1. Введение. Общие принципы передачи информации

в СПР и ПСС

В районах с относительно высокой плотностью населения радиотелефонная связь с подвижными объектами реализуется посредством наземных систем подвижной радиосвязи (СПРС). В районах с низкой плотностью населения естественно применять системы персональной спутниковой связи (СПСС), предоставляющие пользователю различные услуги связи с помощью персонального абонентского терминала – как правило, вне зоны действия СПРС [1 – 7].

В настоящее время в СПРС и СПСС используются цифровые методы передачи и временное разделение каналов, что позволяет обеспечить:

• повышенную скорость передачи сообщений и высокое быстродействие при смене канала связи;

• одновременную передачу речевых сообщений и данных;

• совместную передачу информационных сообщений и сигналов управления без взаимного мешающего влияния;

• интеграцию существующих и вновь разрабатываемых сетей;

• стабильно высокий уровень разборчивости передаваемых речевых сообщений в условиях всего диапазона дальности связи;

• надежную и технически несложную защиту передаваемых сообщений;

• непрерывный контроль качества функционирования каналов связи.

Основные сведения о стандартах спр

AMPS (Advanced Mobile Phone Service – усовершенствованная мобильная телефонная служба, диапазон 800 МГц) широко используется в США, Канаде, Центральной и Южной Америке, Австралии; известен также как «североамериканский стандарт»; это очень распространенный стандарт в мире, обслуживающий почти половину всех абонентов сотовой связи (вместе с цифровой модификацией D-AMPS); используется в России в качестве регионального стандарта (в варианте D-AMPS) [1, 2].

Во всех аналоговых стандартах применяются ЧМ для передачи речи и частотная манипуляция для передачи служебной информации. Для передачи информации различных каналов применяется метод множественного доступа с частотным разделением каналов (Frequency Division Multiple Access – FDMA), с полосами каналов в различных стандартах от 12,5 до 30 кГц. Основной недостаток аналоговых систем – относительно низкая емкость, являющаяся прямым следствием недостаточно рационального использования выделенной полосы частот при частотном разделении каналов. Этот недостаток стал очевиден уже к середине 80-х годов, и сразу же значительные силы были направлены на поиск более совершенных технических решений. В результате этих усилий и поисков появились цифровые сотовые системы второго поколения. Переход к цифровым системам сотовой связи стимулировался также широким внедрением цифровой техники в связь в целом и в значительной степени был обеспечен разработкой низкоскоростных методов кодирования и появлением сверхминиатюрных ИС для ЦОС. Сейчас стандарт AMPS мало распространён в Европе и Азии. 18 апреля 2008 года прекратила свою работу двустандартная сеть AMPS/CDMA-800 Fora Communications (принадлежала Теле2) в Санкт-Петербурге – последняя крупная сеть стандарта AMPS.

Вместе с тем переход к цифровым системам был связан с определенными трудностями. В США аналоговый стандарт AMPS получил настолько широкое распространение, что прямая замена его цифровым оказалась практически невозможной. Выход был найден в разработке двухрежимной АЦ системы, позволяющей совмещать работу аналоговой и цифровой систем в одном и том же диапазоне. Работа над соответствующим стандартом была закончена в 1992 г.; стандарт получил наименование D-AMPS, или IS-54 (IS – сокращение от «промежуточный стандарт»). Его практическое использование началось в 1993 г. В Европе ситуация осложнялась наличием множества несовместимых аналоговых систем. Здесь выходом оказалась разработка единого общеевропейского стандарта GSM (GSM 900 МГц). Еще один вариант цифрового стандарта, схожий с D-AMPS, был разработан в Японии в 1993 г.; первоначально он назывался JDC, а с 1994 г. – PDC (Personal Digital Cellular – «персональная цифровая сотовая связь»).

D-AMPS (Digital AMPS – цифровой AMPS; диапазоны – 800 МГц и 1900 МГц); употребляется наименование NA TDMA («североамериканский TDMA») [1, 2]. Стандарт D-AMPS дополнительно усовершенствовался за счет введения нового типа каналов управления. Цифровая версия IS-54 сохранила структуру каналов управления аналогового AMPS, что ограничивало возможности системы. Новые чисто цифровые каналы управления введены в версии IS-136, которая была разработана в 1994 г. и начала применяться в 1996 г. При этом была сохранена совместимость с AMPS и IS-54, но повышена емкость канала управления и заметно расширены функциональные возможности системы.

