Аверянов Основы современной информатики 2007

шум от естественных источников (галактико-солнечный, земной, атмосферный шумы), а также искусственные помехи от различных электронных устройств. При частотах свыше 10 ГГц сигнал значительно затухает из-за атмосферного поглощения и осадков.

Спутник связи – революционная технология, сравнимая по важности с оптическим волокном. Среди наиболее важных применений спутниковой связи можно указать: передачу телевизионных сигналов, междугороднюю-международную связь, частные коммерческие сети.

Конфигурация систем спутниковой связи зависит от типа искусственного спутника Земли, вида связи и параметров земных станций.

Основной характеристикой спутника является орбита, на которой он находится. По степени удаленности от Земли они различаются на геостационарные – 35838 км, низкие околоземные орбиты – от 320 до 1100 км и средние околоземные – 8000 – 1200 км

(рис. 9.3).

Рис. 9.3. Орбиты спутников (не в масштабе)

Еще одной разновидностью орбит, используемых спутниками связи «Молния», в определенной степени оптимальных в обеспечении надежной коммуникации в России, является высокая эллиптическая орбита с периодом обращения 12 ч, наклонением 63°, высотой апогея в северном полушарии в 40000 км.

Движение спутника в области апогея замедляется, при этом длительность радиовидимости составляет 6 – 8 ч. Преимуществом данного типа орбит является большой размер зоны обслуживания

301

при охвате большей части северного полушария. К недостаткам можно отнести необходимость слежения антенн за медленно дрейфующим спутником и их переориентирования с заходящего спутника на восходящий.

Уникальной является геостационарная орбита – круговая орбита, расположенная в плоскости экватора с периодом обращения 24 ч. Орбита синхронна с вращением Земли, поэтому спутник оказывается неподвижным относительно земной поверхности. Безусловным достоинством геостационарных спутников является большая зона обслуживания, составляющая около трети земной поверхности. Трех спутников достаточно для обеспечения почти глобальной связи, антенны на земных станциях не требуют системы слежения. Однако в северных широтах спутник виден под малым углом к горизонту и вовсе не виден в приполярных областях. К тому же в виду большой удаленности спутника сигнал сильно ослабевает и имеет вполне ощутимую, даже при телефонных разговорах, задержку (до 0,5 с) при прохождении в оба конца.

Большую популярность приобрели спутники, использующие низковысотные круговые орбиты, плоскости которых наклонены (под разными углами) к плоскости экватора и имеющие ряд важных достоинств. Запуск таких спутников осуществляется с недорогих пусковых установок, нет проблем с ослаблением сигнала (что важно для мобильных и персональных терминалов) и его задержкой. Однако скорость вращения спутника относительно поверхности Земли достаточно велика: в результате длительности сеанса от восхода спутника до его захода не превышает нескольких десятков минут, поэтому требуется много спутников для глобальной связи. Так, компанией Motorolla была предложена в 1987 г. система Iridium, которая была введена в строй в 1988 г. и состояла из 66 спутников (системой Iridium владеет международной консорциум Iridium Inc). Правда, малая зона обслуживания одним спутником имеет и положительную сторону, поскольку позволяет экономить частотный диапазон (зона связи отдельных спутников находится на значительном удалении, что позволяет повторно использовать одни и те же частоты для различных абонентов, что значительно повышает эффективность использования каналов связи). К числу недостатков низкоорбитальных спутников следует отнести влияние эффекта

302

Доплера – изменение частоты принимаемого сигнала от скорости движущегося объекта.

Взависимости от назначения системы спутниковой связи и типа наземных станций регламентом Международного союза электросвязи различаются следующие службы:

фиксированная спутниковая служба для связи между станциями, расположенными в определенных фиксированных пунктах, а также распределение телевизионных программ.

подвижная спутниковая служба для связи между подвижными станциями, размещенными на транспортных средствах (самолетах, морских судах, автомобилях и т.д.);

радиовещательная спутниковая служба для непосредственной передачи радио- и телевизионных программ на терминалы, находящиеся у абонентов.

