составлять 10 МГц. Системы TETRA могут использовать диапазоны частот 150-900 МГц. В странах Европы для систем TETRA выделены частоты в диапазонах 410-430, 870-876, 915-921 МГц (в первую очередь) или в диапазонах 450-470, 385-390, 395-399,9 МГц.

В стандарте TETRA, в котором применяется уплотнение каналов по технологии TDMA, на одной несущей частоте организуются четыре разговорных канала. Каждый кадр имеет продолжительность 56,67 мс и содержит четыре временных интервала. Последовательность из 18 кадров образует мультикадр длительностью 1,02 с; один кадр является контрольным. Каждый временной интервал в составе кадра содержит 504 бита, 432 из которых – информационные.

Для преобразования речи в стандарте TETRA применяется кодек с алгоритмом типа CELP. Скорость цифрового речевого потока на выходе этого кодека составляет 4,8 кбит/с. До поступления речевого потока на вход модулятора к нему добавляется корректирующий код, после чего производится межблочное перемежение.

Скорость потока одного канала в системе на базе TETRA составляет 7200 бит/с или 28 800 бит/с на четырехканальную группу.

Радиоканал стандарта TETRA использует относительную фазовую модуляцию. При этом каждому символу модуляции соответствует передача двух бит информации. Это позволяет достигнуть эффективности использования радиоспектра 6,25 кГц на канал.

На функциональной схеме базового варианта транкинговой системы (рис.10.8) с одним модулем управления базовой станцией (УБС) показаны; базовые приемо-передающие станции (БПС); контроллер базовой станции (КБС); терминал управления локальной сетью (УЛС). Абонентские станции сети подразделяются на стационарные и подвижные радиостанции.

Функции БПС: передача и прием, пространственно разнесенный прием,  шифрование сигналов, управление радиоканалами, управление выходной мощностью АС. Каждое из двух других устройств схемы (КБС и модуль УБС) выполняет функции коммутации для нескольких БС, служит для выхода во внешние сети, позволяет подключать терминалы техобслуживания, диспетчерские пульты. На рис.10.8 и 10.9 цифрами обозначены выходы: 1 – в ТФОП, 2 – в цифровую сеть с интеграцией служб (ЦСИС), 3 – в сеть с коммутацией пакетов (СКП), 4 – в учрежденческую АТС (УАТС), 5 – другие.


Рис. 10.8. Функциональная схема транкинговой системы с одним модулем УБС

Контроллер обладает большими возможностями в сравнении с модулем УБС. Он позволяет организовать работу с несколькими модулями УБС, например, с использованием конфигурации «звезда» (рис.10.9). В такой схеме КБС организует централизованную базу данных. В больших сетях устанавливают центральный КБС.

Транкинговые системы связи отличает распределенная система коммутации. Ее иерархия снизу вверх: модуль УБС, КБС, центральный КБС.

Терминал управления локальной сетью служит для контроля за состоянием системы, внесения изменений в базу данных абонентов и др. В состав УЛС входит диспетчерский пульт, предназначенный для обмена информацией между диспетчером и пользователями сети. Пульт подключается кабелем к КБС.   Часто пульт используется для передачи широковещательной информации.

В заключение следует, однако, заметить, что стандарт TETRA ориентирован на создание зон с высокой плотностью и малого диаметра (4-8 км). Следовательно, такие ТСР могут оказаться неэффективными на территории с низкой плотностью абонентов, т.е. в большинстве районов России. Кроме того, стоимость оборудования в несколько раз выше, чем у аналоговых ТСР с близкими функциональными возможностями.


Рис. 10.9. Функциональная схема транкинговой системы с конфигурацией «звезда»

Радиальные системы и радиально-зоновые сети. Радиальная система подвижной связи имеет одну БС, называемую центральной. Для получения зоны обслуживания максимально возможной площади антенна центральной БС устанавливается на высоких опорах, а мощность передатчика выбирается максимально допустимой. Центральная БС обеспечивает выход абонентов в ТФОП.

Отдельные радиальные системы посредством центральной коммутационной станции могут быть объединены в радиально-зоновые сети. Такие сети обслуживают ограниченную территорию, часто вдоль транспортных магистралей. Соединение абонентов в сети устанавливается как автоматически, так и через оператора. Сеть должна поддерживать такие автоматические соединения, как соединение двух своих абонентов, выход абонента в ТФОП на местном уровне, соединение с центральным диспетчером, соединение диспетчера с группой абонентов (циркулярная связь). Через центрального диспетчера возможен выход в междугородную телефонную сеть.

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

В зависимости   от используемых радиоканалов различают СПРВ со специально выделенными радиоканалами и системы с каналами, полученными при уплотнении существующих вещательных радиоканалов.

