Раздел 5

5. Мобильные средства коммуникаций

Содержание:

5.1. Транкинговые системы

5.2. Сотовые системы связи

Мобильными системами связи называют такие сети, которые обладают различными комбинациями мобильности:

Терминальная мобильность - возможность МС получать услуги связи при движении и способность сети идентифицировать, определять местоположение и сопровождать терминал.

Персональная мобильность - возможность пользователя получать услуги связи (прием и посылку вызова) с любой МС на базе персонального идентификатора и способность сети обеспечить эти услуги, в соответствии с потребностями пользователя. Персональная мобильность подразумевает способность сети определять МС пользователя с целью операции, сопровождения и выполнения вызова.

В настоящее время в России получили применение следующие мобильные системы:

• транкинговые системы

• сотовые системы

• системы персонального радиовызова (пейджеры)

• системы бесшнуровой телефонии

• глобальные спутниковые системы

Однако развитие мобильности затрудняется по ряду причин:

• острый дефицит спектра частот

• низкий уровень телефонизации в России

• низкая плотность населения и неравномерность распределения

• низкая платежеспособность населения

Исторически впервые в эксплуатации появились транкинговые системы, так как в условиях ограничений на использование радиосвязи возможность ее применения для связи с подвижными абонентами предоставлялась государственным, ведомственным или крупным частным организациям (полиция, пожарная охрана, такси и т. п.). Для вызова подвижного абонента (внутри ограниченной зоны обслуживания) стали использоваться пейджинговые системы. Появившиеся совсем недавно сотовые системы являются принципиально новым видом систем связи, так как они построены в соответствии с сотовым принципом распределения частот по территории обслуживания (территориально-частотное планирование) и предназначены для обеспечения радиосвязью большого числа подвижных абонентов с выходом на телефонную сеть общего пользования. Если транкинговые системы создавались (и создаются) в интересах узкого круга абонентов, то сотовые системы стали использоваться в интересах широких кругов населения.

5.1. Транкинговые системы

Транкинговыми системами называются радиально-зоновые системы наземной подвижной радиосвязи, осуществляющие автоматическое распределение каналов связи ретрансляторов между абонентами. Это достаточно общее определение, но оно содержит совокупность признаков, объединяющих все транкинговые системы, от простейших SmarTrunk до современных TETRA. Термин "транкинг" происходит от английского Trunking, что можно перевести как "объединение в пучок".

Основные архитектурные принципы транкинговых систем легко просматриваются на обобщенной структурной схеме однозоновой транкинговой системы, представленной на рис. 1. Инфраструктура транкинговой системы представлена базовой станцией (БС), в состав которой, помимо радиочастотного оборудования (ретрансляторы, устройство объединения радиосигналов, антенны), входят также коммутатор, устройство управления и интерфейсы различных внешних сетей.

Необязательными, но очень характерными элементами инфраструктуры транкинговой системы являются диспетчерские пульты. Дело в том, что транкинговые системы используются в первую очередь теми потребителями, чья работа не обходится без диспетчера. Это службы охраны правопорядка, скорая медицинская помощь, пожарная охрана, транспортные компании, муниципальные службы.

Диспетчерские пульты могут включаться в систему по абонентским радиоканалам, или подключаться по выделенным линиям непосредственно к коммутатору базовой станции. Следует отметить, что в рамках одной транкинговой системы может быть организовано несколько независимых сетей связи, каждая из которых может иметь свой диспетчерский пульт.

Абонентское оборудование транкинговых систем включает в себя широкий набор устройств. Как правило, наиболее многочисленными являются полудуплексные радиостанции, т.к. именно они в наибольшей степени подходят для работы в замкнутых группах. В большинстве своем это радиостанции с ограниченным числом функций, не имеющие цифровой клавиатуры. Их пользователи, как правило, имеют возможность связываться лишь с абонентами внутри своей рабочей группы, а также посылать экстренные вызовы диспетчеру. Впрочем, этого вполне достаточно для большинства потребителей услуг связи транкинговых систем. Выпускаются и полудуплексные радиостанции с широким набором функций и цифровой клавиатурой, но они, будучи несколько дороже, предназначены для более узкого привилегированного круга абонентов.