На начальном этапе фиксированная спутниковая служба развивалась в направлении создании систем магистральной связи с применением крупных наземных станций с диаметром зеркала антенн порядка 12 – 30 м. В настоящее время функционирует более 50 таких систем. Это отечественные системы «Молния 3», «Радуга», «Горизонт». Международные системы: Intelsat и Eutelsat. Развитие таких систем идет в направлении увеличения срока службы искусственных спутников, повышения точности их удержания на орбите, разработки и совершенствования многолучевых антенн, а также возможности работы на антенны земных станций малого диаметра

(1,2 – 2,4 м) – система VSAT.

Всилу международного характера работы транспорта для его управления создаются международные системы глобальной спутниковой связи, например система морской спутниковой связи Inmarsat, которая введена в действие с 1982 г. Она содержит геостационарные спутники, расположенные над Атлантическим, Индийским и Тихим океанами; береговые станции, установленные на различных континентах; разветвленную сеть судовых станций различных стандартов. В настоящее время системой Inmarsat пользуются более 15 тыс. судов. В рамках организации Inmarsat решаются проблемы создания системы авиационной спутниковой связи.

Впоследнее время в связи с технологическими успехами в микроэлектронике, разработке лазерных линий межспутниковой связи

ит.п. большой интерес проявляется к использованию легких низ-

303

колетящих искусственных спутников Земли, что оказывается экономически целесообразно. Примером такой системы служит, упоминавшийся ранее, международный проект Iridium, возглавляемый фирмой Motorola. Эту систему предполагалось использовать и для поддержки системы сотовой связи стандарта GSM. Однако пока эта система не имеет коммерческого успеха, и ее существование остается под вопросом.

Международный телекоммуникационный союз утвердил международный стандарт спутникового TV вещания в диапазоне 12 ГГц (НТВ-12). В планах зафиксированы точки стояния спутников, номера частотных каналов, параметров бортовой передающей аппаратуры для различных стран. Так, для спутников бывшего

СССР выделено пять точек стояния: 22°; 44°; 74° и 140° восточной долготы. Для непосредственного телевизионного вещания используется более 100 спутников, среди которых TV-SAT-1; TV-SAT-2; TDF-2; TELEX и др.

Для широкого внедрения непосредственного телевизионного вещания требуются многопрограммные спутники с несколькими десятками программ с тем, чтобы, приобретая сравнительно дорогое приемное оборудование, абонент (зритель) мог бы значительно расширить свой телевизионный выбор. В этой связи актуальны работы в области цифрового сжатия телевизионных изображений, позволяющие передавать в одном частотном стволе до 6 – 10 программ одновременно.

9.4.Системы подвижной радиосвязи

Внастоящее время доминирующее положение на рынке подвижной радиосвязи занимают:

профессиональные (частные) системы подвижной радиосвязи

(PMR – Professional Mobil Radio, PAMR – Public Access Mobile Radio);

системы персонального вызова (Paging System);

системы сотовой подвижной радиосвязи (Cellar Radio System); системы беспроводных телефонов.

Безусловно, наибольший интерес представляют системы сотовой связи, которые буквально произвели революцию в телефонии, приобрели массовый характер, активно включаясь в системы пере-

304

дачи данных и ГВС. Однако чтобы понять причины появления этих систем и их принципиальные особенности, необходимо, хотя бы кратко, остановиться на профессиональных (частных) системах подвижной связи, которые, можно сказать, были прародителями сотовых систем, поскольку исторически они появились первыми. Часть этих систем, обеспечивающих взаимодействия с телефонными сетями общего пользования, получила названия частных (PAMR), а не обеспечивающих такого взаимодействия – профессиональных (PMR), т.е. обеспечивающих связью замкнутую группу абонентов.

