РЭС передачи информации

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 21:23, 20 ноября 2016.

Содержание

Общие сведения

В РЭС локации, навигации, управления, связи и т.д. приходится осуществлять передачу информации между пунктами. Ниже излагаются основные понятия техники передачи информации, описываются классификация и структура сетей связи, принципы построения многоканальных систем связи, разновидности линий связи. Основное внимание уделяется цифровым методам передачи информации. Учитывается возможность передачи информации управления, локации и т.д. по неспециализированным сетям связи.

Основные понятия и определения

Сообщение, информация, сигнал.

Творческая деятельность человека, действие ряда автоматических устройств связаны с хранением, переработкой и передачей разновидностей сообщений: речи, текста, изображений и т.д. Сведения, содержащиеся в таких сообщениях, как и получаемые в локации и навигации, называют информацией. Информацию, пригодную для обмена между вычислительными устройствами, называют данными. Физические возмущения среды, цепей и т.п. в виде волновых процессов, токов и т.д., обеспечивающие передачу информации, называют сигналами. Сообщения и сигналы разделяют на непрерывные и дискретные. Примерами непрерывных сообщений являются речь и музыка, примерами дискретных -- телеграфные, буквенные и цифровые сообщения.

Преобразование, кодирование, модуляция.

Являются операциями передающего устройства при превращении сообщения в сигнал.

Преобразование. В технике связи так называют перевод не электрической величины в первичный электрический сигнал. В телефонии эту функцию выполняет микрофон.

Кодирование. Это преобразование сообщений или первичных сигналов в определенные сочетания дискретных символов (например, видеоимпульсов), называемые кодовыми комбинациями или словами. Целью кодирования является согласование источника сообщений с каналами связи, обеспечивающее требуемую скорость передачи информации и помехоустойчивость. Операция кодирования в простейших случаях может отсутствовать.

Коды. Это системы соответствий между сообщениями и комбинациями символов (дискретных сигналов), с помощью которых эти сообщения могут быть зафиксированы, переданы на расстояние или использованы для дальнейшей обработки. Символы, из которых формируются кодовые комбинации, называют элементами кода. Число различающихся между собой элементов называют основанием кода. Так, элементами двоичного кода являются символы "1" и "О". Число I элементов, образующих кодовую комбинацию, называют значностъю кода. Число N различных кодовых комбинаций называют объемом (мощностью) кода. Если все кодовые комбинации состоят из одинакового числа элементов равной длительности, то код называют равномерным. Такие коды наиболее распространены в системах передачи данных и телеуправления. Устройство, предназначенное для кодирования сигнала, называется кодером; устройство, решающее обратную задачу, — декодером. Совокупность кодера и декодера называют кодеком. Символы, полученные при кодировании, используются для модуляции сигнала.

Модуляция. При передаче информации — это изменение параметра сигнала в соответствии с передаваемым сообщением. Модуляцию дискретными сигналами называют манипуляцией. Параметрами, подлежащими модуляции, могут быть амплитуда, частота, фаза; возможны и комбинированные методы модуляции. От вида модуляции зависят помехоустойчивость и пропускная способность системы связи. Совокупности модуляторов и демодуляторов называют модемами.

Дискретизация непрерывных сигналов

Дискретизация во временной области.

Основная часть энергии реальных непрерывных сигналов сосредоточена в ограниченной полосе частот, Ее выделяют устройствами, формирующими первичные сигналы. Согласно теореме отсчетов В.А. Котельникова непрерывная функция времени с ограниченным по ширине спектром полностью определяется своими отсчетами, взятыми через интервалы времени

где наивысшая частота спектра сигнала.

Если эта функция рассматривается на конечном интервале времени Т, то число передаваемых отсчетов составит . Величину называют базой сигнала.

Дискретизация в частотной области.

Теорема Котельникова во временной области имеет аналог в частотной. Сигнал, ограниченный во времени интервалом , полностью определяется отсчетами своего частотного спектра, взятыми через интервалы .

Дискретизация по уровню.

Из-за наличия помех и погрешностей аппаратуры передача значений уровня возможна с ограниченной точностью. Поэтому используют лишь конечное число уровней, отстоящих обычно друг от друга на фиксированную величину шага дискретизации по уровню (шага квантования). Фактическое значение функции заменяется при этом значением ближайшего уровня квантования. Возникающая погрешность в передаче уровня рассматривается как шум квантования.

Кодово-импульсная модуляция.

Для передачи по каналу связи квантованные сигналы преобразуют в кодовые комбинации импульсов с одинаковыми амплитудами и длительностью, иначе, в цифровую форму, что обеспечивает кодово-импульсную модуляцию — КИМ (ИКМ). Простейший способ кодирования предполагает выражение его числового значения в двоичной форме. Так, одноразрядное десятичное число можно заменить трехразрядным двоичным числом 101. Комбинация в виде наличия первого и третьего и отсутствия второго видеоимпульса передает это число. Общее число передаваемых уровней, включая нулевой, равно , где t — число разрядов. Возможно дальнейшее перекодирование для повышения помехоустойчивости за счет введения дополнительных кодовых символов, в частности.

Скорость передачи дискретных сообщений

Определяют как число единичных элементов сигнала, передаваемых за 1 с. Единичным элементом сигнала при одноканальной КИМ является кодовый символ — бит информации. Скорость передачи сообщений в одноканальной двоичной системе

где длительность передачи единичного элемента.

Величины В измеряются в битах за секунду — или в бодах.

Каналы, тракты, системы передачи данных и связи

Канал связи, аппаратура передачи данных.

Являются элементами канала передачи данных (рис. 1), обеспечивающего обмен информацией между абонентами (ЭВМ) через аппаратуру сопряжения (АС).

Рис. 1. Аппаратура передачи данных

Канал связи. Это совокупность технических средств, обеспечивающих независимую передачу сигналов от передатчика к приемнику по линии связи (паре проводов, кабелю, волноводу, области пространства), в которой распространяются сигналы. Каналы связи бывают симплексные и дуплексные. Симплексные каналы обеспечивают передачу сигналов в одном направлении, дуплексные — в обоих.

Аппаратура передачи данных (АПД). Это совокупность:

  • устройства преобразования сигналов (УПС);
  • устройства защиты от ошибок (УЗО);
  • аппаратуры контроля и документирования.

Решает задачи:

  • приема данных от источника информации;
  • кодирования;
  • преобразования импульсов в сигналы, пригодные для передачи по каналу связи, и обратного преобразования;
  • декодирования и выдачи информации потребителю;
  • синхронизации и фазирования приемных устройств;
  • контроля и коммутации рабочих и резервных комплектов аппаратуры и каналов связи;
  • документирования передаваемой информации.

Взаимодействие элементов канала передачи данных.

Передатчик -(модулятор) УПС преобразует однополярные сигналы, поступающие из УЗО, в сигналы тональной или высокой частоты путем модуляции несущего колебания. В приемнике УПС осуществляются обратные преобразования. В декодирующем устройстве приемника УЗО производится проверка верности принятых кодовых комбинаций. При обнаружении ошибок декодирующее устройство приемника УЗО либо исправляет их, либо вырабатывает сигнал для организации повторной передачи комбинации, принятой с обнаруженными ошибками. Помимо выполнения своей основной задачи по уменьшению влияния ошибок УЗО попутно осуществляет преобразование параллельного кода в последовательный и при необходимости цикловую синхронизацию

Тракт передачи данных, система передачи данных, сеть связи.

Для повышения надежности передачи информации используют несколько каналов передачи данных (как правило, два-три). Связанные групповым устройством (ГУ), они образуют тракт передачи данных. Система передачи данных. Это совокупность трактов и отдельных каналов передачи данных, решающих единую информационную задачу. Сеть (система) связи. Это совокупность станций, узлов и линий связи, развернутых для решения совокупности информационных задач.

Сети связи и их структуры

Ниже рассматриваются разновидности и структуры сетей связи, вопросы управления ими. Различают сети связи: аналоговые и цифровые; не коммутируемые и коммутируемые; первичные и вторичные.

Первичные сети.

Включают располагаемые на неподвижных или подвижных объектах элементы: типовые цепи и тракты; сетевые узлы и станции; соединяющие их линии. Первичные сети являются основой для создания вторичных.

Вторичные сети.

Отличаются ведомственной принадлежностью и предназначением. По предназначению различают следующие виды сетей. Телефонная сеть. Обеспечивает разборчивую передачу речи в полосе частот 300...3400 Гц. По рекомендации Международного консультативного комитета по телефонии и телеграфии (МККТТ) эта полоса стандартизована и именуется полосой пропускания канала тональной частоты (ТЧ).

Сети телеграфной связи. Обеспечивают передачу дискретных сигналов (телеграмм) со стандартными скоростями 50, 75 или 100 бит/с (бод). Разделяются на сети общего пользования и абонентского телеграфа (телетайпов).

Сети факсимильной связи. Обеспечивают передачу неподвижных изображений, документов, карт и т.д. в полосах частот от 40 до 240 кГц в зависимости от требуемой скорости передачи.

Сети передачи данных. Обеспечивают обмен информацией между вычислительными комплексами. Различают три вида скоростей пере¬дачи данных: низкие (50, 75, 100 и 200 бит/с); средние (600, 1200, от 2400 до 9600 через 1200 бит/с); высокие (свыше 9600 бит/с).

Сети распределения программ звукового и телевизионного вещания. Обеспечивают доведение вещательных программ до слушателей и зрителей. В странах бывшего СССР установлены три класса звукового вещания:

  • высший — с полосой частот (30...15-10 ) Гц;
  • первый — Гц;
  • второй — Гц.

Телевизионное вещание организуется в метровом и дециметровом диапазонах длин волн.

Сети передачи газет. Обеспечивают передачу газетных полос из центральных типографий в областные.

Интегральная сеть. Передает сообщения, принадлежащие различным видам связи (телефон, телеграф, телевидение, передача данных и др.) в едином цифровом представлении.

Сеть Интернет. Быстроразвивающаяся международная информационная сеть связи.

Коммутируемые и некоммутируемые сети

В некоммутируемых сетях обеспечивается длительное (постоянное или временное) соединение абонентов. В коммутируемых сетях соединение абонентов обеспечивается только на время передачи сообщений по запросу или в соответствии с заданной программой. Коммутируемые сети подразделяются на сети с коммутацией каналов, с коммутацией сообщений и с коммутацией пакетов.

Сети с коммутацией каналов. Образуют сквозной канал для взаимодействующих абонентов на время информационного обмена.

Сети с коммутацией сообщений. Осуществляют передачу информа¬ции без предварительного соединения взаимодействующих абонентов. Сообщения передаются по свободным каналам сети и хранятся на промежуточных узлах коммутации, если участки сети заняты.

Сети с коммутацией пакетов. Передают сообщения короткими кодовыми комбинациями, что снижает время задержки пакета на промежуточных узлах. Абоненты взаимодействуют при этом так же, как при создании для них сквозного канала

Структуры сетей связи.

Наиболее характерными из них являются: радиально-узловая; радиальная; линейная; кольцевая; многосвязная; смешанная. Сети с радиалъ-но-узловой и радиальной структурами имеют ряд достоинств: взаимная независимость направлений информационного обмена; минимальная задержка передачи информации; возможность использования каналов связи Министерства связи для передачи данных; простота наращивания системы путем увеличения числа направлений информационного обмена. Для повышения надежности и живучести передачу сообщений в каждом направлении часто осуществляют по 2-3 каналам, причем вдоль географически разнесенных трасс (рис.2).

Рис. 2. Структуры каналов связи
На рис. 2, а, б, в: ОП — оконечные пункты; УК — узлы коммутации.

Линейная структура (рис. 2, г) характеризуется использованием одной общей линии связи с организацией в ней каналов связи для каждого из оконечных пунктов; обеспечивает высокую эффективность использования линий связи, но отличается пониженными надежностью и живучестью. Кольцевая структура (рис. 2, д) обеспечивает повышение надежности и живучести сети. Многосвязные структуры (рис. 2, д, е) обеспечивают независимую связь между каждой парой оконечных пунктов при максимальной живучести сети, обусловленной наличием обходного пути передачи информации. Однако они требуют наибольшего (по сравнению с другими структурами) числа линий связи.

Управление в сетях связи.

Рассчитано на эффективное использование ресурсов этих сетей для своевременной передачи сообщений. Его реализуют по заранее согласованным правилам — протоколам. Протоколы различных уровней предусматривают: сопряжение абонентов с линиями связи; синхронизацию и фазирование приемной аппаратуры, коррекцию ошибок; коммутацию и маршрутизацию сообщений; доставку пакетов сообщений; организацию сеансов связи и т.д.