Ёмкость сетей сотовой связи, работающих в D-AMPS, ниже, чем в полностью цифровых системах (GSM, CDMA), но всё же значительно выше, чем в аналоговых NMT-450 и AMPS. Этот стандарт проигрывает GSM в возможности свободно менять устаревшие модели телефонов на новые и переносе старого номера в новый телефон. В GSM это делается сменой SIM-карты, в D-AMPS это придётся делать в специальном сервисном центре оператора связи.

D-AMPS не был широко распространён в России, и в настоящее время Россвязьнадзор больше не выдаёт лицензии на этот стандарт связи. Схожая ситуация наблюдается в США и Канаде, где операторы связи прекращают поддержку сетей D-AMPS.

Стандарт DECT для беспроводной телефонии был представлен в 1992 г. Европейским институтом телекоммуникационных стандартов (ETSI). Пионером в разработке DECT считается корпорация Ericsson. В 2000 г. стандарт DECT одобрен для использования в 24 странах.

Система связи на основе стандарта DECT обеспечивает покрытие широкой географической зоны, позволяет осуществлять роуминг и динамическую передачу вызовов при переходе пользователя из зоны действия одной БС в зону действия другой и представляет пользователю качество связи, не отличающееся от качества связи на фиксированных линиях.

Стандарт базируется на цифровой радиопередаче данных между БС и радиотелефонами по технологии множественного доступа с временным разделением TDMA (Time Division Multiple Access). Диапазон радиочастот, используемых для приема-передачи, – 1880–1900 МГц. Рабочий диапазон (20 МГц) разделен на 10 радиоканалов, каждый по 1,728 МГц. Обмен информацией производится кадрами; с помощью временного разделения в каждом кадре создаются 24 временных слота; 24 слота обеспечивают 12 дуплексных каналов для приема/передачи голоса. При установлении соединения для разговора используются 2 из 24 временных слота в каждом кадре: один – для передачи голоса, другой – для приема.

Наиболее привлекательной перспективой развития DECT-систем является возможность взаимодействия стандартов DECT и GSM. Оба эти стандарта основаны на цифровой радиопередаче по TDMA технологии, но между ними существует различие в обеспечении мобильности абонента и емкости систем.

Стандарт DECT оптимизирован прежде всего для использования при напряженном трафике, характерном для условий, когда много абонентов размещаются на небольшой площади (заводы, бизнес-центры, выставочные центры и т. п.). Скорость передвижения абонента DECT-систем ограничена пешеходной скоростью человека. Это является существенным требованием к абоненту DECT-систем. Напротив, в стандарте GSM заложена возможность абонента передвигаться на автомобиле или поезде, возможность роуминга в других странах. Но, как уже отмечалось, емкость GSM-стандарта меньше, чем DECT, поэтому невозможно обеспечить напряженный бизнес-трафик без установки дополнительного микросотового GSM-оборудования. Поэтому очень перспективным является совмещение двух стандартов в одном радиотелефоне.

Технология DECT в настоящее время является одной из самых передовых технологий сухопутной подвижной радиосвязи.

EDACS (Enhanced Digital Access Communications System – усовершенствованная система связи с цифровым доступом) – транкинговая система радиосвязи фирмы Ericsson. Система EDACS разрабатывалась с учетом требований документа APS16 для использования различными коммерческими организациями. Системы EDACS выпускаются в различных вариантах на диапазоны частот 30–300, 800 и 900 МГц с разносом каналов связи 25, 30 и 12,5 кГц [1].

Системы EDACS, объединенные между собой при помощи контроллеров узлов связи или интегрированного контроллера узлов связи и диспетчерских пультов управления, образуют сеть EDACS.

В системе EDACS используются два вида радиоканалов: рабочий канал и канал управления. Для каждой радиостанции может быть выделен один рабочий канал. Канал управления служит для обмена цифровой информацией между радиостанциями и устройствами компьютерного управления работой всей системы.

Рабочие каналы используются собственно для обмена информацией между радиостанциями, для ретрансляции сообщений между подвижными станциями (ПС) и центральным диспетчерским узлом.