В транкинговых системах, особенно рассчитанных на коммерческое использование, применяются также дуплексные радиостанции, скорее напоминающие сотовые телефоны, но обладающие значительно большей функциональностью по сравнению с последними. Дуплексные радиостанции транкинговых систем обеспечивают пользователям полноценное соединение с ТФОП. Что же касается групповой работы в радиосети, то она производится в полудуплексном режиме. В корпоративных транкинговых сетях дуплексные радиостанции применяются в первую очередь для персонала высшего звена управления.

Как полудуплексные, так и дуплексные транкинговые радиостанции выпускаются не только в портативном, но и в автомобильном исполнении. Как правило, выходная мощность передатчиков автомобильных радиостанций в 3-5 раз выше, чем у портативных радиостанций.

Структурная схема однозоновой транкинговой системы

Относительно новым классом устройств для транкинговых систем являются терминалы передачи данных. В аналоговых транкинговых системах терминалы передачи данных - это специализированные радиомодемы, поддерживающие соответствующий протокол радиоинтерфейса. Для цифровых систем более характерно встраивание интерфейса передачи данных в абонентские радиостанции различных классов. В состав автомобильного терминала передачи данных иногда включают и спутниковый навигационный приемник системы GPS (Global Positioning System), предназначенный для определения текущих координат и последующей передачи их диспетчеру на пульт.

Службы транкинговых систем

Транкинговые системы связи характеризуются широким разнообразием служб, обеспечивающих работу различного оборудования, а также поддержку сетей связи внутри этих систем. Наиболее важной и часто используемой службой транкинговых систем является служба внутренних вызовов.

Внутренние вызовы

Транкинговые сети предоставляют абонентам возможность производить различные типы вызовов внутри системы: индивидуальный (персональный) и групповой (диспетчерский). В первом случае вызов направляется только одному абоненту, во втором - нескольким абонентам.

Вызов произвольно выбранной группы

Основным типом вызова в транкинговых системах является групповой вызов в рамках одной группы. Групповой вызов принципиально может быть произведен только в полудуплексном режиме. Пока вызывающий абонент говорит и его радиостанция находится в режиме передачи, все остальные члены группы принимают сообщение вызывающего абонента. В ходе последующего радиообмена реплика каждого члена группы автоматически становится слышна всем участникам группы. Групповой вызов может производиться с самой простой (а, следовательно, недорогой) полудуплексной радиостанции - для этого пользователю достаточно лишь нажать на кнопку "Передача". Вхождение в связь со "своей" группой абонентов производится автоматически. Если надо связаться с абонентами других групп, следует вначале набрать на клавиатуре радиостанции номер нужной группы. Групповой вызов обеспечивают все известные транкинговые системы.

В большинстве существующих транкинговых систем предусмотрена возможность одновременного вызова абонентов нескольких групп или сразу всех абонентов сети (All Call). В некоторых системах используется иерархическое вложение групп и предусматриваются соответствующие типы вызовов: многоуровневый, многогрупповой и т.д. Как правило, право производить столь сложные вызовы предоставляется только диспетчеру. Некоторые системы обеспечивают возможность соединения с произвольно выбранной группой не только для абонентов транкинговой системы, но и для абонентов телефонной сети общего пользования .

Вызов произвольно выбранной группы абонентом

не из данной группы

Вызов группы из ТФОП

Персональный вызов

Персональный внутренний вызов является более привилегированным типом вызова. Для его посылки пользователь должен использовать радиостанцию с цифровой клавиатурой. Персональный внутренний вызов может быть произведен не только в полудуплексном, но и в дуплексном режиме (разумеется, если обе абонентские радиостанции являются дуплексными).