Многоканальные системы связи

Системы связи, в которых по одной линии осуществляется одновременная независимая передача сигналов между несколькими парами корреспондентов, называют многоканальными. Сообщения между абонентами следуют в этих системах по своим каналам. Использование общей линии для осуществления многоканальной связи принято называть уплотнением или разделением каналов. Применяемую для этой цели аппаратуру называют аппаратурой уплотнения (разделения).

Принципы многоканальной связи.

Структурная схема многоканальной системы связи приведена на рис. 3. Сообщения от п независимых источников поступают на устройство уплотнения. С помощью канальных кодеров и модуляторов они преобразуются в канальные сигналы . В процессе этого преобразования канальные сигналы приобретают отличительные признаки, по которым на приемной стороне производится их разделение. Такими признаками могут быть, например, время излучения сигнала, его частота, форма. Все n канальных сигналов n суммируются и образуют групповой сигнал который ( = 1 поступает в общий групповой канал многоканальной системы связи. В системах радиосвязи групповой сигнал обеспечивает модуляцию несущего колебания передатчика, в результате чего образуется линейный сигнал. После демодуляции линейного сигнала на приемной стороне групповой сигнал восстанавливается с наложением шума.

Рис. 3. Структурная схема многоканальной системы связи

Восстановленный групповой сигнал поступает на устройство разделения. Его селекторы разделяют линейный сигнал на канальные составляющие, а демодуляторы преобразуют эти составляющие в сообщения. Неидеальность разделения может вести к переходным помехам. Условием эффективного разделения канальных сигналов является линейная независимость реализаций . Сигналы считаются линейно независимыми, когда любой из них не может быть образован линейной комбинацией других сигналов. Широкое применение нашли многоканальные системы с частотным и временным уплотнением каналов.

Частотное уплотнение каналов.

Предполагает выделение каждой паре абонентов частотного участка в полосе пропускания линии связи. Согласно принятому стандарту каждому каналу ТЧ с учетом защитного интервала отводится полоса частот П = 4 кГц. В диапазоне частот 60...108 кГц, по рекомендациям МККТТ, размещается 12 каналов ТЧ ( и на рис. 4). В качестве несущих выделены частоты от 64 до 108 кГц с интервалом 4 кГц. Формируемая таким образом 12-канальная группа (К-12) называется первичной группой. Из первичных групп могут формироваться вторичные группы, в частности 60-канальные группы (К-60) в полосе частот 312...552 кГц . Для передачи такого сигнала по кабельной линии его преобразуют в область частот 12...252 кГц . Аналогично, из вторичных групп могут формироваться третичные и четверичные группы.

Рис. 4. Частотное уплотнение каналов

Вторичное частотное уплотнение. Состоит в использовании канала ТЧ для передачи сигналов нескольких других каналов, обладающих более узкими полосами частот (например, телеграфных).

Временное уплотнение каналов.

Предполагает поочередное подключение абонентов к общей линии связи с помощью синхронных коммутаторов на передающей и приемной сторонах. Информация передается путем модуляции видеоимпульсов: кодово-импульсной, по амплитуде, временному положению, длительности. Импульсам каждого из каналов отведены свои временные интервалы. Частоту дискретизации 8 кГц задают с некоторым запасом по отношению к требованиям теоремы Котельникова. В стандартизованном интервале между импульсами одного канала мкс размещаются импульсы всех других каналов (рис. 5), а также тактовые импульсы, если они передаются. В цифровых (кодово-импульсных) каналах каждый отсчет согласно стандарту кодируется 8 двоичными разрядами. В результате частота следования импульсов одного канала достигает 64 кГц (скорость передачи 64 Кбит/с).

При временном уплотнении, как и при частотном, выделяют первичные, вторичные и т.д. стандартные группы. Первичная 30-канальная группа ИКМ-30 рассчитана на скорость передачи цифрового сигнала В = 2048 кбит/с (с учетом служебных сигналов и сигналов 30 каналов по 64 кбит/с). Вторичная 120-канальная группа ИКМ-120 состоит из четырех первичных ИКМ-30 и рассчитана на скорость передачи цифрового сигнала В = 8448 кбит/с. Варианты цифрового телевидения рассчитаны на частоту дискретизации 12,672 МГц и скорость передачи 114,048 Мбит/с

Синхронизация при временной уплотнении.

Подразделяется на тактовую и цикловую.

Тактовая синхронизация. Обеспечивает согласование частот и периодов подключения абонентов к линии. Достигается подстройкой частоты и фазы местных генераторов принимаемыми сигналами.

Цикловая синхронизация. Обеспечивает одновременное подключение абонентов одного и того же канала к линии связи. Для этого импульсам определенного (1г-го) канала придают отличительные признаки: передают их парами или тройками (рис. 5), либо передают перед ними специальную кодовую комбинацию. Расстановка сигналов по каналам осуществляется после выявления указанных признаков.

Рис. 5. Синхронизация при временной уплотнении

Специальные виды уплотнения.

Подразделяются на кодовое, комбинационное, смешанное (комбинированное) и статистическое.

Кодовое уплотнение. Двоичные сигналы каждого из каналов кодируются при этом в соответствии с адресами абонентов. Декодирующее устройство на приемной стороне выделяет сигнал заданного адреса. Достоинством такого метода уплотнения является возможность асинхронного подключения абонентов.

Комбинационное уплотнение. В этом случае групповой сигнал определяется сочетанием двоичных разрядов передаваемых сообщений отдельных каналов, что позволяет повысить скорость передачи (см. системы ДЧМ, ДЧТ, ДОФМ).

Смешанное (комбинированное) уплотнение. Использует ранее рассмотренные способы уплотнения в различных сочетаниях.

Статистическое уплотнение. Обеспечивает организацию дополнительных связей по существующим каналам в паузах речевых сигналов, используя их статистические свойства.

Международная стандартизация уплотнения ISDN в интегральных цифровых сетях связи.

Рис. 6. Объединение систем связи

Предусматривает объединение (рис. 6) систем связи, работающих по общеевропейским, североамериканским и японским стандартам, а также общее увеличение скорости передачи Учтено, что общеевропейские скорости передачи 2,048 и 8,448 Мбит/с отличаются от североамериканских японских, кратных 1,544 Мбит/с.

Разновидности линий связи

Кабельные линии.

Представляют собой совокупности оконечных и промежуточных усилительных пунктов, соединенных кабелями. Усилительные пункты разделяются на обслуживаемые (ОУП) и не обслуживаемые (НУП). Последние работают автоматически и управляются дистанционно с ОУП по каналам телеуправления и телесигнализации. Питание для усилителей НУП поступает с ближайшего ОУП по жилам магистрального кабеля. В зависимости от условий прокладки различают подземные, подводные и воздушные кабели, а по конструкции симметричные и коаксиальные. Симметричный кабель содержит несколько четверок проводов, заключенных в свинцовую (алюминиевую или стальную) оболочку. Коаксиальный кабель содержит от 4 до 8 пар, также заключенных в оболочку. Подземный кабель укладывается под землей на глубине от 0,8 до 1,2 м. Для предохранения от проникновения влаги при повреждении оболочки под нею с использованием специальных баллонов на усилительных пунктах часто поддерживается избыточное давление инертного газа (0,5...0,7 атмосферы). Одна пара симметричного кабеля имеет полосу пропускания до 500 кГц, что позволяет организовать в ней до 120 каналов ТЧ, а одна пара коаксиального кабеля — до нескольких десятков мегагерц, что позволяет организовать до нескольких тысяч каналов ТЧ (для К-10800 организуется 10 800 каналов ТЧ). С увеличением числа каналов, организуемых в линии связи, уменьшается расстояние между усилительными пунктами. Так, в линии связи на симметричном кабеле емкостью 24 канала протяженность участка между усилительными пунктами составляет 40 км, а в линии емкостью 60 каналов — около 20 км. При исполь¬зовании коаксиального кабеля это расстояние еще меньше.

Радиорелейные линии.

Представляют собой цепочки приемопередающих станций сантиметрового, дециметрового или метрового диапазонов, удаленных друг от друга на расстояние прямой видимости (на равнинной местности 40...60 км, в гористой местности 110...150 км). Антенные системы высоконаправленные, что позволяет понижать мощность передатчиков до 2...5 Вт, ослаблять воздействие внешних и взаимных помех. Высокая стабильность уровня сигнала на входе приемника повышает устойчивость связи. При использовании радиорелейных линий устойчивость передачи информации повышается, хотя имеет место удорожание связи из-за использования ретрансляторов и высоких опор для антенн.

Тропосферные линии.

Рис. 7. Явление рассеяния ультракоротких волн в тропосфере

Основаны на явлении рассеяния ультракоротких волн в тропосфере (рис.7). Антенны с большими коэффициентами усиления ориентируются так, чтобы их диаграммы направленности пересекались в тропосфере на высоте h. Объем тропосферы V, образованный пересечением диаграмм направленности антенн, рассеивает облучающие его радиоволны. Небольшая, но заметная часть рассеянной электромагнитной энергии улавливается антенной станции 2 и поступает на вход приемника.

Дальность тропосферной связи между двумя станциями ограничивается соотношением

где радиус Земли, равный 6370 км.

Высота рассеивающих слоев тропосферы определяется значениями 10...12 км. Поэтому дальность тропосферной связи редко превышает 850 км, а чаще имеет значение 250...500 км. Для ее увеличения используют тропосферные радиорелейные линии (ТРРЛ), отличающиеся от РРЛ прямой видимости значительно большими интервалами ретрансляции. Тропосферные линии характеризуются большими суммарными потерями энергии (до 240 дБ). Возможны поэтому замирания сигналов: длительные — на часы, кратковременные — на секунды, минуты. Для повышения устойчивости связи используют мощные передатчики (до 10 кВт и более), высоконаправленные антенны, разнесенный (по пространству и частоте) прием. Тропосферные радиолинии незаменимы для организации связи в труднодоступных, малонаселенных районах и через морские пространства.

Космические линии.

Рис. 8. Зона видимости

Содержат космические ретрансляторы Р, расположенные на орбитах высотой в несколько десятков тысяч километров, .«видимые» на несколько тысяч километров. Максимальный размер зоны видимости (рис.8) определяется по формуле:

Из-за вносимых тропосферой шумов выбирают минимальный угол возвышения , что уменьшает размер зоны D. Особенности распространения колебаний через атмосферу, а также помехи в виде радиоизлучений планет обычно ограничивают диапазон частот участком 1...15 ГГц.

Орбиты спутников-ретрансляторов. Могут быть круговыми и высокоэллиптическими. При размещении на круговой экваториальной геостационарной орбите с высотой 35 800 км ИСЗ неподвижен относительно Земли. Три таких ИСЗ, расположенные на равных расстояниях друг от друга, обеспечивают почти глобальную связь. Не освещаются, однако, приполярные районы, расположенные на широтах выше 78°. Кроме того, вывод ИСЗ на геостационарную орбиту сложен. Поэтому ИСЗ часто размещают на высокоэллиптических орбитах. Так, орбита отечественного ИСЗ-ретранслятора «Молния» наклонена к плоскости экватора на угол 63,5°, имеет апогей над северным полушарием на высоте около 40 тыс. км, перигей над южным полушарием на высоте около 500 км. Период обращения ИСЗ — 12 ч, причем каждый второй оборот ИСЗ обеспечивает непрерывную связь между наземными станциями страны в течение 8...10 ч. Система из 3-4 ИСЗ позволяет обеспечить круглосуточную связь.

Методы использования спутников-ретрансляторов. Это:

  • метод парных станций, при котором любые две наземные станции используют спутник только для двухсторонней связи;
  • метод многих станций — многостанционного доступа (МД), при котором более двух наземных станций используют спутник для одновременной связи каждой станции с любой другой или со всеми остальными станциями.

В случае МД спутник функционирует в сети, охватывающей много пунктов, каждый из которых может в любое время установить связь с другим пунктом. Он играет роль центральной станции сети, через которую проходят все ее абонентские линии. Распространенными методами МД являются методы частотного разделения—уплотнения (МДЧР), временного разделения (МДВР) и кодового разделения (МДКР) каналов.

Космические линии связи широко применяются для телевизионного вещания. В СНГ созданы системы телевизионного вещания «Орбита» (ИСЗ «Молния»), «Экран» (ИСЗ «Стационар»), «Москва» (ИСЗ «Гори¬зонт»), причем ИСЗ двух последних типов расположены на геостационарных орбитах.

На основе космических линий получили широкое распространение спутниковые системы, связи (ССС) гигагерцевого диапазона частот, К числу международных ССС можно отнести ССС «Интелсэт» общего назначения; ССС «Инмэрсэт» для связи с судами; ССС «Интерспутник», включающую каналы «Интервидения». Развиваются региональные ССС западноевропейских стран, арабских стран, Австралии, Великобритании, Канады, Китая, США, Франции, Японии и т.д.

Все шире интегрируются системы связи, телевизионного и радиовещания, а также радионавигации. Международная навигационно-связная система Космического Спасения Аварийных Судов «КОСПАС—САРСАТ» обеспечила спасение более 1000 человеческих жизней.