Рис. 9.4. Структура профессиональных (частных) систем подвижной радиосвязи

Впервых профессиональных системах передатчик и приемник проектировались для работы на определенной фиксированной частоте, каждый радиоканал был закреплен за сравнительно небольшой группой абонентов (рис. 9.4, а). Если число абонентов превышало возможности одного канала, образовывали другую группу, за которой закрепляли другой радиоканал.

Всистеме с общедоступным пучком каналов (транкинговые системы – рис. 9.4, б) всем абонентам доступна группа каналов. При поступлении вызова за парой абонентов закрепляется один из

305

свободных каналов. После отбоя канал освобождается и может быть предоставлен любой другой паре абонентов, технически это реализуется различными способами.

Пропускная способность системы с общедоступным пучком каналов существенно выше пропускной способности системы с закрепленными каналами.

Сети профессиональной радиосвязи проектируются по аналогии с вещательными системами: достаточно мощный передатчик работает через высоко подвешенную антенну, охватывая территорию в пределах прямой видимости радиусом 40 – 50 км. При этом на площади обслуживания в 5 – 8 тыс. кв. км абонентам может быть доступно несколько десятков радиоканалов.

На транкинговом принципе действия, начиная с 60-х годов прошлого столетия, был создан ряд как отечественных, так и зарубежных систем подвижной связи, которые модернизируются и используются по настоящее время, применяя различные стандарты.

Общей тенденцией развития профессиональных систем подвижной радиосвязи является переход от аналоговых корпоративных и национальных стандартов к цифровым международным стандартам с обеспечением конфиденциальности связи и роуминга абонентов. Внедрение общеевропейского стандарта на транкинговые системы подвижной радиосвязи TETRA началось в Европе в конце 90-х годов 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, в Москве 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 250 радиоканалов.

Проблему организации подвижной связи для густонаселенных районов удалось решить путем построения подвижной связи по сотовому принципу. Этот принцип является основой современной всемирной мобильной телефонии.

Система сотовой подвижной радиосвязи использует большое число маломощных передатчиков, которые предназначены для об-

306

служивания только сравнительно небольшой зоны (радиусом 1 – 2 км). Эти небольшие зоны покрытия называют сотами. Такая организация предполагает, 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 50 км на 25 ячеек радиусом 10 км с организацией в каждой ячейке по 10 радиоканалов с одним и тем же набором частот.

Из-за недопустимого большого уровня взаимных помех ячейки с одинаковым набором частот необходимо перемежать буферными ячейками с другим набором частот. Группа ячеек с одинаковым набором частот называется кластером.

Мобильные телефонные системы можно разделить на поколения. Системы первого поколения основаны на передаче аналогового сигнала путем частотной модуляции. Они были рассчитаны в основном на обслуживание абонентов в рамках национальных границ.

Из-за растущей популярности систем первого поколения и, соответственно, усиления конкурентной борьбы за доступные частоты возникала потребность в других системах, более эффективно использующих спектр сигнала. Эта задача была решена системами второго поколения, в которых применялись цифровые технологии и методы множественного доступа с временным разделением

(TDMA – Time Division Multiple Access) или множественный доступ с кодовым разделением (CDMA – Code Division Multiple Access). Третье поколение мобильных телефонных систем призвано объединить многочисленные системы второго поколения единым стандартом.

Рассмотрим принцип работы и структуру системы сотовой связи на примере наиболее простой, разработанной в США в 1987 г. сис-

темы первого поколения AMPS (Advanced Mobile Phone Service –

перспективная мобильная телефонная связь), в которой используются все основные функциональные блоки любой системы сотовой связи следующих поколений. На рис. 9.5 представлена схема функционирования системы AMPS, разработанная компанией AT&T в 80-х годах и в дальнейшем получившая распространение в Северной и Южной Америке, Австралии и Китае.