Существует множество форматов кодов СПРВ. С 1992 г. в Европе широкое   признание получил цифровой формат ERMES (European Radio Messaging System). Этот общеевропейский формат позволяет организовать общую сеть персонального радиовызова для всех стран и общеевропейский роуминг. Функциональная схема СПРВ на базе ERMES (рис.10.10) содержит базовые станции (БС); контроллер зоны обслуживания (КЗО); контроллер сети; центр эксплуатации и технического обслуживания (ЦЭТО). Цифрами 1.1,...,1.6 обозначены интерфейсы, которые должны отвечать определенным протоколам взаимодействия.

Вызовы могут поступать из различных сетей общего пользова­ния, например ТФОП, ЦСИС и др. Взаимодействие обеспечивают сетевые протоколы 1.6 и протокол 1.5 – «методы доступа». Несколько контроллеров СПРВ соединяются между собой через интерфейс 1.4. Контроллер сети распределяет вызовы между зонами, затем КЗО подает их на радиопередатчики БС. КЗО не только распределяет вызовы между передатчиками, но также выполняет оперативные статистические вычисления.


Рис. 10.10. Функциональная схема системы персонального радиовызова

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

Стратегия развития СПРВ в России предполагает создание иерархической структуры, расширение зон обслуживания от отдельных городов до регионов, образование региональных СПРВ, а также федеральной сети РФ.

Беспроводные телефоны и беспроводные системы электросвязи. БПТ – это сухопутные подвижные службы, обеспечивающие связь в радиусе 50...200 м. Одно из широко известных применений - беспроводная телефония домашнего пользования. В беспроводных системах электросвязи (БПСЭС) используются многие принципы построения ССПСЭ. Основные отличия объясняются тем, что в основе территориального планирования БПСЭС лежат микросотовая и пикосотовая структуры. При столь малых размерах сот частотное планирование приводит к низкой эффективности использования спектра. Поэтому вместо планового распределения частотных каналов устанавливается процедура автоматического адаптивного распределения каналов. Основные элементы системы: абонентская портативная станция (АПС); фиксированная радиостанция (ФРС), которая также называется радиопорт или УАТС. ФРС соединена с УАТС кабелем или радиоканалами. Между АПС и ФРС поддерживается радиосвязь. УАТС выполняет функции центра коммутации. Существует ряд стандартов на БПСЭС. С 1992 г. начал применяться цифровой стандарт DECT (Digital European Cordless Telecommunications). Современная беспроводная система DECT часто используется как средство для расширения возможностей сотовой сети. Например, системы стандартов DECT и GSM могут вместе работать в общей ССПСЭ.

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

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

Линии радиосвязи подразделяются на мобильные, фидерные, межспутниковые, командные и телеметрические. Мобильные – это линии радиосвязи с абонентскими терминалами. На рис.10.11 это линия 1 «вверх» и линия 2 «вниз». Линии радиосвязи с БЗС называются фидерными. На рис.10.11 это линия 3 «вверх» и линия 4 «вниз». В некоторых спутниковых системах связи организованы межспутниковые линии между соседними ретрансляторами на одной орбите и на соседних орбитах. Командные и телеметрические линии как правило совмещены с фидерными.

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


Рис.10.11. Функциональная схема спутниковой системы подвижной связи

Принципы дуплексного разделения каналов. Дуплексный режим работы обеспечивают следующими методами, которые принято называть по их английской аббревиатуре:

    • FDD – дуплекс с частотным разделением каналов;
    • TDD – дуплекс с временным разделением каналов.

Дуплексное частотное разделение каналов применяют в ССПСЭ, где согласно плану частот для линии вверх (передача от АС к БС) и линии вниз (передача от БС к АС) назначены разные полосы частот.

Дуплексное временное разделение каналов использует одну и ту же несущую частоту на линиях вверх и вниз и временное разделение этих каналов. В этом режиме не требуется спаренный диапазон частот, что позволяет более эффективно распределять каналы. Трафик на линиях может быть асимметричным (например, доступ в Интернет). Признано, что абонентский терминал при TDD проще, чем при FDD. Режим TDD используется в транкинговых и спутниковых системах.

Контрольные вопросы

1. Особенность систем связи с подвижными объектами второго и третьего поколения.
2. Назовите поколения систем электросвязи.
3. Назовите типы систем подвижной связи РФ.
4. Какие услуги связи могут быть предоставлены в системах второго поколения?
5. Дайте определения понятиям сота и кластер.
6. Основное достоинство сотовых систем.
7. Перечислите виды сот, для чего они служат?
8. Основные устройства, входящие в систему связи с подвижными объектами аналогового стандарта.
9. Основные устройства, входящие в систему связи с подвижными объектами цифрового стандарта.
10. Признаки транкинговых систем радиосвязи.
11. Преимущества транкинговых систем в сравнении с сотовыми системами.
12. В чем отличие транкинговых систем радиосвязи и сотовых систем?
13. Особенности стандарта TETRA?
14. Состав спутниковой системы подвижной связи.


назад | содержание | вперёд