Оптические линии.

Таблица 1. Сравнение систем связи
Сравниваемы параметры Спутниковая На основе ВОЛС
Достоверность 10-7...10-11 10-7...10-11
Доступность (КГ), % 99,98 99,98
Задержка передачи, мс 250 50
Время передачи, мс 350...800 200...700
Пропускная способность, Гбит/с 1...3,2 0,84...2,5

Различают волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) и оптические линии с распространением волн в неограниченном пространстве.

Волоконно-оптические линии связи. Обычно работают на волнах оптического диапазона длиной 0,3...30 мкм. Отличаются малыми массой и объемом, высокой электромагнитной совместимостью, большой пропускной способностью. Обеспечивают передачу сигналов с шириной спектра до нескольких гигагерц на расстояние до нескольких сотен километров без промежуточных усилительных пунктов. Оптические волокна с диаметром 0,1...0,2 мм изготавливаются из кварцевого стекла с добавлением окиси германия и функционируют как диэлектрические волноводы. Как и в металлических волноводах, возможны различные распределения (моды) электрического и магнитного полей по поперечному сечению. Если же может распространяться только одна мода, волокна называют одномодовыми.

Волоконно-оптический кабель состоит из нескольких или даже нескольких десятков волокон. Источниками света в волоконно-оптических линиях являются полупроводниковые лазеры или светодиоды. Приемники содержат обычно pin-фотодиоды или лавинные фотодиоды. Кремниевые фотодиоды используются в диапазоне 0,3...0,8 мкм, а германиевые — в диапазоне 1,3...1,7 мкм. Скорость передачи достигает нескольких сот мегабит в секунду. Требования к точности синхронизации при этом ужесточаются, что стимулирует использование так называемых самосинхронизирующихся кодов.

По мере развития системы на основе ВОЛС становятся конкурентоспособными со спутниковыми системами связи. В табл. 1 сопоставляются возможности ССС и систем на основе ВОЛС по следующим показателям: достоверность (10 — одна ошибка примерно на 1000 страниц текста); доступность, иначе коэффициент готовности — КГ; задержка в передаче сигналов; время передачи; пропускная способность спутниковой и на основе ВОЛС.

Оптические линии с распространением волн в неограниченном пространстве. Могут использовать направленное лазерное излучение. Из-за поглощения волн в атмосфере обеспечивают связь на малых дальностях. Возможно использование оптических волн для ретрансляции через ИСЗ.

Гидроакустические линии.

За рубежами бывшего СССР распространены линии на стандартной рабочей частоте 8,0875 кГц. Из-за многолучевости распространения и искажений формы телеграфных сигналов скорость передачи информации снижают до 10 бит/с на дальностях связи в несколько десятков километров и до 0,1 и даже 0,01 бит/с на дальностях в несколько сотен километров. Возможен также телефонный режим при мощностях передатчиков от единиц ватт до 1 кВт с дальностью действия до 10 км. Используются телеметрические системы малой дальности (до 1 км, несущие до 100 кГц, полосы до 20 кГц), средней дальности (несколько километров, несущие до 40 кГц, полосы до 8 кГц) и большой дальности (около 10 км, несущие до 10 кГц, полосы до 2 кГц). Возможно малоскоростное подводное телевидение на дальностях до 15 км.

Перспективные системы передачи информации

Рис. 9. Подвижные системы радиосвязи

Разработки подвижных систем с общедоступным пучком каналов (или, иначе, транкинговых систем). В системах предыдущего поколения передатчик и приемник проектировались для работы на определенной фиксированной частоте. Каждый радиоканал был закреплен за сравнительно небольшой группой абонентов, как показано на (рис. 9а), которые использовали его как общедоступную линию связи. Если число абонентов превышало возможности одного канала, образовывали другую группу, за которой закрепляли другой радиоканал.

В системе с общедоступным пучком каналов всем абонентам сети, доступна целая группа каналов (рис. 9б). При поступлении вызова за парой абонентов закрепляется один из свободных в этот момент каналов. После отбоя канал освобождается и может быть предоставлен любой другой паре абонентов. Технически это выполняется либо последовательным поиском радиостанцией свободного канала (например, по специальному маркерному сигналу незанятости), либо специально выделенным общим каналом сигнализации, на который настроены все радиостанции сети в режиме дежурного приема.

Пропускная способность системы с общедоступным пучком каналов существенно выше, чем системы с закрепленными каналами. Например, единственный канал при вероятности блокировки (т. е. непредоставления канала из-за его занятости) 10% и средней продолжительности разговора 2,5 мин на одного абонента в час наибольшей нагрузки позволит обслужить не более двух-трех абонентов. Двадцать таких каналов, используемых порознь (см. рис. 9а), позволят обслужить около 50 абонентов. При тех же условиях система с общедоступным пучком каналов, использующая те же 20 каналов, сможет обслужить уже 420 абонентов, т. е. ее пропускная способность возрастает более чем в 8 раз.

Изложенный транкинговый принцип был положен в основу построения радиальных сетей подвижной связи. По этому принципу в 60-х гг. XX в. была создана отечественная система подвижной связи «Алтай», которая в модернизированном виде функционирует и по настоящее время. В Европе радиальные сети широко используются для создания внутрикорпоративных систем связи.

Радиальные сети подвижной связи проектируются по аналогии с вещательными сетями: достаточно мощный передатчик работает через высоко подвешенную антенну, охватывая территорию в пределах прямой видимости радиусом до 40...50 км. При этом на площади обслуживания в абонентам может быть доступно несколько десятков радиоканалов.

И тем не менее эффективность транкинговых систем с радиальной структурой сети оказывается недостаточной для удовлетворения массового спроса на услуги подвижной связи в густонаселенных районах. Так, для Москвы с ее 10-миллионным населением обеспечение только 0,1 % жителей подвижной связью при стандартных условиях качества обслуживания (средняя длительность переговоров 1,5 мин, вероятность блокировки 5 %) требует выделения примерно 250 радиоканалов или при ширине полосы одного канала в 25 кГц, соответственно, двух полос частот по 6,25 МГц каждая.

Проблему организации подвижной связи для густонаселенных районов удалось решить путем построения сетей подвижной связи по сотовому принципу, который определяет иной по сравнению с вещательной моделью подход к проблеме радиопокрытия зоны обслуживания. Сотовая система использует большое число маломощных передатчиков, которые предназначены для обслуживания только сравнительно небольшой зоны, скажем, радиусом в 1...2 км. Например, вместо использования единственного передатчика для обслуживания территории Москвы город можно разбить на множество небольших зон покрытия, называемых сотами. Чтобы понять, как это изменит общую картину, предположим, что все имеющиеся в распоряжении частотные каналы могут повторно использоваться в каждой ячейке сотовой структуры. Тогда требуемые для 0,1 % жителей Москвы 250 каналов можно получить, например, разделением обслуживаемой территории радиусом в 50 км на 25 ячеек радиусом по 10 км с организацией в каждой ячейке только 10 радиоканалов с одним и тем же набором частот.

Этапы развития систем сотовой связи

Реализация описанных основных принципов сотовой архитектуры:

  • использование маломощных передатчиков с радиопокрытием небольших по размеру ячеек;
  • повторное использование частот в пределах одной зоны обслуживания;
  • поэтапное увеличение пропускной способности за счет расщепления ячеек;
  • обеспечение непрерывности связи в процессе перемещения автомобиля от ячейки к ячейке, привела в начале 80-х гг. XX в. к созданию в ряде промышленно развитых стран Европы и Северной Америки сотовых систем, которые положили начало массовому внедрению услуг подвижной связи во всем мире.

Развернутые в то время системы подвижной связи относят к первому поколению (1G). Они были рассчитаны в основном на обслуживание абонентов в рамках национальных границ, использовали аналоговую частотную модуляцию для передачи речи и внутри пол о сную сигнализацию в процессе установления соединения между абонентскими терминалами и остальной сетью. Исключение составляла лишь система NMT-450, которая была введена в эксплуатацию в 1981 г. как международная система для четырех стран Северной Европы; Дании, Финляндии, Норвегии и Швеции.

Системы второго поколения (2G) проектировались для создания крупномасштабных сетей с учетом обеспечения международного роуминга — автоматического поиска и обслуживания абонентов, приехавших со своими терминалами в другую страну. К настоящему времени разработано четыре стандарта: пан-Европейский GSM (GSM-900 и GSM-1800), два конкурирующих североамериканских (IS-54 и IS-95) и японский JDC.

Все системы второго поколения построены на основе новейшей технологии в виде цифровых систем с программным управлением, совместимых с цифровой телефонной сетью общего пользования с интеграцией служб (ISDN). В них реализована большая часть возможностей цифровой сети с интеграцией служб (ISDN) плюс дополнительные возможности, связанные с особенностями подвижной радиосети: управление по радио, слежение за местоположением подвижного объекта, обеспечение функции эстафетной передачи, защита передаваемой информации и т. п.

Системы второго поколения предоставляют пользователям широкий ассортимент услуг, как речевых, так и неречевой природы. К последним относятся услуги по передаче данных, различающиеся в зависимости от потенциальных корреспондентов (абоненты телефонной сети общего пользования или ISDN, либо специализированных сетей), от характера передаваемой информации (данные, факсимиле, видеотекст, телетекст), от режима передачи (коммутация пакетов или каналов, сквозной цифровой канал либо с использованием телефонных модемов, синхронный или асинхронный), от типа терминалов и т. д. Специфическими для подвижной сети являются службы коротких сообщений (исходящие, входящие и вещательные), которые по сути дела представляют собой разновидность службы персонального вызова (пейджинга).

В нашей стране разработка сотовых систем подвижной связи была замедлена отсутствием массового спроса на эти услуги: они ограничивались только узкими рамками административно-управленческих и производственно-технологических задач. Положение дел существенно изменилось в результате перевода страны на рельсы рыночной экономики. Разработана и одобрена концепция развития в России до 2010 г. сетей сухопутной подвижной радиосвязи общего пользования. Это позволило систематизировать оборудование, предлагаемое различными фирмами, и приступить к разработке программы планомерного развертывания в нашей стране современных систем подвижной связи различного назначения. В соответствии с принятой концепцией сети сотовой подвижной связи общего пользования в Российской Федерации развивались на основе двух федеральных стандартов. В качестве основного принят цифровой стандарт GSM.

В связи с тем, что развертывание сетей этого стандарта сдерживалось замедленными темпами модернизации телефонной сети общего пользования (замена устаревшего оборудования механических АТС на современное оборудование цифровых электронных АТС требует огромных капиталовложений) и, кроме того, не представлялось возможным выделить в диапазоне 900 МГц требуемые полосы частот, решено было также продолжить развертывание аналоговой сети федерального значения с использованием оборудования стандарта NMT-450.

Федеральные сети должны предоставлять своим абонентам по возможности полный набор услуг местной, междугородной и международной связи при обязательном обеспечении автоматического роуминга как в рамках национальных границ (т. е. между различными операторами сети на территории РФ), так и в международном масштабе.

С целью скорейшего насыщения рынка услугами подвижной связи было допущено создание региональных сотовых сетей. Региональные сети могут предоставлять абонентам сокращенный набор услуг, и их зона обслуживания ограничивается территорией региона. Такие сети в нашей стране развивались с использованием оборудования американских стандартов в диапазоне 800 МГц: AMPS (аналоговый) и IS-54 (D-AMPS, цифровой).


К началу последнего десятилетия XX в. на рынке услуг подвижной связи появилось большое количество различных несовместимых друг с другом систем: сотовые системы для автомобилистов; системы персонального вызова; системы бесшнурового телефона для локального использования на работе (в пределах делового центра), дома (в пределах жилого массива), в местах общественного пользования (торговые центры, вокзалы, аэропорты). Стало очевидно, что требования рынка и достижения науки и промышленности позволили поставить на повестку дня создание универсальной системы подвижной связи (UMTS) — системы третьего поколения (3G).

Рис. 10. Архитектура сети будущей системы подвижной связи

Фундаментальной частью системы третьего поколения явилось небольшое устройство связи карманного типа, обеспечивающее сочетание «терминальной» и «персональной» мобильности. Терминальная мобильность означает возможность непрерывного перемещения в практически неограниченной области пространства без утраты возможности пользоваться услугами связи вплоть до ее непрерывного поддержания. Персональная мобильность позволяет абоненту иметь доступ к услугам связи с помощью любого терминала в любой сети на основе присвоенного ему уникального персонального номера. Понятие персональной связи включает в себя «профиль обслуживания» для каждого абонента, т. е. изменяемый банк данных о возможностях абонента, его пожеланиях, кто и когда может иметь к нему доступ, и т. п.