Существует еще одна специфическая разновидность внутренних вызовов - статусные сообщения. Они относятся, скорее, к области передачи данных и служат заменой тривиальным репликам, таким как "вас понял", "повторите" и т.п. Вместо речевого ответа абонент может нажать соответствующую функциональную кнопку, что вызовет передачу короткого цифрового сообщения. Применение статусных сообщений позволяет существенно уменьшить загрузку системы, т.к. в условиях диспетчерской связи и групповой работы такие реплики употребляются очень часто.

Приоритетные вызовы

Многие транкинговые системы предусматривают обработку вызовов с несколькими уровнями приоритета. Так, в системе DigiStar предусмотрено 10 уровней приоритета, в системе. EDACS - 8 уровней. Разграничение приоритетов может использоваться в различных целях: предоставление привилегий отдельным абонентам или группам, а также оптимизация обработки графика. В любом случае, влияние приоритетной обработки вызовов начинает сказываться только при высокой загрузке системы.

Некоторые системы предусматривают наделение ряда абонентов правом вызова со сверхвысоким приоритетом, или т.н. вытесняющего вызова. При поступлении такого вызова в ситуации, когда все ретрансляционные ресурсы заняты (т.е. в ситуации блокирования), одно из текущих соединений прерывается, а освободившийся ресурс отводится для обслуживания поступившего вызова со сверхвысоким приоритетом.

Существует еще один тип приоритетной обработки вызовов - предоставление т.н. открытого канала, заключающееся во временном переключении одного из каналов в монопольное владение одной группы абонентов. Это позволяет группе получить гарантированный и быстрый доступ к ретранслятору. Предоставление открытого канала является средством, используемым лишь в исключительных ситуациях и доступным для крайне ограниченного круга пользователей. Включение режима открытого канала приносит заметные неудобства остальным абонентам системы, т.к. за счет уменьшения числа разделяемых каналов ухудшается качество обслуживания, особенно в ситуации высокой нагрузки.

Доступ к ТФОП

Как правило, доступ к телефонным сетям общего пользования (ТФОП) должны иметь лишь немногие абоненты транкинговых систем. Согласно требованиям Госкомсвязи России, для доступа к ТФОП должны использоваться дуплексные радиостанции, поскольку сама ТФОП работает в дуплексном режиме. Вместе с тем, практически все известные транкинговые системы предоставляют возможность доступа к ТФОП с помощью полудуплексных радиостанций.

Вызовы абонентов ТФОП в основном производятся с радиостанций, имеющих цифровую клавиатуру. Однако и некоторые бесклавиатурные радиостанции позволяют производить вызов ограниченного круга абонентов ТФОП, номера которых были заранее занесены в "записную книжку" радиостанции при ее программировании.

Передача данных

В транкинговых системах передача данных является дополнительной услугой, поэтому до последнего времени она не получала развитых средств поддержки. Скорость передачи данных во всех аналоговых системах лежит в пределах 0,6 - 4,8 Кбит/с. Пользовательская скорость передачи данных для цифровых систем может варьироваться в широких пределах. Так, новейший стандарт TETRA предусматривает скорость до 28,8 Кбит/с.

Важнейшая область применения служб передачи данных - организация в рамках транкинговых систем сетей дистанционного мониторинга и контроля местоположения подвижных объектов.

Режим непосредственной связи

В некоторых транкинговых системах предусмотрена возможность непосредственной связи абонентов без участия ретранслятора. Этот режим, называемый также Talk Around или Direct Mode Operation, используется в том случае, если один или несколько абонентов вышли из зоны действия всех ретрансляторов системы, либо при аварии транкинговых контроллеров и обрыве линий связи в зоне обслуживания базовой станции.