Упрощенную схему обмена между радиостанциями и узлом радиосвязи можно описать следующим образом [1]:

• абонентская радиостанция работает в режиме непрерывного прослушивания канала управления, ожидая команду по этому каналу;

• когда МА нужно выйти на связь, он нажимает на кнопку вызова, и его радиостанция посылает по каналу управления на узел радиосвязи цифровое сообщение с требованием предоставить канал связи;

• получив это сообщение, аппаратура узла связи выделяет свободный рабочий радиоканал посылкой ответного сообщения по каналу управления;

• получив это сообщение, АТ перестраивает свой передатчик и приемник на выделенный радиоканал, затем этот АТ и аппаратура выделенного радиоканала осуществляют высокоскоростную операцию установления связи;

• после этого на абонентской радиостанции раздается звуковой сигнал оповещения МА о том, что он может начать разговор.

Все перечисленные операции происходят с весьма высокой скоростью. Благодаря высокой скорости обмена сигналами управления и взаимодействия в системе EDACS, абонент практически не чувствует никакой задержки при переключении с канала на канал. Абоненту представляется, что для него выделен один свободный радиоканал.

Широкая полоса (25/30 кГц) была предусмотрена в системе EDACS с самого начала в расчете на стандартную скорость передачи данных в 9600 бит/с. Эта скорость используется для передачи сигналов управления и взаимодействия, для обмена разговорными сигналами и данными между ПС. Все три режима передачи предусмотрены для каждого широкополосной рабочего канала системы EDACS при связи между радиостанциями во всех конфигурациях.

Узкополосный канал EDACS (12,5 кГц) служит для обмена сигналами управления и взаимодействия, а также для передачи данных, но не цифровых разговорных сигналов. Групповой вызов является стандартным для системы EDACS. Такой вызов может быть для всех абонентов или для отдельных групп. Групповой вызов может относиться к любому числу радиостанций.

Каждая радиостанция системы EDACS снабжена своим адресом, однозначно идентифицирующим ее, что позволяет обращаться к каждой из них индивидуально. Индивидуальный вызов позволяет вести переговоры между отдельными станциями, и эти переговоры не прослушиваются никем из других абонентов системы.

Экстренный вызов формируется нажатием на кнопку экстренного вызова на радиостанции. Важным преимуществом системы EDACS оповещение об экстренном вызове не только диспетчера, но и всех абонентов данной группы.

Система EDACS может обслуживать 16000 абонентов, объединенных в 2048 групп. Дальнейшее развитие инфраструктуры до уровня 3 возможно за счет увеличения количества контроллеров узлов связи, диспетчерских пультов управления (до 30). Системы и сети EDACS рассчитаны на использование как аналоговых, так и цифровых радиостанций, обеспечивающих передачу РС в цифровой форме в режиме защиты информации (Voice Guard). Повышенная надёжность и защищённость системы обусловлена её ориентацией на применение службами общественной безопасности. При выходе из строя оборудования управляющего канала функции управления передаются другому доступному голосовому каналу.

Обеспечиваются такие режимы связи: передача аналоговых РС с ЧМ, передача РС в цифровой форме с возможностью защиты Voice Guard, передача данных в цифровой форме, передача сообщений абонентам ТфОП. Во всех режимах передача сигналов управления осуществляется со скоростью 9,6 кбит/с.

С появлением открытого стандарта цифровой транкинговой связи TETRA система утратила прежнюю актуальность.

В 1992 году ETSI был утвержден общеевропейский стандарт ETS 300-133 или ERMES (European Radio Message System). В 1994 году МСЭ рекомендовал использовать ERMES в качестве международного стандарта в пейджинговой радиосвязи. Основное достоинство стандарта состоит в том, что он полностью совместим с европейским стандартом GSM сотовой радиосвязи.

Этот стандарт поддерживает буквенно-цифровой пейджинг с использованием символов кириллицы. СПР на основе высокоскоростного протокола ERMES предоставляют пользователям возможность передачи цифровых сообщений (20–1600 знаков), буквенно-цифровых сообщений (400–900 символов) или произвольного набора данных объемом до 64 кбит.

Цифровые сети ERMES обладают высокой помехоустойчивостью, поскольку в передаваемом протоколе используется ЦК с избыточностью, что позволяет проводить коррекцию ошибок (искажение символов) в принятой информации. Кроме того, протокол обмена позволяет осуществлять роуминг, то есть абонент может использовать свой пейджер в странах, охваченных сетями ERMES.

Для приема сообщений в стандарте ERMES применяют пейджеры со сканирующим по частоте приемником. Процедура сканирования радиоканалов осуществляется до тех пор, пока не будет обнаружена и принята информация, адресованная данному абоненту. Стандарт ERMES в настоящее время не развивается.