Эта система может включать в себя множество сценариев связи с различной архитектурой построения сети (рис. 10). Внутри помещений организуются пикоячейки радиусом до 100 м с очень высокой пропускной способностью, определяемой большой плотностью абонентов на единицу объема обслуживания. В общественных местах и для пешеходов создаются микроячейки с радиусом обслуживания до 1 км. Сотовые системы, обслуживающие автомобилистов, оперируют макроячейками с радиусом до нескольких десятков километров. Наконец, автомобильный и железнодорожный транспорт, воздушные, морские и речные суда обслуживаются спутниковой составляющей системы с использованием гиперячеек радиусом до сотен и тысяч километров.

Система подвижной связи третьего поколения будет восприниматься пользователем как единое целое, работающее по принципу установления связи «где угодно, когда угодно, с кем угодно» и обеспечивающее тот же набор и качество услуг, что и стационарные сети.

Принципы функционирования сотовых систем подвижной связи

Разделить обслуживаемую территорию на ячейки (соты) можно двумя способами, основанными либо на измерении статистических характеристик распространения сигналов в системах связи, либо на измерении или расчете параметров распространения сигнала для конкретного района.

При реализации первого способа вся обслуживаемая территория разделяется на одинаковые по форме зоны и с учетом законов статистической радиофизики определяются их допустимые размеры и расстояния до других зон, в пределах которых выполняются условия допустимого взаимного влияния.

При втором способе разделения на зоны измеряют или рассчитывают параметры системы для определения минимального числа БС, обеспечивающих удовлетворительное обслуживание абонентов по всей территории, определяют оптимальное место расположения БС с учетом рельефа местности, рассматривают возможность использования направленных антенн и т. д.

Основной идеей, на которой базируется принцип сотовой связи, является повторное использование частот в несмежных сотах. Группа сот с различными наборами частот называется кластером. В аналоговых системах сотовой подвижной связи первого поколения применялся способ организации повторного использования частот, который использовал антенны БС с круговыми диаграммами направленности. При этом предполагается передача сигналов одинаковой мощности по всем направлениям, что для абонентских станций эквивалентно приему помех от всех БС со всех направлений.

Базовые станции, на которых допускается повторное использование выделенного набора частот, удалены друг от друга на расстояние Z), называемое защитным интервалом. Именно возможность повторного применения одних и тех же частот определяет высокую эффективность использования частотного спектра в сотовых системах связи.

Смежные БС, использующие различные наборы частотных каналов, образуют группу из С станций. Если каждой базовой станции выделяется набор из m каналов с шириной полосы каждого , то общая ширина полосы, занимаемая системой сотовой связи, составит . Таким образом, величина С определяет минимально возможное число каналов в системе, поэтому ее часто называют частотным параметром системы, или коэффициентом повторения частот. Коэффициент С не зависит от числа каналов в наборе. При использовании ячеек меньших радиусов возможно увеличение повторяемости частот на обслуживаемой территории.

Применение шестиугольных ячеек позволяет минимизировать ширину необходимого частотного диапазона, поскольку такая форма обеспечивает оптимальное соотношение между величинами С и D. Кроме того, шестиугольная форма наилучшим образом вписывается в круговую диаграмму направленности антенны БС, установленной в центре ячейки.

Остановимся более подробно на вопросе выбора размера ячейки (радиуса R). Эти размеры определяют защитный интервал D между ячейками, в которых одни и те же частоты могут быть использованы повторно. Заметим, что величина защитного интервала D, кроме уже перечисленных факторов, зависит также от допустимого уровня помех и условий распространения радиоволн. В предположении, что интенсивность вызовов в пределах всей зоны одинакова, ячейки выбираются одного размера. Размер зоны обслуживания БС, выражаемый через радиус ячейки R, определяет также число абонентов N, способных одновременно вести переговоры на всей территории обслуживания. Следовательно, уменьшение радиуса ячейки позволяет не только повысить эффективность использования выделенной полосы частот и увеличить абонентскую емкость системы, но и уменьшить мощность передатчиков и чувствительность приемников базовых и подвижных станций. Это, в свою очередь, улучшает условия электромагнитной совместимости средств сотовой связи с другими радиоэлектронными средствами и системами.

Эффективным способом снижения уровня помех является использование направленных секторных антенн с узкими диаграммами направленности. В секторе такой направленной антенны сигнал излучается преимущественно в одну сторону, а уровень излучения в противоположном направлении сокращается до минимума. Деление сот на секторы позволяет чаще применять частоты в сотах повторно. Один из способов повторного использования частот в организованных таким образом сотах основан на применении 3-секторных антенн для каждой БС и трех соседних БС с формированием ими девяти групп частот. В этом случае используются антенны с шириной диаграммы направленности 120°. Каждая из сот обслуживается многоканальным приемопередатчиком — БС. Она служит своеобразным интерфейсом между сотовым телефоном и центром коммутации подвижной связи. Число каналов базовой станции обычно кратно 8, например 8, 16, 32... Один из каналов является управляющим. В некоторых случаях он называется также каналом вызова. На этом канале происходит непосредственное установление соединения при вызове подвижного абонента сети, а сам разговор начинается только после того, как будет найден свободный в данный момент канал и произойдет переключение на него.

Рис. 11. Основные составляющие систем сотовой связи

Все БС соединены с центром коммутации подвижной связи (ЦКПС) (коммутатором) по выделенным проводным или радиорелейным каналам связи (рис. 11). Центр коммутации подвижной связи — автоматическая телефонная станция системы сотовой связи, обеспечивающая все функции управления сетью. Она осуществляет постоянное слежение за подвижными станциями, организует их эстафетную передачу, в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении подвижной станции из соты в соту и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностей, производит соединение подвижного абонента с тем, кто ему необходим в обычной телефонной сети и др.

Несмотря на разнообразие стандартов сотовой связи, алгоритмы их функционирования, независимо от имеющихся особенностей, в основном сходны. Для абонента практически нет никакой разницы, в каком стандарте осуществляется связь. Если ему нужно позвонить, то он просто нажимает клавишу на своем радиотелефоне, что соответствует снятию трубки обычного телефона. Когда же радиотелефон находится в режиме ожидания (состояние «трубка положена» обычного телефона), его приемное устройство постоянно сканирует (просматривает) либо все каналы системы, либо только управляющие. Для вызова соответствующего абонента всеми БС сотовой системы связи по управляющим каналам передается сигнал вызова. Сотовый телефон вызываемого абонента при получении этого сигнала отвечает по одному из свободных каналов управления. Базовые станции, принявшие ответный сигнал, передают информацию о его параметрах в центр коммутации, который, в свою очередь, переключает разговор на ту БС, где зафиксирован максимальный уровень сигнала сотового радиотелефона вызываемого абонента.

Во время набора номера радиотелефон занимает один из свободных каналов, уровень сигнала БС в котором в данный момент максимален. По мере удаления абонента от БС или в связи с ухудшением условий распространения радиоволн уровень сигнала уменьшается, что ведет к ухудшению качества связи. Улучшение качества разговора достигается путем автоматического переключения абонента на другую БС. Это происходит следующим образом. Специальная процедура, называемая передачей управления вызовом или эстафетной передачей — handover, или handoff, позволяет переключить разговор на свободный канал другой БС, в зоне действия которой оказался в это время абонент. Для контроля таких ситуаций БС оснащена специальным приемником, периодически измеряющим уровень сигнала сотового телефона разговаривающего абонента и сравнивающим его с допустимым пределом. Если уровень сигнала меньше данного предела, то соответствующая информация автоматически передается в центр коммутации по служебному каналу связи. Центр коммутации выдает команду об измерении уровня сигнала сотового радиотелефона абонента на ближайшие к нему БС. После получения информации от БС об уровне сигнала центр коммутации переключает радиотелефон на ту из них, где уровень сигнала оказался наибольшим. Все происходит так быстро, что абонент совершенно не замечает этих переключений.

Одна из важных услуг сети сотовой связи — предоставление возможности использования одного и того же радиотелефона при поездке в другой город, область или даже страну, причем сотовая сеть позволяет не только самому абоненту звонить из другого города или страны, но и получать звонки от тех, кто не успел застать его дома. В сотовой радиосвязи такая возможность называется роуминг (от англ. roam —- скитаться, блуждать). Для организации роуминга сотовые сети должны быть одного стандарта (телефон стандарта GSM не будет работать в сети стандарта NMT и т. п.), а центры коммутации подвижной связи этого стандарта должны быть соединены специальными каналами связи для обмена данными о местонахождении абонента. Иными словами, применительно к сотовым системам для обеспечения роуминга необходимо выполнение трех условий:

  • наличие в требуемых регионах сотовых систем стандарта, совместимого со стандартом компании, у которой был приобретен радиотелефон;
  • наличие соответствующих организационных и экономических соглашений о роуминговом обслуживании абонентов;
  • наличие каналов связи между системами, обеспечивающих передачу звуковой и другой информации для роуминговых абонентов.

При перемещении абонента в другую сеть ее центр коммутации запрашивает информацию в первоначальной сети и при наличии подтверждения полномочий абонента регистрирует его. Данные о местоположении абонента постоянно обновляются в центре коммутации первоначальной сети, и все поступающие туда вызовы автоматически переадресовываются в ту сеть, где в данный момент находится абонент.

При организации роуминга недостаточно провести только технические мероприятия по соединению различных сетей сотовой связи. Очень важно еще решить проблему взаиморасчетов между операторами этих сетей.

Рис. 12. Диаграмма установления входящего вызова

Установление входящего вызова. Рассмотрим, как выполняется эта операция. Пусть в системе используется метод многостанционного доступа с частотным разделением — FDMA. В исходном состоянии подвижная станция (ПС) настроена на частоту канала управления, имеющего максимальный уровень сигнала. Вызов абонента осуществляется центром коммутации через все БС, которые относятся к так называемой зоне вызова, где расположен подвижный абонент в данный момент времени (рис. 12).

Во время подачи вызова БС (по команде ЦКПС) излучает контрольный сигнал (тональный сигнал частотой около 4 кГц) и посылает его в сторону ПС, которая ретранслирует этот сигнал по каналу управления на БС. Ретранслированный сигнал принимается, детектируется и оценивается БС (определяется отношение сигналшум в канале передачи, усредненное за определенный промежуток времени). Базовые станции посылают информацию о результатах оценки отношения сигналшум в ЦКПС. Если качество передачи сигнала соответствует норме, то устанавливается соединение по этому каналу. Аппаратурой ЦКПС выделяется разговорный радиоканал (РК), номер которого сообщается по каналу управления на ПС, после чего канал управления освобождается. В противном случае ЦКПС принимает решение о подключении другой БС или об окончании разговора.

Затем осуществляется контроль установленного между БС и ПС разговорного канала на правильность выполненных операций. При этом, по запросу ЦКПС ПС передает ранее принятый номер радиоканала, который идентифицируется в ЦКПС. В случае отсутствия ошибок ЦКПС передает исполнительную команду вызова «включить сигнал» (звонок). Входящий вызов завершается окончательным переключением на разговорный канал и включением на соответствующей БС тонального сигнала частотой 4 кГц (внеполосная модуляция в радиоканале) для непрерывного контроля качества связи.

Рис. 13. Обмен сообщениями в режиме эстафетной передачи

Обмен сообщениями в режиме эстафетной передачи. В режиме эстафетной передачи протокол обмена сообщениями выглядит следующим образом (рис. 13). Контроль за качеством речи ведется по тональному сигналу частотой 4 кГц, который методом внеполосной модуляции вводится в разговорный тракт на станции БС1. Этот сигнал излучается совместно с речевым сигналом в сторону подвижного абонента и ретранслируется им на БС, где выполняется оценивание его параметров. При уменьшении величины ответного сигнала ниже порогового значения ЦКПС выдает на соседние БС команду произвести измерение отношения сигнал—шум с указанием номера используемого в настоящий момент радиоканала РК1. Для этих целей все БС снабжены многоканальными приемниками-мониторами. По результатам полученных измерений ЦКПС выбирает БС с максимальным значением уровня принимаемого сигнала (например, БС2) и выделяет свободный радиоканал РК2 в зоне действия этой станции. По радиоканалу РК1 через станцию БС1 на ПС передается номер нового радиоканала РК2, по которому аппаратура абонента и аппаратура центра коммутации взаимодействуют с помощью сигналов «передача— подтверждение». По окончании обмена ЦКПС осуществляет переключение соответствующих устройств и проводной телефонной пары для продолжения разговора по новому разговорному каналу. После переключения всех необхо¬димых цепей с базовой станции БС1 на базовую станцию БС2 центр коммутации ЦКПС отключает телефонную пару, соединенную с радиоканалом РК1 на станции БС 1.