Режим непосредственной связи

Таким образом, можно выделить несколько важнейших архитектурных признаков, присущих транкинговым системам:

• это ограниченная (а значит, недорогая) инфраструктура. В многозоновых транкинговых системах она более развита, но все равно не идет ни в какое сравнение с мощью инфраструктуры сотовых сетей;

• это большой пространственный охват зон обслуживания базовых станций, который объясняется необходимостью поддержания групповой работы на обширных территориях и требованиями минимизации стоимости системы. В сотовых сетях, где инвестиции в инфраструктуру быстро окупаются, а трафик постоянно растет, базовые станции размещаются все более плотно, а радиус зон покрытия (сот) уменьшается. При развертывании транкинговых систем все обстоит несколько иначе - объем финансирования, как правило, ограничен, и для достижения высокой эффективности капиталовложений нужно обслужить с помощью одного комплекта оборудования базовой станции возможно более обширную территорию;

• широкий набор абонентского оборудования позволяет транкинговым системам охватить практически весь спектр потребностей корпоративного потребителя в подвижной связи. Возможность обслуживания разнородных по функциональному назначению устройств в единой системе - это еще один путь к минимизации расходов;

• транкинговые системы позволяют на базе своих каналов организовать независимые выделенные сети связи (или, как принято говорить в последнее время, частные виртуальные сети). Это означает, что несколько организаций могут совместными усилиями развернуть единую систему вместо установки отдельных систем. При этом достигается ощутимая экономия радиочастотного ресурса, а также снижение стоимости инфраструктуры.

Все сказанное выше свидетельствует о прочности позиций транкинговых систем в корпоративном секторе рынка систем и средств подвижной связи.

5.2. Сотовые системы связи

В настоящее время 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 подвижными объектами являются либо наземные транспортные средства, либо непосредственно человек, находящийся в движении и имеющий портативную абонентскую станцию (подвижный абонент). Возможность передачи данных подвижному абоненту резко расширяет его возможности, поскольку кроме телефонных сообщений он может принимать телексные и факсимильные сообщения, различного рода графическую информацию (планы местности, графики движения и т. п.), медицинскую информацию и многое другое. Особое значение сотовые системы связи приобретают в связи с активным внедрением во все сферы человеческой деятельности персональных компьютеров, разнообразных баз данных, сетей ЭВМ. Доступ к ним через сотовую сеть 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 (автомобильных и портативных радиотелефонов), 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.

Внедрение сотовых сетей во многие отрасли народного хозяйства позволит резко повысить производительность труда на подвижных объектах, добиться экономии материально-трудовых ресурсов, обеспечить автоматизированный контроль технологических процессов, создать надежную систему управления транспортными средствами или мобильными роботами, распределенными на большой территории и входящими в состав гибких автоматизированных систем управления.

Свое название сотовые сети получили в соответствии с сотовым принципом организации связи, согласно которому зона обслуживания (территория города или региона) делится на большое число малых рабочих зон или сот в виде шестиугольников. В центре каждой рабочей зоны расположена базовая станция, осуществляющая связь по радиоканалам со 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 (соседней) базовой станции. 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.

В отличие от транкинговых систем в сотовых сетях подвижной связи радиосвязь базовой станции с абонентской станцией осуществляется в пределах малой рабочей зоны, что позволяет многократно использовать одни и те же частоты в зоне обслуживания. Число абонентов в сотовой сети определяется пропускной способностью и числом базовых станций, равным числу рабочих зон, которое возрастает по квадратическому закону с уменьшением радиуса рабочей зоны при постоянном радиусе зоны обслуживания. Если десять лет назад радиус рабочей зоны в сотовой телефонии был приблизительно равен 5-15 км, то в настоящее время в среднем он равен 200 м. Так уменьшение радиуса рабочей зоны с 30 до 0,5 км позволит увеличить в 3600 раз число подвижных абонентов, оснащенных радиосвязью и имеющих возможность выхода на телефонную сеть общего пользования. Следовательно, эффективность использования спектра радиочастот в сотовых сетях во много раз выше, чем в транкинговых системах, что позволит в перспективе обеспечить управление большим числом наземных подвижных объектов.

