Системы подвижной радиосвязи

    Системы подвижной радиосвязи

    1 Общие положения

    Рынок подвижной радиосвязи переживает во всем мире стремительное развитие. До 1995 года только в Европе рынок  подвижной радиосвязи охватывал  около 15 млн. абонентов с ежегодным  оборотом более 8 млрд. долларов. Глобальной стратегией развития подвижной радиосвязи является разработка и внедрение единых международных стандартов и создание на их основе международных и глобальных сетей общего пользования.

    В настоящее время доминирующее положение  на рынке подвижной радиосвязи занимают:

• профессиональные (частные) системы подвижной радиосвязи (PMR, PAMR);
• системы персонального радиовызова (Paging Systems);
• системы сотовой подвижной радиосвязи (Cellular Radio Systems);
• системы беспроводных телефонов (Cordless Telephony).

    2 Профессиональные  системы подвижной  радиосвязи

    Профессиональные (частные) системы  подвижной радиосвязи (PMR - Professional Mobile Radio, PAMR - Public Access Mobile Radio) исторически появились первыми. Системы, обеспечивающие взаимодействие с телефонными сетями общего пользования, получили название частных (PAMR), а не обеспечивающие такого взаимодействия - профессиональных (PMR), т.е. обеспечивающих связью замкнутую группу абонентов.

    В первых профессиональных системах передатчик и приемник проектировались для работы на определенной фиксированной частоте. Каждый радиоканал был закреплен за сравнительно небольшой группой абонентов, которые использовали его как общедоступную линию связи (Рис.1, а). Если число абонентов превышало возможности одного канала, образовывали другую группу, за которой закрепляли другой радиоканал.

    Рис.1. Профессиональные (частные) системы  подвижной радиосвязи  

    В системе с общедоступным пучком каналов (транкинговые системы) (Рис.1,б) всем абонентам сети доступна целая группа каналов. 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:

• последовательным поиском радиостанцией свободного канала (например, по специальному маркерному сигналу незанятости). Однако такие системы характеризуются значительным временем установления соединения и могут применяться при небольшом количестве каналов (до 5..8);
• специально выделенным общим каналом сигнализации, на который настроены все радиостанции сети в режиме дежурного приема. Такие системы являются наиболее распространенными.

    Пропускная  способность системы с общедоступным  пучком каналов существенно выше, чем системы с закрепленными каналами.

    Например, единственный канал при вероятности  блокировки (т.е. непредставления канала из-за его занятости) 10% и средней продолжительности разговора 2,5 мин на одного абонента в ЧНН позволит обслужить не более двух-трех абонентов. Двадцать таких каналов, используемых порознь, 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.

    Сети  профессиональной радиосвязи 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 5...8 тысяч кв. км абонентам может быть доступно несколько десятков радиоканалов.

    На  изложенном транкинговом принципе действия в 60-x годах была создана отечественная  система подвижной связи "Алтай", которая в модернизированном виде функционирует и по настоящее время в диапазоне 330 МГц. Хотя общие тенденции развития отечественных профессиональных систем подвижной радиосвязи отвечали современному мировому уровню, однако, они разрабатывались в соответствии со стандартами России и не были ориентированы на западные стандарты, где уже наметилась тенденция международной стандартизации и унификации оборудования.

    Наиболее  распространенным видом транкинговых систем являются системы с выделенным каналом управления, использующие международные стандарты MTP 1327, MTP 1317, MTP 1343 и MTP 1347, разработанные первоначально в Великобритании на диапазоны частот 174..225 МГц и распространенные позже на другие диапазоны.

    Известны  также транкинговые системы с  совмещенным каналом управления, когда для передачи сигналов управления используется участок информационной полосы звуковых частот, расположенный ниже спектра частот речевого сигнала - в полосе до 150 Гц. Системы этого вида были разработаны фирмой E.F.Johnson (США) и получили обозначение LTR.

    Общей тенденцией развития профессиональных систем подвижной радиосвязи является переход от аналоговых корпоративных  или национальных стандартов к цифровым международным стандартам с обеспечением конфиденциальности связи и роуминга абонентов. Эти тенденции прежде всего связаны с внедрением общеевропейского стандарта на транкинговые системы подвижной радиосвязи TETRA, разработанного в рамках ETSI. Системы стандарта TETRA обеспечивают передачу речевых сообщений в цифровой форме, передачу данных и т.д. TETRA обеспечивает прямую связь абонентов без участия базовых станций. Внедрение систем стандарта TETRA в Европе планируется с 1997 года, первоначально в интересах служб безопасности, полиции и охраны границ.

    Однако, 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%) потребует 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.

    3 Сотовые системы

    Сотовая система подвижной  радиосвязи (ССПС) 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. Приведенный пример служит только для пояснения сотового принципа.

    Расчеты показывают, что из-за недопустимо большого уровня взаимных помех ячейки с одинаковым набором частот необходимо перемежать буферными ячейками с другими наборами частот. Группа ячеек в зоне обслуживания с различными наборами частот называется кластером. На Рис.2 показан образец сотовой структуры с типичной для аналоговых сетей размерностью кластера n=7.