Особенности радиоканалов в системах подвижной связи

Рис. 14. Повторное использование частот в несмежных сотах

При перемещении ПС наблюдаются быстрые флуктуации параметров сигнала вследствие частотно-временной дисперсии передаточной функции канала передачи, вызванной его многолучевостью. Флуктуации начальной фазы сигнала в точке приема определяются изменением его местоположения, а при движении объекта являются функцией времени. Кроме того, при движении объекта из-за доплеровского эффекта наблюдается случайная частотная модуляция, характеристики спектра которой зависят от скорости объекта и ряда других факторов. Таким образом, канал передачи является частотно-селективным. Кроме того, случайные задержки приходящих в точку приема копий сигнала приводят к возникновению временной селективности канала передачи и вызванных ею гладких флуктуации амплитуды суммарного сигнала в точке приема (рис. 14).

В городских условиях при замираниях сигнала до 20 дБ экспериментально наблюдается хорошее согласование статистики флуктуации с рэлеевским законом распределения. Глубокие замирания амплитуды вызывают скачки фазы сигнала и соответствующие им, близкие к дельта-функции всплески случайной частоты, являющейся производной от случайной фазы. Для одночастотного сигнала многолучевость приводит к флуктуации фазы сигнала в точке приема, связанным с нею глубоким замираниям амплитуды сигнала и случайной частотной модуляции, обусловливающим неустранимую ошибку при использовании угловых методов модуляции. Функция плотности распределения вероятности флуктуации фазы подчиняется в общем случае нормальному закону.

Статистически флуктуации времени задержки характеризуются средней величиной (математическим ожиданием)и дисперсией экспериментально пол ученных значений задержки.

Экспериментально полученные значения средней величины задержки в городе составили около 1,5 мкс, в пригороде — 6,5 мкс. В городе максимальные значения задержки лишь незначительно превышают свои средние значения вследствие наличия большого числа лучей и их усреднения, в то время как на открытой местности экстремальные значения величины задержки, особенно на пересеченной местности, могут быть значительными (более 30 мкс).

Влияние задержки огибающей сигнала (групповой задержки) на качество передачи цифровой информации определяется зависимостью средней вероятности ошибочного приема символа от величины отношения размаха задержки к длительности посылки. Пороговые значения данного отношения при отсутствии разнесения составляют от 0,1 до 0,2. Для компенсации влияния задержки огибающей на качество передачи информации применяют разнесение ветвей приема и адаптивный эквалайзер.

Рис. 15. Флуктуации амплитуды сигнала в радиолинии

Таким образом, характерной особенностью канала передачи при движении ПС является наличие быстрых флуктуации параметров сигналов, вызванных многолучевостью распространения из-за многочисленных отражений от предметов, окружающих ПС. Кроме того, наблюдаются сравнительно медленные флуктуации усредненных на интервале стационарности быстрых изменений параметров сигнала, определяемые изменением степени затенения трассы распространения сигнала рельефом местности, растительностью и окружающими предметами (рис. 15). Скорость (частота) обоих типов флуктуации существенно зависит от скорости перемещения ПС на местности.

Методы борьбы с влиянием многолучевого распространения в системах подвижной связи

Как уже отмечалось, колебания уровня (замирания) принимаемого сигнала практически всегда имеют две составляющие — быструю и медленную. Быстрые замирания, являющиеся прямым следствием многолучевого распространения, описываются рэлеевским законом распределения, и потому их иногда называют рэлеевскими замираниями. Диапазон изменений уровня сигнала при быстрых замираниях может достигать 40 дБ, из которых примерно 10 дБ — превышение над средним уровнем и 30 дБ — провалы ниже среднего уровня.

Медленные замирания обусловлены изменением условий затенения при перемещении ПС и подчиняются логарифмически нормальному закону распределения. Интенсивность медленных флуктуации не превышает 5...10 дБ, а их периодичность соответствует перемещению ПС на десятки метров. Фактически медленные замирания представляют собой изменение среднего уровня сигнала при перемещении ПС, на которые накладываются быстрые замирания вследствие многолучевого распространения.

Основную проблему при сотовой связи составляют быстрые замирания, поскольку они бывают достаточно глубокими, и при этом отношение сигнал—шум падает настолько сильно, что полезная информация может существенно искажаться шумами, вплоть до полной ее потери. Для борьбы с быстрыми замираниями применяют:

  • разнесенный прием, т. е. одновременное использование двух или более приемных антенн;
  • расширение спектра, т. е. скачки по частоте или широкополосные шумоподобные сигналы (ШПС).

Практически разности хода между различными лучами в городских условиях могут достигать единиц микросекунд.

При использовании широкополосных сигналов и специальных приемников (типа Rake) наиболее сильные сигналы выравниваются по задержке и после этого складываются, так что проблема межсимвольной интерференции в значительной мере снимается. В цифровых системах сотовой связи с узкополосными сигналами используются эквалайзеры — адаптивные фильтры, устанавливаемые в приемном тракте цифровой обработки сигналов. Наконец, для борьбы с последствиями многолучевого распространения, а именно для устранения ошибок, обусловленных как замираниями сигналов, так и межсимвольной интерференцией, используется помехоустойчивое канальное кодирование (блочное и сверточное), а также перемежение.

Перемежение. Оно представляет собой изменение порядка следования символов информационной последовательности, т. е. перестановку символов, при которой стоявшие рядом символы оказываются разделенными несколькими другими символами. Такая процедура предпринимается с целью преобразования групповых ошибок (пакетов ошибок) в одиночные ошибки, с которыми легче бороться с помощью блочного и сверточного кодирования. Использование перемежения — одна из характерных особенностей сотовой связи, и это является следствием неизбежных глубоких замираний сигнала в условиях многолучевого распространения, которое практически всегда имеет место, особенно в условиях плотной городской застройки. При этом группа следующих один за другим символов, попадающих на интервал замирания (провала) сигнала, с большой вероятностью оказывается ошибочной. Если же перед выдачей информационной последовательности в радиоканал она подвергается процедуре перемежения, а на приемном конце восстанавливается прежний порядок следования символов, то пакеты ошибок с большой вероятностью рассыпаются на одиночные ошибки. Известно несколько различных схем перемежения и их модификаций — диагональная, блочная, сверточная и др. Рассмотрим кратко первые две из них, лежащие в основе схем, применяемых в сотовой связи.

Рис. 16. Пример схемы диагонального перемежения

При диагональном перемежении входная информация делится на блоки, а блоки — на субблоки, и в выходной последовательности субблоки, например, второй половины предыдущего блока чередуются с субблоками первой половины следующего блока. Схема диагонального перемежения представлена на рис. 16. Здесь каждый блок состоит из шести субблоков. Субблок может состоять из нескольких или из одного символа, или даже из одного бита. Приведенная схема диагонального перемежения вносит малую задержку, но расставляет соседние символы лишь через один, т. е. рассредоточение ошибочных символов группы получается сравнительно небольшим.

Рис. 17. Схема блочного перемежения

При блочном перемежении входная информация также делится на блоки, по n субблоков (или символов) в каждом, и в выходной последовательности чередуются субблоки k последовательных блоков. Работу этой схемы можно представить в виде записи блоков входной последовательности в качестве строк матрицы размерности k х n, считывание информации из которой осуществляется по столбцам (рис. 17). Следовательно, если входная последовательность имела вид , то выходная будет такой: .

Субблоки, или символы, в частном случае также могут состоять лишь из одного бита.

Схема блочного перемежения вносит большую задержку, чем диагонального, но значительно сильнее рассредоточивает символы группы ошибок.

Скачки по частоте. Одним из методов расширения спектра является использование скачков по частоте (frequency hopping). Идея этого метода состоит в том, что несущая частота для каждого канала периодически изменяется. Поскольку рэлеевские замирания являются частотно-селективными, то, если при работе на некоторой частоте имело место замирание, при изменении рабочей частоты на несколько сот килогерц замирания с большой вероятностью не будет. Следовательно, при достаточно частых изменениях частоты существенно снижается вероятность длительных замираний, и, соответственно, в сочетании с перемежением снижается вероятность групповых ошибок, а с одиночными ошибками можно успешно бороться, используя помехоустойчивое кодирование.

Различают медленные и быстрые скачки по частоте. При медленных скачках период изменения частоты много больше длительности символа передаваемого сообщения, а при быстрых скачках — много меньше длительности символа. В практике сотовой связи используются медленные скачки.

Эквалайзинг. В узкополосных цифровых системах сотовой связи для компенсации межсимвольных искажений используют метод эквалайзинга. Термин эквалайзинг заимствован из английского языка (equalizing — буквально выравнивание) и имеет в данном случае смысл компенсации той разности хода между составляющими лучами при многолучевом распространении, которая приводит к межсимвольной интерференции. Эквалайзер по своей сути — это адаптивный фильтр, настраиваемый таким образом, чтобы сигнал на его выходе был в возможно большей степени очищен от межсимвольных искажений, содержащихся во входном сигнале.

Рис. 18. Линейный эквалайзер на базе трансверсального фильтра с трехэлементной линией задержки
Рис. 19. Структура сигналов в стандарте GSM

Простейшей реализацией эквалайзера (рис. 18) является трансверсальный фильтр. Покажем, что эта схема может, по крайней мере в некоторых ситуациях, существенно ослабить межсимвольные искажения. Предположим, что входной сигнал эквалайзера состоит из основного сигнала — некоторой последовательности символов (единиц и нулей) (рис. 19а) и его копии, ослабленной в три раза и сдвинутой во времени на длительность т одного символа (рис. 19б). Если дискрет линии задержки фильтра равен т, а значение коэффициента в первом отводе , то при сложении входного сигнала, и сигнала с первого отвода получим следующее (рис. 19в): основной сигнал (первая составляющая входного сигнала) остается без изменений; вторая составляющая входного сигнала компенсируется первой составляющей, задержанной на т; вторая составляющая задержанного сигнала дает копию основного, но ослабленную уже в девять раз, задержанную на 2т и с обратным знаком. Если коэффициент , то при сложении трех сигналов — входного и двух задержанных — получим неизменный основной сигнал (см. рис. 19в) и его копию, задержанную на Зт и ослабленную в 27 раз (рис. 19г). Таким образом, в рассматриваемом примере добавление каждого следующего элемента линии задержки с соответствующим значением коэффициента приводит к ослаблению искажающего сигнала втрое и к дополнительной задержке его во времени на т.

В реальной ситуации, разумеется, дело обстоит сложнее, чем в описанном примере: число лучей может быть больше двух, задержки не кратны т, а амплитуды составляющих сигналов неизвестны. Кроме того, при перемещении ПС вся эта картина непрерывно изменяется. Поэтому настройка фильтра осуществляется адаптивно с использованием обучающей последовательности, передаваемой периодически.

Аналоговые системы сотовой подвижной связи

Аналоговые системы сотовой подвижной связи (ССПС) принадлежат к первому поколению сотовых систем. Эти системы обеспечивают вхождение в связь и регистрацию стоимости разговора, организацию связи между подвижными абонентами и абонентами стационарной телефонной сети общего пользования и т. п. Сравнительные характеристики систем сотовой связи основных используемых стандартов NMT-450 и AMPS представлены в табл. 2.

Аналоговый стандарт  
Характеристика аналоговых стандартов сотовой связи  --------1-------
AMPS NMT-450
--------------------------------------------------------------------------------------------------
Диапазон частот, МГц                                     825...845 453...457,5 463...467,5
Радиус ячейки, км                                        2. ..20          2... 45
Количество каналов ПС                                    666              180
Количество каналов БС                                    96               30
Мощность передатчика БС, Вт                              45               50
Ширина полосы частот канала, кГц                         30               25
Время переключения канала на границе ячейки, мс          250              1250
Максимальная девиация частоты в канале управления, кГц   8                3,5
Максимальная девиация частоты в речевом канале, кГц      12	          5
Минимальное отношение сигнал—шум, дБ		         10	          15

Изначально системы связи стандарта NMT (Nordic Mobile Telephone) бы¬ли предназначены для пяти североевропейских стран. Это были аналоговые системы первого поколения, которые работали в диапазоне 450.. .467 МГц и имели 180 каналов связи шириной по 25 кГц каждый. За счет многократного использования частот эффективное количество каналов составляло 5568. Среднее количество каналов, выделяемое БС, было равно 30. Ячейки с радиусом, находящимся в диапазоне 5.. .25 км, покрывали территории этих стран.