Общие тенденции, связанные с интеграцией СПР идентичного назначения, расширением зоны обслуживания, развитием услуг связи и взаимодействием с современными цифровыми сетями связи, привели к необходимости разработки в рамках ETSI общеевропейского стандарта на транкинговые СПР, получившего название TETRA (TransEuropean Trunked RAdio). Стандарт TETRA базируется на технических решениях и рекомендациях стандарта GSM. ETSI представляет стандарт TETRA и системы связи на ее основе как новое поколение PMR, следующее за аналоговыми транкинговыми PMR. TETRA ориентирована на тех профессионалов, кому необходимы передача речи с высоким качеством, речи и данных, пакетная передача данных с возможностью шифрования.

Основными элементами сети транкинговой связи стандарта TETRA, как и известных PMR, являются: центр коммутации СПР, базовые станции (БС), диспетчерский пульт управления, мобильные станции.

В стандарте TETRA используется временное разделение каналов связи (ТDМА) с четырьмя временными окнами (пакетами), что позволяет обеспечить одновременно передачу четырех речевых каналов на несущую. Разнос соседних радиоканалов составляет 25 кГц, как и в обычных PMR системах связи.

Требуемый уровень излучения в соседнем канале – минус 60 дБ. Дуплексный разнос радиоканалов для передачи и приема равен 10 МГц.

Передача сообщений осуществляется мультикадрами (Multiframe). Один мультикадр содержит 18 простых ТDМА кадров и имеет длительность 1,02 с. Один ТDМА кадр в мультикадре – контрольный. ТDМА кадр содержит четыре пакета (time slots), его продолжительность составляет 56,67 мс. Один пакет занимает временной интервал, равный 14,167 мс, и содержит 510 бит, 432 из них (два блока по 216 бит) относятся к информационному сообщению. В середине каждого пакета содержится синхропоследовательность, которая применяется для синхронизации пакета и как тестирующая (обучающая) последовательность для адаптивного канального эквалайзера в приемнике. Пакеты линии «вверх» (uplink) содержат также интервал PA (Power amplifier), предназначенный для установления уровня излучаемой мощности по первому передаваемому пакету, и защитный интервал (GP – Guard Power) в конце для исключения перекрытия соседних пакетов [1].

При организации каналов связи для обслуживания многих абонентов применяются две схемы уплотнения TBD: статистическое временное уплотнение (STM) и статистический многостанционный доступ (STMA).

Передача четырех речевых каналов в полосе 25 кГц (в два раза меньше, чем в узкополосной ЧМ-системе) стала возможной благодаря использованию в стандарте TETRA низкоскоростного кодера. Это позволило увеличить в 4 раза эффективность использования частотного ресурса, по сравнению с GSM, однако привело к ухудшению качества передаваемой речи.

Стандарт TETRA разрабатывался с учётом требований служб безопасности и правоохранительных органов. В связи с этим стандарт предусматривает возможность шифрования и защиту от несанкционированного доступа. TETRA является современным стандартом радиосвязи и на конец 2009 года использовался в 114 странах мира.

GSM (Global System for Mobile communications – глобальная система мобильной связи, диапазоны – 900, 1800 и 1900 МГц) – один из самых распространенных стандартов мира, обслуживающий более трети всех абонентов. Разработка нового общеевропейского стандарта цифровой сотовой связи началась в 1985 году. Специально для этого было создана специальная группа – Group Special Mobile (GSM). Современная расшифровка GSM появилась позже.

Успешное практическое решение проблем обеспечения непрерывности связи при перемещении абонентов из соты в соту (handover) и определения местоположения абонента в сети в 80-х гг. определило лавинообразное развитие СПР.

При разработке общеевропейского стандарта Северной группой мобильной телефонии (NMT) была поставлена цель добиться для мобильных систем такой же надежности функционирования, что и в обычных ТфОП. Особенно это касалось приёма и передачи цифровой информации, необходимой, в частности, для набора номера и учёта продолжительности связи. Также требовалось создать мобильный телефон, максимально приближенный по использованию к обычному телефону. Требование того, что вызывающая сторона не обязана знать, где в данный момент находится вызываемый абонент, привело к появлению процедуры, позже названной роумингом. Она позволяла связываться с абонентом по одному номеру независимо от того, в какой из стран Европы он находится.

