Системы сотовой связи

Оглавление

Введение. 2

Концепция систем сотовой связи. 4

Элементы  сетей сотовой связи. 6

Поколения систем сотовой связи. 10

Стандарты сотовых  систем подвижной радиосвязи первого  поколения (1G): 10

Стандарты сотовых  систем подвижной радиосвязи второго  поколения (2G). 11

Системы подвижной  радиосвязи третьего поколения (3G) 12

Заключение. 13

Список литературы. 14

 

 

Введение.

Появлению сетей сотовой  подвижной связи предшествовал  долгий период эволюционного развития радиотелефонной системы связи  в течение которого осваивались различные частотные диапазоны, и совершенствовалась техника связи. Идея сотовой связи была предложена в ответ на необходимость развития широкой сети подвижной радиотелефонной системы связи в условиях ограничений на доступные полосы частот.

В настоящее время во многих развитых и развивающихся странах ведется интенсивное внедрение сотовых сетей связи общего пользования. Такие сети предназначены для обеспечения подвижных и стационарных объектов телефонной связью и передачей данных. В сотовых сетях связи подвижными объектами являются либо наземные транспортные средства, либо непосредственно человек, находящийся в движении и имеющий портативную абонентскую станцию. Возможность передачи данных подвижному абоненту резко расширяет его возможности, поскольку кроме телефонных сообщений он может принимать телексные и факсимильные сообщения, различного рода графическую, медицинскую информацию и многое другое. Особое значение сотовые сети связи приобретают в связи с активным внедрением во все сферы человеческой деятельности персональных компьютеров, разнообразных баз данных, сетей ЭВМ. Доступ к ним через сети сотовой связи позволит подвижному абоненту оперативно и надежно получить необходимую информацию. Соответственно возрастет и роль систем связи, повысятся требования к качеству передачи информации, пропускной способности, надежности работы.

Увеличение объема информации потребует  сокращения времени доставки и получения  абонентом необходимой информации. Именно поэтому уже сейчас наблюдается  устойчивый рост мобильных средств  радиосвязи, которые дают возможность  сотруднику той или иной службы вне  рабочего места оперативно решать производственные вопросы. Радиотелефон перестал быть символом престижа и стал рабочим инструментом, который позволяет более эффективно использовать рабочее время, оперативно управлять производством и постоянно контролировать ход технологических процессов, что обеспечивает дополнительные доходы при использовании радиотелефона в производстве.

 

Концепция систем сотовой связи.

Внедрение сети сотовой радиотелефонной  связи позволило решить проблему экономичного использования выделенной полосы радиочастот путем передачи сообщений на одних и тех же частотах и увеличить пропускную способность телекоммуникационных сетей. Свое название сети сотовой связи  получили в соответствии с сотовым  принципом организации связи, согласно которому зона обслуживания делится  на большое число малых рабочих  зон или сот в виде шестиугольников. В центре каждой рабочей зоны расположена  базовая станция, осуществляющая связь  по радиоканалам с многими абонентскими станциями, установленными на подвижных объектах, находящихся в ее рабочей зоне. Базовые станции соединены проводными телефонными линиями связи с центральной станцией данного региона, которая обеспечивает соединение подвижных абонентов с любыми абонентами телефонной сети общего пользования с помощью коммутационных устройств. При перемещении подвижного абонента из одной зоны в другую производится автоматическое переключение канала радиосвязи на новую базовую станцию, тем самым осуществляется эстафетная передача подвижного абонента от передающей к последующей базовой станции. Причина деления зоны обслуживания системы на соты — недостаточная емкость единственной базовой станции, которая имела бы достаточную мощность и могла бы обеспечить радиопокрытие всей территории в той же ограниченной полосе частот, что и система базовой сети. Под емкостью здесь понимается максимальное количество подвижных станций, одновременно обслуживаемых системой, приходящихся на 1 Гц и на 1 км.  Разделение зоны охвата системы на соты, выделение каждой соте подгруппы каналов и возможность изменения мощности базовой станции приводят к возможности реализации гибкой структуры системы, учитывающей прогнозируемую интенсивность трафика на данной территории. В центрах городов с высокой концентрацией пользователей сотовых телефонов подвижной станции соты обычно имеют меньший размер, а каналы используются большее количество раз. Это позволяет обеспечить больший трафик на единицу обслуживаемой площади. В свою очередь, в сельской местности, где количество подвижных станций зависит, например, только от интенсивности движения по шоссе, соты имеют больший размер, в их распоряжении находится меньшее количество каналов, а мощность базовых станций выше. Управление и контроль за работой базовых и абонентских станций осуществляется центральной станцией, в памяти ЭВМ которой сосредоточены как статические, так и динамические данные о подвижных объектах и состоянии сети в целом. Важным последствием изменения местонахождения абонента в границах зоны обслуживания системы является необходимость обнаружения местоположения конкретной подвижной станции для установления соединения. Включенная и находящаяся в режиме ожидания ПС должна периодически обновлять информацию о своем местонахождении, чтобы обозначить присутствие в системе связи. Другой способ уточнения местоположения — целая группа базовых станций запрашивает ответ данной подвижной станции, зная, что та находится в зоне обслуживания одной из них. Важнейшая проблема, которую приходится решать в сотовой радиосистеме, — определение топографии размещения базовых станций. Для того чтобы обеспечить удовлетворительное качество соединений по всей области покрытия системы, базовые станции должны быть размещены соответствующим образом, и подгруппы каналов должны быть правильно распределены между ними.