С уменьшением радиуса рабочей зоны появляется возможность уменьшить мощность передатчиков и чувствительность приемников, что значительно улучшит электромагнитную совместимость абонентов в сотовых сетях и электромагнитную совместимость между сотовыми сетями и другими системами, использующими определенные спектры радиочастот, а также позволит снизить стоимость и габаритные размеры абонентской станции, обеспечить доступ к базам данных и ЭВМ.

Отмеченные преимущества позволяют уже в настоящее время повысить оперативность управления и контроля в работе подведомственных предприятий и организаций, улучшить качество технологических процессов в системах с большим числом транспортных средств. Стремительный рост объемов передаваемой информации требует значительного сокращения времени доставки и обработки абонентом необходимой информации. Это одна из причин быстрого роста мобильных средств связи на базе сотовых сетей.

Внедрение сотовых сетей означает появление принципиально нового вида связи - массовой радиотелесвязи, т. е. нового вида услуг. Уже сейчас абонентский терминал сотовой сети - сотовый радиотелефон - признается многими зарубежными экспертами первичным терминалом, которым абонент пользуется как в стационарном состоянии (дома, на службе), так и в движении. Широкое внедрение портативных Сотовых Радио Телефонов в перспективе позволит обеспечить каждого человека персональным телефоном со своим индивидуальным номером.

Создание систем массовой радиотелесвязи с большим числом подвижных абонентов, большой пропускной способностью и высоким качеством приема сообщений возможно только при использовании сотового принципа построения системы связи. Этим и объясняется повышенный интерес к сотовым сетям.

Использование сотовой связи широким кругом потребителей в отраслях транспорта, связи, энергетики, строительства, сферы обслуживания, ремонта и др. приносит существенный экономический эффект.

Система сотовой связи строится в виде совокупности ячеек (сот), покрывающих обслуживаемую территорию. Ячейки обычно схематически изображают в виде правильных шестиугольников. В центре каждой ячейки находится базовая станция (БС), обслуживающая все подвижные станции (ПС) в пределах своей ячейки. При перемещении абонента из одной ячейки в другую происходит передача его обслуживания от одной БС к другой. Все БС соединены с центром коммутации (ЦК) подвижной связи по выделенным проводным или радиорелейным каналам связи. С центра коммутации имеется выход на ТфОП. На рисунке приведена упрощенная функциональная схема, соответствующая описанной структуре системы.

Состав сети сотовой подвижной связи

Система сотовой связи может включать более одного ЦК, что может быть обусловлено эволюцией развития сети или ограниченностью емкости коммутационной системы. Например, возможна структура системы с несколькими ЦК, один из которых условно можно назвать головным, шлюзовым или транзитным.

В простейшей ситуации система содержит один ЦК, при котором имеется домашний регистр, и она обслуживает относительно небольшую замкнутую территорию, с которой не граничат территории, обслуживаемые другими системами. Если система обслуживает большую территорию, то она может содержать два или более ЦК, из которых только при "головном" имеется домашний регистр, но обслуживаемая системой территория по-прежнему не граничит с территориями других систем. В обоих этих случаях при перемещении абонента между ячейками одной системы происходит передача обслуживания, а при перемещении на территорию другой системы - роуминг. Если система граничит с другой сотовой системой связи, то при перемещении абонента из одной системы в другую имеет место межсистемная передача обслуживания.

Сеть сотовой связи с двумя центрами коммутации

Следует отметить возможность создания сотовой сети без значительных начальных капитальных затрат. Сначала сотовые сети создаются с крупными рабочими зонами (радиус зон порядка 10 км) и относительно небольшим числом абонентов. По мере поступления доходов и роста числа абонентов размеры зон уменьшаются, и увеличивается абонентская база системы. При этом постоянно наращивается объем типового оборудования базовых станций, АТС и центральной станции за счет доходов от использования сотовых сетей действующими абонентами. Поэтому первоначальные капитальные затраты могут быть значительно меньше полных затрат, приходящихся на максимальное число абонентов.