Мобильная телефонная станция (МТС), расположенная в автомобиле или грузовике, соединяется по радиоканалу с ближайшей БС, которая затем по фиксированному (кабельному или радиорелейному) каналу соединяется с центром коммутации (ЦК), в результате чего обеспечивается соединение между АТ. Система имеет выход сигнала в обычную ТфОП.

Разрабатываемая система мобильной радиосвязи должна была удовлетворять следующим критериям: высокое качество передачи речевой информации при низкой стоимости оборудования и предоставляемых услуг; возможность поддержки портативного оборудования пользователя; поддержка ряда новых услуг и оборудования передачи данных; использование SIM-карт для обеспечения доступа к каналу и услугам связи; закрытие радиоинтерфейса от прослушивания и шифрование передаваемых сообщений; аутентификация абонента и идентификация его оборудования по криптографическим алгоритмам; автоматический роуминг абонентов различных сетей GSM в национальном и международном масштабе.

К 1987 г. были определены основные характеристики системы, а в 1988 г. приняты основные документы стандарта.

Стандарт GSM, продолжая совершенствоваться технически, в 1989 г. пошел на освоение частотного диапазона 1800 МГц. Отличие от исходной системы GSM 900 не столько техническое, сколько маркетинговое: более широкая рабочая полоса частот в сочетании с меньшими размерами ячеек (сот) позволяет строить сотовые сети значительной емкости. В основу этой системы был заложен расчет на массовую СПР с относительно компактными и недорогими АТ. Соответствующее дополнение к исходному стандарту GSM 900 было разработано в Европе в 1991 г. Система получила название DCS 1800 (Digital Cellular System – цифровая система сотовой связи; первоначально использовалось также наименование PCN – Personal Communications Network – «сеть персональной связи»), начала использоваться с 1993 г., а в 1996 г. было принято решение именовать ее GSM 1800.

В США диапазон 1800 МГц оказался занят, поэтому была выделена полоса частот в диапазоне 1900 МГц, которая получила в США название диапазона PCS (Personal Communications Systems – «система персональной связи»), в отличие от диапазона 800 МГц, за которым сохранено название сотового (cellular).

Разработчики стандарта с самого начала стремились обеспечить совместимость сетей GSM и ISDN (Integrated Service Digital Network) по набору предлагаемых услуг. Кроме обычной телефонной связи пользователю GSM предоставляются разнообразные услуги передачи данных. Абоненты GSM могут осуществлять обмен информацией с абонентами ISDN, обычных ТфОП, сетей связи с коммутацией каналов, используя различные методы и протоколы доступа. Уникальной возможностью GSM является двунаправленная передача коротких сообщений SMS (Short Message Service).

В настоящее время стандарт GSM активно развивается, и уже сегодня пользователю может быть представлена услуга высокоскоростной пакетной передачи данных (GPRS) или доступа в Интернет. GSM на сегодняшний день является наиболее распространённым стандартом связи. По данным ассоциации GSM (GSMA), на него приходится 82 % мирового рынка мобильной связи, 29 % населения земного шара использует глобальные технологии GSM. В GSMA в настоящее время входят операторы более чем 210 стран и территорий.

Все перечисленные выше цифровые системы второго поколения основаны на методе множественного доступа с временным разделением каналов (Time Division Multiple Access – TDMA).

Однако в 1993 гг. в США был разработан стандарт системы сотовой связи на основе метода множественного доступа с кодовым разделением каналов (Code Division Multiple Access – CDMA) – стандарт IS-95 (диапазон – 800 МГц). Он начал применяться с 1996 гг. в Гонконге, США, Южной Корее. В Японии в 1992 гг. была разработана и с 1995 г. начала широко использоваться система PHS диапазона 1800 МГц (Personal Handyphone System – «система персонального ручного телефона»).

Достоинства CDMA:

1. Высокое качество голосовой связи.

2. Обеспечение высокого уровня информационной безопасности, что является свойством самой системы.

3. Широкий охват местности, устойчивая работа в зданиях и тоннелях. Для покрытия той же территории в CDMA нужно в 2–3 раза меньше БС, чем в GSM.

4. Низкое энергопотребление телефонов.

5. Высокая пропускная способность системы.

К недостаткам системы можно отнести более высокую стоимость базовых станций.

По состоянию на ноябрь 2009 года 308 операторов в 116 странах предоставляли услуги стандарта CDMA2000.