307

Рис. 9.5. Схема функционирования системы AMPS

Под систему AMPS (в Северной Америке) выделено два частотных диапазона шириной по 25 МГц. Один для передачи от базовой станции к мобильному телефону (869-894), другой для передачи от мобильного телефона к базовой станции (824-849). Каждый из этих диапазонов поделен пополам по 12,5 МГц и предоставляется двум различным операторам (с целью конкуренции на рынке присутствуют два оператора связи), т.е. каждому оператору выделяется по 12,5 МГц в каждом направлении. Эта полоса частот разбивается на каналы, каждому каналу выделяется полоса частот 30 кГц, таким образом, весь диапазон разделяется на 416 каналов. Двадцать один канал требуется под управление, в результате для телефонных разговоров остается 395 каналов. В большинстве случаев 395 каналов явно недостаточно. В связи с этим в системе AMPS реализована одна из основополагающих идей сотовой связи – многократное использование одних и тех же частот, т.е. их пространственное распределение. В качестве идеализированного примера многократного использования частоты на рис. 9.5 представлено гексагональное мозаичное разбиение территории на соты. В каждой соте установ-

308

лен один приемопередатчик (базовая станция). Мощность сигнала станции тщательно контролируется, чтобы обеспечить устойчивую связь в пределах соты и в то же время максимально снизить интерференцию от телефонных сигналов в соседних сотах. Как правило, каждой соте назначается от 10 до 50 частот в зависимости от ожидаемого трафика. Между сотами с одинаковыми частотами располагаются промежуточные соты (использующие другой диапазон частот). Возможны различные варианты решения вопроса о числе промежуточных сот и схемы распределения частот. Со временем, по мере того как разработанной схемой начинает пользоваться все большее количество клиентов, количество частот, выделяемых одной соте, может оказаться недостаточным. В этом случае прежние соты могут дополнительно разбиваться на соты меньшего размера. Как правило, используются соты с изначальным размером в 6,5 – 13 км. Соты меньшего размера могут быть разбиты на еще более мелкие. Однако размер сот в 1,5 км близок к минимальному. На практике распределение трафика и топографические характеристики не являются однородными. 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. Правда, использование сравнительно небольших сот усугубляет проблему поддержания непрерывной связи.

При движении по непрерывному маршруту объект системы 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. Кроме того, для сот меньшего размера необходимо снизить мощность сигнала внутри соты.

Благодаря непрерывным изменениям уровней сигналов, поступающих в центр коммутации подвижной связи базовых станций, ближайших к движущемуся объекту, система может определить момент пересечения 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 эстафет-

309

ной передачи (haudover), 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. Хорошо управляемая система способна поддерживать несколько десятков тысяч одновременных телефонных разговоров.

У каждого мобильного телефона стандарта AMPS есть три идентификатора. Электронный порядковый номер представляет 32-разрядный аппаратный идентификатор, назначаемый мобильному телефону его производителем. Системный идентификационный номер представляется собой 15-разрядный код, идентифицирующий системного оператора, к которому относится мобильный телефон. С его помощью система может выявлять мобильные телефоны, работающие за пределами обслуживания системного оператора, абонентом которого является владелец данного телефона. Работу мобильного телефона за пределами зоны обслуживания своего системного оператора называют «роумингом» (от английского слова rouming – бродяжничество). Для мобильных телефонов, работающих за пределами обслуживания своего системного оператора, должны выполняться специальные процедуры авторизации. Наконец, у мобильного телефона есть мобильный идентификационный номер, являющийся 34-разрядным идентификатором, представляющим 10-значный номер мобильного телефона.

Базовый приемопередатчик поддерживает дуплексную связь с мобильным устройством. Все базовые приемопередатчики соединены с коммутатором мобильной телефонной системы, как правило, радиоканалом СВЧ-диапазона или кабелем.

Коммутатор мобильной телефонной системы (Mobile Switching Center, MSC) представляет собой управляющий и контролирующий элемент сети AMPS. Он решает следующие задачи:

осуществляет коммутирующие функции в мобильной сети (например, передачу мобильного телефона от одной соты к другой);

координирует обратную связь; занимается сбором данных для учета средств на счету абонента; тестирует систему и следит за ней;

310