 

Элементы  сетей сотовой связи.

Как я уже писала выше, система сотовой связи строится в виде совокупности сот, покрывающих обслуживаемую территорию. Ячейки обычно схематически изображают в виде правильных шестиугольников. В центре каждой ячейки находится базовая станция , обслуживающая все подвижные станции в пределах своей ячейки. При перемещении абонента из одной ячейки в другую происходит передача его обслуживания от одной базовой станции к другой. Все базовые станции соединены с центром коммутации подвижной связи по выделенным проводным или радиорелейным каналам связи. С центра коммутации имеется выход на телефонную сеть общего пользования.

Таким образом, сеть сотовой  связи состоит из базовой станции, подвижной станции, центра коммутации и интерфейса систем сотовой связи.

Рассмотрим подробнее  базовую станцию. Особенностью базовой станции является использование разнесенного приема, для чего станция должна иметь две приемные антенны. Кроме того, базовая станция может иметь раздельные антенны на передачу и на прием. Другая особенность — наличие нескольких приемников и такого же числа передатчиков, позволяющих вести одновременную работу на нескольких каналах с различными частотами. 
Одноименные приемники и передатчики имеют общие перестраиваемые опорные генераторы, обеспечивающие их согласованную перестройку при переходе с одного канала на другой; конкретное число приемопередатчиков зависит от конструкции и комплектации базовой станции. Для обеспечения одновременной работы N приемников на одну приемную и N передатчиков на одну передающую антенну, между приемной антенной и приемниками устанавливается делитель мощности на N выходов, а между передатчиками и передающей антенной — сумматор мощности на N входов. 
Приемник и передатчик имеют ту же структуру, что и в подвижная станция, за исключением того, что в них отсутствуют ЦАП и АЦП, поскольку и входной сигнал передатчика, и выходной сигнал приемника имеют цифровую форму. Возможны варианты, когда кодеки (либо только кодек речи, либо и кодек речи, и канальный кодек) конструктивно реализуются в составе центра коммутации, а не в составе приемопередатчиков базовой станции, хотя функционально они остаются элементами приемопередатчиков. 
Блок сопряжения с линией связи осуществляет упаковку информации, передаваемой по линии связи на центр коммутации, и распаковку принимаемой от него информации. Для связи базовой станции с центром коммутации обычно используется радиорелейная или волоконно-оптическая линия, если они не располагаются территориально в одном месте. 
Контроллер базовой станции (компьютер) обеспечивает управление работой станции, а также контроль работоспособности всех входящих в нее блоков и узлов. 
Для обеспечения надежности многие блоки и узлы базовой станции резервируются (дублируются), в состав станции включаются автономные источники бесперебойного питания (аккумуляторы).

Рассмотрим состав подвижной  станции. В состав цифровой подвижной станции входят: блок управления; приемопередающий блок; антенный блок.

Блок управления включает в себя микротелефонную трубку (микрофон и динамик), клавиатуру и дисплей. Клавиатура служит для набора номера телефона вызываемого абонента, а  также команд, определяющих режим  работы ПС. Дисплей служит для отображения  различной информации, предусматриваемой  устройством и режимом работы станции. 
Приемопередающий блок состоит из передатчика, приемника, синтезатора частот и логического блока. 
Приемник по составу соответствует передатчику, но с обратными функциями входящих в него блоков: 
демодулятор — выделяет из модулированного радиосигнала кодированный видеосигнал, несущий информацию;