    Рис.2. Образец сотовой структуры

    Если, например, для обслуживания абонентов  в одной ячейке требуется набор  из 10 частот, то для создания сотовой  структуры с размерностью кластера n=7, обслуживающей сколь угодно большую территорию, необходимо располагать набором из 70 частот.

    Основной  потенциал сотовой идеи заключается  в том, что уровень взаимных помех  зависит не от собственно расстояния между ячейками, а от отношения расстояния между ячейками к их радиусу.

    Радиус  ячейки зависит от мощности передатчика  и, определяется разработчиком системы, который в процессе проектирования должен выбрать подходящую размерность  кластера. С уменьшением радиуса  ячейки возрастает количество базовых станций, приходящихся на 1 кв. км площади обслуживания и на 1 МГц используемой полосы частот.

    Конечно, полномасштабное развертывание  сотовой сети с самого начала ее ввода в эксплуатацию представляется чрезвычайно дорогостоящим. Обычно ее развертывание начинается с небольшого числа крупных ячеек, которые через некоторое время постепенно трансформируются в большее число более мелких ячеек. Такой способ преобразования называется расщеплением. Когда в некоторой ячейке нагрузка достигает того уровня, при котором существующее в ней число каналов оказывается недостаточным для поддержания установленного качества обслуживании абонентов (т.е. вероятность непредоставления канала при поступлении вызова оказывается больше установленного значения, как правило, до 5%), эта ячейка разделяется на несколько более мелких с пониженной мощностью передатчиков. При этом пропускная способность сети на территории расщепленной ячейки увеличивается в число раз, равное числу вновь образованных ячеек. Эта процедура может повторяться до тех пор, пока сеть не достигнет расчетного значения своей пропускной способности.

    Ячейки  небольших размеров требуются только в центральной части города со значительной плотностью абонентов. Ближе  к окраинам плотность снижается, и размеры ячеек могут увеличиваться. Расщепление ячеек может производиться достаточно гибко как в пространстве, так и во времени. По замыслу разработчиков сотовой системы она должна явиться чрезвычайно удобным средством в руках проектировщиков для возможности повышения пропускной способности именно там и именно в то время, где и когда это необходимо.

    Использование сравнительно небольших ячеек создает  проблему поддержания непрерывности связи. При движении по произвольному маршруту объект (абонент ССПС) в течение одного сеанса связи может миновать несколько ячеек. В этом случае непрерывность связи обеспечивается способностью системы автоматически передавать связь с объектом тем базовым станциям, в зоне действия которых он оказывается в данный момент.

    Благодаря непрерывным измерениям уровней сигналов, поступающих в центр коммутации подвижной связи от базовых станций, ближайших к движущемуся объекту, система может определить момент пересечения объектом границы двух ячеек и переключить разговорный канал из первой ячейки во вторую в течение достаточно малого промежутка времени, не приводящего к нарушению непрерывности разговора. Такая процедура, получившая название эстафетной передачи (хэндовер), требует весьма сложного алгоритма определения именно той ячейки из нескольких соседних, куда перемещается объект, а также быстродействующих алгоритмов и схемотехнических решений, обеспечивающих освобождение канала в первой ячейке и поиск свободного канала с восстановлением по нему связи во второй ячейке.

    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 объекта от ячейки к ячейке.

    привела в начале 80-х годов к созданию в ряде промышленно развитых стран  Европы и Северной Америки ССПС, которые положили начало массовому  внедрению услуг подвижной связи во всем мире.

    Развернутые в 80-x годах ССПС относят к первому поколению. К ним относятся стандарты AMPS (США), HCMTS (Япония), NMT-450 и NMT-900 (Северная Европа), C-450 (Германия), TACS (Великобритания), ETACS (Англия, Лондон), RTMS-101H (Италия) и Radiocom-200 (Франция). Они были рассчитаны в основном на обслуживание абонентов в рамках национальных границ, использовали аналоговую ЧМ для передачи речи и внутриполосную (in-band) сигнализацию в процессе установления соединения между абонентскими терминалами и остальной сетью. Исключение составляла лишь система NMT-450 (NMT-900), которая была введена в эксплуатацию в 1981 году как международная система для четырех стран Северной Европы: Дании, Финляндии, Норвегии и Швеции.

    Однако, аналоговые ССПС уже не удовлетворяют современному уровню развития связи. Тем не менее один из аналоговых стандартов - NMT-450 - принят в качестве федерального стандарта России. На его основе созданы ССПС в Москве ("Московская сотовая связь", начало коммерческой эксплуатации - 1991 год, в настоящее время - более 20 тысяч абонентов), Санкт-Петербурге ("Дельта-Телеком") и других городах. В июне 1994 года началась коммерческая эксплуатация ССПС компании "Би-Лайн", использующей стандарт AMPS. В настоящее время данная ССПС предоставляет услуги цифровой сотовой связи в стандарте D-AMPS, обслуживает более 20 тысяч абонентов в Москве и области и обеспечивает административный роуминг с другими сетями этого стандарта.