В настоящее время более 40 стран мира используют системы ССПС стандартов NMT-450 и NMT-900, работающие в диапазоне частот 450 и 900 МГц соответственно. Основное различие между этими стандартами заключается в том, что с повышением используемых частот стало возможным

Характеристика цифрового стандарта	      Цифровой стандарт
--------------------------------------------------------------------------------------------------
                                        GSM	  D-AMPS	JDC	   CDMA
Метод доступа                           TDMA      TDMA         TDMA       CDMA
Количество речевых каналов на несущую   8(16)      3	        3         32
Рабочий диапазон частот, МГц          935...960  824...840  810...826   824...840
                                      890...915  869...894  940...956   869...894
                                   (1710...1785)	         1429...1441
                                   (1805...1880)	         1447...1489
                                                            1501...1513
Разнос каналов, кГц                      200       30	        25         1250
Разговорный канал, кГц                 25(12,5)    10	        8,3        —
Вид модуляции                          0,3 GMSK    n/4	     n/4 DQPSK     QPSK
                                                  DQPSK
Скорость передачи информации, кбит/     270        48	          42
Скорость преобразования речи, кбит/с   13(6,5)      8	     11,2(5,6)
Алгоритм преобразования речи           RPE-LTR     VSELP	  VSELP
Радиус соты, км	                   0,5...35,0    0,5...20,0    0,5...20,0    0,5...25,0

Стандарт GSM предоставляет своим пользователям ряд услуг, которые не реализованы (или реализованы не полностью) в других стандартах сотовой связи.

Полоса частот 890...915 МГц используется для передачи сообщений с ПС на ВС, а полоса частот 935...960 МГц — для передачи сообщений с БС на ПС (абоненту). Причем при переключении каналов во время сеанса связи разность между этими частотами постоянна и равна 45 МГц. Разнос частот между соседними каналами связи в стандарте GSM составляет 200 кГц. Таким образом, в отведенной для приема/передачи полосе частот шириной 25 МГц размещается 124 канала связи.

В стандарте GSM используется многостанционный доступ с временным разделением каналов — TDMA, что позволяет на одной несущей частоте разместить восемь речевых каналов одновременно. В качестве речепре-образующего устройства используется речевой кодек со скоростью преобразования речи 13 кбит/с.

Для защиты от ошибок, возникающих в радиоканалах, применяется блочное и сверточное кодирование с перемежением. Повышение эффективности кодирования и перемежения при малой скорости перемещения ПС достигается медленным переключением рабочих частот в процессе сеанса связи (со скоростью 217 скачков в секунду).

Для борьбы с интерференционными замираниями принимаемых сигналов, вызванными многолучевым распространением радиоволн в условиях города, в аппаратуре связи используются эквалайзеры, обеспечивающие выравнивание импульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс.

Для модуляции радиосигнала применяется спектрально-эффективная гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK).

Модуляция GMSK характеризуется следующими свойствами:

  • постоянная по уровню огибающая, позволяющая использовать передающие устройства с усилителями мощности класса С;
  • узкий спектр на выходе усилителя мощности передающего устройства, обеспечивающий низкий уровень внеполосного излучения;
  • хорошая помехоустойчивость канала связи.

Оборудование сетей GSM включает в себя ПС (радиотелефоны) и БС, цифровые коммутаторы, центр управления и обслуживания, различные дополнительные системы и устройства. Функциональное сопряжение элементов системы осуществляется с помощью ряда интерфейсов.

Подвижные станции состоят из оборудования, которое предназначено для организации доступа абонентов сетей GSM к существующим сетям связи. В рамках стандарта GSM приняты пять классов ПС: от модели 1-го класса с выходной мощностью до 20 Вт, устанавливаемой на транспортных средствах, до модели 5-го класса с максимальной выходной мощностью до 0,8 Вт (табл. 4). При передаче сообщений предусматривается адаптивная регулировка мощности передатчика, обеспечивающая требуемое качество связи. Подвижная и базовые станции независимы друг от друга.

                                                               Таблица 4
                                            Параметры ПС
                       ---------------------------------------------------------
   Класс модели ПС      Максимальная мощность        Допустимые отклонения, дБ
                           передатчика, Вт
--------------------------------------------------------------------------------
          1	                  20	                            ГЗ
          2	                  8	                            1,5
          3	                  5	                            1,5
          4	                  2                                 1,5
          5                      0,8                                y>

Структура и формирование сигналов. В стандарте GSM принят многостанционный доступ с временным разделением каналов — TDMA (Time Division Multiple Access).


В общем виде временная диаграмма процесса передачи выглядит следующим образом. Сначала осуществляется преобразование аналогового речевого сигнала в цифровую последовательность, которая подвергается шифрованию и кодированию, что необходимо для защиты информации от ошибок в процессе передачи и приема. Для этого используются:

  • блочное кодирование — для быстрого обнаружения ошибок при приеме;
  • сверточное кодирование — для исправления одиночных ошибок;
  • перемежение — для преобразования пакетов ошибок в одиночные ошибки.

В результате этих преобразований каждый отсчет уровня исходного аналогового сигнала представляется в виде зашифрованного сообщения, состоящего из 114 бит — двух самостоятельных блоков по 57 бит (рис. 19), разделенных между собой эталонной (обучающей) последовательностью (26 бит). При приеме этой последовательности определяется характер искажений в тракте распространения сигнала и эквалайзер приемника работает уже применительно к конкретным условиям в данный момент времени.

Для передачи информации по каналам управления и связи, подстройки несущих частот, обеспечения временной синхронизации и доступа к каналу связи используются пять видов временных интервалов (окон):

  • NB (Normal Burst) — нормальный временной интервал;
  • FB (Frequency correction Burst) — временной интервал подстройки частоты;
  • SB (Synchronization Burst) — интервал временной синхронизации;
  • DB (Dummy Burst) — установочный интервал;
  • АВ (Access Burst) — интервал доступа.

При передаче по одному разговорному каналу в стандарте GSM используется нормальный временной интервал NB (пакет) длительностью 0,577 мс, который включает в себя: 114 бит зашифрованного сообщения; две концевых комбинации ТВ (Tail Bits) no 3 бит каждая; два контрольных бита, разделяющих зашифрованные биты сообщения и эталонную последовательность; защитный интервал GP (Guard Period) длительностью, равной времени передачи 8,25 бит. Это означает, что интервал NB содержит 156,25 бит, а длительность одного бита составляет 3,69 мкс.

Временной интервал подстройки частоты FB содержит 142 нулевых бита, две концевых комбинации ТВ и защитный интервал. Повторяющиеся временные интервалы подстройки частоты образуют канал установки частоты (FCCH).

Интервал временной синхронизации SB используется в ПС для синхронизации работы аппаратуры. Он состоит из синхропоследовательности длиной 64 бит и двух зашифрованных блоков (по 39 бит каждый), несущих информацию о номере TDMA-кадра и идентификационном коде БС. Этот интервал передается вместе с интервалом установки частоты. Повторяющиеся интервалы синхронизации образуют так называемый канал синхронизации (SCH). Установочный интервал DB обеспечивает установление и тестирование канала связи. По своей структуре установочный интервал совпадает с нормальным временным интервалом NB. Их различие состоит лишь в том, что интервал DB содержит установочную последовательность длиной 26 бит и в нем отсутствуют контрольные биты.

Интервал доступа АВ обеспечивает разрешение доступа ПС к новой БС. Он содержит большой защитный интервал GP длительностью 252 мкс (68,25 бит), две концевых комбинации ТВ (по 3 бит каждая), синхропосле-довательность длиной 41 бит и 36 зашифрованных бит. Большой защитный интервал (252 мкс) обеспечивает возможность связи с подвижными абонентами в сотах радиусом до 35 км, поскольку он перекрывает время распространения радиосигнала в прямом и обратном направлениях, которое может составлять при этом до 233,3 мкс.

Передача информации при временном разделении каналов осуществляется в составе TDMA-кадра. Каждый временной интервал этого кадра обозначается номером от 0 до 7, т. е. в одном кадре одновременно могут передаваться восемь речевых каналов. Физический смысл временных интервалов (иначе — окна) — это время, в течение которого осуществляется модуляция несущей цифровым информационным потоком, соответствующим речевому сообщению или данным. Цифровой информационный поток представляет собой последовательность пакетов, размещаемых в этих временных интервалах (окнах). Пакеты формируются немного короче, чем интервалы, их длительность составляет 0,546 мс, что необходимо для приема сообщения при наличии временной дисперсии в канале распространения. Общая длительность одного TDMA-кадра составляет 4,615 мс.

Одной из особенностей формирования сигналов в стандарте GSM является использование медленных скачков по частоте в процессе сеанса связи — SFH (Slow Frequency Hopping). Главное назначение таких скачков — обеспечение частотного разнесения в радиоканалах, функционирующих в условиях многолучевого распространения радиоволн. Медленные скачки частоты используются во всех подвижных сетях, что повышает эффективность кодирования и перемежения при медленном движении АС.

Принцип формирования медленных скачков по частоте состоит в том, что сообщение, передаваемое в выделенном абоненту временном интервале TDMA-кадра 0,577 мс, в каждом последующем кадре передается (принимается) на новой фиксированной частоте. В соответствии со структурой кадров время для перестройки частоты составляет около 1 мс.

В процессе скачков по частоте постоянно сохраняется разнос 45 МГц между каналами приема и передачи. Всем активным абонентам, находящимся в одной соте, ставятся в соответствие непересекающиеся последовательности переключения частот, что исключает взаимные помехи при приеме сообщений абонентами. Параметры последовательности переключений частот (частотно-временная матрица и начальная частота) назначаются для каждой ПС в процессе установления канала связи. Каналы связи в стандарте GSM можно подразделить на физические и логические. Физический канал образуется путем комбинирования временного и частотного разделения сигналов и определяется как последовательность радиочастотных каналов (с возможностью скачков по частоте) и временных интервалов TDMA-кадра.

Каждая несущая содержит восемь физических каналов, размещенных в восьми временных интервалах в пределах TDMA-кадра. Каждый физический канал использует один и тот же временной интервал в каждом TDMA-кадре. До формирования физического канала сообщения и данные, представленные в цифровом виде, группируются и объединяются в логические каналы двух типов:

  • канал связи — для передачи кодированной речи и данных;
  • канал управления — для передачи сигналов управления и синхронизации.

Система сотовой подвижной связи CDMA

В настоящее время многостанционный доступ с кодовым разделением каналов — CDMA — реализован в стандарте IS-95 (cdmaOne) как наиболее широко используемого в настоящее время.

Общая характеристика стандарта CDMA. В сотовой системе CDMA используются широкополосные шумоподобные сигналы (ШПС). Основным свойством цифровой связи с ШПС является защищенность канала связи от перехвата, помех и подслушивания. Именно поэтому данная технология была изначально разработана и использована для вооруженных сил США, и лишь совсем недавно американская компания Qualcomm на основе этой технологии создала стандарт IS-95 (cdmaOne) и передала его для коммерческого использования.

В нашей стране теория систем с ШПС и кодовым разделением каналов была разработана проф. Л.Е. Варакиным.

Основной характеристикой ШПС является его база В, определяемая как произведение ширины спектра сигнала F на его период Т. В результате перемножения псевдослучайного сигнала с информационным сигналом энергия последнего распределяется в широкой полосе частот, т. е. его спектр расширяется. Информация может быть введена в ШПС несколькими способами. Наиболее известный способ заключается в наложении информации на широкополосную модулирующую кодовую последовательность перед модуляцией несущей для получения широкополосного шумоподобного сигнала ШПС. Узкополосный сигнал умножается на псевдослучайную последовательность (ПСП) с периодом Т, состоящую из N бит длительностью rQ каждый. В этом случае база ШПС численно равна количеству элементов ПСП.

Рис. 20. Схема формирования сигнала в прямом канале

Результирующий выигрыш в отношении сигнал—помеха на выходе приемника есть функция отношения ширины полос широкополосного и базового сигналов: чем больше расширение спектра, тем больше выигрыш. Во временной области — это функция отношения скорости передачи цифрового потока в радиоканале к скорости передачи базового информационного сигнала. Для стандарта IS-95 это отношение составляет 128 раз, или 21 дБ, что позволяет системе работать при уровне помех, превышающих уровень полезного сигнала на 15 дБ, так как обработка сигнала на выходе приемника требует превышения уровня сигнала над уровнем помех всего на 6 дБ. Кроме того, расширение спектра сигнала (до 1,23 МГц) можно рассматривать как применение методов частотного разнесения при приеме. В стандарте CDMA для кодового разделения каналов используются ортогональные коды Уолша. Коды Уолша —- одни из немногих ортогональных кодов, которые можно использовать для кодирования и последующего объединения ряда информационных сигналов. Коды Уолша формируются из строк матрицы Адамара.