декодер канала — выделяет из входного потока управляющую информацию и направляет ее на логический блок; принятая информация проверяется на наличие ошибок, и выявленные ошибки исправляются; до последующей обработки принятая информация подвергается обратной (по отношению к кодеру) переупаковке; 
декодер речи — восстанавливает поступающий на него с кодера канала сигнал речи, переводя его в естественную форму, со свойственной ему избыточностью, но в цифровом виде; 
ЦАП — преобразует принятый цифровой сигнал речи в аналоговую форму и подает его на вход динамика; 
эквалайзер — служит для частичной компенсации искажений сигнала вследствие многолучевого распространения; по существу, он является адаптивным фильтром, настраиваемым по обучающей последовательности символов, входящей в состав передаваемой информации; блок эквалайзера не является функционально необходимым и в некоторых случаях может отсутствовать. 
Логический блок — это микрокомпьютер, осуществляющий управление работой ПС. Синтезатор является источником колебаний несущей частоты, используемой для передачи информации по радиоканалу. Наличие гетеродина и преобразователя частоты обусловлено тем, что для передачи и приема используются различные участки спектра (дуплексное разделение по частоте). 
Антенный блок включает в себя антенну и коммутатор приема/передачи. Последний для цифровой станции может представлять собой электронный коммутатор, подключающий антенну либо на выход передатчика, либо на вход приемника, так как подвижная станция цифровой системы никогда не работает на прием и передачу одновременно.

Центр коммутации — это автоматическая телефонная станция системы сотовой связи, обеспечивающая все функции управления сетью. Центр коммутации 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. 
На центре коммутации замыкаются потоки информации со всех базовых станций, и через него осуществляется выход на другие сети связи — стационарную телефонную сеть, сети междугородной связи, спутниковой связи, другие сотовые сети. В состав центра коммутации входит несколько процессоров (контроллеров). 
Коммутатор подключается к линиям связи через соответствующие контроллеры связи, осуществляющие промежуточную обработку (упаковку/распаковку, буферное хранение) потоков информации. Управление работой центра коммутации и системы в целом производится от центрального контроллера. Работа центра коммутации предполагает участие операторов, поэтому в состав центра входят соответствующие терминалы, а также средства отображения и регистрации (документирования) информации. В частности, оператором вводятся данные об абонентах и условиях их обслуживания, исходные данные по режимам работы системы, в необходимых случаях оператор выдает требующиеся по ходу работы команды.

 

Поколения систем сотовой связи.

В эволюционном развитии систем сотовой связи можно выделить три поколениях:

первое — аналоговые системы;

второе — цифровые системы;

третье — универсальные системы мобильной связи.

Не стану глубоко углубляться  в стандарты каждого поколения, а кратко опишу их характеристику.

Стандарты сотовых систем подвижной  радиосвязи первого поколения (1G):

Наиболее известными являются девять основных стандартов аналоговых сотовых систем подвижной связи  первого поколения (1G). В России из них эксплуатировались NMТ-450 и AMPS.

Сотовые сети стандарта NMT. Аналоговый стандарт сотовой системы подвижной  радиосвязи NMT-450, разработан совместно  Администрациями связи Дании, Финляндии, Норвегии и Швеции. Системы NMT-450 работают в диапазоне 450—467 МГц с разносом каналов приема и передачи равным 10 МГц, имеют 180 каналов связи шириной по 20 / 25 кГц каждый

Сотовые сети стандарта AMPS. Сеть разработана США. работает в диапазоне 825—890 МГц и имеет 666 дуплексных каналов при ширине полосы частот каждого канала 30 кГц. Мощность передатчика БС составляет 45 Вт, автомобильной ПС — 12 Вт, переносного аппарата — 1 Вт. На основе стандарта AMPS разработаны две его модификации (аналоговая N-AMPS и цифровая D-AMPS) для размещения в выделенной полосе частот большего числа разговорных каналов.

Сотовые сети стандарта TACS. Диапазон частот — 900 МГц. 
Системы стандарта TACS строятся по радиальному принципу с использованием небольшого числа базовых станций. В таких системах каждая базовая станция непосредственно соединяется с центром коммутации, который имеет выход в телефонную сеть общего пользования. В системе TACS используется 1000 дуплексных каналов, из которых 956 являются речевыми, а остальные образуют две группы по 21 каналу, которые являются узлами коммутации.

Сотовая система стандарта  С-Netz (C-450).

Система С-Netz (С-450), которая использовалась в Германии, Австрии, Южной Африке и Португалии. Подобная же система эксплуатировалась во Франции. Диапазон частот — 450 МГц.

Сотовые сети стандарта RTMS.

RTMS (Radio Telephone Mobile System) — мобильная радиотелефонная система, диапазон 450 МГц, используется в Италии. 
Сотовые сети стандарта Radiocom-2000.

Radiocom-2000 (диапазоны 170, 200, 400 МГц) — используется во Франции;

Сотовые сети стандарта NTT.

NTT (Nippon Telephone and Telegraph system) — японская система телефона и телеграфа, диапазон 800—900 МГц, используется в Японии.

Стандарты сотовых систем подвижной  радиосвязи второго поколения (2G).