Рис. 21. Схема формирования сигнала в обратном канале

Особенность этой матрицы состоит в том, что каждая ее строка ортогональна любой другой или строке, полученной с помощью операции логического отрицания. В стандарте IS-95 используется матрица 64-го порядка. Для выделения сигнала на выходе приемника применяется цифровой фильтр. При ортогональных сигналах фильтр можно настроить таким образом, что на его выходе всегда будет логический «О», за исключением случаев, когда принимается сигнал, на который он настроен. Кодирование по Уолшу применяется в прямом канале (от БС к абонентскому терминалу) для разделения пользователей. В системах, использующих стандарт IS-95, все АС работают одновременно в одной полосе частот. Согласованные фильтры приемников БС квазиоптимальны в условиях взаимной помехи между абонентами одной соты и весьма чувствительны к эффекту «далеко — близко». Для максимизации абонентской емкости системы необходимо, чтобы терминалы всех абонентов излучали сигнал такой мощности, которая обеспечила бы одинаковый уровень принимаемых БС сигналов. Чем точнее управление мощностью, тем больше абонентская емкость системы. На рис. 20 приведена упрощенная структурная схема, поясняющая принцип работы системы стандарта CDMA. Информационный сигнал кодируется по Уолшу, затем смешивается с несущей, спектр которой предварительно расширяется перемножением с сигналом источника ПСП. Каждому информационному сигналу назначается свой код Уолша, затем они объединяются в передатчике, пропускаются через фильтр, и общий шумоподобный сигнал излучается передающей антенной.

На вход приемника поступают полезный сигнал, фоновый шум, помехи от БС соседних ячеек и от ПС других абонентов. После ВЧ-фильтрации сигнал поступает на коррелятор, где происходит сжатие спектра и выделение полезного сигнала в цифровом фильтре с помощью заданного кода Уолша. Спектр помех расширяется, и они появляются на выходе коррелятора в виде шума. На практике в ПС используется несколько корреляторов для приема сигналов с различным временем распространения в радиотракте или сигналов, передаваемых различными БС.

В системах, основанных на других методах доступа, необходимо планировать распределение частотного ресурса между соседними ячейками с тем, чтобы предотвратить взаимное влияние сигналов соседних ячеек. В системах, использующих метод CDMA, изменяя временной сдвиг ПСП, можно использовать один и тот же участок полосы частот для работы во всех ячейках сети. Одним из основных факторов, определяющих высокую абонентскую емкость сети стандарта CDMA и упрощающих ее организацию, является 100%-ное использование доступного частотного ресурса. В системах, использующих методы доступа с временным или частотным разделением каналов, абонентская емкость ячейки жестко ограничена и определяется числом доступных каналов связи или временных интервалов. Системы на базе CDMA имеют динамическую абонентскую емкость, ограничиваемую внутрисистемной помехой, вызванной одновременной работой подвижных или базовых станций соседних ячеек.

Проиллюстрируем принцип работы системы с кодовым разделением каналов на работе ПС. После включения питания ПС настраивается на рабочую частоту сети и ищет сигнал БС (в сети используется общий для всех базовых и подвижных станций короткий код). Вероятно, она обнаружит несколько сигналов разных БС, которые можно различить по временному сдвигу в коротком коде. Подвижная станция выбирает сигнал с большим уровнем и, таким образом, получает когерентную опору для осуществления последующей демодуляции сигнала синхронизации. Этому сигналу постав¬лен в соответствие 32-й код Уолша. После этого ПС начинает мониторинг одного из каналов вызова.

Структура и формирование сигналов. В системе CDMA для преобразования аналогового речевого сигнала в цифровой используется вокодер с переменной скоростью кодирования, в основу работы которого положен алгоритм с линейным предсказанием кода —- CELP (Code Excited Linear Predictive). Этот алгоритм учитывает особенности человеческой речи. Вокодер перекодирует цифровой поток, имеющий скорость 64 кбит/с, в поток со скоростью 8 или 13 кбит/с. В ходе преобразования информационный поток делится на кадры, и содержащие паузы интервалы удаляются. Скорость результирующего потока составляет от 1 до 8 кбит/с. Вокодер приемной стороны объединяет кадры в единый поток и делает обратное преобразование. Другой важной особенностью вокодера с переменной скоростью кодирования является использование адаптивного порога для определения требуемой скорости кодирования данных. Уровень порога изменяется в соответствии с фоновым шумом. Результатом этого является подавление фона и улучшение качества речи даже в шумной обстановке. Вокодер позволяет подмешивать в речевой канал вторичный трафик, т. е. служебную информацию. Качество речи в системе CDMA, использующей вокодер CELP со скоростью кодирования 13 кбит/с, очень близко к качеству речи в проводном канале.

Рис. 22. Схема управления мощностью в прямом канале

Формирование сигнала в прямом канале. В системах передачи сообщений сотовой связи стандарта CDMA используются различные методы формирования сигналов. На рис. 22 представлена схема формирования сигналов в прямом канале (от БС к абоненту). Базовая скорость передачи данных в канале составляет 9,6 кбит/с, что достигается добавлением дополнительных корректирующих двоичных символов к цифровому потоку вокодера 8,55 кбит/с. Для реализации на приемной стороне прямой коррекции ошибок (без повторной передачи сообщения) в канале используется избыточное кодирование. Для этого базовый цифровой поток разбивается на пакеты длительностью по 20 мс и подается на сверточный кодер. На его выходе число битов удваивается. Затем данные перемежаются, т. е. перемешиваются во временном интервале 20 мс. Это делается для того, чтобы равномерно распределить в потоке данных потерянные во время передачи биты. Известно, что ошибочно принятые символы обычно формируют группы. В то же время, схема прямой коррекции ошибок работает наилучшим образом, когда ошибки распределены равномерно во времени, что происходит после осуществления на приемной стороне процедуры, обратной пере-межению при передаче. После перемежения цифровой поток преобразуется с помощью длинного кода и логической операции сложения по модулю два.

В аппаратуре стандарта CDMA длинный код формируется в результате нескольких последовательных логических операций с псевдослучайной двоичной последовательностью, генерируемой 42-разрядным регистром сдвига, и двоичной 32-битовой маской, которая определяется индивидуально для каждого абонента. Такой регистр сдвига применяется во всех БС этого стандарта. Поскольку информационный поток имеет скорость 19,2 кбит/с, то в прямом канале используется только каждый 64-й символ длинного кода. Следующий этап преобразования сообщения —- кодирование с помощью кодов Уолша. Один ряд матрицы Уолша ставится в соответствие каналу связи между абонентом и БС. Если на входе кодера «О», то посылается соответствующий ряд матрицы (код Уолша), если «1» — посылается последовательность, сформированная путем логического отрицания соответствующего ряда матрицы (кода Уолша). Это повышает скорость информационного потока с 19,2 кбит/с до 1,2288 Мбит/с. Соответственно, расширяется и спектр сигнала. На заключительном этапе двоичный поток разделяется между синфазным и квадратурным каналами (I- и Q-каналами) для последующей передачи (см. рис. 22) с использованием квадратурной фазовой манипуляции (QPSK). До подачи на смесители цифровой поток в каждом из каналов преобразуется с помощью «короткого» кода и логической операции сложения по модулю два.

Короткий код представляет собой псевдослучайную двоичную последовательность длиной 32768 двоичных символов, генерируемую со скоростью 1,2288 Мбит/с. Эта последовательность является общей для всех базовых и подвижных станций в сети. Короткий код формируется в 15-разрядном регистре сдвига с линейной обратной связью. Результирующий двоичный поток в каждом канале проходит через цифровой фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтр), что позволяет ограничить полосу излучаемого сигнала. Частота среза фильтра составляет около 615 кГц. Полученные аналоговые сигналы поступают на соответствующие входы I/Q-модулятора. Ряд информационных сигналов образуется путем объединения Т- и Q-каналов.

Поскольку все пользователи получают объединенный сигнал, то для выделения информации необходимо передавать опорный сигнал по каналу, называемому пилотным. В пилотном канале передается нулевой информационный сигнал, код Уолша для этого канала формируется из нулевого ряда матрицы Уолша. Другими словами, в пилотном канале передается только короткий код. Обычно на нем излучается около 20 % мощности. Опорный сигнал необходим для последующей фазовой демодуляции. Короткий код позволяет многократно использовать в каждой ячейке один и тот же набор кодов Уолша. Каждая БС имеет свой временной сдвиг при формировании кода и поэтому может быть однозначно определена в сети. Основано это на свойстве псевдослучайных двоичных кодов: значение автокорреляционной функции момента приближается к нулю для всех временных смещений более одной длины бита.

Рис. 23. Принцип «мягкой» эстафетной передачи сигналов

Формирование сигнала в обратном канале. В обратном канале (от абонента к базовой станции) применяется другая схема формирования (рис. 23). Подвижная станция не может использовать преимущества передачи опорного сигнала. В этом случае необходимо было бы передавать два сигнала, что значительно усложнило бы демодуляцию в приемнике БС. В обратном канале применяется такой же, как и в прямом, вокодер и свер-точное кодирование со скоростью 1/3 (что повышает скорость передачи данных с базовой 9,6 до 28,8 кбит/с), а также перемежение в пакете длительностью 20 мс. После перемежения выходной поток разбивается на слова по 6 бит в каждом. Шестибитовому слову можно поставить в соответствие один из 64 кодов Уолша. Таким образом, каждый абонентский терминал использует весь их набор. После этой операции скорость потока данных повышается до 307,2 кбит/с. Далее поток преобразуется с помощью длинного кода, аналогичного используемому БС, чем достигается разделение пользователей по форме сигнала. Абонентская емкость системы определяется обратным каналом. Для ее увеличения применяется регулирование мощности, методы пространственного разнесения приема на БС и др. Окончательное формирование потоков данных происходит таким же образом, как и в БС, за исключением дополнительного элемента задержки на 1/2 длительности символа в Q-канале для реализации смещенной QPSK.

Таким образом, на разделение пользователей в системе влияют многие параметры; некоторые из них представлены в табл. 5.

Управление мощностью передатчиков. Абонентская емкость ячейки системы CDMA оптимизируется использованием сложного алгоритма регулировки, который ограничивает мощность, излучаемую каждым абонентским терминалом, до необходимого уровня для получения приемлемой вероятности ошибки. В системе предусмотрено три механизма регулировки мощности:

  • в прямом канале — разомкнутая петля;
  • в прямом канале — замкнутая петля;
  • в обратном канале.

При передаче информации БС и приеме ее ПС будем говорить о прямом канале. Под обратным каналом будем подразумевать канал, в котором ПС передает, а БС принимает сообщения.

Рис. 24. Комбинированная TDMA/FDMA схема организации каналов связи в стандарте GSM и принцип формирования медленных скачков по частоте

Рассмотрим процесс регулирования мощности передающих устройств в обратном канале. Каждая ПС непрерывно передает информацию об уровне ошибок в принимаемом сигнале. На основании этой информации БС распределяет излучаемую мощность между абонентами таким образом, чтобы в каждом случае обеспечить приемлемое качество речи. Абоненты, на пути к которым радиосигнал испытывает большее затухание, получают возможность излучать сигнал большей мощности. Основной целью регулировки мощности в обратном канале является оптимизация площади соты. Процесс регулирования мощности в прямом канале происходит несколько иначе. В нем возможны два варианта регулирования: по открытому циклу (разомкнутая петля) и по замкнутому циклу (замкнутая петля).

Рассмотрим открытый цикл регулирования мощности (менее точный). Подвижная станция после включения ищет сигнал БС. После синхронизации ПС по этому сигналу осуществляется замер его мощности и вычисляется мощность передаваемого сигнала, необходимая для обеспечения соединения с БС. Вычисления основываются на том, что сумма уровней предполагаемой мощности излучаемого сигнала и мощности принятого сигнала должна быть постоянна и равна -73 дБ. Если уровень принятого сигнала, например, равен -85 дБ, то уровень излученной мощности должен быть равен + 12 дБ. Этот процесс повторяется каждые 20 мс, но он все же не обеспечивает желаемой точности регулировки мощности, так как прямой и обратный каналы работают в разных частотных диапазонах (разнос частот 45 МГц) и, следовательно, имеют различные уровни затухания при распространении и по-разному подвержены воздействию помех.

Рассмотрим процесс регулирования мощности при замкнутом цикле. Механизм регулирования мощности при этом позволяет точно отрегулировать мощность передаваемого сигнала. Базовая станция постоянно оценивает вероятность ошибки в каждом принимаемом сигнале. Если она превышает программно заданный порог, то БС дает команду соответствующей ПС увеличить мощность излучения. Регулировка осуществляется с шагом 1 дБ. Этот процесс повторяется каждые 1,25 мс. Цель такого процесса регулирования заключается в том, чтобы каждая ПС излучала сигнал минимальной мощности, которая достаточна для обеспечения приемлемого качества речи. За счет того, что все ПС излучают сигналы необходимой для нормальной работы мощности и не более, их взаимное влияние минимизируется, и абонентская емкость системы возрастает. Подвижные станции должны обеспечивать регулирование выходной мощности в широком динамическом диапазоне — до 85 дБ.

Организация эстафетной передачи сигналов. Приемники стандарта CDMA предполагают использование нескольких корреляторов одновременно. Приемник с несколькими каналами приема и обработки сигнала получил название Rake-приемника. Он имеет четыре канала приема. В трех каналах одновременно обрабатываются три наиболее сильных сигнала (в четвертом канале постоянно осуществляется поиск сигнала с более высоким уровнем). Эти сигналы складываются, и таким образом в системе с кодовым разделением каналов реализуется метод временного разнесения приема. Многолучевое распространение радиосигналов, с которым приходится бороться всем стандартам сотовой связи, в данном случае становится помощником. В случае построения фиксированных сетей многолучевые отражения позволяют снизить требования к уровню сигнала, приходящего к абонентской станции. В случае подвижной связи абонентская станция может одновременно принимать и обрабатывать сигналы нескольких БС. Это позволяет осуществлять мягкую эстафетную передачу абонента между БС. Преимущество «мягкой» эстафетной передачи сигналов заключается в том, что исключается возможность потери связи при движении абонента вдоль границы сот, когда имеет место эффект «пинг-понга». Недостатком такого процесса управления является одновременное использование двух БС.

Перспективы развития спутниковых и сотовых систем подвижной связи

Основные подходы к развитию сотовых систем третьего поколения.

Несмотря на многообразие и высокое качество предоставляемых услуг, ССПС второго поколения не способны удовлетворять всем требованиям, предъявляемым к сетям подвижной связи в следующем столетии. К ним в первую очередь относятся: глобальная мобильность, качество передачи речи, емкость сетей, высокая скорость передачи данных.

Глобальная мобильность. Подвижные абоненты должны иметь возможность перемещаться без каких-либо ограничений и при этом иметь доступ к привычному набору услуг, находясь за пределами своей «домашней» сети. Это можно достигнуть через систему стандартов, гармонизированных на глобальной основе.

Качество передачи речи. Оно должно соответствовать качеству передачи речевых сообщений стационарных телефонных сетей, что может быть обеспечено применением высокоэффективных вокодеров с адаптивной скоростью.

Емкость сетей. Быстро растущая потребность в услугах подвижной связи и ограниченность частотного ресурса определяют повышенные требования к возможности перспективных ССПС обслуживать большое число абонентов на ограниченной территории.

Высокая скорость передачи данных. Стремительный рост вычислительных сетей разного уровня, в частности Internet, появление новых приложений выдвигают в качестве одного из главных требований возможность передачи гетерогенного мультимедийного графика.

Перечисленные задачи не могут быть решены без радикального изменения радиоинтерфейсов и реализации дополнительных функций сетевого взаимодействия, что нельзя сделать в рамках существующих технологий сетей подвижной связи второго поколения.

Необходимость выработки единых глобальных подходов к построению ССПС третьего поколения побудила Международный союз электросвязи (МСЭ) к попытке создания единого стандарта для «Будущей наземной системы подвижной связи общего пользования», переименованной в дальнейшем в IMT-2000 (International Mobile Telecommunications — Международная подвижная связь). Здесь число 2000 символически указывает используемый диапазон частот (2000 МГц). Однако при переходе от этапа разработки серии концептуальных рекомендаций к созданию конкретных спецификаций стало очевидно, что коммерческие интересы различных региональных производителей аппаратуры и операторов связи практически невозможно объединить в рамках единого стандарта, и была выдвинута «концепция семейства» систем третьего поколения, членами которого могут стать региональные и национальные стандарты, отвечающие ряду обязательных требований по их взаимной совместимости и обеспечению глобального роуминга.

Внедрение систем IMT-2000, запланированное на первые годы ХХТ в., положит начало периоду совместного существования ССПС второго и третьего поколений. В течение этого времени будут постепенно вытесняться системы предыдущего поколения, в первую очередь за пределы территорий с наивысшей плотностью абонентов, т. е. за пределы мегаполисов. Переходный период может растянуться на годы, в течение которых будет происходить дальнейшее развитие ССПС второго поколения. Важнейшим вопросом при создании ССПС третьего поколения является выбор способа радиодоступа к будущей сети подвижной радиосвязи. Предложенные технологии построения радиоинтерфейса базируются на конкурирующих методах многостанционного доступа — с временным (TDMA) и кодовым (CDMA) разделением, каждый из которых имеет свои существенные достоинства. Рассмотрим вкратце особенности вариантов стандартов CDMA.

Особенности стандартов систем CDMA третьего поколения.

Эволюция стандарта IS-95. В настоящее время ведутся работы по созданию перспективных версий этого стандарта. Наиболее существенным дополнением, предусмотренным в стандарте IS-95B, является увеличение верхней границы скорости передачи данных без изменения занимаемой полосы частот 1,25 МГц. Благодаря возможности объединения до восьми каналов трафика CDMA скорость передачи данных может достигать значений 115 кбит/с (8x14,4 кбит/с), причем производители оборудования смогут постепенно наращивать число объединяемых каналов. Так компания QUAL-СОММ на начальном этапе предлагает использовать два или четыре объединенных канала в прямом направлении (от БС к АС), что обеспечит скорость 28,8 или 57,6 кбит/с соответственно, и один канал в обратном направлении. Этот выбор отражает несимметричную природу трафика, характерную для таких приложений, как электронная почта и доступ в сеть Internet.

В последующей версии стандарта — IS-95C — предусматривается повышение частотной эффективности и емкости системы CDMA. Для этого используемый набор из 64 кодов Уолша будет дополнен группой из 64 кодов, передаваемых по квадратурному каналу. Несмотря на изменения, система сохранит обратную совместимость со стандартами IS-95A и В и будет занимать прежнюю полосу частот 1,25 МГц.

Новая версия стандарта cdma2000 еще больше расширит возможности по высокоскоростной передаче данных. Она даст возможность организовать канал передачи данных с базовой скоростью 144 кбит/с, что позволит увеличить тактовую частоту «расширяющей спектр» псевдослучайной последовательности (ПСП) в 3 раза по сравнению со стандартом IS-95 (3x1,2288 МГц = 3,6864 МГц). Возможно также дальнейшее увеличение скорости передачи в канале от БС к АС до 1 Мбит/с за счет объединения нескольких каналов трафика.

Система W-CDMA. Европа. Одним из предложений Европейского сообщества по стандарту третьего поколения является система W-CDMA, использующая для начала полосу частот ШПС — 5 МГц с последующим расширением ее до 15 МГц. Европейский институт стандартов телекоммуникаций (ETSI) для предоставления нового варианта радиодоступа W-CDMA решил взять за основу базовой сети UMTS усовершенствованную коммутационную сеть GSM. Таким образом, система W-CDMA может сосуществовать с системой GSM и с помощью двухрежимных мобильных терминалов будет поддерживать полный роуминг и handoff от одной системы к другой. Использование двухрежимных терминалов на стадии внедрения W-CDMA даст абонентам возможность поддерживать связь с остальными пользователями GSM с самого начала внедрения.

Стандарт W-CDMA позволяет осуществлять комбинированные услуги на скорости передачи от 8 кбит/с до 384 кбит/с при полосе сигнала 5 МГц. Кроме того, можно комбинировать услуги с коммутацией пакетов и коммутацией каналов в одной и той же линии связи, обеспечивая, таким образом, предоставление действительно мультимедийных услуг. Также могут быть обеспечены услуги с различными требованиями к качеству передачи, например голосовая связь и пакеты данных.

Япония, Организация стандартизации Японии ARTB взяла за основу ту же технологию W-CDMA, первоначально используя ширину полосы носителя 5 МГц. Кроме того, Япония и крупнейшая компания-оператор мобильной связи NTT DoCoMo решили использовать усовершенствованную базовую сеть GSM ETSI в качестве базовой сети третьего поколения.

Корея. Здесь принята широкополосная версия CDMA, называемая B-CDMA, разработанная компанией Samsung Electronics. В ее основе лежат те же методы и алгоритмы преобразования сигналов, что и у CDMA (IS-95). Однако расширение спектра ШПС до 15 МГц позволило увеличить емкость системы, ее помехоустойчивость к внешним и внутрисистемным помехам, а также стойкость к интерференционным замираниям. Скорость передачи сообщений в системе B-CDMA может достигать 384 кбит/с.

Стандарт IMT-2000 охватывает широкий диапазон систем и применений от обычных сотовых сетей связи до персональной спутниковой телефонии и систем фиксированного радиодоступа, часто называемых Wireless Local Loop — беспроводная местная связь (WLL).

На начальной стадии постепенного внедрения систем третьего поколения будут применяться, как правило, мультирежимные переносные терминалы, предоставляющие возможность доступа к услугам 3G в местных сетях при сохранении нормальных функциональных возможностей систем второго поколения, когда пользователи, осуществляющие роуминг, попадают в зоны, где сети третьего поколения еще не функционируют. Таким образом, операторам будет представлено необходимое время для модернизации оборудования и получения прибылей в результате инвестиций в инфраструктуру систем второго поколения.

Внедрение систем третьего поколения окажет революционное влияние на использование сетей подвижной связи. Полностью цифровые системы 3G должны обеспечить пакетную передачу данных и полную совместимость с другими цифровыми устройствами, начиная от пультов игровых приставок и компьютеров и заканчивая цифровым телевидением и Internet.

Системы 3G должны поддерживать скорости передачи данных до 2 Мбит/с. Это обстоятельство открывает широкий диапазон возможностей для пользователей новых служб — от быстрого доступа к сети Internet в реальном масштабе времени до проведения персональных видеоконференций с применением специально разработанных для этого телефонных трубок с большим экраном. Дальнейшее расширение диапазона услуг подвижной связи станет возможным на основе систем стандартов четвертого поколения, важнейшим требованием при разработке которых будет увеличение скорости передачи до 10 Мбит/с. Достижение таких скоростей обеспечит возможность мобильному пользователю получения полного набора мультимедийных услуг с качеством, не уступающим тому, какое обеспечивается цифровыми сетями наземной связи.

Спутниковая составляющая для мобильных систем третьего поколения.

Как уже указывалось, спутниковая связь является важнейшим элементом будущих мобильных систем, так как обладает многими архитектурными и технологическими возможностями, например такими, как мультирегиональный и глобальный охват обслуживаемой территории, обеспечивающий универсальное решение задачи роуминга и доступа пользователей в удаленных и малонаселенных районах к услугам связи.

Спутниковый сегмент 3G следует рассматривать как развитие многих глобальных систем спутниковой связи, реализованных в 1998—2000 гг. (Indium, Globalstar и др.) и предоставляющих услуги связи типа голосовой телефонии, факс-связи и низкоскоростной передачи данных (4,8...9,6кбит/с).

Предложения по разработке проектов стандартов спутниковых систем в рамках S-IMT-2000 (Satellite IMT-2000) включают в себя целый ряд вариантов этих стандартов, среди которых важное место занимают стандарты на основе CDMA: SW-CDMA (ESA), SW-C/TDMA (ESA), SAT-CDMA (Корея). Несмотря на имеющиеся отличия, все перечисленные спутниковые системы третьего поколения должны удовлетворять ряду общих требований, включая:

  • освоение новых диапазонов частот, выделяемых с 2000 г. для ССПС: 1980...2010 МГц (линия Земля — спутник) и 2170...2200 МГц (линия спутник — Земля);
  • предоставление уже на первой фазе развертывания широкого спектра услуг, включая передачу речи, данных и низкоскоростной мультимедийной информации со скоростями от 2,4 кбит/с до 64 (144) кбит/с в глобальной зоне обслуживания;
  • возможность наращивания пропускной способности сети за счет введения новых спутников, станций сопряжения и абонентских терминалов различных модификаций.

Рассмотрим вкратце особенности перечисленных выше вариантов.

Европейским космическим агентством (ESA) предложены два проекта спутниковых систем: первый из них основан на широкополосном кодовом разделении SW-CDMA (Satellite Wideband CDMA), а второй — на гибридном кодово-временном разделении каналов SW-C/TDMA (Satellite Wideband Code and Time Division Multiple Access). Основная идея проекта SW-CDMA — адаптация технологии системы W-CDMA, разработанной в рамках стандартов IMT-2000 применительно к спутниковой связи. В проекте SW-C/TDMA предполагается использовать два метода дуплексного разделения: FDD (двухчастотный дуплекс) и FTDD (комбинированный частотно-временной дуплекс), что делает систему более гибкой и позволяет изменять пропускную способность в зависимости от условий эксплуатации и видов обслуживания. Что касается орбитальных группировок для рассматриваемых систем, то они могут строиться на базе спутников, выведенных как на низкие, средние, так и на геостационарную орбиты.

Максимальная скорость передачи составляет 64 кбит/с при полосе сигнала в радиоканале 2,5 МГц или 5 МГц (тактовые частоты расширяющих спектры ПСП, соответственно, 2,048 МГц и 4,096 МГц). Проект спутниковой системы SATCDMA подготовлен Ассоциацией связных технологий (ТТА) Кореи. Этот проект базируется на использовании CDMA с сигналами, полоса которых 10 МГц. Скорость передачи составляет от 9,6 до 144 кбит/с. В орбитальной группировке системы используются спутники на низких орбитах.

См. также